CN116021174A - 一种激光光斑的动态控制方法和激光切割装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光光斑的动态控制方法和激光切割装置，该方法用于在激光切割头进行调试中或激光切割过程中，激光光斑在焦平面内进行X方向和/或Y方向往复运动的同时在Z方向上进行高频振荡，获得指定模式的切口信息。上述方法解决了现有技术中激光的最高能量点无法良好的传递到板材的待加工区域，容易导致激光光束能量利用率低，切割效率低，加工件黏连或切割面质量下降的问题。

Description

一种激光光斑的动态控制方法和激光切割装置

技术领域

本发明涉及激光切割技术，尤其涉及一种激光光斑的动态控制方法和激光切割装置。

背景技术

目前，激光切割利用经聚焦后的高功率密度激光束照射金属板材，使金属板材迅速熔化、气化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现金属板材的切割。与等离子切割、火焰切割、线切割等方法相比，激光切割具有热影响区小，切割速度快，切割质量好等优点，在金属板材切割加工中迅速得到了广泛应用。

在激光加工过程中，光斑的能量和能量在空间上的分布情况对激光加工能力以及速度影响较大，在传统的激光加工技术中，由于激光热量在远离激光焦点时会逐渐衰减，尤其是在厚板加工时，激光束相对于切割头机械本体静止，不会产生相对于激光头机械本体的运动轨迹，因此激光的最高能量点无法良好的传递到板材的待加工区域，容易导致激光光束能量利用率低，切割效率低，加工件黏连或切割面质量下降的问题。

发明内容

（一）要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种激光光斑的动态控制方法和激光切割装置，实现激光光斑以最佳范围的激光能够对待加工区域进行切割，获得符合要求的切割面。

（二）技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明实施例提供一种激光光斑的动态控制方法，所述方法用于激光切割头的调试中或激光切割过程中，激光光斑在焦平面内进行X方向和/或Y方向往复运动的同时在Z方向上进行高频振荡，获得指定模式的切口信息。

可选地，所述动态控制方法包括：

借助于激光切割头的光路中光学组件对光路的光束信息或光斑位置进行调整，使得焦平面内的激光光斑在X方向和/或Y方向往复运动的同时在Z方向上高频振荡；

所述激光光斑的焦平面在Z轴的位置与待切割板材的属性关联。

可选地，Z方向上激光光斑的高频振荡频率为50Hz～1kHz；激光切割过程中，该Z方向上的高频振荡频率固定。

可选地，X方向摆动的范围为±8mm；

Y方向摆动的范围为±8mm；

Z方向振动的范围为±8mm；

X轴的正方向为沿着待切割板材平面的水平方向，Y轴正方向为沿着待切割板材平面的竖直方向，Z轴正方向为垂直XY平面朝向待切割板材平面正上方的方向。

第二方面，本发明还提供一种激光光斑的动态控制方法，所述动态控制方法为对激光切割头内的激光光束的光路进行调整，使得照射在切口区域的激光光斑进行三维动态运动，所述方法包括：

在激光切割头的调试中或激光切割过程中，借助于X轴驱动机构使得激光光斑在焦平面内进行X方向往复运动；和/或，借助于Y轴驱动机构使得激光光斑在焦平面内进行Y方向往复运动；

