一种基于多维分配控制的高速激光切割系统及其切割方法与流程

本发明涉及大型切割设备技术领域，尤其是采用激光作为切割手段的切割设备技术，具体涉及超高速的一种基于多维分配控制的激光切割系统及其切割方法。

背景技术：

传统工业和现代工业中，切割技术在国民经济各个领域都是不可或缺的一项技术，并且随着对工件的尺寸和几何形状的要求越来越多样化，很多工件都是通过切割制作的，切割技术在国民经济中的地位也显得到越来越重要。

传统的切割技术大概分为2类，一是物理切割，二是化学切割。

传统的压切、车床以及后来出现的数控车床和高精度车床都是属于物理切割类型，如龙门切割机，其通过利用硬度更高的刀具对原材进行切割，制作出特定几何形状和尺寸的工件。这类切割设备对刀具要求较高，刀具的锋利和硬度影响切割的精度，作为传统的切割方式，其是具有一定不足的，首先切割效率难以提高，其次对于高硬度原材的切割显得抓襟见肘，对刀头的硬度要求进一步提高，造成成本大大增加；且对加工不规则几何形状的工件显得勉强。

高压水刀切割机，也是一种物理切割，其原理是利用高压持续射出水流对原材进行切割，其优点是成本低，环保，缺点很明显，就是对于高硬度原材的切割效率太低。

化学切割方式通常有高温灼烧和化学腐蚀的方式，常见的火焰切割，是利用高温火焰喷射对原材进行切割的一种方式，其优点是易于使用，缺点之一是环保问题严重，之二是因为采用火焰的方式灼烧熔融，火焰的余温会对切割原材的边缘造成影响，不适合用于高精度切割领域。化学腐蚀更多用于蚀刻领域，在此不赘述。

而本发明的技术领域，是采用激光切割，激光切割也是一种高温灼烧的方式，不同于火焰切割的是，激光的聚能精度非常好，可以做到仅灼烧切割线路，而不会或几乎不会影响到路线边缘，相对火焰切割，精度非常高，且节能环保，切割效率也很高。

另外，从切割原材上看，按材料分，有皮革、纸张、木材，橡胶等软料，还有石材、钢板、合金板等硬料，根据不同的原材，选择合适的切割方式，例如火焰切割通常只适合金属型原材。

按原材形状分，原材通常为规则的板状(或面状)，少有其他形状，如块状。而板状的原材根据厚度来分，也有很多差异和不同，越厚的板状原材，对切割技术要求越高，反之则低。

例如对纸张、皮革、布料等非常薄且易切割的原材，其切割难度不大，但通常却要求精度和切割效率要非常高；另外对于不规则的切割形状要求，此时对于此类原材，采用自动化激光切割无疑是很好的一种切割方式的选择。当然，车床的方式也不会太差。

而对于金属板材，采用激光切割也是具有较大优势的；其相较于火焰切割，激光切割精度更好，相较于车床切割，激光切割成本更低，相较于水刀切割，效率更高。激光切割也因其节能环保的特性，近年来应用逐步深入，所占切割领域的比重越来越大。

现有的激光切割技术，例如cn201210047489.9和cn201610383552.4，其结构通常包括切割平台，用于放置切割板材，包括激光发生器，用于产生切割用的激光，在平台上设置多维导轨，用于移动切割头，通过将激光引导至切割头，自切割头射出激光，激光打在板材上，对板材进行灼烧式切割，通过移动切割头，在板材上移动切割轨迹，完成特定形状的切割。其中会遇到的问题有：

1.激光发生器出射的激光为柱状光束，或有微小的发散角，在激光经过切割头出射前，需要对激光进行一定的聚焦，使焦点落在板材上，焦点控制越准确，切割的精度越高。现有技术中，例如cn201210149011.7和cn201120275255.0为常见的专用激光切割头，通过在切割头内设置自动对焦、多次对焦、运动对焦、散焦等技术方案，来实现激光切割精度的提高。

2.从上述提到的现有激光切割技术方案中，我们都可以看到，所有的工业化激光切割，大抵包括一个在板材上不断移动变化位置的切割头，切割头的激光都是竖直向下切割的。这是因为切割的板材通常是有一点厚度，特别是金属板材，在切割时务必需要保持激光垂直板材射出，才能保证切割的边缘从竖向上是平的，如图1所示，从切割模组100射出的切割光线101，在垂直板材110的情况下，其切割边缘111在竖向上是平的，如果切割光线101没有垂直板材110切割，则其切割边缘112在竖向上不是平直的；另外，从切割路径上看，切割边缘111的切割厚度为h，基本等于板材的厚度，而切割边缘112的切割厚度为d，d是大于h的，且切割光线的倾斜度越大，d越大；无疑会造成系列的问题，首先是板材的切割效果不好，还有切割功耗增大，效率下降等。可见控制激光做垂直切割，在激光切割领域是非常重要的，除非牺牲以上切割效果、效率等，或者所切割材料为薄型材料，如卡纸，布料等，所切割的原材是面材，如几乎没有厚度的纸张等，在厚度可以忽略的情况下，即可不用考虑以上问题，切割激光可以斜向切割。

