本發(fā)明涉及激光加工領域，具體的說是一種激光光束可調的激光切割頭及其控制方法。

背景技術：

在激光切割加工應用過程中，切割頭的主要作用是將高能激光聚焦形成一個特定的光斑，并將該光斑移動到工件上一個特定的位置，以實現(xiàn)對工件材料的切割加工。為實行對工件高效、高質量的加工，必須精準的控制最終聚焦光斑的大小和相對應的焦點位置。為此，在激光在切割板材過程中，切割相對比較厚的工件，高質量的切割就需要使聚焦到板材上的聚焦光斑有一個較大的直徑，并將焦點位置調控到特定的位置。但是，在加工薄板工件時，就需要對聚焦到工件上的參數(shù)進行從新設定，也以完成對薄板的高質量加工。

專利us4705367，de112007001994b4、us20130044371a1和de102008048502a1已公開用于調節(jié)激光光束的方法來實現(xiàn)對不同工件高效的加工。

從us4705367已知—種用于光束調節(jié)的方案，該方案具有三個光學元件，其中一個光學元件由電機進行驅動，由電機驅動調節(jié)聚焦光斑的焦點位置，調節(jié)焦點位置時聚焦光斑大小不變，但該方案無法調節(jié)聚焦光斑的大小。

專利de102008048502a1公開另一種方案，該方案中有兩個電機驅動兩個光學元件，兩個鏡片作特定的曲線運動實現(xiàn)對聚焦焦點位置的調控。電機運動控制運動過程較為復雜，并且方案中也沒有調節(jié)光斑大小的方法。

專利文獻de112007001994b4也公開一種方案，該方案中有一個電機驅動單個光學元件，并由此調節(jié)聚焦光斑的焦點位置，調節(jié)焦點位置時聚焦光斑大小不變，但該方案也無法調節(jié)聚焦光斑的大小。

專利us20130044371a1公開一種簡單的方案，該方案中只有三個光學元器件，但是在這個方案中，調節(jié)聚焦光斑焦點位置同時會改變光斑直徑的大小，另外該方案中內部有一個光學實焦點，在高功率激光情況下，該點能量易于能量聚集，進而影響設備的工作。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術的不足，設計一種激光光束可調的激光切割頭及其控制方法，通過兩個電機調節(jié)光學元器件位置方案以實現(xiàn)對聚焦光斑直徑大小和焦點位置的調控。

為實現(xiàn)上述目的，設計一種激光光束可調的激光切割頭及其控制方法，包括外殼，其特征在于：所述外殼內從上至下依次嵌設有激光發(fā)射裝置、第一光學元器件、第二光學元器件、第三光學元器件、第四光學元器件、第五光學元器件和保護鏡片，所述激光發(fā)射裝置豎直嵌設在外殼的頂部，第一光學元器件、第四光學元器件、第五光學元器件和保護鏡片分別通過左右兩側連接桿固定外殼的內側壁上，所述第二光學元器件的一側通過連接裝置連接第一電機，第三光學元器件的一側通過另一連接裝置連接第二電機，所述第一電機和第二電機連接電機控制系統(tǒng)并由電機控制系統(tǒng)統(tǒng)一控制第一電機和第二電機；

控制方法包括如下步驟：1）s1，激光發(fā)射裝置出射第一光束，第一光束經過第一光學元器件后匯聚成為相同直徑的平行的第二光束；2）s2，第二光束依次通過第二光學元器件和第三光學元器件后形成不同角度的聚焦的第四光束；3）s3，不同角度的聚焦的第四光束依次經過第四光學元器件和第五光學元器件匯聚后最終聚焦形成相對應的不同光斑直徑的光斑；4）s4，通過不同光斑直徑的光斑，并且由第二光學元器件和第三光學元器件來調控焦點的位置和光斑直徑，用以加工不同類型的工件。

所述第一光學元器件為正透鏡。

所述第二光學元器件為負透鏡。

所述第三光學元器件為正透鏡。

所述第四光學元器件為正透鏡。

所述第五光學元器件為負透鏡。

所述步驟2中包括如下步驟：1第二光束經過第二光學元器件后形成發(fā)散的第三光束；2第三光束經過第三光學元器件后形成匯聚的第四光束。

所述步驟3中第四光束依次經過第四光學元器件、第五光學元器件和保護鏡片后形成匯聚的第五光束，第五光束匯聚形成光斑。

所述步驟4中調控焦點的位置包括如下步驟：1）第一電機驅動第二光學元器件沿光軸豎直方向運動一定距離后；2）第二電機將驅動第三光學元器件運動特定距離，使第四光束經過第三光學元器件后匯聚形成一個特定角度的匯聚光。