借助于Z轴调整机构使得激光光斑在Z方向上进行高频振荡，获得指定模式的切口信息；

所述X轴驱动机构、Y轴驱动机构和Z轴调整机构均与所述激光切割头的数控系统电连接。

可选地，Z轴调整机构包括：驱动准直镜组件沿光轴方向振动的压电陶瓷机构/音圈电机机构/电机凸轮机构；

所述数控系统响应使用者的Z方向上高频振荡指令，利用压电陶瓷机构/音圈电机机构/电机凸轮机构驱动准直镜组件沿光轴方向高频振荡。

可选地，X轴驱动机构包括：驱动反射镜组件绕X轴所属的转轴方向旋转的振镜电机偏摆机构；

Y轴驱动机构包括：驱动反射镜组件绕Y轴所属的转轴方向旋转的振镜电机偏摆机构；

所述X轴驱动机构驱动的反射镜组件的转轴与Y轴驱动机构驱动的反射镜组件的转轴相互垂直，且X轴对应的反射镜组件和Y轴对应的反射镜组件相互独立；

所述数控系统响应使用者的X/Y方向上高频振荡指令，利用振镜电机偏摆驱动X/Y轴所属的反射镜组件沿X/Y轴方向高频振荡；

或者，所述X轴驱动机构和Y轴驱动机构为采用一个联动模组驱动X轴所属的反射镜组件或Y轴所属的反射镜组件实现，X轴对应的反射镜组件和Y轴对应的反射镜组件相互独立。

可选地，所述激光光斑的三维动态轨迹为：

x＝tan（a）* L

y＝tan（b）* L；

z＝c*F；

其中，x、y、z为从0焦点位置起三维动态轨迹中每一轨迹点的三维坐标，

角度a为沿X轴所属的电机转轴在XY平面内相对原位置摆动的角度；角度b为沿Y轴所属的电机转轴在YZ平面内相对原位置摆动的角度；

c为控制系统镜片位移参数，L为常数。

F为MAG放大率的平方，F=（聚焦镜焦长/准直镜焦长）²。

可选地，Z方向的振荡频率为50Hz～1kHz，X轴的摆动角度a的范围是±5°，Y轴的摆动角度b的范围是±5°。

第三方面，本发明还提供一种激光切割装置，其包括数控系统，所述数控系统在激光切割装置的调试中或激光切割过程中执行上述第一方面和第二方面任一所述的激光光斑的动态控制方法。

（三）有益效果

本发明实施例的方法借助于激光光斑在X/Y轴往复运动的同时叠加Z轴方向上的高频振荡，使得激光光斑以最佳范围的激光能够对待加工区域进行切割，获得符合要求的切割面。上述方法解决了现有技术中激光的最高能量点无法良好的传递到板材的待加工区域，容易导致激光光束能量利用率低，切割效率低，加工件黏连或切割面质量下降的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的静态光斑和三维动态光斑的对比示意图；

图2为本发明实施例提供的激光切割头内光路的示意图；

图3为本发明实施例提供的激光切割头内光路的另一示意图；

图4为本发明实施例提供的XYZ三轴联动装配体的示意图；

图5为本发明实施例提供的X-Y轴单独摆动单元的示意图；

图6为本发明实施例提供的XY轴联动模组的示意图一；

图7为本发明实施例提供的XY轴联动模组的示意图二；

图8为本发明实施例提供的Z轴跳动组件的示意图。

附图标记：

X轴电机10，X轴振镜11，Y轴电机12，Y轴振镜13，聚焦镜15，入光点16，焦点17，反射镜18、准直镜19；

光纤接口20，Z轴跳动组件21，XY轴平面扫描组件22，传动组件23，气路组件24，Y轴单独摆动单元25，XY轴固定座26，X轴单独摆动单元27，模组水冷28，模组固定座29，联动模组30，镜片31，

音圈电机32，音圈电机内芯33，镜组34，准直或聚焦镜片35。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例一

为便于理解，结合图2和图3对激光切割头内的光路进行说明。

激光器出射的激光束依次经过激光切割头内准直镜19、Y轴振镜13、X轴振镜11、聚焦镜15达到出光口形成待切割板材的三维动态激光光斑。即激光器基于激光切割头内的入光点16发出激光经过准直镜19、反射镜18、Y轴振镜13、X轴振镜11、聚焦镜15在待切割板材区域形成焦点17，该焦点可进行三维动态变化，以快速对板材进行切割。

