本發(fā)明涉及激光加工領(lǐng)域，具體的說是一種光斑直徑和焦點(diǎn)位置可調(diào)的激光加工頭及其控制方法。

背景技術(shù)：

在激光加工過程中，為應(yīng)對客戶對不同材料和不同厚度工件進(jìn)行高質(zhì)量的加工要求，需要精準(zhǔn)的控制最終聚焦光斑的大小和焦點(diǎn)位置。基于上述原因，例如在激光在切割金屬板材過程中，為了切割相對比較厚的工件，就需要使聚焦到板材上的聚焦光斑盡量有一個相對較大的直徑，并將焦點(diǎn)位置設(shè)定到一個適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｅc之相反，在加工一個具有相對小的厚度的工件時，就需要對聚焦到工件上的參數(shù)進(jìn)行從新設(shè)定，以完成對薄板高質(zhì)量、高效率的加工。

為了應(yīng)對上述對激光加工不同工件參數(shù)的設(shè)定要求，目前大多對應(yīng)措施是在設(shè)備停機(jī)后，通過操作人員手工從新進(jìn)行設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)。然而，這一加工流程不僅依賴于現(xiàn)場相應(yīng)的操作人員必須具有相對應(yīng)的操作經(jīng)驗(yàn)，還會大大增加工件加工時間并降低整套設(shè)備的加工效率。

專利wo2011131541a1公開一種簡單的方案，該方案中只有三個光學(xué)元器件，整體結(jié)構(gòu)較為簡單。但是在這個方案中，調(diào)節(jié)的過程中能夠內(nèi)部有一個光學(xué)實(shí)焦點(diǎn)，在高功率激光情況下，該點(diǎn)能量易于急劇增加，可能會使裝置內(nèi)的氣體電離，進(jìn)而影響設(shè)備的工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計一種光斑直徑大小和焦點(diǎn)位置可調(diào)的激光加工頭及其控制方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，設(shè)計一種光斑直徑和焦點(diǎn)位置可調(diào)的激光加工頭及其控制方法，包括外殼，其特征在于：所述外殼內(nèi)從上至下依次設(shè)有激光發(fā)射裝置、第一光學(xué)元器件、第二光學(xué)元器件、第三光學(xué)元器件、第四光學(xué)元器件和保護(hù)鏡片，所述激光發(fā)射裝置豎直固定在外殼的頂部，激光發(fā)射裝置的發(fā)射口嵌設(shè)在外殼內(nèi)，所述第二光學(xué)元器件和保護(hù)鏡片分別通過左右兩側(cè)的連接桿固定在外殼的內(nèi)側(cè)壁上，所述第一光學(xué)元器件的一側(cè)通過第一連接裝置連接第一電機(jī)，第三光學(xué)元器件的一側(cè)通過第二連接裝置連接第二電機(jī)，第四光學(xué)元器件的一側(cè)通過第三連接裝置連接第三電機(jī)；

控制方法包括如下步驟：1）s1，激光發(fā)射裝置出射激光光束經(jīng)過第一光學(xué)元器件后匯聚成第一光束；2）s2，第一光束經(jīng)過第二光學(xué)元器件和第三光學(xué)元器件后形成不同光束直徑的第三光束；3）s3，不同直徑的第三光束經(jīng)過第四光學(xué)元器件匯聚后最終聚焦形成相對應(yīng)的不同光斑直徑的光斑；4）s4，通過不同直徑的光斑，并且由第四光學(xué)元器件調(diào)控焦點(diǎn)的不同位置，以此來加工不同類型的工件。

所述第一電機(jī)、第二電機(jī)和第三電機(jī)設(shè)在外殼的表面。

所述第一光學(xué)元器件為正透鏡，第一光學(xué)元器件的焦距范圍為20-50mm。。

所述第二光學(xué)元器件為負(fù)透鏡。

所述第三光學(xué)元器件為正透鏡。

所述第四光學(xué)元器件為正透鏡。

所述步驟2中包括如下步驟：1第一光束經(jīng)過第二光學(xué)元器件后形成發(fā)散的第二光束；2第二光束經(jīng)過第三光學(xué)元器件后形成不同光束直徑的第三光束。