3.如何提高切割效率一直是业界的重要研发方向，毕竟在自动化激光切割的控制下，假如能提高2倍的效率，那就意味着原本1个月的工程仅需2个星期；如果能提高4倍的效率，则仅需1星期，如果能提高10倍的效率，则仅需3天即可完成，可见效率非常重要。传统的切割机，其限制效率的因素，主要有2点，一是激光的功率，二是切割的速度。其中激光的功率，可以直接增加，直接影响就是成本的上升，提高激光功率的方式还是比较简单的。而主要制约切割速度的，其实就是切割头的移动速度，现有技术中通常是对架设在切割平台上的多维滑轨做改进，从而提高切割头的移动速度，或者是对切割平台做改进，使切割平台也能够做多维移动，配合切割头的移动来提高切割头的相对行走速度。

但是平台加上板材的重量通常会比较大，不方便做高速变化的复杂运动，故而大部分切割机的平台是不设置移动的。同理，切割头应当尽量减小质量，以降低移动惯性。

另外，如果切割的图案是比较单调的几何形状，从而多维轨道的移动控制比较简单的话，则切割速度无疑会比较理想些；但如果切割的图案比较复杂，需要复杂的移动控制，则无疑势必会大大降低切割速度。例如，切割一个正方形图案，和切割一个卡通形象图案，后者对切割头的移动轨迹无疑要求更高，后者的切割速度大大低于切割前者的速度，成本会成倍增加。

4.激光行程的改变以及焦距的协同调节问题，具体来说，因为切割头是持续运动的状态，激光的光路，从激光发生器出射到切割头的行程是不定的，为了解决这个问题，需要实时计算激光的行程，并控制切割头的焦距调节保持动态变化，才能保证切割焦点落在板材上。其控制方式有一定的复杂性，还需要充分考虑各机械的惯性不同，对控制信号的反馈有不同的延迟。另外，因为用于切割的激光功率通常非常大，相应的激光器比较大型，重量非常大，因而激光器通常是不能移动的。有发明人曾设想将激光器与切割头之间的位置做相对固定，即必须使激光器与切割头一起移动，从而解决激光行程的改变以及焦距的协同调节问题，但是明显因为激光器的重量太大，而造成切割头与激光器的行走速度太慢，严重影响效率。

技术实现要素：

本发明的目的位于解决上述现有技术中遇到的问题，设计一种比现有激光切割设备速度更快的基于多维分配控制的高速激光切割系统及其切割方法，能够达到10～40以上的速度提升。

为实现本发明目的所采用的方案之一为：一种基于多维分配控制的高速激光切割系统，包括：

固定安装于底座上的激光器，用于产生切割激光；

固定安装的第一维度轨道，以及与第一维度轨道交叉安装的第二维度轨道，第二维度轨道沿第一维度轨道方向往复直线运动；

固定光路反射镜和活动光路反射镜，切割激光依次经过固定光路反射镜和活动光路反射镜，切割激光经过固定光路反射镜后平行于第一维度轨道方向，活动光路反射镜固定安装在第二维度轨道上，切割激光经过活动光路反射镜后平行于第二维度轨道方向；

切割平台，位于第二维度轨道下方，用于放置待切割板材；

切割头，活动安装于第二维度轨道上，沿第二维度轨道方向往复直线运动；

切割头上设有第三维度调位镜和第四维度调位镜，第三维度调位镜和第四维度调位镜通过电机驱动而往复转动，切割激光依次经过第三维度调位镜和第四维度调位镜后射向切割平台；

准直切割镜，位于第四维度调位镜和切割平台之间，切割激光经过准直切割镜后准直射向切割平台；

活动调焦镜片组，至少包括一凸透镜和一凹透镜，设于激光器和第三维度调位镜之间的切割激光路径上，凸透镜和/或凹透镜沿光路往复移动以调节切割激光的切割焦距。

优选的，所述切割平台由若干相互平行并隔空排列的栅条组成，切割平台上用于放置待切割板材，切割平台下为落空的废料收集区；栅条的上端边缘自下而上，其厚度逐渐变小，形成尖细的栅锋。

优选的，包括设于激光器出光口处的出光头，出光头沿激光出射方向依次包括法兰板、第一组块和第二组块，法兰板用于与激光器连接固定，法兰板上设有沿激光光路方向贯通的法兰孔，第一组块上的进光孔和第二组块上的出光孔也沿激光光路方向贯通；

第一组块和第二组块设有一对相应的组合斜面，组合斜面处设有单面镜，单面镜的反射面斜向朝向第二组块上出光孔，而透射面斜向朝向法兰板的法兰孔；切割激光从法兰孔的方向射向单面镜，并从单面镜的另一面继续射出；

