具有实时调整工艺参数功能的激光切割头的制作方法

本发明涉及一种具有实时调整工艺参数功能的激光切割头，属于激光切割技术领域。

背景技术：

激光切割作为一种快速高效的加工方式，已经在各种工业领域得到广泛应用。但正是由于其结构精密、加工效率很高，因此对操作者提出了较高的要求。比如对于焦点位置的掌握，对于不同材料不同厚度的原材料来说，焦点位置的零点几毫米的偏差就会导致完全不同的加工效果。另一方面焦点的大小对于切割也有着决定性的影响，比如薄板切割时，通常希望焦点能尽可能的小，使激光的能量高度集中在一个很小的范围，这样在不增加激光器输出功率的条件下也可以使切割速度显著提高，同时工件的热影响区也会缩小，使得工件不会受热变形影响相对位置度及工件自身的平面度。但是对于厚板切割来说，如果焦点过小则会导致切割所需的辅助气体无法到达割缝深处，使得切割不能持续或者切割断面十分粗糙，这也成为高功率光纤激光切割机切割厚板的一个主要限制因素。由于光纤激光切割机的焦点大小取决于光纤芯径、准直镜焦距、聚焦镜焦距三个因素。并且由于其功率密度极高对光学组件的清洁度有极高要求，即使肉眼不可见的灰尘如果沾染在光学组件上也可能造成不可修复的损坏。所以光纤端面到保护镜之间的各种光学组件必须整体密封在设备内，在设备使用现场不能随意更换。

因此对于今后的高度自动化程度的激光切割来说，要实现无人工干预的多种板材及厚度的连续自动加工，焦点位置和焦点大小的独立自动设定是一个必须解决的问题。目前对于使用1微米波长的高功率厚板切割国外已经取得了技术突破并逐步进入量产阶段。主要有以下两种形式：

1、移动透镜组变焦技术

其原理和照相机的变焦镜头十分相似，通过在切割头内布置多组透镜，相互补偿。进而实现焦点位置和焦点大小的独立设定。

2、切换工作光纤

其原理类似于在谐振腔和切割头之间布置一根以上不同芯径的工作光纤，在需要改变切割参数的时候通过切换工作光纤来实现焦点大小的变化。

现有技术仍存在以下技术问题：

1、移动透镜组方案的技术缺陷

对于使用移动透镜组变焦技术的方案来说，其最大的缺点在于其内部的透镜数量非常多。

以这一类型目前比较成功的某美国公司方案为例，其内部包含8片曲率透镜。分为三组移动。也就是说要有三套伺服机构来驱动这些镜片组的移动。所以其机械结构非常复杂庞大，并且总质量也大，由于激光切割机的传动形式通常为串联结构，而切割头一般作为最后一级，切割头质量每增加10公斤就需要前面各级所有的驱动力及机械刚度成倍提高。由于结构十分复杂一旦某个镜片发生损坏更换也会比较困难。同时由于镜片数量从2片变为8片，激光每穿过一片镜片就会有一定损耗，这些损失的能量会转变为发热，因此增加的6片镜片将额外消耗很多激光能量，同时也增加了散热系统的负担。并且由于1μm波长激光主要使用熔石英透镜，这种透镜是热的不良导体。当发热达到一定程度时，镜片会产生温度梯度，造成变形导致曲率变化精度丧失，也就是热透镜效应。由于这些镜片需要经常移动，所以无法通过循环水直接冷却，只能靠热传导的方式将其热量逐层转移到切割头外壳的冷却回路内。密封问题，由于切割头本身需要严密密封，当其内部有活动部件时，其运动会导致两侧腔体容积的变化，这时这些移动的镜组就像气缸中的活塞，在负压状态下可能导致细小的颗粒进入切割头内部。由于光纤头内部的能量密度极高，肉眼无法发现的灰尘一旦沾染在光纤端头也很可能造成光纤烧毁。热透镜效应如附图1所示，综上移动透镜组方案有以下明显缺点：

