本發(fā)明涉及一種具有實時調(diào)整工藝參數(shù)功能的激光切割頭，屬于激光切割技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

激光切割作為一種快速高效的加工方式，已經(jīng)在各種工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但正是由于其結(jié)構(gòu)精密、加工效率很高，因此對操作者提出了較高的要求。比如對于焦點位置的掌握，對于不同材料不同厚度的原材料來說，焦點位置的零點幾毫米的偏差就會導(dǎo)致完全不同的加工效果。另一方面焦點的大小對于切割也有著決定性的影響，比如薄板切割時，通常希望焦點能盡可能的小，使激光的能量高度集中在一個很小的范圍，這樣在不增加激光器輸出功率的條件下也可以使切割速度顯著提高，同時工件的熱影響區(qū)也會縮小，使得工件不會受熱變形影響相對位置度及工件自身的平面度。但是對于厚板切割來說，如果焦點過小則會導(dǎo)致切割所需的輔助氣體無法到達割縫深處，使得切割不能持續(xù)或者切割斷面十分粗糙，這也成為高功率光纖激光切割機切割厚板的一個主要限制因素。由于光纖激光切割機的焦點大小取決于光纖芯徑、準直鏡焦距、聚焦鏡焦距三個因素。并且由于其功率密度極高對光學(xué)組件的清潔度有極高要求，即使肉眼不可見的灰塵如果沾染在光學(xué)組件上也可能造成不可修復(fù)的損壞。所以光纖端面到保護鏡之間的各種光學(xué)組件必須整體密封在設(shè)備內(nèi)，在設(shè)備使用現(xiàn)場不能隨意更換。

因此對于今后的高度自動化程度的激光切割來說，要實現(xiàn)無人工干預(yù)的多種板材及厚度的連續(xù)自動加工，焦點位置和焦點大小的獨立自動設(shè)定是一個必須解決的問題。目前對于使用1微米波長的高功率厚板切割國外已經(jīng)取得了技術(shù)突破并逐步進入量產(chǎn)階段。主要有以下兩種形式：

1、移動透鏡組變焦技術(shù)

其原理和照相機的變焦鏡頭十分相似，通過在切割頭內(nèi)布置多組透鏡，相互補償。進而實現(xiàn)焦點位置和焦點大小的獨立設(shè)定。

2、切換工作光纖

其原理類似于在諧振腔和切割頭之間布置一根以上不同芯徑的工作光纖，在需要改變切割參數(shù)的時候通過切換工作光纖來實現(xiàn)焦點大小的變化。

現(xiàn)有技術(shù)仍存在以下技術(shù)問題：

1、移動透鏡組方案的技術(shù)缺陷

對于使用移動透鏡組變焦技術(shù)的方案來說，其最大的缺點在于其內(nèi)部的透鏡數(shù)量非常多。

以這一類型目前比較成功的某美國公司方案為例，其內(nèi)部包含8片曲率透鏡。分為三組移動。也就是說要有三套伺服機構(gòu)來驅(qū)動這些鏡片組的移動。所以其機械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜龐大，并且總質(zhì)量也大，由于激光切割機的傳動形式通常為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，而切割頭一般作為最后一級，切割頭質(zhì)量每增加10公斤就需要前面各級所有的驅(qū)動力及機械剛度成倍提高。由于結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜一旦某個鏡片發(fā)生損壞更換也會比較困難。同時由于鏡片數(shù)量從2片變?yōu)?片，激光每穿過一片鏡片就會有一定損耗，這些損失的能量會轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)熱，因此增加的6片鏡片將額外消耗很多激光能量，同時也增加了散熱系統(tǒng)的負擔(dān)。并且由于1μm波長激光主要使用熔石英透鏡，這種透鏡是熱的不良導(dǎo)體。當(dāng)發(fā)熱達到一定程度時，鏡片會產(chǎn)生溫度梯度，造成變形導(dǎo)致曲率變化精度喪失，也就是熱透鏡效應(yīng)。由于這些鏡片需要經(jīng)常移動，所以無法通過循環(huán)水直接冷卻，只能靠熱傳導(dǎo)的方式將其熱量逐層轉(zhuǎn)移到切割頭外殼的冷卻回路內(nèi)。密封問題，由于切割頭本身需要嚴密密封，當(dāng)其內(nèi)部有活動部件時，其運動會導(dǎo)致兩側(cè)腔體容積的變化，這時這些移動的鏡組就像氣缸中的活塞，在負壓狀態(tài)下可能導(dǎo)致細小的顆粒進入切割頭內(nèi)部。由于光纖頭內(nèi)部的能量密度極高，肉眼無法發(fā)現(xiàn)的灰塵一旦沾染在光纖端頭也很可能造成光纖燒毀。熱透鏡效應(yīng)如附圖1所示，綜上移動透鏡組方案有以下明顯缺點：