第二组块的上端面设有安装孔，安装孔上设有指示激光器，安装孔向下连通至第二块组和第一组块的组合斜面，指示激光器发出的指示激光设在组合斜面处的单面镜上，并经单面镜的反射面反射向第二组块的出光孔出射，并与切割激光的光路重合。

优选的，所述第一维度轨道具有相互平行的2个，第二维度轨道具有1个，第二维度轨道的两端分别安装在2个第一维度轨道上，沿2个第一维度轨道的方向同步直线往复运动；

所述第一维度轨道和第二维度轨道均采用直线电机轨道，分别为构成第一维度轨道的第一直线电机轨道和第二直线电机轨道，构成第二维度轨道的第三直线电机轨道；

直线电机轨道包括，凹型槽架、磁片、动子和动子行程感应器，其中，凹型槽架构成轨道主体，凹型槽架内有凹型槽，凹型槽的方向即轨道方向；在凹型槽内壁两侧交错设置有n极和s极磁片，磁片沿两侧内壁面延展；动子设置在两侧内壁之间，沿凹型槽两端方向做往复直线运动；凹型槽的两端设有动子行程感应器，用于感应控制动子在凹型槽内的两端行程限位；

第三直线电机轨道的两端分别架设固定在第一直线电机轨道和第二直线电机轨道的动子上，而第三直线电机轨道的动子上安装固定有所述切割头。

优选的，第三直线电机轨道的凹型槽架的侧面设有行程测量传感条；切割头通过切割头固定架安装在第三直线电机轨道的动子上，切割头固定架上设有对应行程测量传感条的行程测量传感器。

优选的，切割头的一侧壳体上设有收光孔，切割激光从收光孔射入切割头内；第三维度调位镜和第四维度调位镜设于切割头的壳体内腔中，切割头壳体的底板上设有调位激光出射窗，调位激光出射窗位于第四维度调位镜下方，经过第四维度调位镜反射的切割激光从调位激光出射窗向下射出；第三维度调位镜连接在第三维度调位电机的输出轴上，第四维度调位连接在第四维度调位电机的输出轴上；第三维度调位电机的输出轴和第四维度调位电机的输出轴形成一定的空间夹角，第三维度调位电机和第四维度调位电机通过调位电机固定座安装固定。

优选的，在收光孔内侧设有孔径板，孔径板上设有沿光路贯通的光阑孔，光阑孔由限光圈的内侧面包围而成，限光圈的内侧面亦形成为光阑孔内壁；孔径板上朝向收光孔的一面设有围绕在限光圈外侧的收光槽，收光槽的槽底低于孔径板表面和限光圈；收光槽与孔径板正面过渡的收光槽内壁垂直于孔径板表面，限光圈外壁形成为收光槽与限光圈之间过渡的壁面，该壁面垂直于孔径板表面。

优选的，所述活动调焦镜片组设于切割头内，且位于孔径板和第三维度调位镜之间；所述活动调焦镜片组包括活动调焦镜和固定调焦镜，活动调焦镜采用所述凹透镜，固定调焦镜采用所述凸透镜；固定调焦镜固定在切割光路上，而活动调焦镜沿切割光路的方向往复直线运动；

还包括半月牙形的调焦镜片架，活动调焦镜安装固定在半月牙形的调焦镜片架上，调焦镜片架固定在调焦滑块上，调焦滑块活动安装在调焦滑轨上，调焦滑轨与调焦滑块相互匹配连接，调焦滑轨沿与切割激光光路平行的方向布置，调焦滑块可被驱动在滑轨上快速往复滑动，带动调焦镜片架和活动调焦镜跟随往复滑动；

还包括动态调焦电机，被竖向安装固定于切割头内，动态调焦电机的转动轴上固定连接有第一摆动连杆，第一摆动连杆一端与动态调焦电机的转动轴固定连接，另一端与第二摆动连杆的一端轴接，第二摆动连杆的另一端则与调焦滑块一侧轴接；第一摆动连杆与第二摆动连杆的连接轴的方向与动态调焦电机的转动轴方向平行，第二摆动连杆与调焦滑块的连接轴的方向与动态调焦电机的转动轴方向平行。

优选的，还包括上下贯通的切割嘴，切割嘴的上端开口安装于调位激光出射窗下方；所述准直切割镜安装于切割嘴的内腔中，所述准直切割镜为凸透镜；切割嘴的下端开口比上端小，口部呈带有圆角的方形；切割嘴的侧边设有气孔，用于连接气管，在切割作业时，气体从气孔进入切割嘴内腔并从切割嘴下端开口喷出。

为实现本发明目的所采用的方案之二为：一种基于多维分配控制的高速激光切割方法，包括以下步骤：

(1)利用固定光路反射镜将激光器发出的切割激光调整至与第一维度轨道方向平行射出；

(2)在第一维度轨道上交叉设置第二维度轨道，第二维度轨道可沿第一维度轨道方向往复直线运动；同时，在第二维度轨道与平行于第一维度轨道的切割激光的交接处设置活动光路反射镜，并利用活动光路反射镜改变切割激光方向为平行于第二维度轨道方向；