(1)、结构复杂、体积庞大、重量大，

(2)、镜片数量多，发热多，但受限于其运动需要无法直接冷却，

(3)、热透镜效应限制了其所能承受的最大功率，

(4)、镜片的移动可能导致外部颗粒污染切割头内部，

(5)、镜片的移动需要一定时间，不适应快速频繁的参数切换；

2、使用切换工作光纤来实现改变焦点直径的方案技术缺陷

通过光束开关来切换不同芯径的工作光纤也可以有效的改变焦点大小。但是这种方案有一个显而易见的缺点，就是其焦点直径的变化不是连续可变的，通常只能有两到三个设定值。所以在这种方案下，仍旧要对整体切割系统的切割能力做出侧重和取舍。但相比传统固定芯径的解决方案它已经有了极大的拓 展。另一个问题就是这种切换技术需要制作一种特殊的工作光纤，将两根不同芯径的光纤组合在里面并通过同一个端头输出。这项工作的技术难度非常高，成本也颇为不菲。并且工作光纤由于暴露在激光器外部，属于较为易损的部分，一旦发生损坏其维修成本将相当惊人。另外不可避免的需要增设光束开关或调制器来切换工作光纤。这部分装置的成本也比较昂贵。并且由于光纤激光器的谐振腔和工作光纤熔接在一起，单独更换的费用十分高昂。所以对于已经出厂使用中的激光器是无法使用这一技术的。

综上，现有使用切换工作光纤来实现改变焦点直径的技术方案主要有以下缺点：(1)其设定值不能连续可调；(2)双芯径的工作光纤制造成本非常高，一旦损坏后果严重；(3)增加了光束开关。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种具有实时调整工艺参数功能的激光切割头，该激光切割头可以实现焦点大小和焦点位置的独立设定，改变其中一个赋值时另一个参数不发生变化，当然这两个值可以同时改变，且互不影响；使用无氧铜镜片可以从镜片内部进行冷却，镜片始终维持标准温度，无热透镜效应，可以使用高功率激光器；由于无活动部件，整个光路部分可以严格密封，同时切割头内部腔体的气压不会发生变化，光学组件寿命长。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有实时调整工艺参数功能的激光切割头，包括光纤接口、壳体、上定位环、连接套、下定位环、电容传感器和喷嘴，所述壳体的前端设有前埠，壳体的末端设置有一斜面安装板，位于壳体末端的下端设有下埠；

所述光纤接口安装到壳体的前埠，位于壳体内腔末端的斜面安装板上从上往下依次安装有变曲率凸面反射镜、变曲率反射镜，位于壳体内腔内的前端且位于前埠下方安装有一变曲率凹面反射镜，所述光线界面和变曲率凸面反射镜与变曲率凹面反射镜和变曲率反射镜分别位于第一平面和位于第一平面正下方的第二平面上；

所述变曲率凸面反射镜包括凸面反射薄膜、第一空气腔和水冷腔，所述第一空气腔内气压在第一设定值时，凸面反射薄膜的表面为凸面状态，在工作状态时，第一空气腔内气压大于等于第一设定值；

所述变曲率凹面反射镜包括凹面反射薄膜、第二空气腔和水冷腔，所述第二空气腔内气压在第二设定值时，凹面反射薄膜的表面为凹面状态，在工作状 态时，第二空气腔内气压低于等于第二设定值；

所述变曲率凹面反射镜包括反射薄膜、第三空气腔和水冷腔，所述第三空气腔内气压在第三设定值时，反射薄膜的表面为平面状态，在工作状态时，第三空气腔内气压为大于、等于、小于第三设定值中的一种；

所述上定位环、下定位环分别安装到连接套的上端、下端上，所述连接套与壳体的下埠之间通过上定位环连接，所述连接套与一喷嘴套之间通过下定位环连接，一喷嘴安装于喷嘴套的下端，所述电容传感器安装于喷嘴套内，一聚焦凸透镜和保护平面镜分别安装于连接套的上、下端处，所述喷嘴套的内径尺寸大于下定位环的外径尺寸，一左、右销钉分别嵌入喷嘴套四周，并与下定位环的外壁接触，当旋转左、右销钉时，此左、右销钉推动喷嘴套平移。

上述技术方案中进一步改进的技术方案如下：

作为优选，所述斜面安装板与第一平面的夹角为45°。

作为优选，所述聚焦凸透镜为熔结石英玻璃。

作为优选，所述聚焦凸透镜和保护平面镜均通过密封圈与连接套密封连接。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