所述第二電機驅動第三光學元器件運動的距離由第一電機驅動第二光學元器件運動的距離決定。

本發(fā)明同現(xiàn)有技術相比，結構簡單，使用方便；通過電機同時調節(jié)第二光學元器件和第三光學元器件的位置，可以控制聚焦光斑的焦點位置，并且可以保持光斑直徑大小不變。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中調控裝置在殼體內集成的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明在調節(jié)光斑大小的實施例中元器件在不同位置時的結構示意圖。

圖3為本發(fā)明在調節(jié)焦點位置的實施例中元器件在不同位置時的結構示意圖。

參見圖1～圖3，其中，1是激光發(fā)射裝置，2是第一光學元器件，3是第二光學元器件，4是第三光學元器件，5是第四光學元器件，6是第五光學元器件，7是保護鏡片，8是工件，9是第一光束，10是第二光束，11是第三光束，12是第四光束，13是第五光束，14是光斑，15是第一電機，16是第二電機，17是電機控制系統(tǒng)，18是外殼。

具體實施方式

下面根據(jù)附圖對本發(fā)明做進一步的說明。

如圖1所示，所述外殼18內從上至下依次嵌設有激光發(fā)射裝置1、第一光學元器件2、第二光學元器件3、第三光學元器件4、第四光學元器件5、第五光學元器件6和保護鏡片7，所述激光發(fā)射裝置1豎直嵌設在外殼18的頂部，第一光學元器件2、第四光學元器件5、第五光學元器件6和保護鏡片7分別通過左右兩側連接桿固定外殼18的內側壁上，所述第二光學元器件3的一側通過連接裝置連接第一電機15，第三光學元器件4的一側通過另一連接裝置連接第二電機16，所述第一電機15和第二電機16連接電機控制系統(tǒng)17并由電機控制系統(tǒng)17統(tǒng)一控制第一電機15和第二電機16；

控制方法包括如下步驟：1）s1，激光發(fā)射裝置1出射第一光束9，第一光束9經過第一光學元器件2后匯聚成為相同直徑的平行的第二光束10；2）s2，第二光束10依次通過第二光學元器件3和第三光學元器件4后形成不同角度的聚焦的第四光束12；3）s3，不同角度的聚焦的第四光束12依次經過第四光學元器件5和第五光學元器件6匯聚后最終聚焦形成相對應的不同光斑直徑的光斑14；4）s4，通過不同光斑直徑的光斑14，并且由第二光學元器件3和第三光學元器件4來調控焦點的位置和光斑直徑，用以加工不同類型的工件8。

所述第一光學元器件2為正透鏡。

所述第二光學元器件3為負透鏡。

所述第三光學元器件4為正透鏡。

所述第四光學元器件5為正透鏡。

所述第五光學元器件6為負透鏡。

所述步驟2中包括如下步驟：1）第二光束10經過第二光學元器件3后形成發(fā)散的第三光束11；2）第三光束11經過第三光學元器件4后形成匯聚的第四光束12。

所述步驟3中第四光束12依次經過第四光學元器件5、第五光學元器件6和保護鏡片7后形成匯聚的第五光束13，第五光束13匯聚形成光斑14。

所述步驟4中調控焦點的位置包括如下步驟：1第一電機15驅動第二光學元器件3沿光軸豎直方向運動一定距離后；2第二電機16將驅動第三光學元器件4運動特定距離，使第四光束12經過第三光學元器件后匯聚形成一個特定角度的匯聚光。

所述第二電機16驅動第三光學元器件4運動的距離由第一電機15驅動第二光學元器件3運動的距離決定。

本發(fā)明使用時，激光由上至下首先入射到第一光學元器件2上，第二光學元器件3位置固定；經過第一光學元器件1上后，第一光束9由發(fā)散光轉化為平行光束的第二光束10，而后進入第二光學元器件3，第二光學元器件3可以用第一電機15調節(jié)相對應的位置；第三光學元器件4在第二光學元器件3之下，第三光學元器件4可以用第二電機16調節(jié)相對應的位置；第三光束11通過第三光學元器件4后進入第四光學元器件5，第四光學元器件5在第三光學元器4之下，第四光學元器件5位置固定；第四光束12經過第五光學元器件6后，聚焦到不同后的工件8上，第五光學元器件6位置也為固定。

本發(fā)明通過調節(jié)第三光學元器件4和第四光學元器件5之間的距離可以調節(jié)聚焦光斑14的大小。通過控制第三光學元器件4和第四光學元器件6與其他光學元器件的相對位置，可以調控最終聚焦光斑14的焦點位置。