(3)在第二维度轨道上设置切割头，切割头可沿第二维度轨道方向往复直线运动；切割头上安装第三维度调位镜和第四维度调位镜，利用电机对第三维度调位镜和第四维度调位镜进行往复转动控制，第三维度调位镜的转动轴线和第四维度调位镜的转动轴线相互交叉设置；利用第三维度调位镜接收平行于第二维度轨道的切割激光并反射至第四维度调位镜；

(4)利用第四维度调位镜将接收到的切割激光向下反射向切割平台方向；

(5)在切割激光的光路路径上设置活动调焦镜片组，并利用行程传感器和控制器实时计算切割激光射至切割平台上不同位置的光程，从而控制活动调焦镜片组对实时调整切割激光的切割焦点。

优选的，还包括步骤：

将准直切割镜设于第四维度调位镜下方，利用准直切割镜将斜向射出的切割激光向法向方向折射，使切割激光与法向方向的夹角变小或者平行于法向方向。

优选的，将切割平台划分为若干切割面积与第三维度调位镜和第四维度调位镜协同反射范围对应的切割单元区域；

先控制第一维度轨道和第二维度轨道移动将切割头移动至待切割单元区域的上方，再控制第三维度调位镜和第四维度调位镜将切割激光沿切割轨迹反射，直至完成该切割单元区域的切割，再控制切割头移动至下一切割单元区域，依此循环控制切割。

优选的，利用第三维度调位镜和第四维度调位镜控制切割激光，在准直切割镜覆盖的切割范围内持续切割，同时控制第一维度轨道和第二维度轨道移动切割头，将准直切割镜覆盖的中心点实时往切割点方向靠近。

优选的，当准直切割镜覆盖的中心点与切割点靠近到一定距离后停止靠近，当切割点再次远离准直切割镜覆盖的中心点一定距离后再次控制靠近。

本发明基于多维分配控制的高速激光切割系统及其切割方法，利用第一维度轨道和第二维度轨道，通过平行移动的方式用于大范围移动切割区域，而通过第三维度调位镜和第四维度调位镜的反射来在小范围的切割区域内快速定位切割点，最后通过准直切割镜使切割激光竖直向下切割。通过四个维度分配激光的平面位移，第一维度轨道和第二维度轨道负责大距离位移，将切割头快速移动至远距离处，而第三维度调位镜和第四维度调位镜对切割激光位移的控制速度远远快于第一维度轨道和第二维度轨道对切割头的整体移动，故而用来在小范围平面内高速改变切割激光的方位实现超高速切割。通过大范围+小范围内的结合，切割速度能达到现有切割设备的10～40倍以上的切割速度提升。

附图说明

图1为本发明切割方向与板材厚度之间关系的说明示意图

图2为本发明高速切割设备的立体结构示意图

图3为本发明高速切割设备的另一立体结构示意图

图4为本发明高速切割设备隐藏风琴罩后的立体结构示意图

图5为本发明实施例中直线电机轨道的结构示意图

图6为本发明高速切割设备的激光光路示意图

图7为本发明实施例中底座的结构示意图

图8为本发明实施例中切割平台的结构示意图

图9为图8中的q部放大图

图10为本发明实施例中固定光路调节板的结构示意图

图11为本发明实施例中激光器的出光头的结构示意图

图12为本发明实施例中激光器的出光头的内部结构示意图

图13为本发明实施例中激光器的出光头的结构分解示意图

图14为本发明实施例中第二维度直线电机轨道与切割头的结构示意图

图15为本发明实施例中第二维度直线电机轨道与切割头的结构另一角度示意图

图16为本发明实施例中活动光路支架的结构示意图

图17为本发明实施例中切割头的内部结构示意图

图18为本发明实施例中切割头的主要光路部件的结构示意图

图19为本发明实施例中切割头的孔径板的结构示意图

图20为本发明实施例中切割头的孔径板的背面结构示意图

图21为本发明实施例中切割头内部的光路结构示意图

图22为本发明实施例中切割头的动态聚焦模块的结构示意图

图23为本发明实施例中切割头的扫描窗方向的结构示意图

图24为本发明实施例中切割嘴的结构示意图

图25为本发明实施例中切割嘴结构的另一方向示意图

图26为本发明实施例中切割嘴结构的又一方向示意图

图27为本发明实施例中切割头和切割嘴切割光路示意图

本发明中的标号对应的结构名称为：

切割模组100，切割光线101，板材110，切割边缘111、112；

底座1，废料口11，切割平台12，第一直线电机轨道31，第二直线电机轨道32，第三直线电机轨道33，激光座401，激光器40，出光头4，固定光路反射镜5，固定光路底座52，固定光路调节板51，活动光路反射镜6，活动光路底座62，活动光路调节板61，切割头7，第一直线电机轨道的风琴罩311，第二直线电机轨道的风琴罩321，第三直线电机轨道的风琴罩331；