1、本发明具有实时调整工艺参数功能的激光切割头，其无活动部件，不需要电机以及丝杆导轨之类的机械组件，故障率极低，无需润滑保养；可以设定焦点大小，根据不同材质和板厚设置不同的焦点直径，解决了光纤无法切割厚板的问题；具备气动伺服调焦功能，切割不同材质厚度的工件时，仅需参数设定即可调整焦点位置，无需手动调整；其次，其左、右销钉分别嵌入喷嘴套四周，并与下定位环的外壁接触，当旋转左、右销钉时，此左、右销钉推动喷嘴套平移，方便调整平移喷嘴套和喷嘴与焦点在水平面的相对位置，避免喷嘴套和喷嘴被激光损伤。

2、本发明具有实时调整工艺参数功能的激光切割头，其可以实现焦点大小和焦点位置的独立设定，改变其中一个赋值时另一个参数不发生变化。当然这两个值可以同时改变，且互不影响；使用无氧铜镜片可以从镜片内部进行冷却，镜片始终维持标准温度，无热透镜效应，可以使用高功率激光器；由于无活动部件，整个光路部分可以严格密封，同时切割头内部腔体的气压不会发生变化，光学组件寿命长。

3、本发明具有实时调整工艺参数功能的激光切割头，其可变曲率镜的变化行程只需要十几微米，因此动作极为迅速，在一些复杂工艺需要下可以实现焦 点位置的高频震荡，而机械驱动的移动镜片组动作速度要慢至少一个数量级，焦点大小这一设定连续可调，可以稳定在行程范围内的任意值；成本低，本切割头的成本构成主要在于光学组件，由于可靠的密封和冷却这些组件的寿命会很长，使用过程中不需要耗材的持续投入。由于省略了复杂的传动导向机构，以及相应的控制器驱动器，也使得整体成本大大减少；再次，其结构紧凑由于不需要电机及其传动机构，整个切割头十分轻巧，可直接使用现有的光纤激光器，无需在激光器上做任何改动。

附图说明

附图1为现有激光切割热透镜效应结构示意图；

附图2为本发明具有实时调整工艺参数功能的激光切割头结构示意图；

附图3为本发明焦点位置改变的仿真图；

附图4为本发明测试图；

附图5(a)为本发明激光切割头中变曲率凸面反射镜结构示意图；

附图5(b)为本发明激光切割头中变曲率凹面反射镜结构示意图；

附图5(c)为本发明激光切割头中变曲率反射镜结构示意图。

以上附图中：1、光线界面；2、壳体；21、前埠；22、下埠；3、上定位环；4、连接套；5、下定位环；6、电容传感器；7、喷嘴；8、斜面安装板；9、变曲率凸面反射镜；10、变曲率反射镜；11、变曲率凹面反射镜；12、喷嘴套；13、密封圈；14、聚焦凸透镜；15、保护平面镜；161、左销钉；162、右销钉；171、凸面反射薄膜；172、凹面反射薄膜；173、反射薄膜；181、第一空气腔；182、第二空气腔；183、第三空气腔；191、第一水冷腔；192、第二水冷腔；193、第三水冷腔。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：一种具有实时调整工艺参数功能的激光切割头，包括光纤接口1、壳体2、上定位环3、连接套4、下定位环5、电容传感器6和喷嘴7，所述壳体2的前端设有前埠21，壳体2的末端设置有一斜面安装板8，位于壳体2末端的下端设有下埠22；

所述光纤接口1安装到壳体2的前埠21，位于壳体2内腔末端的斜面安装板8上从上往下依次安装有变曲率凸面反射镜9、变曲率反射镜10，位于壳体2内腔内的前端且位于前埠21下方安装有一变曲率凹面反射镜11，所述光线界面 1和变曲率凸面反射镜9与变曲率凹面反射镜11和变曲率反射镜10分别位于第一平面和位于第一平面正下方的第二平面上；

所述变曲率凸面反射镜9包括凸面反射薄膜171、第一空气腔181和第一水冷腔191，所述第一空气腔181内气压在第一设定值时，凸面反射薄膜171的表面为凸面状态，在工作状态时，第一空气腔181内气压大于等于第一设定值；

所述变曲率凹面反射镜11包括凹面反射薄膜172、第二空气腔182和第二水冷腔192，所述第二空气腔182内气压在第二设定值时，凹面反射薄膜172的表面为凹面状态，在工作状态时，第二空气腔182内气压低于等于第二设定值；

所述变曲率凹面反射镜11包括反射薄膜173、第三空气腔183和第三水冷腔193，所述第三空气腔183内气压在第三设定值时，反射薄膜173的表面为平面状态，在工作状态时，第三空气腔183内气压为大于、等于、小于第三设定值中的一种；