所述步驟5中獲得不同位置的光斑包括如下步驟：1第一電機(jī)驅(qū)動第一光學(xué)元器件沿垂直的光軸方向運(yùn)動一定距離；2隨后第二電機(jī)驅(qū)動第三光學(xué)元器件運(yùn)動特定的補(bǔ)償距離；3使第二光束經(jīng)第三光學(xué)元器件匯聚后形成一個特定光束直徑的平行光束。

所述步驟5中獲得不同的焦點(diǎn)位置包括如下步驟：第三電機(jī)驅(qū)動第四光學(xué)元器件運(yùn)動，從而獲得不同焦點(diǎn)位置的光斑。

本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便；通過電機(jī)調(diào)節(jié)第四元器件的位置，可以控制聚焦光斑的焦點(diǎn)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(diào)控裝置在殼體內(nèi)集成的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明調(diào)節(jié)光斑大小的實(shí)施例中元器件在不同位置時的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置的實(shí)施例中元器件在不同位置時的結(jié)構(gòu)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(xué)元器件，3是第二光學(xué)元器件，4是第三光學(xué)元器件，5是第四光學(xué)元器件，6是保護(hù)鏡片，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是外殼，14是第一連接裝置，15是第二連接裝置，16是第三連接裝置，17是第一電機(jī)，18是第二電機(jī)，19是第三電機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面根據(jù)附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，所述外殼13內(nèi)從上至下依次設(shè)有激光發(fā)射裝置1、第一光學(xué)元器件2、第二光學(xué)元器件3、第三光學(xué)元器件4、第四光學(xué)元器件5和保護(hù)鏡片6，所述激光發(fā)射裝置1豎直固定在外殼13的頂部，激光發(fā)射裝置1的發(fā)射口嵌設(shè)在外殼13內(nèi)，所述第二光學(xué)元器件3和保護(hù)鏡片6分別通過左右兩側(cè)的連接桿固定在外殼13的內(nèi)側(cè)壁上，所述第一光學(xué)元器件2的一側(cè)通過第一連接裝置14連接第一電機(jī)17，第三光學(xué)元器件4的一側(cè)通過第二連接裝置15連接第二電機(jī)18，第四光學(xué)元器件5的一側(cè)通過第三連接裝置16連接第三電機(jī)19；

控制方法包括如下步驟：1）s1，激光發(fā)射裝置1出射激光光束8經(jīng)過第一光學(xué)元器件2后匯聚成第一光束9；2）s2，第一光束9經(jīng)過第二光學(xué)元器件3和第三光學(xué)元器件4后形成不同光束直徑的第三光束11；3）s3，不同直徑的第三光束11經(jīng)過第四光學(xué)元器件5匯聚后最終聚焦形成相對應(yīng)的不同光斑直徑的光斑12；4）s4，通過不同直徑的光斑12，并且由第四光學(xué)元器件5調(diào)控焦點(diǎn)的不同位置，以此來加工不同類型的工件7。

所述第一電機(jī)17、第二電機(jī)18和第三電機(jī)19設(shè)在外殼13的表面。

所述第一光學(xué)元器件2為正透鏡，并且第一光學(xué)元器件2具有小的焦距,第一光學(xué)元器件2的焦距范圍為20-50mm。

所述第二光學(xué)元器件3為負(fù)透鏡。

所述第三光學(xué)元器件4為正透鏡。

所述第四光學(xué)元器件5為正透鏡。

所述步驟2中包括如下步驟：1第一光束9經(jīng)過第二光學(xué)元器件3后形成發(fā)散的第二光束10；2第二光束10經(jīng)過第三光學(xué)元器件4后形成不同光束直徑的第三光束11。

所述步驟5中獲得不同位置的光斑12包括如下步驟：1第一電機(jī)17驅(qū)動第一光學(xué)元器件2沿垂直的光軸方向運(yùn)動一定距離；2隨后第二電機(jī)18驅(qū)動第三光學(xué)元器件4運(yùn)動特定的補(bǔ)償距離；3使第二光束10經(jīng)第三光學(xué)元器件4匯聚后形成一個特定光束直徑的平行光束。