(1)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、重量大，

(2)、鏡片數(shù)量多，發(fā)熱多，但受限于其運動需要無法直接冷卻，

(3)、熱透鏡效應(yīng)限制了其所能承受的最大功率，

(4)、鏡片的移動可能導(dǎo)致外部顆粒污染切割頭內(nèi)部，

(5)、鏡片的移動需要一定時間，不適應(yīng)快速頻繁的參數(shù)切換；

2、使用切換工作光纖來實現(xiàn)改變焦點直徑的方案技術(shù)缺陷

通過光束開關(guān)來切換不同芯徑的工作光纖也可以有效的改變焦點大小。但是這種方案有一個顯而易見的缺點，就是其焦點直徑的變化不是連續(xù)可變的，通常只能有兩到三個設(shè)定值。所以在這種方案下，仍舊要對整體切割系統(tǒng)的切割能力做出側(cè)重和取舍。但相比傳統(tǒng)固定芯徑的解決方案它已經(jīng)有了極大的拓 展。另一個問題就是這種切換技術(shù)需要制作一種特殊的工作光纖，將兩根不同芯徑的光纖組合在里面并通過同一個端頭輸出。這項工作的技術(shù)難度非常高，成本也頗為不菲。并且工作光纖由于暴露在激光器外部，屬于較為易損的部分，一旦發(fā)生損壞其維修成本將相當(dāng)驚人。另外不可避免的需要增設(shè)光束開關(guān)或調(diào)制器來切換工作光纖。這部分裝置的成本也比較昂貴。并且由于光纖激光器的諧振腔和工作光纖熔接在一起，單獨更換的費用十分高昂。所以對于已經(jīng)出廠使用中的激光器是無法使用這一技術(shù)的。

綜上，現(xiàn)有使用切換工作光纖來實現(xiàn)改變焦點直徑的技術(shù)方案主要有以下缺點：(1)其設(shè)定值不能連續(xù)可調(diào)；(2)雙芯徑的工作光纖制造成本非常高，一旦損壞后果嚴重；(3)增加了光束開關(guān)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提供一種具有實時調(diào)整工藝參數(shù)功能的激光切割頭，該激光切割頭可以實現(xiàn)焦點大小和焦點位置的獨立設(shè)定，改變其中一個賦值時另一個參數(shù)不發(fā)生變化，當(dāng)然這兩個值可以同時改變，且互不影響；使用無氧銅鏡片可以從鏡片內(nèi)部進行冷卻，鏡片始終維持標準溫度，無熱透鏡效應(yīng)，可以使用高功率激光器；由于無活動部件，整個光路部分可以嚴格密封，同時切割頭內(nèi)部腔體的氣壓不會發(fā)生變化，光學(xué)組件壽命長。

為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種具有實時調(diào)整工藝參數(shù)功能的激光切割頭，包括光纖接口、殼體、上定位環(huán)、連接套、下定位環(huán)、電容傳感器和噴嘴，所述殼體的前端設(shè)有前埠，殼體的末端設(shè)置有一斜面安裝板，位于殼體末端的下端設(shè)有下埠；

所述光纖接口安裝到殼體的前埠，位于殼體內(nèi)腔末端的斜面安裝板上從上往下依次安裝有變曲率凸面反射鏡、變曲率反射鏡，位于殼體內(nèi)腔內(nèi)的前端且位于前埠下方安裝有一變曲率凹面反射鏡，所述光線界面和變曲率凸面反射鏡與變曲率凹面反射鏡和變曲率反射鏡分別位于第一平面和位于第一平面正下方的第二平面上；

所述變曲率凸面反射鏡包括凸面反射薄膜、第一空氣腔和水冷腔，所述第一空氣腔內(nèi)氣壓在第一設(shè)定值時，凸面反射薄膜的表面為凸面狀態(tài)，在工作狀態(tài)時，第一空氣腔內(nèi)氣壓大于等于第一設(shè)定值；