在实际中，准直镜19、X轴振镜11、Y轴振镜13、聚焦镜15等均有各自的驱动组件（如X轴电机10、Y轴电机12）电连接驱动，该些驱动组件与激光切割头的数控系统电连接。由此，使用者通过对数控系统中控制界面的参数进行调整或者发出指令，则可以实现调整准直镜19、X轴振镜11、Y轴振镜13、聚焦镜15中的一个或多个，实现对激光光斑的三维轨迹进行调整。准直镜19将入光点扩散的光束整形为一束平行光束，光束打在Y轴振镜上，经Y轴振镜反射到X轴振镜上，X轴振镜将光束反射到聚焦镜，经过聚焦镜聚焦并透过下保护镜由喷嘴输出为切割激光。

图2中X轴电机10即振镜电机X通过电机轴与X轴振镜11电连接，用于激光光斑在X轴方向往复运动。Y轴电机12即振镜电机Y通过电机轴与Y轴振镜13电连接，用于激光光斑在Y轴方向往复运动。调整准直镜19或聚焦镜15，实现激光光斑在Z轴方向上高频振荡。

上述的振镜电机X及其他辅助元件可组成X轴驱动机构，用于振镜X等反射镜组件绕转电机轴方向旋转；

上述的振镜电机Y及其他辅助元件可组成Y轴驱动机构，用于驱动振镜Y等反射镜组件绕转电机轴方向旋转。

这里需要说明的是，振镜电机X的电机轴和振镜电机Y的电机轴是相互垂直的，X轴对应的反射镜组件和Y轴对应的反射镜组件（如振镜）相互独立。实际设置中，X轴和Y轴振镜的驱动机构可为振镜电机偏摆机构，本实施例不对其限定，根据实际需要选择和配置。通过驱动机构使得激光光斑在焦平面内进行平面运动，使得激光能量在待切割材料内更均匀的分步，产生优化的符合要求的切口。

另外，Z轴的驱动机构可以是压电陶瓷机构/音圈电机机构/电机凸轮机构驱动准直镜组件等，该些驱动机构可使得激光光斑在Z轴向上沿光轴方向高频振荡。如使得光路中的准直镜和聚焦镜等沿着光束方向的位置变化，进而控制焦点位置在切割板材表面附近上下振动，使得激光能量在材料内更均匀地分布。

为此，本实施例提供一种激光光斑的动态控制方法，该方法用于激光切割头的调试中或激光切割过程中，激光光斑在焦平面内进行X方向和/或Y方向往复运动的同时在Z方向上进行高频振荡，获得切割件的指定模式的切口信息。

举例来说，切割件的指定模式的切口信息可包括：预设时长内的切口信息，切口的切割面满足检测指标，或者，切口的切割面光滑度满足要求，或者，切口的切割速度满足预设阈值等。

基于上述图2和图3对激光光束光路组件的说明，故实际处理中，可借助于激光切割头的光路中的光学组件对光路的光束信息或光斑位置进行调整，形成焦平面内进行X方向和/或Y方向往复运动的同时在Z方向上进行高频振荡的激光光斑；

所述激光光斑的焦平面在Z轴的位置与待切割板材的属性关联。

本实施例中，Z方向上激光光斑的高频振荡频率为50Hz～1kHz；激光切割过程中，该Z方向上的高频振荡频率可固定。

如图2所示，本实施例中，X轴的正方向为沿着待切割板材平面的水平方向，Y轴正方向为沿着待切割板材平面的竖直方向，Z轴正方向为垂直XY平面朝向待切割板材平面正上方的方向。

X方向摆动的范围可为±8mm；Y方向摆动的范围可为±8mm；Z方向摆动的范围可为±8mm。

本实施例的方法借助于激光光斑在X/Y轴往复运动的同时叠加Z轴方向上的高频振荡，使得激光光斑以最佳范围的激光能够对待加工区域进行切割，获得符合要求的切割面。上述方法解决了现有技术中激光的最高能量点无法良好的传递到板材的待加工区域，容易导致激光光束能量利用率低，切割效率低，加工件黏连或切割面质量下降的问题。