直线电机轨道的凹型槽架312、322、332，直线电机轨道的磁片313、323、333，直线电机轨道的动子315、325、335，直线电机轨道的动子行程感应器316、336，第一安装板3331，第二安装板3332，行程测量传感器371，行程测量传感条381，前置传感片372，前置传感器382，后置传感片373，后置传感器383，切割头固定架733，切割头的收光孔70；

平台外框121，栅条13，栅锋131；固定螺孔512，调节螺孔511；活动光路底座的第一侧边621，活动光路底座的第二侧边622，活动光路底座的第三侧边623，第一l型固定架63，第二l型固定架661，第二l型固定架的固定螺孔6611，活动光路底座的固定螺孔624，活动光路调节板的背面611，活动光路调节板的中心调节螺孔612，活动光路调节板的侧调节螺孔613；

法兰板43，法兰孔431，选择性反射镜42，指示激光器41，指示激光器的调节座411，指示激光器的调节簧412，第一块组44，第二块组45，指示激光器的安装孔452，指示激光器的调节螺孔453，第二块组的出光孔451，单面镜安装口455，第一块组的进光孔441；

切割头背板701，切割头底板702，孔径板71，孔径板的固定螺孔711，孔径板的光阑孔710，孔径板正面712，孔径板背面713，收光槽714，限光圈715，收光槽内壁7140，限光圈外壁7151，光阑孔内壁7152；

护光板720，动态调焦电机722，动态调焦电机的固定座721，动态调焦电机的转动轴7220，第一摆动连杆723，第二摆动连杆724，调焦滑轨726，调焦滑块725，调焦镜片架7250，调焦滑轨的滑槽7260，活动调焦镜727，固定调焦镜730，固定调焦框73；

第三维度调位镜752，第三维度调位电机75，第三维度调位接头751，第四维度调位镜762，第四维度调位电机76，第四维度调位接头761，调位电机固定座74；调位激光出射窗7020；

出射激光400，切割激光401，第一准直切割激光401'，第二准直切割激光401”，第三准直切割激光401”'，切割区1100；

切割嘴8，准直切割镜9，切割嘴内腔80，切割嘴上端81，切割嘴下端82，气孔83，出光嘴84。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

实施例一

一种基于多维分配控制的高速激光切割系统，本实施例的切割设备比现有切割设备的切割效率快10～50倍，特别是针对越复杂的切割路线，越难切的板材，切割效率提升越明显。

为详细说明本实施例，下面在叙述过程中结合相关附图以辅助说明。

如图2至4所示，本设备的主要核心部件设置在一个底座1上，本实施例的底座1是一个辅助稳固安装部件，图中所示为一个厚度平台，在其他实施例中，不限具体形状，常规所见的设备底座均可，例如桌子型底座，架子型底座等。

又如图7所示，底座1为一金属钢板，底座中设有一废料口11，用于收集烟尘，碎屑等废料。

又如图8和图9所示，在废料口11出设置切割平台12，用于放置待切割物体，如板材110。切割平台12主要由若干栅条13组成，图示中，所有栅条13呈直线状，相互平行并间隔一定距离排列组成切割平台12。在其他实施例中，所述栅条可以为波形状，弧线状，环形状等，栅条之间相互组成具有一定上下空隙的切割平台12。

所述栅条最好由金属，例如钢片、铝片或合金片等制成，为片装结构，栅条13的上端边缘具有尖细的栅锋131，栅条13的上端边缘，自下而上，其厚度逐渐变小，形成所述尖细的栅锋131。图9中所述栅锋131是从栅条13的两侧面同时向上收缩厚度，在其他实施例中，还可以是从栅条的一侧面逐渐向上收缩厚度。

在切割板材时，切割的激光会不确定地射空(射穿)板材，射到板材下方，理想的情况是高能的切割激光最好直接穿过栅条的间隙射至废料口下面，不会有安全隐患；不理想的情况是，激光会射至栅条上，栅条本身因为细薄，故采用的是耐激光灼烧的金属材料，当激光射至栅条上时，栅条会反射部分激光，因为切割激光的能量超级高，能用来切割金属板材的激光能量，必然是超级高，只要有一点点切割激光被反射至人身，因为人本身的反应速度，对人身体一般部位不会产生太严重伤害，唯独对眼睛的伤害是直接致瞎性质的，故切割激光的安全问题极度重要。通常会控制切割激光几乎都是垂直向下切割，故而切割激光即使偶有反射，也能大致控制反射方向，例如竖直向下打在栅条上的切割激光，通常只会射到栅锋的锋尖和锋面上，因为锋尖很细，反射的激光量已经降到相当低的程度，大部分的切割激光会被锋面反射，因为锋面与竖向方向的夹角很小，即与切割激光的入射方向夹角很小，切割激光基本会被向下方反射，射至废料口下方。