所述上定位环3、下定位环5分别安装到连接套4的上端、下端上，所述连接套4与壳体2的下埠22之间通过上定位环3连接，所述连接套4与一喷嘴套12之间通过下定位环5连接，一喷嘴7安装于喷嘴套12的下端，所述电容传感器6安装于喷嘴套12内，一聚焦凸透镜14和保护平面镜15分别安装于连接套4的上、下端处，所述喷嘴套12的内径尺寸大于下定位环5的外径尺寸，一左、右销钉161、162分别嵌入喷嘴套12四周，并与下定位环5的外壁接触，当旋转左、右销钉161、162时，此左、右销钉161、162推动喷嘴套12平移，以保证喷嘴7和光轴同轴。

上述聚焦凸透镜14为熔结石英玻璃。

上述聚焦凸透镜14和保护平面镜15均通过密封圈13与连接套4密封连接。

实施例2：一种具有实时调整工艺参数功能的激光切割头，包括光纤接口1、壳体2、上定位环3、连接套4、下定位环5、电容传感器6和喷嘴7，所述壳体2的前端设有前埠21，壳体2的末端设置有一斜面安装板8，位于壳体2末端的下端设有下埠22；

所述光纤接口1安装到壳体2的前埠21，位于壳体2内腔末端的斜面安装板8上从上往下依次安装有变曲率凸面反射镜9、变曲率反射镜10，位于壳体2内腔内的前端且位于前埠21下方安装有一变曲率凹面反射镜11，所述光线界面1和变曲率凸面反射镜9与变曲率凹面反射镜11和变曲率反射镜10分别位于第一平面和位于第一平面正下方的第二平面上；

所述变曲率凸面反射镜9包括凸面反射薄膜171、第一空气腔181和第一水冷腔191，所述第一空气腔181内气压在第一设定值时，凸面反射薄膜171的表面为凸面状态，在工作状态时，第一空气腔181内气压大于等于第一设定值；

所述变曲率凹面反射镜11包括凹面反射薄膜172、第二空气腔182和第二水冷腔192，所述第二空气腔182内气压在第二设定值时，凹面反射薄膜172的表面为凹面状态，在工作状态时，第二空气腔182内气压低于等于第二设定值；

所述变曲率凹面反射镜11包括反射薄膜173、第三空气腔183和第三水冷腔193，所述第三空气腔183内气压在第三设定值时，反射薄膜173的表面为平面状态，在工作状态时，第三空气腔183内气压为大于、等于、小于第三设定值中的一种；

所述上定位环3、下定位环5分别安装到连接套4的上端、下端上，所述连接套4与壳体2的下埠22之间通过上定位环3连接，所述连接套4与一喷嘴套12之间通过下定位环5连接，一喷嘴7安装于喷嘴套12的下端，所述电容传感器6安装于喷嘴套12内，一聚焦凸透镜14和保护平面镜15分别安装于连接套4的上、下端处，所述喷嘴套12的内径尺寸大于下定位环5的外径尺寸，一左、右销钉161、162分别嵌入喷嘴套12四周，并与下定位环5的外壁接触，当旋转左、右销钉161、162时，此左、右销钉161、162推动喷嘴套12平移，以保证喷嘴7和光轴同轴。

上述斜面安装板8与第一平面的夹角为45°。

从附图4可知，改变变曲率凸面反射镜9、变曲率凹面反射镜11的压力获得不同的光束直径，此时焦点位置不收影响，改变变曲率反射镜10的压力时，可以调整焦点位置，但此时焦点直径不受影响。

采用上述可单独设定改变焦点大小和焦点位置的激光切割头时，其无活动部件，不需要电机以及丝杆导轨之类的机械组件，故障率极低，无需润滑保养；可以设定焦点大小，根据不同材质和板厚设置不同的焦点直径，解决了光纤无法切割厚板的问题；具备气动伺服调焦功能，切割不同材质厚度的工件时，仅需参数设定即可调整焦点位置，无需手动调整；再次，其可以实现焦点大小和焦点位置的独立设定，改变其中一个赋值时另一个参数不发生变化。当然这两个值可以同时改变，且互不影响；使用无氧铜镜片可以从镜片内部进行冷却，镜片始终维持标准温度，无热透镜效应，可以使用高功率激光器；由于无活动部件，整个光路部分可以严格密封，同时切割头内部腔体的气压不会发生变化， 光学组件寿命长。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。