当前技术中，激光光斑只能在二维的焦平面进行往复运动，如X轴往复运动或Y轴往复运动，其无法实现三维动态的轨迹，由此，本实施例中对激光切割头内的激光光束的光路进行调整，具体是在激光切割头进行调试中或激光切割过程中，借助于X轴驱动机构使得激光光斑在焦平面内进行X方向往复运动（如X轴驱动机构驱动X轴振镜实现激光光斑的运动）；和/或，借助于Y轴驱动机构使得激光光斑在焦平面内进行Y方向往复运动（如Y轴驱动机构驱动Y轴振镜实现激光光斑的运动）；借助于Z轴调整机构使得激光光斑在Z方向上进行高频振荡，获得指定模式的切口信息；使得照射在切口区域的激光光斑进行三维动态运动。

本实施例中的X轴驱动机构、Y轴驱动机构和Z轴调整机构均与所述激光切割头的数控系统电连接。X轴驱动机构驱动反射镜组件使得焦点光斑在X轴方向高频振动，即使得光路的X轴反射镜绕X的电机轴方向往复摆角；Y轴驱动机构驱动Y轴所属的反射镜组件使得焦点光斑在Y轴方向高频振动，即使得光路的Y轴反射镜绕Y的电机轴方向往复摆角，使得激光光斑在焦平面内往复运动。通常，X轴反射镜和Y轴反射镜各自的往复摆角的角度为±5°内。

Z轴调整机构包括：驱动准直镜组件沿光轴方向振动的压电陶瓷机构/音圈电机机构/电机凸轮机构；

所述数控系统响应使用者的Z方向上高频振荡指令，利用压电陶瓷机构/音圈电机机构/电机凸轮机构驱动准直镜组件沿光轴方向高频振荡。

X轴驱动机构包括：驱动反射镜组件绕X轴所属的转轴方向旋转的振镜电机偏摆机构；X轴所属的转轴为X轴电机与X轴振镜之间的连接轴；

Y轴驱动机构包括：驱动反射镜组件绕Y轴所属的转轴方向旋转的振镜电机偏摆机构；Y轴所属的转轴为Y轴电机与Y轴振镜之间的连接轴。

所述X轴驱动机构驱动的反射镜组件的转轴与Y轴驱动机构驱动的反射镜组件的转轴相互垂直，且X轴对应的反射镜组件和Y轴对应的反射镜组件相互独立。

所述数控系统响应使用者的X/Y方向上高频振动指令，利用振镜电机偏摆机构驱动X/Y轴所属的反射镜组件沿X/Y轴方向高频振动。

所述激光光斑的三维动态轨迹可为：

x＝tan（a）* L；

y＝tan（b）* L；

z＝c*F；

其中，x、y、z为从0焦点位置起三维动态轨迹中每一轨迹点的三维坐标，角度a为沿X轴所属的电机转轴在XY平面内相对原位置摆动的角度；角度b为沿Y轴所属的电机转轴在YZ平面内相对原位置摆动的角度；c为控制系统镜片位移参数，L为常数。

F=MAG放大率的平方=（聚焦镜焦长/准直镜焦长）²；Z方向的振荡频率为50Hz～1kHz，X轴的摆动角度a的范围是±5°，Y轴的摆动角度b的范围是±5°。

实际实例证明，激光器激发的激光光束通过准直镜使光束扩散，利用反射镜或振镜改变激光束的光路，利用聚焦镜组对光束进行聚焦，经过聚焦的激光射至待加工的板材上，通过数控系统控制激光在切割板材内，按照程序设定的轨迹移动激光，完成切割。在切割的过程中，控制焦点光斑在切割过程中会沿激光照射方向上形成三维空间动态轨迹。

本实施例中激光器可切割的切割材料主要包括：不锈钢板、铜板、铝板和碳钢板。通常，切割件分为薄板、中板、厚板。本实施例中厚度划分方式为：1mm ~ 6mm为薄板，7mm ~15mm为中板，16mm以上为厚板。