所述變曲率凹面反射鏡包括凹面反射薄膜、第二空氣腔和水冷腔，所述第二空氣腔內(nèi)氣壓在第二設(shè)定值時，凹面反射薄膜的表面為凹面狀態(tài)，在工作狀 態(tài)時，第二空氣腔內(nèi)氣壓低于等于第二設(shè)定值；

所述變曲率凹面反射鏡包括反射薄膜、第三空氣腔和水冷腔，所述第三空氣腔內(nèi)氣壓在第三設(shè)定值時，反射薄膜的表面為平面狀態(tài)，在工作狀態(tài)時，第三空氣腔內(nèi)氣壓為大于、等于、小于第三設(shè)定值中的一種；

所述上定位環(huán)、下定位環(huán)分別安裝到連接套的上端、下端上，所述連接套與殼體的下埠之間通過上定位環(huán)連接，所述連接套與一噴嘴套之間通過下定位環(huán)連接，一噴嘴安裝于噴嘴套的下端，所述電容傳感器安裝于噴嘴套內(nèi)，一聚焦凸透鏡和保護平面鏡分別安裝于連接套的上、下端處，所述噴嘴套的內(nèi)徑尺寸大于下定位環(huán)的外徑尺寸，一左、右銷釘分別嵌入噴嘴套四周，并與下定位環(huán)的外壁接觸，當(dāng)旋轉(zhuǎn)左、右銷釘時，此左、右銷釘推動噴嘴套平移。

上述技術(shù)方案中進一步改進的技術(shù)方案如下：

作為優(yōu)選，所述斜面安裝板與第一平面的夾角為45°。

作為優(yōu)選，所述聚焦凸透鏡為熔結(jié)石英玻璃。

作為優(yōu)選，所述聚焦凸透鏡和保護平面鏡均通過密封圈與連接套密封連接。

由于上述技術(shù)方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點和效果：

1、本發(fā)明具有實時調(diào)整工藝參數(shù)功能的激光切割頭，其無活動部件，不需要電機以及絲桿導(dǎo)軌之類的機械組件，故障率極低，無需潤滑保養(yǎng)；可以設(shè)定焦點大小，根據(jù)不同材質(zhì)和板厚設(shè)置不同的焦點直徑，解決了光纖無法切割厚板的問題；具備氣動伺服調(diào)焦功能，切割不同材質(zhì)厚度的工件時，僅需參數(shù)設(shè)定即可調(diào)整焦點位置，無需手動調(diào)整；其次，其左、右銷釘分別嵌入噴嘴套四周，并與下定位環(huán)的外壁接觸，當(dāng)旋轉(zhuǎn)左、右銷釘時，此左、右銷釘推動噴嘴套平移，方便調(diào)整平移噴嘴套和噴嘴與焦點在水平面的相對位置，避免噴嘴套和噴嘴被激光損傷。

2、本發(fā)明具有實時調(diào)整工藝參數(shù)功能的激光切割頭，其可以實現(xiàn)焦點大小和焦點位置的獨立設(shè)定，改變其中一個賦值時另一個參數(shù)不發(fā)生變化。當(dāng)然這兩個值可以同時改變，且互不影響；使用無氧銅鏡片可以從鏡片內(nèi)部進行冷卻，鏡片始終維持標準溫度，無熱透鏡效應(yīng)，可以使用高功率激光器；由于無活動部件，整個光路部分可以嚴格密封，同時切割頭內(nèi)部腔體的氣壓不會發(fā)生變化，光學(xué)組件壽命長。

3、本發(fā)明具有實時調(diào)整工藝參數(shù)功能的激光切割頭，其可變曲率鏡的變化行程只需要十幾微米，因此動作極為迅速，在一些復(fù)雜工藝需要下可以實現(xiàn)焦 點位置的高頻震蕩，而機械驅(qū)動的移動鏡片組動作速度要慢至少一個數(shù)量級，焦點大小這一設(shè)定連續(xù)可調(diào)，可以穩(wěn)定在行程范圍內(nèi)的任意值；成本低，本切割頭的成本構(gòu)成主要在于光學(xué)組件，由于可靠的密封和冷卻這些組件的壽命會很長，使用過程中不需要耗材的持續(xù)投入。由于省略了復(fù)雜的傳動導(dǎo)向機構(gòu)，以及相應(yīng)的控制器驅(qū)動器，也使得整體成本大大減少；再次，其結(jié)構(gòu)緊湊由于不需要電機及其傳動機構(gòu)，整個切割頭十分輕巧，可直接使用現(xiàn)有的光纖激光器，無需在激光器上做任何改動。

