CN220445390U - 复合探测自动动态仿形对焦辅助校准激光切割装置 - Google Patents

Abstract

复合探测自动动态仿形对焦辅助校准激光切割装置,机体下部安装仿形微调台(4)，在仿形微调台(4)上方的机体上安装可调集成模组(5)，在可调集成模组(5)上安装工作激光头(7)、同步测瞄激光头(9)和红外测温仪(10)，在仿形微调台(4)斜上方即可调集成模组(5)旁的机体上安装辅助测瞄激光头(11)。集成焦点调节方法和工件底部的仿形微调台同步起伏配合，在保持尽可能压缩最小正负焦距变化范围的基础上实现0焦距调焦，对误差有效的进行精确控制，保证连续自动对焦的一致性，使切割线刀口最小化、均匀化，切口光滑平整，切缝窄至0.1mm～0.3mm；切割速度快，经济省时。

Description

复合探测自动动态仿形对焦辅助校准激光切割装置

技术领域

本实用新型属于IPC分类B23K26/00用激光束加工局部加热切割的对正瞄准或聚焦技术领域，尤其涉及一种对激光切割工作面多角度、多光束或多种探测校准综合对焦辅助装置的结构创新改进技术。

背景技术

激光切割作业中的焦点位置控制技术，尤其是控制焦点相对于被切材料表面的位置十分重要。激光切割的优点之一是光束的能量密度高，一般10W/cm2。由于能量密度与面积成反比，所以焦点光斑直径尽可能的小，以便产生一窄的切缝；同时焦点光斑直径还和透镜的焦深成正比。聚焦透镜焦深越小，焦点光斑直径就越小。顾虑到切割质量、切割速度等因素，原则上6mm的金属材料，焦点在表面上；6mm的碳钢，焦点在表面之上；6mm的不锈钢，焦点在表面之下。

激光切割机在切割过程中，光束经切割头的透镜聚焦成一个很小的焦点，使焦点处达到高的功率密度，其中切割头固定在z轴上。这时，光束输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分热量，材料很快被加热到熔化与汽化温度，与此同时，高速气流从同轴或非同轴侧将熔化及汽化了的材料吹出，形成材料切割的孔洞。激光切割加工随着光束与工件相对位置的移动，最终使材料形成切缝，从而达到切割的目的。

随着焦点与材料的相对运动，使孔洞形成连续的宽度很窄的切缝，完成材料的切割。由于高斯光束呈“锥形”和光波的衍射作用，当光路长度变化时，作用在透镜表面的光束直径时刻发生着变化，这就会引起焦点大小和焦点深度的变化，但对焦点位置的影响很小。如果焦点大小和焦点深度在连续加工中发生变化，必然会对加工产生很大影响，比如，会造成切割缝宽度不一致、在相同切割功率下会割不透或烧蚀板材等。

目前，在工业生产中调焦校准确定焦点位置的简便方法包括：

(1)打印法：使切割头从上往下运动，在塑料板上进行激光束打印，打印直径最小处为焦点。

(2)斜板法：用和垂直轴成一角度斜放的塑料板使其水平拉动，寻找激光束的最小处为焦点。

(3)蓝色火花法：去掉喷嘴，吹空气，将脉冲激光打在不锈钢板上，使切割头从上往下运动，直至蓝色火花最大处为焦点。

(4)在CO₂激光器的输出端加一平行光管进行扩束处理，扩束后的光束直径变大，发散角变小，使在切割工作范围内近端和远端聚焦前光束尺寸接近一致。

(5)在切割头上增加一独立的移动透镜的下轴，它与控制喷嘴到材料表面距离(stand off)的Z轴是两个相互独立的部分。当机床工作台移动或光轴移动时，光束从近端到远端F轴也同时移动，使光束聚焦后光斑直径在整个加工区域内保持一致。

(6)金属反射控制聚焦镜系统的水压。若聚焦前光束尺寸变小而使焦点光斑直径变大时，自动控制水压改变聚焦曲率使焦点光斑直径变小。

(7)飞行光路切割机上增加x、y方向的补偿光路系统。即当切割远端光程增加时使补偿光路缩短；反之，当切割近端光程减小时，使补偿光路增加，以保持光程长度一致。

激光焊接是一种常用焊接技术，用于加工焊接塑料制品和切割焊接金属制品等。由激光发生机构和激光头构成。具体操作过程中，激光头与加工件需要精确位置定位；激光头与加工件定位的过程中，需要对激光头与加工件进行精确定位调试。相关专利申请有所公开：中国专利申请CN212239602U涉及一种激光对焦定位装置，包括激光头(1)和激光位移传感器(4)，所述激光头(1)和激光位移传感器(4)可调式连接，所述的可调式连接具体是指还包括升降调节板(14)、固定螺丝(2)、固定支架和角度调节螺丝(3)，所述升降调节板(14)上设有条孔，所述固定螺丝(2)穿过条孔与激光头(1)螺接，所述固定支架(5)与升降调节板(14)转动配合，所述激光位移传感器(4)安装在固定支架(5)上，所述角度调节螺丝(3)的一端与激光位移传感器(4)连接，另一端与升降调节板(14)螺接。