切割不锈钢中板或厚板时，光斑轨迹直径为50-800μm，光斑沿X轴/Y轴方向的摆动频率为50-500Hz，焦点采用负焦，准直镜振动幅度为0.2-2mm，光斑沿Z轴方向的振动频率为50-400HZ，切割辅助气体为氮气或空气时压力为5-25bar；采用本方法，与相同参数但光斑不可调的激光切割相比，切割速度可提高40-80%；

切割碳钢中板及厚板时，光斑轨迹直径为20-400μm，光斑沿X轴/Y轴方向的摆动频率为100-300Hz，焦点采用正焦，准直镜振动幅度为0.05-1.5mm，光斑沿Z轴方向的振动频率为50-400HZ，切割辅助气体为氧气时压力为0.4-2.8bar；采用本实施例的方法后，与相同参数但光斑不可调的激光切割相比，切割速度可提高10-45%；

切割铜或铝的中板或厚板时，光斑轨迹直径为80-600μm，光斑沿X轴/Y轴方向的摆动频率为50-500Hz，焦点采用负焦，准直镜振动幅度为0.2-2mm，光斑沿Z轴方向的振动频率为50-400HZ，切割辅助气体为氮气或空气时压力为5-25bar；采用本方法，与相同参数但光斑不可调的激光切割相比，切割速度可提高20-300%。如图1所示，在切割中XY方向采用频率500，振幅为600μm，Z采用频率为200，振幅为2mm，切割15mm不锈钢板材，其切割速度为1.4m/min,底部挂渣为0.4mm，表面粗糙0.03；而使用静态光斑其速度为0.8m/min，底部挂渣为1.2mm，表面粗糙为0.06.通过各项参数比较本实施例的方法性能明显优于传统静态光斑性能，如图1所示。

实施例二

现在常规的激光切割头光斑一般为点状，点状光斑的实现方式为光纤通过准直镜，光束变为平行光，平行光通过聚焦后，光束聚焦，聚焦后的光斑在板材上为点状，点状光斑在切割板材时切割缝狭窄，气体很难经过细小的缝隙将熔渣吹掉，导致厚板切割面底部挂渣严重。扫描光斑是将点状光斑在平面上做不同形状的图形转动，实现形式为在点状光斑结构的基础上增加X、Y方向高频振动结构，割缝增大，宽割缝通过的气体流量可使厚板切割面底部挂渣量减少，速度提升30%，但厚度提升不明显，因此，为实现同功率段即提升速度又提高切割厚度，故提出实施例的3D光斑。

以下结合图4至图8对本实施例的激光切割装置内的X轴驱动机构、Y轴驱动机构和Z轴调整机构等进行详细说明。

如图4所示，切割头主要由光纤接口20、Z轴跳动组件（即Z轴调整机构）21、XY轴平面扫描组件22，准直组件（图中未示出）、聚焦组件（图中未示出）、调中组件（图中未示出）、传动组件23、气路组件24、喷嘴（图中未示出）等，以上为达到激光光斑三维动态变化，核心的组件为Z轴跳动组件、XY轴平面扫描组件组成，以上X、Y、Z轴根据数控系统的指令实现调整Z轴跳动组件21、XY轴平面扫描组件22的频率和振幅参数，实现不同的3D光斑，从而在板材表面或内部实现激光光斑三维方向上的运动。

图4中示出的XY轴平面扫描组件22的结构形式分为两种：一种为X、Y轴单独控制每个轴的摆动如图5所示，另一种为X、Y轴通过单一的元件（如联动模组）实现两轴的联动如图6所示。

如图5所示，X轴单独摆动单元27主要包括：高频循环振动的电机、反射镜、镜片固定座、电机夹紧固定块、电机调整装置等；同样，Y轴单独摆动单元25主要包括：高频循环振动的电机、反射镜、镜片固定座、电机夹紧固定块、电机调整装置等。

针对图5所示的单独摆动单元中的高频循环振动电机的轴端可安装有镜片固定座（图中未示出），镜片固定座可由至少一个螺钉联接，将镜片固定座固定到高频循环振动电机上，镜片固定座结构可以是两片单独的零件将电机轴包住后用两个螺钉固定；也可采用单独一个带圆孔的零件，此结构使用单个螺钉将零件拧紧后固定到电机轴端。