附圖說明

附圖1為現(xiàn)有激光切割熱透鏡效應(yīng)結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2為本發(fā)明具有實時調(diào)整工藝參數(shù)功能的激光切割頭結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖3為本發(fā)明焦點位置改變的仿真圖；

附圖4為本發(fā)明測試圖；

附圖5(a)為本發(fā)明激光切割頭中變曲率凸面反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖5(b)為本發(fā)明激光切割頭中變曲率凹面反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖5(c)為本發(fā)明激光切割頭中變曲率反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖。

以上附圖中：1、光線界面；2、殼體；21、前埠；22、下埠；3、上定位環(huán)；4、連接套；5、下定位環(huán)；6、電容傳感器；7、噴嘴；8、斜面安裝板；9、變曲率凸面反射鏡；10、變曲率反射鏡；11、變曲率凹面反射鏡；12、噴嘴套；13、密封圈；14、聚焦凸透鏡；15、保護平面鏡；161、左銷釘；162、右銷釘；171、凸面反射薄膜；172、凹面反射薄膜；173、反射薄膜；181、第一空氣腔；182、第二空氣腔；183、第三空氣腔；191、第一水冷腔；192、第二水冷腔；193、第三水冷腔。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步描述：

實施例1：一種具有實時調(diào)整工藝參數(shù)功能的激光切割頭，包括光纖接口1、殼體2、上定位環(huán)3、連接套4、下定位環(huán)5、電容傳感器6和噴嘴7，所述殼體2的前端設(shè)有前埠21，殼體2的末端設(shè)置有一斜面安裝板8，位于殼體2末端的下端設(shè)有下埠22；

所述光纖接口1安裝到殼體2的前埠21，位于殼體2內(nèi)腔末端的斜面安裝板8上從上往下依次安裝有變曲率凸面反射鏡9、變曲率反射鏡10，位于殼體2內(nèi)腔內(nèi)的前端且位于前埠21下方安裝有一變曲率凹面反射鏡11，所述光線界面 1和變曲率凸面反射鏡9與變曲率凹面反射鏡11和變曲率反射鏡10分別位于第一平面和位于第一平面正下方的第二平面上；

所述變曲率凸面反射鏡9包括凸面反射薄膜171、第一空氣腔181和第一水冷腔191，所述第一空氣腔181內(nèi)氣壓在第一設(shè)定值時，凸面反射薄膜171的表面為凸面狀態(tài)，在工作狀態(tài)時，第一空氣腔181內(nèi)氣壓大于等于第一設(shè)定值；

所述變曲率凹面反射鏡11包括凹面反射薄膜172、第二空氣腔182和第二水冷腔192，所述第二空氣腔182內(nèi)氣壓在第二設(shè)定值時，凹面反射薄膜172的表面為凹面狀態(tài)，在工作狀態(tài)時，第二空氣腔182內(nèi)氣壓低于等于第二設(shè)定值；

所述變曲率凹面反射鏡11包括反射薄膜173、第三空氣腔183和第三水冷腔193，所述第三空氣腔183內(nèi)氣壓在第三設(shè)定值時，反射薄膜173的表面為平面狀態(tài)，在工作狀態(tài)時，第三空氣腔183內(nèi)氣壓為大于、等于、小于第三設(shè)定值中的一種；

所述上定位環(huán)3、下定位環(huán)5分別安裝到連接套4的上端、下端上，所述連接套4與殼體2的下埠22之間通過上定位環(huán)3連接，所述連接套4與一噴嘴套12之間通過下定位環(huán)5連接，一噴嘴7安裝于噴嘴套12的下端，所述電容傳感器6安裝于噴嘴套12內(nèi)，一聚焦凸透鏡14和保護平面鏡15分別安裝于連接套4的上、下端處，所述噴嘴套12的內(nèi)徑尺寸大于下定位環(huán)5的外徑尺寸，一左、右銷釘161、162分別嵌入噴嘴套12四周，并與下定位環(huán)5的外壁接觸，當(dāng)旋轉(zhuǎn)左、右銷釘161、162時，此左、右銷釘161、162推動噴嘴套12平移，以保證噴嘴7和光軸同軸。