图8中，所述栅条为了方便安装，用平台外框121固定栅条，其他固定栅条的惯用固定方式亦可，也可以直接把栅条固定在废料口处。

又如图2至图4所示，本实施例激光切割技术，所用的激光器是大功率激光器，例如co2激光器、固体激光器、光纤激光器等，功率高达到几百瓦以上，如果用于切割钢板的话，功率则高达千瓦至万瓦以上，切割用激光器的特点就是功率大、体积大、重量大。本实施例的激光器40被通过激光座401固定在底座1上，激光器的出光处，设有一个出光头4；优选的，出光头和激光器之间存在传播光路，将激光的传播方向做以改变，节省长度空间。本发明的激光器40，因为属于大型的大功率激光器，故务必需要固定在底座上，而不能参与一些动态的运动。通常能够发出切割激光的激光器其功率、重量和体积均比其他激光器大，常用的大功率激光器属于现有技术。

如图11至图13所示，出光头4的主要作用是对切割激光附加一同轴的指示激光，其包括依次固定连接的法兰板43、第一组块44、第二组块45，法兰板43用于将出光头4与激光器40固定连接，法兰板43上设有贯通板前后的法兰孔431，用于切割激光射入出光头4内。第一组块44和第二组块45有一对相应的组合斜面，与法兰孔431的法向方向成45度角。第一组块的进光孔441，沿法兰孔431的法向方向前后贯通第一组块，并与法兰孔431对齐；第二组块的出光孔451，沿法兰孔431的法向方向前后贯通第二组块，并与第一组块的进光孔441对齐。法兰孔431、第一组块的进光孔441和第二组块的出光孔451依次沿法向方向对齐，用于形成切割激光的出光孔路。

在第二组块45的上端面，设有指示激光器的安装孔452以及指示激光器的调节螺孔453，指示激光器的安装孔452向下连通至第二块组的出光孔451，第一组块的进光孔441和第二组块的出光孔451之间设有单面镜安装口455，单面镜安装口455位于指示激光器的安装孔452的正对下方，单面镜安装口455处设置有单面镜42，单面镜42的镜面沿着组合斜面与法兰孔431的法向方向成45度角；单面镜具有两面属性，其正面为反射面，其背面为透射面；切割激光从法兰孔431的方向射至单面镜42的背面，然后从单面镜的正面射出至第二组块的出光孔451，从而不影响切割激光通过其出光孔路。指示激光器41，通过指示激光器的调节座411安装在指示激光器的安装孔452处，使指示激光器41向下发出的指示激光射向单面镜42的正面，然后被单面镜的42的正面反射向第二组块的出光孔451外。指示激光器的调节簧412安装于指示激光器的调节螺孔453处，三个调节簧412可调节一个平面的法向，通过调节该三个调节簧412，用于校准指示激光器41的出射激光直至与切割激光同轴出射。

沿切割激光和指示激光出射的方向，第一个改变光路的结构为固定光路反射镜5，安装于固定光路调节板51上，固定光路调节板51通过固定光路底座52固定在底座1上。如图10所示，固定光路调节板51的下端设有固定螺孔512，用于与固定光路底座52固定连接，固定光路调节板51上还设有调节螺孔511，固定光路反射镜5的背面通过调节螺钉与调节螺孔511安装连接。固定光路反射镜5的主要作用，一是折叠光路，节省设备的长度空间；二是调节激光方向，使激光方向平行于第一维度轨道的运动方向。理论上，如果不嫌空间浪费，在激光射出时即保证了激光方向，可以省略该固定光路反射镜5；但实际上因为工程安装误差导致基本很难在安装切割激光器时即保证了激光方向，故实际中最好需要固定光路反射镜5来调节和校准切割激光的方向，使之务必平行于第一维度轨道的运动方向并入射至活动光路反射镜6上。

在切割平台12的两侧设有两个第一维度轨道，在第一维度轨道上，架设有第二维度轨道。在本发明中，采用第一直线电机轨道31，第二直线电机轨道32和第三直线电机轨道33，在其他实施例中，还可以用螺杆，滑轨等。两个第一维度轨道相互平行，用于驱动第二维度轨道在第一维度轨道上移动。在本实施例中，第一维度轨道的运动方向和第二维度轨道的运动方向相互成正交，在其他实施例中，可以不正交，两个维度形成一定夹角，也能实现平面范围内的定位效果。

如图2至图6所示，本实施例的轨道结构采用直线电机轨道结构。

第一直线电机轨道31设为第一维度轨道，其结构包括，凹型槽架312，磁片313，动子315，动子行程感应器316等，其中，凹型槽架312固定在底座1上，在凹型槽内壁两侧交错设置有n极和s极磁片313，磁片313沿两侧内壁面延展，动子设置在两侧内壁之间，凹型槽的两端设有动子行程感应器316，用于感应控制动子在凹型槽内的两端行程限位，凹型槽上罩设有风琴罩311，主要用来防止灰尘粉屑进入直线电机内。