基于图5所示的结构，当通过光束的镜片固定到镜片固定座上，镜片固定座的镜片固定端开有和镜片相同宽度的槽口，镜片可以采用直接灌胶，粘接到镜片固定座上。当然，也可以采用在固定座槽口的两个片上，一边打通孔，另一边打螺纹孔，用螺钉穿过第一边的通孔后通过镜片，另一边螺纹固定。此外，电机夹紧固定块可将高频循环振动电机组合套装夹紧后组成单独的摆动单元，X、Y轴单独的摆动单元固定到XY轴固定座26上，实现X、Y轴单独控制不同方向的光束摆动。该处的镜片即为振镜镜片。

在其他实施例中，还可不设置镜片固定座，X轴电机的输出轴通过联轴器安装X轴振镜，Y轴电机的输出轴上通过联轴器安装Y轴振镜。X轴振镜和Y轴振镜的反射面前方或后方分别设置有限位组件。举例来说，限位组件与所对应振镜间的距离为p，p约为0.4~12mm，X/Y轴振镜转动两个指定位置（该位置用于避免振镜旋转导致激光光束不在原设定光路区域），此时可分别与限位组件分别接触，即指定位置为振镜转动的两端的极限位置。本实施例中，X轴电机和Y轴电机的输出轴相互垂直，其X轴电机的输出轴可水平或竖直设置，或者按照指定角度设置。

如图6所示，X、Y轴联动组件主要有镜片31、联动模组30、模组固定座29、模组水冷28等结构组成；

图6中的联动模组30为可控制端面偏移角度及频率的元件，如压电偏摆机构，通过单独控制单元控制元件的频率、振幅，实现联动模组30端面有规律的高频振动。图6中的镜片31为反射镜，非反射镜面一侧固定到联动模组30有规律振动的一侧，固定方式不限于胶粘、螺钉固定等形式；模组固定座29可将上述安装好的镜片31和联动模组30固定到一起，模组固定座29将联动模组30的另一端固定，固定形式采用止口和螺钉配合，止口的目的是保证联动模组30与模组固定座29有方向性的固定到一起，起定位作用，定位后用螺钉固定。

联动模组30在使用过程中因高频振动发热量大，故在联动模组30周围安装水冷，因联动模组30圆周发热，故将水道布置在联动模组30的周围，冷却水将机械件冷却，热量通过壁体吸收热量起到降温作用。

以上安装好的组件安装到准直和聚焦镜之间单独的安装座上，光束经过此组件时，联动模组30高频振动，从而实现X、Y轴方向光斑的摆动。

所述Z轴跳动组件是实现光斑在Z轴方向上的移动。此跳动不仅可以通过准直镜Z轴移动，亦可以通过聚焦镜Z轴移动。两个镜组二选一搭配。

如图8所示，所述Z轴跳动组件主要有音圈电机32、镜组34、准直或聚焦镜片35。实际中，选择移动准直镜片或聚焦镜片中的任一个即可，无需两个都移动。

准直或聚焦镜片35安装到镜组34内。安装到位的镜组34安装到音圈电机内芯33内，音圈电机内芯为中空结构，并设有止口，镜组34与音圈电机32配合安装。

安装到位的音圈电机固定到原普通切割头的准直镜位置或聚焦镜位置，音圈电机32两端的安装板处有通孔或螺纹孔，使用螺钉固定。

通常，音圈电机可安装在电机架上，电机架包括固定块和活动块，活动块位于固定块的一侧，固定块与活动块通过螺栓连接，音圈电机安装在固定块和活动块之间，并被二者加紧固定。实际中，固定块中还安装有电机冷却组件，在电机的尾部还可设置尾部护罩。