目前，传统的激光切割机主要是针对普通二维的切割，而多不便于切割非平面的板材，由于激光头无法随着产品的高度变化而变化，无法保持焦距始终一致，由此导致切割产品的废品率较高。改进技术通常采用红点大小和影像清晰度的方式来调试激光头与工件位置。调试难度往往非常大，需消耗大量的时间进行调试。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于如何便捷经济地解决调试激光头与工件位置，准确定位激光焦点，以保持加工激光束光程和烧蚀温度。

针对上述问题及技术需求，本实用新型提出一种复合探测自动动态仿形对焦辅助校准激光切割装置，以简洁实现所需研究目的和功能，有效解决现有设备激光对焦定位中存在的对焦困难。

为此，本实用新型包括：机体以及安装在其上的仿形微调台、可调集成模组、工作激光头、同步测瞄激光头、红外测温仪和辅助测瞄激光头。机体下部安装仿形微调台，在仿形微调台上方的机体上安装可调集成模组，在可调集成模组上安装工作激光头、同步测瞄激光头和红外测温仪，在仿形微调台斜上方即可调集成模组旁的机体上安装辅助测瞄激光头。

其中，所述仿形微调台安装在工作台上侧。可调集成模组通过动力箱安装在主工作箱上。辅助测瞄激光头安装在辅助工作箱上。在主工作箱上安装人机交互界面。

为实现上述目的，本实用新型进一步设置为：

尤其是，同步测瞄激光头和辅助测瞄激光头为半导体激光瞄准器。

尤其是，工作激光头为扩散冷却板条式CO₂激光器。

尤其是，同步测瞄激光头和辅助测瞄激光头为半导体激光瞄准器。

尤其是，红外测温仪优选美控MIK-AS-10短波红外温度传感器，或者，雷泰Compact及MI3系列微型红外测温传感器。

通过采用上述技术方案，本实用新型与现有技术相比获得的有益效果是：通过多组复合模式传感器对工作参数进行调试，不用接触产品即可自动调节焦距，在工件底部设置的仿形微调台在线同步起伏微调配合下，对误差有效的进行精确控制，满足激光对焦精度的要求，保证连续自动对焦的一致性，使切割线刀口最小化、均匀化，切口光滑平整，无需后续加工；切缝窄至0.1mm～0.3mm；无剪切毛刺；切割速度快，加工精度高，降低加工成本，结构设计合理，实用性很强，经济省时。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本实用新型的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本实用新型进行任何限制。

图1为本实用新型实施例1结构示意图。

图2为本实用新型实施例2结构示意图。

附图标记包括：

1-工作台、2-主工作箱、3-辅助工作箱、4-仿形微调台、5-可调集成模组、6-工件、7-工作激光头、-8动力箱、9-同步测瞄激光头、10-微波测温头、11-辅助测瞄激光头、12-人机交互界面、13-仿形监测控制箱、14-中央控制器。

具体实施方式

本实用新型原理在于，激光切割精度是判断数控激光切割机质量好坏的第一要素。影响数控激光切割机的切割精度的四大因素：一是激光发生器的激光凝聚的大小。聚集之后如果光斑非常小，则切割精度非常高，要是切割之后的缝隙也非常小。则说明激光切割机的精度非常之高，品质则非常高。但激光器发出的光束为锥形，所以切出来的缝隙也是锥形。这种条件下，工件厚度越大，精度也就会越低，因此切缝越大。二是工作台的精度。工作台的精度如果非常高，则让切割的精度也随之提高。因此工作台的精度也是衡量激光发生器精度的一个非常重要的因素。三是激光光束凝聚成锥形。切割时，激光光束是以锥形向下的，这时如果切割的工件的厚度非常大，切割的精度就会降低，则切出来的缝隙就会非常大。四是切割的材料不同，也会影响到激光切割机的精度。在同样的情况下，切割不锈钢和切割铝其精度就会非常不同，不锈钢的切割精度就会高一些，而且切面也会光滑一些。一般大功率CO₂激光切割机工业应用中广泛采用5"～7.5"(127～190mm)的焦距。实际焦点光斑直径在0.1～0.4mm之间。