上述聚焦凸透鏡14為熔結(jié)石英玻璃。

上述聚焦凸透鏡14和保護平面鏡15均通過密封圈13與連接套4密封連接。

實施例2：一種具有實時調(diào)整工藝參數(shù)功能的激光切割頭，包括光纖接口1、殼體2、上定位環(huán)3、連接套4、下定位環(huán)5、電容傳感器6和噴嘴7，所述殼體2的前端設(shè)有前埠21，殼體2的末端設(shè)置有一斜面安裝板8，位于殼體2末端的下端設(shè)有下埠22；

所述光纖接口1安裝到殼體2的前埠21，位于殼體2內(nèi)腔末端的斜面安裝板8上從上往下依次安裝有變曲率凸面反射鏡9、變曲率反射鏡10，位于殼體2內(nèi)腔內(nèi)的前端且位于前埠21下方安裝有一變曲率凹面反射鏡11，所述光線界面1和變曲率凸面反射鏡9與變曲率凹面反射鏡11和變曲率反射鏡10分別位于第一平面和位于第一平面正下方的第二平面上；

所述變曲率凸面反射鏡9包括凸面反射薄膜171、第一空氣腔181和第一水冷腔191，所述第一空氣腔181內(nèi)氣壓在第一設(shè)定值時，凸面反射薄膜171的表面為凸面狀態(tài)，在工作狀態(tài)時，第一空氣腔181內(nèi)氣壓大于等于第一設(shè)定值；

所述變曲率凹面反射鏡11包括凹面反射薄膜172、第二空氣腔182和第二水冷腔192，所述第二空氣腔182內(nèi)氣壓在第二設(shè)定值時，凹面反射薄膜172的表面為凹面狀態(tài)，在工作狀態(tài)時，第二空氣腔182內(nèi)氣壓低于等于第二設(shè)定值；

所述變曲率凹面反射鏡11包括反射薄膜173、第三空氣腔183和第三水冷腔193，所述第三空氣腔183內(nèi)氣壓在第三設(shè)定值時，反射薄膜173的表面為平面狀態(tài)，在工作狀態(tài)時，第三空氣腔183內(nèi)氣壓為大于、等于、小于第三設(shè)定值中的一種；

所述上定位環(huán)3、下定位環(huán)5分別安裝到連接套4的上端、下端上，所述連接套4與殼體2的下埠22之間通過上定位環(huán)3連接，所述連接套4與一噴嘴套12之間通過下定位環(huán)5連接，一噴嘴7安裝于噴嘴套12的下端，所述電容傳感器6安裝于噴嘴套12內(nèi)，一聚焦凸透鏡14和保護平面鏡15分別安裝于連接套4的上、下端處，所述噴嘴套12的內(nèi)徑尺寸大于下定位環(huán)5的外徑尺寸，一左、右銷釘161、162分別嵌入噴嘴套12四周，并與下定位環(huán)5的外壁接觸，當(dāng)旋轉(zhuǎn)左、右銷釘161、162時，此左、右銷釘161、162推動噴嘴套12平移，以保證噴嘴7和光軸同軸。

上述斜面安裝板8與第一平面的夾角為45°。

從附圖4可知，改變變曲率凸面反射鏡9、變曲率凹面反射鏡11的壓力獲得不同的光束直徑，此時焦點位置不收影響，改變變曲率反射鏡10的壓力時，可以調(diào)整焦點位置，但此時焦點直徑不受影響。

采用上述可單獨設(shè)定改變焦點大小和焦點位置的激光切割頭時，其無活動部件，不需要電機以及絲桿導(dǎo)軌之類的機械組件，故障率極低，無需潤滑保養(yǎng)；可以設(shè)定焦點大小，根據(jù)不同材質(zhì)和板厚設(shè)置不同的焦點直徑，解決了光纖無法切割厚板的問題；具備氣動伺服調(diào)焦功能，切割不同材質(zhì)厚度的工件時，僅需參數(shù)設(shè)定即可調(diào)整焦點位置，無需手動調(diào)整；再次，其可以實現(xiàn)焦點大小和焦點位置的獨立設(shè)定，改變其中一個賦值時另一個參數(shù)不發(fā)生變化。當(dāng)然這兩個值可以同時改變，且互不影響；使用無氧銅鏡片可以從鏡片內(nèi)部進行冷卻，鏡片始終維持標準溫度，無熱透鏡效應(yīng)，可以使用高功率激光器；由于無活動部件，整個光路部分可以嚴格密封，同時切割頭內(nèi)部腔體的氣壓不會發(fā)生變化， 光學(xué)組件壽命長。

上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。