CN107138854A - 一种光斑直径和焦点位置可调的激光加工头及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光加工领域，具体的说是一种光斑直径和焦点位置可调的激光加工头及其控制方法。包括外壳，其特征在于：所述外壳内从上至下依次设有激光发射装置、第一光学元器件、第二光学元器件、第三光学元器件、第四光学元器件和保护镜片，所述激光发射装置竖直固定在外壳的顶部，激光发射装置的发射口嵌设在外壳内，所述第一光学元器件的一侧通过第一连接装置连接第一电机，第三光学元器件的一侧通过第二连接装置连接第二电机，第四光学元器件的一侧通过第三连接装置连接第三电机。本发明同现有技术相比，结构简单，使用方便；通过电机调节第四元器件的位置，可以控制聚焦光斑的焦点位置，并且可以保持光斑直径大小不变。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工领域，具体的说是一种光斑直径和焦点位置可调的激光加工头及其控制方法。
背景技术
在激光加工过程中，为应对客户对不同材料和不同厚度工件进行高质量的加工要求，需要精准的控制最终聚焦光斑的大小和焦点位置。基于上述原因，例如在激光在切割金属板材过程中，为了切割相对比较厚的工件， 就需要使聚焦到板材上的聚焦光斑尽量有一个相对较大的直径，并将焦点位置设定到一个适当的位置。与之相反，在加工一个具有相对小的厚度的工件时，就需要对聚焦到工件上的参数进行从新设定，以完成对薄板高质量、高效率的加工。
为了应对上述对激光加工不同工件参数的设定要求，目前大多对应措施是在设备停机后，通过操作人员手工从新进行设定相应的参数。然而，这一加工流程不仅依赖于现场相应的操作人员必须具有相对应的操作经验，还会大大增加工件加工时间并降低整套设备的加工效率。
专利WO2011131541A1公开一种简单的方案，该方案中只有三个光学元器件，整体结构较为简单。但是在这个方案中，调节的过程中能够内部有一个光学实焦点，在高功率激光情况下，该点能量易于急剧增加，可能会使装置内的气体电离，进而影响设备的工作。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，设计一种光斑直径大小和焦点位置可调的激光加工头及其控制方法。
为实现上述目的，设计一种光斑直径和焦点位置可调的激光加工头及其控制方法，包括外壳，其特征在于：所述外壳内从上至下依次设有激光发射装置、第一光学元器件、第二光学元器件、第三光学元器件、第四光学元器件和保护镜片，所述激光发射装置竖直固定在外壳的顶部，激光发射装置的发射口嵌设在外壳内，所述第二光学元器件和保护镜片分别通过左右两侧的连接杆固定在外壳的内侧壁上，所述第一光学元器件的一侧通过第一连接装置连接第一电机，第三光学元器件的一侧通过第二连接装置连接第二电机，第四光学元器件的一侧通过第三连接装置连接第三电机；
控制方法包括如下步骤：1）S1，激光发射装置出射激光光束经过第一光学元器件后汇聚成第一光束；2）S2，第一光束经过第二光学元器件和第三光学元器件后形成不同光束直径的第三光束；3）S3，不同直径的第三光束经过第四光学元器件汇聚后最终聚焦形成相对应的不同光斑直径的光斑；4）S4，通过不同直径的光斑，并且由第四光学元器件调控焦点的不同位置，以此来加工不同类型的工件。
所述第一电机、第二电机和第三电机设在外壳的表面。
所述第一光学元器件为正透镜，第一光学元器件的焦距范围为20-50mm。。
所述第二光学元器件为负透镜。
所述第三光学元器件为正透镜。
所述第四光学元器件为正透镜。
所述步骤2中包括如下步骤：1第一光束经过第二光学元器件后形成发散的第二光束；2第二光束经过第三光学元器件后形成不同光束直径的第三光束。