所述步驟5中獲得不同的焦點(diǎn)位置包括如下步驟：第三電機(jī)19驅(qū)動第四光學(xué)元器件5運(yùn)動，從而獲得不同焦點(diǎn)位置的光斑12。

本發(fā)明使用時，激光發(fā)射裝置1射出激光從上到下首先入射到第一光學(xué)元器件2上，光學(xué)第一元器件2可以用第一電機(jī)17調(diào)節(jié)相對應(yīng)的位置；經(jīng)過第一光學(xué)元器件2上后，進(jìn)入第二光學(xué)元器件3，第二光學(xué)元器件3位置固定；光學(xué)第三元器件4在第二元器件3之下，光學(xué)第三元器件4可以用第二電機(jī)18調(diào)節(jié)相對應(yīng)的位置；激光通過光學(xué)第三元器件4后進(jìn)入第四光學(xué)元器件5，光學(xué)第四元器件5在光學(xué)第三元器件4之下，光學(xué)第四元器件5由第三電機(jī)19連接，可以進(jìn)行位置的相對調(diào)節(jié)；激光經(jīng)過光學(xué)第四光學(xué)元器件5后，聚焦到不同后的工件7上。

本發(fā)明中在第三光學(xué)元器件4和第四光學(xué)元器件5之間的光束直徑可以在較大的范圍上發(fā)生改變。

通過控制第四光學(xué)元器件5的位置，可以調(diào)控最終聚焦光斑12的焦點(diǎn)位置。

激光進(jìn)入第一光學(xué)元器件2后，光束由發(fā)散光轉(zhuǎn)化為聚焦光，因此第一光學(xué)元器件2選擇為正透鏡，優(yōu)選為焦距較小的透鏡。但考慮到激光從光纖開始處到第一光學(xué)元器件2的距離不能太小，因此第一光學(xué)元器件2優(yōu)選焦距也不能過于小。

為控制在第三光學(xué)元器件4和第四光學(xué)元器件5之間的光束直徑，第一光學(xué)元器件2和第三光學(xué)元器件4可以沿激光光軸方向上位置發(fā)生相對的運(yùn)動。第一光學(xué)元器件2由第一電機(jī)17驅(qū)動作位置移動，第三光學(xué)元器件4也由第二電機(jī)18驅(qū)動作位置相對移動。

激光進(jìn)入第二光學(xué)元器件3后，光束由聚焦光轉(zhuǎn)化為發(fā)散光，因此第二光學(xué)元器件3一個特別地優(yōu)選方式為負(fù)透鏡。激光經(jīng)過第一光學(xué)元器件2后，光束由發(fā)散光轉(zhuǎn)化為聚焦光。當(dāng)?shù)谝还鈱W(xué)元器件2移動到一個位置，聚焦光將有一定的發(fā)散角。該激光光束經(jīng)過固定的第二光學(xué)元器件3后，光束由聚焦光轉(zhuǎn)化為發(fā)散光，有一個的對應(yīng)發(fā)散角。而后，第三光學(xué)元器件4移動到一個特定的補(bǔ)償位置，這個位置使光束的發(fā)散角減小，并使其經(jīng)過第三光學(xué)元器件4后可以形成一個對應(yīng)光束直徑的平行光束。

不同直徑的平行光經(jīng)過第四光學(xué)元器件5后，平行光轉(zhuǎn)化成集聚光。不同的光束直徑平行光經(jīng)過第四光學(xué)元器件5后將擁有不同直徑大小的聚焦光斑。

另外，通過第三電機(jī)19調(diào)節(jié)第四光學(xué)元器件5的位置，可以控制聚焦光斑的焦點(diǎn)位置，并且可以保持光斑直徑大小不變。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例為光斑直徑調(diào)節(jié)的實(shí)施例。