第二直线电机轨道32同为第一维度轨道，其结构包括，凹型槽架322，磁片323，动子325，动子行程感应器等，其中，凹型槽架322固定在底座1上，该凹型槽架322与第一直线电机轨道的凹型槽架312相互平行设置，在凹型槽内壁两侧交错设置有n极和s极磁片323，磁片323沿两侧内壁面延展，动子设置在两侧内壁之间，凹型槽的两端设有动子行程感应器，用于感应控制动子在凹型槽内的两端行程限位，凹型槽上罩设有风琴罩321，主要用来防止灰尘粉屑进入直线电机内。

再如图14和图15所示，第三直线电机轨道33设为第二维度轨道，其结构包括，凹型槽架332，磁片333，动子335，动子行程感应器336等，其中，在凹型槽内壁两侧交错设置有n极和s极磁片333，磁片333沿两侧内壁面延展，动子335设置在两侧内壁之间，凹型槽的两端设有动子行程感应器336，用于感应控制动子在凹型槽内的两端行程限位，凹型槽上罩设有风琴罩331，主要用来防止灰尘粉屑进入直线电机内。凹型槽架332的一端通过第一安装板3331固定在第一直线电机轨道的动子315上，凹型槽架332的另一端通过第二安装板3332固定在第二直线电机轨道的动子325上，凹型槽架332的槽向，垂直于凹型槽架322和凹型槽架312，从而使得整个第三直线电机轨道33整体被第一直线电机轨道的动子315和第二直线电机轨道的动子325驱动行走；而第三直线电机轨道的动子335的运动方向与另外2个动子的方向相互正交垂直。

如图6和图15、图16所示，固定光路反射镜5，设于第一直线电机轨道31的一端，与第一直线电机轨道31相对固定，用于调节激光光路与第一直线电机轨道31的动子运动方向平行，并使激光准确入射至与第一直线电机轨道的动子315联动的活动光路反射镜6上。

活动光路反射镜6，安装在活动光路调节板61上，活动光路调节板61又通过活动光路底座62固定在第一安装板3331，实现与第三直线电机轨道33的整体联动。所述活动光路调节板的背面611上设有中心调节螺孔612和侧调节螺孔613，中心调节螺孔612和侧调节螺孔613，贯通至活动光路调节板61的前面，并与活动光路反射镜6的背面连接，用于调节和校准活动光路反射镜6的反射方向，使活动光路反射镜6的反射光方向与第三直线电机轨道的动子335的运动方向相互平行。

所述活动光路底座62为不规则多边形形状，其包括第一侧边621、第二侧边622和第三侧边623，第一侧边621和第二侧边622之间的夹角大致为135度，第三侧边623和第一侧边621为相互垂直，在活动光路底座62上靠近第二侧边622的边缘处设置有固定螺孔624，用于固定安装活动光路调节板61。

还包括第一l型固定架63和第二l型固定架661，以及第二l型固定架上的固定螺孔6611，第一l型固定架63用于进一步加固活动光路底座62与第一安装板3331之间的固定关系，第二l型固定架661用于进一步加固活动光路调节板61与固活动光路底座62之间的固定关系。本实施例中，将固定光路反射镜5和活动光路反射镜6设置在第一直线电机轨道一侧，在其他实施例中，设置在第二直线电机轨道一侧也是可以的。

又如图14和图15所示，第三直线电机轨道的动子335上安装有切割头固定架733，切割头固定架733随着动子335沿着第三直线电机轨道的凹型槽架332方向移动，即沿着第二维度方向移动，实现切割头固定架733与动子335的联动效果。在切割头固定架733的一侧安装有所述切割头7，切割头7随着切割头固定架733和动子335联动。切割头7上设有朝向活动光路反射镜6的收光孔70，用于接收自活动光路反射镜6处反射过来的激光。切割头7上还设有朝向下方切割平台的切割嘴8，切割激光或指示激光从切割嘴8射出后，竖直向下射出至切割平台上。

在切割头固定架733的另一侧设有行程测量传感器371，行程测量传感器371朝向凹型槽架332的外侧面，凹型槽架332的外侧面上设有对应行程测量传感器371的行程测量传感条381，当动子335沿着第二维度往复移动时，切割头固定架733以及其上的切割头7和行程测量传感器371均跟随移动，行程测量传感器371沿着行程测量传感条381做跟随式的往复移动，并测量出切割头固定架733及其上的切割头7的在第二维度上的实时相对位置信息，并传输给控制器。

在与行程测量传感器371同侧的切割头固定架733上，还设有前置传感片372和后置传感片373，分别位于行程测量传感器371沿第二维度方向的前后两侧。在与行程测量传感条381同侧的凹型槽架332的外侧面上，在远离活动光路反射镜6一端的行程测量传感条381的端部之外设有前置传感器382，在相反端设有后置传感器383。当切割头固定架733向前移动到前置传感片372与前置传感器382感应的位置，或后置传感片373和后置传感器383感应的位置时，行程测量传感器371对相对位置数据做校准、复位等动作。