所述步骤5中获得不同位置的光斑包括如下步骤：1第一电机驱动第一光学元器件沿垂直的光轴方向运动一定距离；2随后第二电机驱动第三光学元器件运动特定的补偿距离；3使第二光束经第三光学元器件汇聚后形成一个特定光束直径的平行光束。
所述步骤5中获得不同的焦点位置包括如下步骤：第三电机驱动第四光学元器件运动，从而获得不同焦点位置的光斑。
本发明同现有技术相比，结构简单，使用方便；通过电机调节第四元器件的位置，可以控制聚焦光斑的焦点位置，并且可以保持光斑直径大小不变。
附图说明
图1为本发明中调控装置在壳体内集成的结构示意图。
图2为本发明调节光斑大小的实施例中元器件在不同位置时的结构示意图。
图3为本发明调节焦点位置的实施例中元器件在不同位置时的结构示意图。
参见图1～图3，其中，1是激光发射装置，2是第一光学元器件，3是第二光学元器件，4是第三光学元器件，5是第四光学元器件，6是保护镜片，7是工件，8是激光光束，9是第一光束，10是第二光束，11是第三光束，12是光斑，13是外壳，14是第一连接装置，15是第二连接装置，16是第三连接装置，17是第一电机，18是第二电机，19是第三电机。
具体实施方式
下面根据附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，所述外壳13内从上至下依次设有激光发射装置1、第一光学元器件2、第二光学元器件3、第三光学元器件4、第四光学元器件5和保护镜片6，所述激光发射装置1竖直固定在外壳13的顶部，激光发射装置1的发射口嵌设在外壳13内，所述第二光学元器件3和保护镜片6分别通过左右两侧的连接杆固定在外壳13的内侧壁上，所述第一光学元器件2的一侧通过第一连接装置14连接第一电机17，第三光学元器件4的一侧通过第二连接装置15连接第二电机18，第四光学元器件5的一侧通过第三连接装置16连接第三电机19；
控制方法包括如下步骤：1）S1，激光发射装置1出射激光光束8经过第一光学元器件2后汇聚成第一光束9；2）S2，第一光束9经过第二光学元器件3和第三光学元器件4后形成不同光束直径的第三光束11；3）S3，不同直径的第三光束11经过第四光学元器件5汇聚后最终聚焦形成相对应的不同光斑直径的光斑12；4）S4，通过不同直径的光斑12，并且由第四光学元器件5调控焦点的不同位置，以此来加工不同类型的工件7。
所述第一电机17、第二电机18和第三电机19设在外壳13的表面。
所述第一光学元器件2为正透镜，并且第一光学元器件2具有小的焦距, 第一光学元器件2的焦距范围为20-50mm。
所述第二光学元器件3为负透镜。
所述第三光学元器件4为正透镜。
所述第四光学元器件5为正透镜。
所述步骤2中包括如下步骤：1第一光束9经过第二光学元器件3后形成发散的第二光束10；2第二光束10经过第三光学元器件4后形成不同光束直径的第三光束11。
所述步骤5中获得不同位置的光斑12包括如下步骤：1第一电机17驱动第一光学元器件2沿垂直的光轴方向运动一定距离；2随后第二电机18驱动第三光学元器件4运动特定的补偿距离；3使第二光束10经第三光学元器件4汇聚后形成一个特定光束直径的平行光束。
所述步骤5中获得不同的焦点位置包括如下步骤：第三电机19驱动第四光学元器件5运动，从而获得不同焦点位置的光斑12。
本发明使用时，激光发射装置1射出激光从上到下首先入射到第一光学元器件2上，光学第一元器件2可以用第一电机17调节相对应的位置；经过第一光学元器件2上后，进入第二光学元器件3，第二光学元器件3位置固定；光学第三元器件4在第二元器件3之下，光学第三元器件4可以用第二电机18调节相对应的位置；激光通过光学第三元器件4后进入第四光学元器件5，光学第四元器件5在光学第三元器件4之下，光学第四元器件5由第三电机19连接，可以进行位置的相对调节；激光经过光学第四光学元器件5后，聚焦到不同后的工件7上。
本发明中在第三光学元器件4和第四光学元器件5之间的光束直径可以在较大的范围上发生改变。