以上所述安装到位后便可实现Z轴方向的上下移动。

在其他实施例中，聚焦镜片还可设置有聚焦镜外壳，外壳为上下通口的外壳，该聚焦镜外壳固定在升降机构，其升降机构中可使得聚焦镜片沿光路上下移动。升降机构可为丝杠组件。在另外可实现的方式中，准直镜片也可借助移动机构，使得准直镜片沿着光路移动。通常，聚焦镜与准直镜的变倍比可设置为2~2.5。

以上所述实现X、Y、Z轴三轴光斑联动，不限于一种组合形式，可以为X、Y轴单独摆动单元与Z轴跳动组件安装准直镜实现，也可以是X、Y轴单独摆动单元与Z轴跳动组件安装聚焦镜实现。还有可能是X、Y轴联动模组分别与Z轴跳动组件的准直镜或Z轴跳动组件的聚焦镜配合实现。

实际中，聚焦镜片的下方设置有喷嘴和切割气路，激光切割时，喷嘴的喷头与待切割板材间的距离设置可为0.1~3mm。经过聚焦镜片的激光光束从喷嘴的喷头射出，切割气路的切割辅助气体通过喷嘴后，该气体变为高速气体，气体在切割过程中将切割的熔渣吹走，保护待切割板材。

根据本发明实施例的另一方面，对本实施例的方案进行说明。本实施例的激光切割头包括沿光路方向依次设置的光束整形器、XY轴单独的振镜组件、聚焦组件和喷嘴。

通常，光束整形器包括光束过滤组件和准直镜组件，在光路方向上，光束过滤组件位于准直镜组件的前方，光束整形器上安装有上保护镜，上保护镜位于光束过滤组件和准直镜组件之间。

光束过滤组件的中部设置有光束通过孔，光束通过孔的上方设置有锥形的光束吸收面，激光器的出光点到光束通过孔的锥角大于等于激光器的光束发散角，光束通过孔的下方也可根据需求设置锥形的光束吸收面。通过该设置，可将光束的中部高能量光束通过，进而提高激光切割精度。

准直镜组件对应设置有Z轴跳动组件，其Z轴跳动组件用于控制准直镜组件的上下移动，进而实现Z轴的振荡。通常，准直镜组件可包括准直镜外壳和准直镜，准直镜外壳内固定准直镜，且外壳外连接音圈电机32和同轴控制组件，用以保证激光束由喷嘴的中心对称通过且实现Z轴上下振动，以确保切割精度并保证切割面的切割效果一致。

实际的激光光束经过X轴振镜和Y轴振镜两次反射，可以通过程序控制，通过控制两个振镜的摆动，使输出激光的光斑能够在XY平面内沿预定轨迹动作，预定轨迹可包括马蹄形、“∞”形、圆形等形状。

在具体切割中，切割操作如下：

将被切割板材放置在切割操作台上，在数控系统上选取光斑轨迹的形状并设置其半径大小及摆动频率，设置切割高度，切割焦点，切割速度，切割气体压力参数完成；

标定板材，先通过调节同轴调节件调整准直镜的位置，确定输入光束的对中性，并通过调节X轴振镜和Y轴振镜的偏转角度，确定输出光束与喷嘴的同轴度，并进行高度标定，然后使激光头按照预设轨迹运行，确认待切割图形是否完全落入板材之内；标定结束后按照设定的光斑参数和切割参数进行切割即可。

通过控制X轴振镜和Y轴振镜、Z轴跳动组件，可改变光斑轨迹形状，光斑在三维高速振荡，大幅提高能够切割的板材厚度和切割速度，使现有功率的激光器能够实现更高功率的切割效果和速度，降低生产采购成本；具有散热功能，保证激光头的长时间运行；具有保护镜，防止对激光头内部的损坏与污染；整体采用模块化设计，轨迹控制组件具有多种使用形式，便于装配使用；利用本发明提供的切割工艺，能够获得更快的切割速度，相同功率下能够切割的板材厚度更大。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。

此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。

Claims (10)