一、激光切割机的三种焦点控制方式

1.切割焦点在工件表面：这种调焦模式也被称为0焦距。一般需要根据实际情况中材料上表面和下表面的加工要求来决定。贴近焦点的切割面相对比较光滑，而远离切割机焦点的下表面则显得比较粗糙。

2.切割焦点在工件上面：这种调焦模式我们也称之为负焦距。切割焦点位于切割材料的上方，主要用来切割厚度高的材质，但是切割面比较粗糙。

3.切割焦点在工件里面：这种调焦模式也被称为正焦距，主要用于硬度大的材质，如不锈钢或铝材等。由于焦点远离切割材料的切割表面，切割穿孔时间稍长，所以需要的切割气流要大，温度也要足。

二、激光切割机焦点调节方法

1.于加工前根据材料选择焦距的位置：一般在加工前根据材料选择焦点控制方式。对于硬度大的材料，可将焦点控制在工件内部，而对于较薄的材料，焦点则应在材料表面。

2.调节光斑大小：为了精确地控制激光的焦距，应调节光斑大小。通常使用光学镜片进行调节。当光斑大小适当时，焦点位置就比较容易调节到合适的位置。

3.使用自动调焦系统：现在越来越多的激光切割机采用自动调焦系统，该系统通过光学传感器实现焦点的自动控制。这种方式在保持焦点位置稳定的同时提高了工作效率。

在本实用新型中，为提高激光切割机的工作效率和加工质量，并尝试推广适用于不同的材料和加工要求，完整的技术方案，旨在集成焦点调节方法和工件底部的仿形微调台同步起伏配合，在保持尽可能压缩最小正负焦距变化范围的基础上实现0焦距调焦，以确保切割质量和效果。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型包括：机体以及安装在其上的仿形微调台4、可调集成模组5、工作激光头7、同步测瞄激光头9、红外测温仪10和辅助测瞄激光头11。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

参选以下本实用新型的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本实用新型的内容。除非另有限定，所有技术以及科学术语具有与本实用新型所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。

实施例1：如附图1所示，机体下部安装仿形微调台4，在仿形微调台4上方的机体上安装可调集成模组5，在可调集成模组5上安装工作激光头7、同步测瞄激光头9和红外测温仪10，在仿形微调台4斜上方即可调集成模组5旁的机体上安装辅助测瞄激光头11。工件6固定在仿形微调台4上侧。仿形微调台4安装在工作台1上侧。可调集成模组5通过动力箱8安装在主工作箱2上。辅助测瞄激光头11安装在辅助工作箱3上。

前述中，在主工作箱2上安装人机交互界面12。

本实用新型实施例中，主工作箱2、辅助工作箱3基于本领域通用技术设计，也可选用市售设备，其中包括数据处理、数据存储、通信，人机交互设备、电源等部件。同样的，工作台1、可调集成模组5和动力箱8采用已经公开的现有技术及可以实现。需要指出的是，基于本实用新型面对的技术问题，仿形微调台4虽然在升降微动精度和速度上要求较高外，还需要较好的通信性能，优选微小距离的阻抗检测的高精度升降装置，比如自动升降平台LO-AZN10-50，采用剪型升降支撑，双导轨五轴过定位机构，采用精密研配丝杠驱动，步进电机和丝杆通过高品质弹性联轴节连接，具有限位功能，初始零位功能，可换装伺服电机，加装旋转编码器，传动同步消偏性能好，偏心扰动且噪音极低，运动平稳快捷流畅，承载大，可以任意升降且空回极小，可与其他种类台子组成多维电动调整台。

本实用新型实施例中，工作激光头7优选扩散冷却板条式CO₂激光器。切割缝细：激光切割的割缝一般在0.10mm-0.20mm；2)切割面光滑：激光切割的切割面有无毛刺法；一般来说，YAG激光切割机多少都有点毛刺，主要由切割厚度和使用气体来决定的。一般3mm以下是没有毛刺的，气体是氮气效果最好，氧气效果其次，空气效果最差。光纤激光切割机毛刺最少或没有，切割面非常光滑，速度也很快。激光切割的温度的上限为1600度，激光切割是用聚焦镜将CO₂激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝。

本实用新型实施例中，同步测瞄激光头9和辅助测瞄激光头11为半导体激光瞄准器。所述激光瞄准器优选高性能激光测距传感器OM70-P/L，能确保非常可靠的测量难测表面，测量距离达1700mm，线性误差低至±0.06％，测量频率高达2.5kHz，RS485串口或支持OPC UA、PROFINET、Modbus、UDP Streaming和EtherNet/IP协议的Ethernet接口。这种瞄准具一般使用肉眼不可见的红外线激光，使用时目标上会产生一个非常小的红色激光点，该激光点瞄准工作激光头7在工件6上的聚焦照射的烧蚀位置。