通过控制第四光学元器件5的位置，可以调控最终聚焦光斑12的焦点位置。
激光进入第一光学元器件2后，光束由发散光转化为聚焦光，因此第一光学元器件2选择为正透镜，优选为焦距较小的透镜。但考虑到激光从光纤开始处到第一光学元器件2的距离不能太小，因此第一光学元器件2优选焦距也不能过于小。
为控制在第三光学元器件4和第四光学元器件5之间的光束直径，第一光学元器件2和第三光学元器件4可以沿激光光轴方向上位置发生相对的运动。第一光学元器件2由第一电机17驱动作位置移动，第三光学元器件4也由第二电机18驱动作位置相对移动。
激光进入第二光学元器件3后，光束由聚焦光转化为发散光，因此第二光学元器件3一个特别地优选方式为负透镜。激光经过第一光学元器件2后，光束由发散光转化为聚焦光。当第一光学元器件2移动到一个位置，聚焦光将有一定的发散角。该激光光束经过固定的第二光学元器件3后，光束由聚焦光转化为发散光，有一个的对应发散角。而后，第三光学元器件4移动到一个特定的补偿位置，这个位置使光束的发散角减小，并使其经过第三光学元器件4后可以形成一个对应光束直径的平行光束。
不同直径的平行光经过第四光学元器件5后，平行光转化成集聚光。不同的光束直径平行光经过第四光学元器件5后将拥有不同直径大小的聚焦光斑。
另外，通过第三电机19调节第四光学元器件5的位置，可以控制聚焦光斑的焦点位置，并且可以保持光斑直径大小不变。
实施例1：
本实施例为光斑直径调节的实施例。
如图2（a）所示，激光光束8为一个发散光，入射到第一光学元器件2上，并且依次通过第二光学元器件3。然后该激光光束经过第三光学元器件4准直后形成一个直径为d11的平行激光光束。该平行光束再经过第四光学元器件5后聚焦工件表面，以实现对工件的激光加工，此时聚焦到工件上的激光焦点直径为d12。
在图2（b）中，当设备转换加工工件时，工件的厚度和材料可能会发生改变，例如所需工件的厚度变厚，此时就需要增加聚焦到工件7表面上光斑12的直径d22，需要使d22> d12。为了使聚焦光斑12的直径d22增大，第一电机17将驱动第一光学元器件2沿光轴方向运动Z21距离。作为补偿，第三光学元器件4将在第二电机18的驱动下沿光轴方向运动Z22距离。这时，第二光束10以一个特定的角度入射第三光学元器件4， 经过第三光学元器件4准直后形成一个直径为d21的平行的第三光束11，这里d21<d11。平行的第三光束11）经过第四光学元器件5后聚焦工件表面形成一个直径为d22的光斑12，得到d22>d12。
在图2（c）中，当所需工件的厚度进一步变厚，此时就需要继续增加聚焦到工件7表面上光斑12的直径d32，需要使d32 >d22。为了使聚焦光斑12的直径d32进一步增大，第一电机17将继续驱动第一光学元器件2沿光轴方向运动Z32距离。作为补偿，第三光学元器件4将在第二电机18的驱动下沿光轴方向运动Z33距离。这时，第二光束10以另一个特定的角度入射第三光学元器件4，经过第三光学元器件4准直后形成一个直径为d31的平行的第三光束11，这里d31<d21。平行的第三光束11经过第四光学元器件5后聚焦工件表面形成一个直径为d32的光斑12，得到d32>d22。
实施例2：
本实施例为焦点位置调节的实施例。
如图3（a）所示，激光光束8为一个发散光，入射到第一光学元器件2上，并且依次通过第二光学元器件3、第三光学元器件4准直后形成一个直径为d11的平行激光光束。该平行光束再经过第四光学元器件5后聚焦到工件表面一个特定位置，以实现对工件的激光加工，此时聚焦到工件上的激光焦点直径为d12。
如图3（b）所示，当设备需要转换加工工件时，聚焦焦点的位置可能也需要随之改变，以保证高质量地加工工件材料。为了使聚焦光斑12的直径d12不变，但改变焦点位置，第三电机19将驱动第四光学元器件5沿光轴方向运动Z41距离。第三光束11经过第四光学元器件5后将聚焦工件上另一位置，聚焦光斑相应的焦点位置改变Z42，但光斑大小保持不变。