1.一种激光光斑的动态控制方法，其特征在于，所述方法用于激光切割头的调试中或激光切割过程中，激光光斑在焦平面内进行X方向和/或Y方向往复运动的同时在Z方向上进行高频振荡，获得指定模式的切口信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动态控制方法包括：

借助于激光切割头的光路中光学组件对光路的光束信息或光斑位置进行调整，使得焦平面内的激光光斑在X方向和/或Y方向往复运动的同时在Z方向上高频振荡；

所述激光光斑的焦平面在Z轴的位置与待切割板材的属性关联。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

Z方向上激光光斑的高频振荡频率为50Hz～1kHz；激光切割过程中，该Z方向上的高频振荡频率固定。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

X方向摆动的范围为±8mm；

Y方向摆动的范围为±8mm；

Z方向振动的范围为±8mm；

X轴的正方向为沿着待切割板材平面的水平方向，Y轴正方向为沿着待切割板材平面的竖直方向，Z轴正方向为垂直XY平面朝向待切割板材平面正上方的方向。

5.一种激光光斑的动态控制方法，其特征在于，所述动态控制方法为对激光切割头内的激光光束的光路进行调整，使得照射在切口区域的激光光斑进行三维动态运动，所述方法包括：

在激光切割头的调试中或激光切割过程中，借助于X轴驱动机构使得激光光斑在焦平面内进行X方向往复运动；和/或，借助于Y轴驱动机构使得激光光斑在焦平面内进行Y方向往复运动；

借助于Z轴调整机构使得激光光斑在Z方向上进行高频振荡，获得指定模式的切口信息；

所述X轴驱动机构、Y轴驱动机构和Z轴调整机构均与所述激光切割头的数控系统电连接。

6.根据权利要求5所述的动态控制方法，其特征在于，

Z轴调整机构包括：驱动准直镜组件沿光轴方向振动的压电陶瓷机构/音圈电机机构/电机凸轮机构；

所述数控系统响应使用者的Z方向上高频振荡指令，利用压电陶瓷机构/音圈电机机构/电机凸轮机构驱动准直镜组件沿光轴方向高频振荡。

7.根据权利要求6所述的动态控制方法，其特征在于，

X轴驱动机构包括：驱动反射镜组件绕X轴所属的转轴方向旋转的振镜电机偏摆机构；

Y轴驱动机构包括：驱动反射镜组件绕Y轴所属的转轴方向旋转的振镜电机偏摆机构；

所述X轴驱动机构驱动的反射镜组件的转轴与Y轴驱动机构驱动的反射镜组件的转轴相互垂直，且X轴对应的反射镜组件和Y轴对应的反射镜组件相互独立；

所述数控系统响应使用者的X/Y方向上高频振荡指令，利用振镜电机偏摆驱动X/Y轴所属的反射镜组件沿X/Y轴方向高频振荡；

或者，所述X轴驱动机构和Y轴驱动机构为采用一个联动模组驱动X轴所属的反射镜组件或Y轴所属的反射镜组件实现，X轴对应的反射镜组件和Y轴对应的反射镜组件相互独立。

8.根据权利要求6所述的动态控制方法，其特征在于，

所述激光光斑的三维动态轨迹为：

x＝tan（a）* L；

y＝tan（b）* L；

z＝c*F；

其中，x、y、z为从0焦点位置起三维动态轨迹中每一轨迹点的三维坐标，

角度a为沿X轴所属的电机转轴在XY平面内相对原位置摆动的角度；角度b为沿Y轴所属的电机转轴在YZ平面内相对原位置摆动的角度；c为控制系统镜片位移参数，F=（聚焦镜焦长/准直镜焦长）²，L为常数。

9.根据权利要求8所述的动态控制方法，其特征在于，

Z方向的振荡频率为50Hz～1kHz，X轴的摆动角度a的范围是±5°，Y轴的摆动角度b的范围是±5°。

10.一种激光切割装置，其特征在于，包括数控系统，所述数控系统在激光切割装置的调试中或激光切割过程中执行上述权利要求1至9任一所述的激光光斑的动态控制方法。

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