本实用新型实施例中，红外测温仪10优选美控MIK-AS-10短波红外温度传感器。或者，雷泰Compact及MI3系列微型红外测温传感器，测温范围：-40℃～1800°C，体积小，便于安装，宽广的量程范围能满足大多数设备集成需求。

本实用新型实施例中，人机交互界面12对工作过程进行显示，同时可对焊接过程中的数据进行实时监控。除此之外，人机交互界面12还具备包括工件6加工材料质地以及加工工作面参数设定调节，工作模式选择，设备管理等在内的常用显示功能。

本实用新型实施例中，值得注意的是，可调集成模组5、工件6之间的初始位置设定调节以及工作过程中的相对三维移动由工作台1和动力箱8共同完成。

本实用新型实施例中，可调集成模组5通过动力箱8驱动，与工作台1及仿形微调台4配合完成工作前对工件6的初始调焦，同时，也据此设定和调节完成辅助测瞄激光头11以及辅助工作箱3的工作位置，保持工作激光头7和同步测瞄激光头9的激光束焦点汇聚在工件6工作面上，而且，红外测温仪10和辅助测瞄激光头11测瞄位置集中并能够准确跟随该激光束焦点。

实施例2：在实施例1的基础上，如附图2所示，工作台1、主工作箱2、辅助工作箱3和仿形微调台4与中央控制器14连接。

前述中，进一步的，仿形微调台4与仿形监测控制箱13连接，仿形监测控制箱13与主工作箱2连接。

本实用新型实施例中，仿形微调台4在仿形监测控制箱13具体控制下，在中央控制器14统一控制下，根据预设路径和工作面实时监测数据，协同可调集成模组5进行起伏微动仿形，切割缝起伏变化时，补偿激光束光程精度。

本实用新型实施例中，可调集成模组5工作时，辅助测瞄激光头11与同步测瞄激光头9通过焦点汇聚夹角精确定位激光切割点位置和深度，红外测温仪10随时感应工作点实时温度进一步，在多模式辅助测控下，工作激光头7的工作激光束准确跟随同步测瞄激光头9的测瞄激光束聚焦工作，结合仿形微调台4同步仿形升降微动，以保持激光束在工件6的不同位置和深度的加工点上0焦距调焦精确。

本实用新型通过以上实施例对技术方案的内容进一步详细说明，需要注意的在于，不能因此错误的认为本实用新型只局限于此。在本实用新型所属技术领域中，普通技术人员在不脱离本实用新型的总体构思的前提下，还可能在不经过创造性工作的前提下很容易做出若干简单的推演或替换技术方案，这些都应当视为属于本实用新型所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (6)

1.复合探测自动动态仿形对焦辅助校准激光切割装置,包括机体以及安装在其上的仿形微调台(4)、可调集成模组(5)、工作激光头(7)、同步测瞄激光头(9)、红外测温仪(10)和辅助测瞄激光头(11)；其特征在于，机体下部安装仿形微调台(4)，在仿形微调台(4)上方的机体上安装可调集成模组(5)，在可调集成模组(5)上安装工作激光头(7)、同步测瞄激光头(9)和红外测温仪(10)，在仿形微调台(4)斜上方即可调集成模组(5)旁的机体上安装辅助测瞄激光头(11)；所述仿形微调台(4)安装在工作台(1)上侧，可调集成模组(5)通过动力箱(8)安装在主工作箱(2)上；在主工作箱(2)上安装人机交互界面(12)；辅助测瞄激光头(11)安装在辅助工作箱(3)上。

2.根据权利要求1所述的复合探测自动动态仿形对焦辅助校准激光切割装置，其特征在于，所述工作台(1)、主工作箱(2)、辅助工作箱(3)和仿形微调台(4)与中央控制器(14)连接。

3.根据权利要求1所述的复合探测自动动态仿形对焦辅助校准激光切割装置，其特征在于，同步测瞄激光头(9)和辅助测瞄激光头(11)为半导体激光瞄准器。

4.根据权利要求1所述的复合探测自动动态仿形对焦辅助校准激光切割装置，其特征在于，工作激光头(7)为扩散冷却板条式CO2激光器。

5.根据权利要求1所述的复合探测自动动态仿形对焦辅助校准激光切割装置，其特征在于，红外测温仪(10)为美控MIK-AS-10短波红外温度传感器，或者，雷泰Compact及MI3系列微型红外测温传感器。

6.根据权利要求2所述的复合探测自动动态仿形对焦辅助校准激光切割装置，其特征在于，仿形微调台(4)与仿形监测控制箱(13)连接，仿形监测控制箱(13)与主工作箱(2)连接。