如圖2（a）所示，激光光束8為一個發(fā)散光，入射到第一光學(xué)元器件2上，并且依次通過第二光學(xué)元器件3。然后該激光光束經(jīng)過第三光學(xué)元器件4準(zhǔn)直后形成一個直徑為d11的平行激光光束。該平行光束再經(jīng)過第四光學(xué)元器件5后聚焦工件表面，以實(shí)現(xiàn)對工件的激光加工，此時聚焦到工件上的激光焦點(diǎn)直徑為d12。

在圖2（b）中，當(dāng)設(shè)備轉(zhuǎn)換加工工件時，工件的厚度和材料可能會發(fā)生改變，例如所需工件的厚度變厚，此時就需要增加聚焦到工件7表面上光斑12的直徑d22，需要使d22>d12。為了使聚焦光斑12的直徑d22增大，第一電機(jī)17將驅(qū)動第一光學(xué)元器件2沿光軸方向運(yùn)動z21距離。作為補(bǔ)償，第三光學(xué)元器件4將在第二電機(jī)18的驅(qū)動下沿光軸方向運(yùn)動z22距離。這時，第二光束10以一個特定的角度入射第三光學(xué)元器件4，經(jīng)過第三光學(xué)元器件4準(zhǔn)直后形成一個直徑為d21的平行的第三光束11，這里d21<d11。平行的第三光束11）經(jīng)過第四光學(xué)元器件5后聚焦工件表面形成一個直徑為d22的光斑12，得到d22>d12。

在圖2（c）中，當(dāng)所需工件的厚度進(jìn)一步變厚，此時就需要繼續(xù)增加聚焦到工件7表面上光斑12的直徑d32，需要使d32>d22。為了使聚焦光斑12的直徑d32進(jìn)一步增大，第一電機(jī)17將繼續(xù)驅(qū)動第一光學(xué)元器件2沿光軸方向運(yùn)動z32距離。作為補(bǔ)償，第三光學(xué)元器件4將在第二電機(jī)18的驅(qū)動下沿光軸方向運(yùn)動z33距離。這時，第二光束10以另一個特定的角度入射第三光學(xué)元器件4，經(jīng)過第三光學(xué)元器件4準(zhǔn)直后形成一個直徑為d31的平行的第三光束11，這里d31<d21。平行的第三光束11經(jīng)過第四光學(xué)元器件5后聚焦工件表面形成一個直徑為d32的光斑12，得到d32>d22。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例為焦點(diǎn)位置調(diào)節(jié)的實(shí)施例。

如圖3（a）所示，激光光束8為一個發(fā)散光，入射到第一光學(xué)元器件2上，并且依次通過第二光學(xué)元器件3、第三光學(xué)元器件4準(zhǔn)直后形成一個直徑為d11的平行激光光束。該平行光束再經(jīng)過第四光學(xué)元器件5后聚焦到工件表面一個特定位置，以實(shí)現(xiàn)對工件的激光加工，此時聚焦到工件上的激光焦點(diǎn)直徑為d12。

如圖3（b）所示，當(dāng)設(shè)備需要轉(zhuǎn)換加工工件時，聚焦焦點(diǎn)的位置可能也需要隨之改變，以保證高質(zhì)量地加工工件材料。為了使聚焦光斑12的直徑d12不變，但改變焦點(diǎn)位置，第三電機(jī)19將驅(qū)動第四光學(xué)元器件5沿光軸方向運(yùn)動z41距離。第三光束11經(jīng)過第四光學(xué)元器件5后將聚焦工件上另一位置，聚焦光斑相應(yīng)的焦點(diǎn)位置改變z42，但光斑大小保持不變。

如圖3（c）所示，當(dāng)設(shè)備需要加工的工件再次發(fā)生改變是，聚焦焦點(diǎn)的位置可能也需要進(jìn)一步發(fā)生改變，使其也能保證高質(zhì)量地加工工件材料。為了使聚焦光斑12的直徑d12依然保持不變，但改變焦點(diǎn)位置，第三電機(jī)19將進(jìn)一步驅(qū)動第四光學(xué)元器件5沿光軸方向運(yùn)動z51距離。第三光束11經(jīng)過第四光學(xué)元器件5后將聚焦工件上另一個位置，焦點(diǎn)位置將發(fā)生z52的改變，但光斑大小保持不變。