如图3（c）所示，当设备需要加工的工件再次发生改变是，聚焦焦点的位置可能也需要进一步发生改变，使其也能保证高质量地加工工件材料。为了使聚焦光斑12的直径d12依然保持不变，但改变焦点位置，第三电机19将进一步驱动第四光学元器件5沿光轴方向运动Z51距离。第三光束11经过第四光学元器件5后将聚焦工件上另一个位置，焦点位置将发生Z52的改变，但光斑大小保持不变。
Claims (9)
1.一种光斑直径和焦点位置可调的激光加工头及其控制方法，包括外壳，其特征在于：所述外壳（13）内从上至下依次设有激光发射装置（1）、第一光学元器件（2）、第二光学元器件（3）、第三光学元器件（4）、第四光学元器件（5）和保护镜片（6），所述激光发射装置（1）竖直固定在外壳（13）的顶部，激光发射装置（1）的发射口嵌设在外壳（13）内，所述第二光学元器件（3）和保护镜片（6）分别通过左右两侧的连接杆固定在外壳（13）的内侧壁上，所述第一光学元器件（2）的一侧通过第一连接装置（14）连接第一电机（17），第三光学元器件（4）的一侧通过第二连接装置（15）连接第二电机（18），第四光学元器件（5）的一侧通过第三连接装置（16）连接第三电机（19）；
控制方法包括如下步骤：1）S1，激光发射装置（1）出射激光光束（8）经过第一光学元器件（2）后汇聚成第一光束（9）；2）S2，第一光束（9）经过第二光学元器件（3）和第三光学元器件（4）后形成不同光束直径的第三光束（11）；3）S3，不同直径的第三光束（11）经过第四光学元器件（5）汇聚后最终聚焦形成相对应的不同光斑直径的光斑（12）；4）S4，通过不同直径的光斑（12），并且由第四光学元器件（5）调控焦点的不同位置，以此来加工不同类型的工件（7）。
2.如权利要求1所述的一种光斑直径和焦点位置可调的激光加工头及其控制方法，其特征在于：所述第一电机（17）、第二电机（18）和第三电机（19）设在外壳（13）的表面。
3.如权利要求1所述的一种光斑直径和焦点位置可调的激光加工头及其控制方法，其特征在于：所述第一光学元器件（2）为正透镜，并且第一光学元器件（2）具有小的焦距, 第一光学元器件（2）的焦距范围为20-50mm。
4.如权利要求1所述的一种光斑直径和焦点位置可调的激光加工头及其控制方法，其特征在于：所述第二光学元器件（3）为负透镜。
5.如权利要求1所述的一种光斑直径和焦点位置可调的激光加工头及其控制方法，其特征在于：所述第三光学元器件（4）为正透镜。
6.如权利要求1所述的一种光斑直径和焦点位置可调的激光加工头及其控制方法，其特征在于：所述第四光学元器件（5）为正透镜。
7.如权利要求1所述的一种光斑直径和焦点位置可调的激光加工头及其控制方法，其特征在于所述步骤2中包括如下步骤：1）第一光束（9）经过第二光学元器件（3）后形成发散的第二光束（10）；2）第二光束（10）经过第三光学元器件（4）后形成不同光束直径的第三光束（11）。
8.如权利要求1所述的一种光斑直径和焦点位置可调的激光加工头及其控制方法，其特征在于所述步骤5中获得不同位置的光斑（12）包括如下步骤：1）第一电机（17）驱动第一光学元器件（2）沿垂直的光轴方向运动一定距离；2）随后第二电机（18）驱动第三光学元器件（4）运动特定的补偿距离；3）使第二光束（10）经第三光学元器件（4）汇聚后形成一个特定光束直径的平行光束。
9.如权利要求1所述的一种光斑直径和焦点位置可调的激光加工头及其控制方法，其特征在于所述步骤5中获得不同的焦点位置包括如下步骤：第三电机（19）驱动第四光学元器件（5）运动，从而获得不同焦点位置的光斑（12）。
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