第一光束9進入第一光學元器件2后，第一光束9由發(fā)散光轉化為平行的第二光束10，因此第一光學元器件2選擇為正透鏡。

為控制聚焦光斑的直徑，第二光學元器件3和第三光學元器件4可以沿激光光軸方向上位置發(fā)生相對的運動。第二光學元器件3由第一電機15驅動作位置移動，第三光學元器件4也由第二電機16驅動作位置相對移動。

第二光束10進入第二光學元器件3后，第二光束10由平行光束轉化為發(fā)散的第三光束11，因此第二光學元器件3一個特別地優(yōu)選方式為負透鏡。

第三光束11經過第三光學元器件4后，第三光束11由發(fā)散光轉化為聚焦的第四光束12，聚焦的第四光束12將有一定的發(fā)散角。

第四光束12經過固定的第四光學元器件5和第五光學元器件6后，第五光束13也為聚焦光束，第五光束13擁有一個相對應于經過第三光學元器件4聚焦光發(fā)散角的角度。

不同角度的聚焦的第五光束13將擁有不同直徑大小的聚焦光斑14。

另外，通過電機控制系統(tǒng)17同時調節(jié)第二光學元器件3和第三光學元器件4的位置，可以控制聚焦光斑14的焦點位置，并且可以保持光斑直徑大小不變。

實施例1：如圖2所示，本實施例為調節(jié)光斑直徑大小的實施例。

在圖2（a）中，激光光束9為一個發(fā)散光，入射到第一光學元器件2上，并且依次通過第二光學元器件3。然后該激光光束經過第三光學元器件4準直后形成一個角度為θ01的聚焦光束12。該聚焦光束再經過第四光學元器件5和第五光學元器件6后，形成一個角度為θ02的聚焦光束13，這里θ02的數(shù)值大小由θ01決定。該光束然后聚焦工件表面，以實現(xiàn)對工件的激光加工，此時聚焦到工件上的激光焦點直徑為d01。

在圖2（b）中，當設備轉換加工工件時，可能此時就需要減小聚焦到工件（8）表面上光斑14的直徑d11，需要使d11<d01。為了使聚焦光斑14的直徑d11減小，第一電機15將驅動第一光學元器件2沿光軸方向運動z11距離。另外，第三光學元器件4將在第二電機16的驅動下沿光軸方向運動z12距離。這時，光束12以一個特定的角度θ11入射第四光學元器件5和第五光學元器件6，形成一個角度為θ12的聚焦光束13，這里θ12的數(shù)值大小由θ11決定，并且θ02<θ12。光束13最后聚焦工件表面形成一個直徑為d11的光斑14，得到d01>d11。

在圖2（c）中，進一步改變加工工件時，此時可能就需要繼續(xù)減小聚焦到工件8表面上光斑14的直徑d21，需要使d01>d11>d21。為了使聚焦光斑14的直徑d21減小，第一電機15將驅動第一光學元器件2沿光軸方向運動z21距離。另外，第三光學元器件4將在第二電機16的驅動下沿光軸方向運動z22距離。這時，光束12以一個特定的角度θ21入射第四光學元器件5和第五光學元器件6，形成一個角度為θ22的聚焦光束13，這里θ22的數(shù)值大小由θ21決定，并且θ12<θ22。光束13最后聚焦工件表面形成一個直徑為d21的光斑14，得到d11>d21。

實施例2：如圖3所示，本實施例為調節(jié)焦點位置的實施例。

在圖3（a）中，激光光束9為一個發(fā)散光，入射到第一光學元器件2上，并且依次通過第二光學元器件3。然后該激光光束經過第三光學元器件4準直后形成一個角度為θ11的聚焦光束12。該聚焦光束再經過第四光學元器件5和第五光學元器件6后，形成一個角度為θ12的聚焦光束13，這里θ12的數(shù)值大小由θ11決定。該光束然后聚焦工件表面，以實現(xiàn)對工件的激光加工，此時聚焦到工件上的激光焦點直徑為d11。

如圖3（b）所示，當設備需要轉換加工工件時，聚焦焦點的位置可能也需要隨之改變，以保證高質量地加工工件材料。為了使聚焦光斑14的直徑d11不變，但改變焦點位置，第一電機15將驅動第二光學元器件3沿光軸方向運動z31距離,第二電機16將驅動第三光學元器件4沿光軸方向運動z32距離，這里滿足z31=z32。光束13將聚焦工件上另一位置，聚焦光斑相應的焦點位置改變z33，但光斑大小保持不變。