如图17和图18所示，隐藏切割头7的部分外壳，可以看到切割头背板701和切割头底板702，在切割头背板701上设有若干控制电路板，电路板上设有常规的控制驱动电路。沿着激光从切割头的收光孔70入射的顺序，切割头内依次设有孔径板71、活动调焦镜727、固定调焦框73和第三维度调位镜752、第四维度调位镜762、调位激光出射窗7020，以及切割嘴8。

如图19和图20所示，孔径板正面712一端设有固定螺孔711，用于安装固定孔径板71，孔径板另一端设有光阑孔710，光阑孔710贯穿孔径板正面712和孔径板背面713。光阑孔710由限光圈715的内侧面包围而成，限光圈715的内侧面亦形成为光阑孔内壁7152。位于孔径板正面712的一侧设有围绕在限光圈715外侧的收光槽714，收光槽714的槽底低于孔径板正面712和限光圈715，收光槽714与孔径板正面712过渡的收光槽内壁7140垂直于孔径板正面712的表面，限光圈外壁7151形成为收光槽714与限光圈715之间过渡的壁面，该壁面垂直于孔径板正面712的表面，收光槽714底面平行于孔径板正面712的表面。切割激光或指示激光从切割头的收光孔70射入后从孔径板正面712一侧射入孔径板的光阑孔710中，并从孔径板的背面射出。

正常情况下，激光会顺利通过光阑孔，但是在设备初期调试以及设备发生意外振动时，激光会跑偏，为了保护切割头内部结构不被意外跑偏的激光烧毁损伤，设置孔径板，由具有一定厚度的钢板制成。孔径板正面设有限光圈和收光槽，多余的光跑出光阑孔之后，会落入限光圈和收光槽内；限光圈为一圈细薄的凸起边缘，多余的光会被限光圈“削掉”，使光进入收光槽底，被收光槽底面吸收部分光，散射部分光，被散射的部分光大部分又被收光槽侧壁吸收掉，从而很好地保护了切割头内部结构。

再看图17、图18、图21和图22，穿过孔径板的激光入射至活动调焦镜727，活动调焦镜727通常为凹透镜(或凸透镜)，其被固定于半月牙形的调焦镜片架7250上，调焦镜片架7250固定在调焦滑块725上，调焦滑块725活动安装在调焦滑轨726上，调焦滑轨上具有滑槽7260与调焦滑块725相互匹配连接，调焦滑轨726沿与激光光路平行的方向布置，调焦滑块725可被驱动在滑轨上快速往复滑动，带动活动调焦镜727与固定调焦镜730产生距离变化，从而改变激光切割的焦距高度。还包括动态调焦电机722，被竖向安装固定于固定座721上，动态调焦电机的转动轴7220上固定连接有第一摆动连杆723，第一摆动连杆723一端与动态调焦电机的转动轴7220固定连接，另一端与第二摆动连杆724的一端轴接，第二摆动连杆724的另一端则与调焦滑块725一侧轴接。第一摆动连杆723与第二摆动连杆724的连接轴的方向与动态调焦电机的转动轴7220方向平行，第二摆动连杆724与调焦滑块725的连接轴的方向与动态调焦电机的转动轴7220方向平行。在调焦滑轨726外侧设有护光板720，防止切割激光的散射对人眼的意外伤害。

在活动调焦镜727的后端，设有固定调焦镜730，通过固定调焦框73固定于光路上；固定调焦镜730通常为凸透镜(或凹透镜)。

在固定调焦镜730的后端依次设有第三维度调位镜752和第四维度调位镜762，切割激光或指示激光经过固定调焦镜730后，先是入射至第三维度调位镜752的镜面上，然后第三维度调位镜752再将激光反射至第四维度调位镜762的镜面上，第四维度调位镜762再将激光反射从调位激光出射窗7020射向切割嘴8。所述第三维度调位镜752和第四维度调位镜762可以是玻璃镜或镀有反射膜的铝合金镜，第三维度调位镜752通过第三维度调位接头751连接在第三维度调位电机75的输出轴上。第四维度调位镜762通过第四维度调位接头761连接在第四维度调位电机76的输出轴上。第三维度调位电机75的输出轴和第四维度调位电机76的输出轴之间形成一定的空间夹角，在本实施例中，其夹角为90度，在其他实施例中，还可以为其他角度。第三维度调位电机75和第四维度调位电机76通过调位电机固定座74安装固定。

如图23所示，切割头底板702上，对应第三维度调位镜752和第四维度调位镜762的位置设有调位激光出射窗7020，经过第三维度调位镜752和第四维度调位镜762调位的激光从调位激光出射窗7020射出至切割嘴8。

如图24至图26所示，切割嘴8的上端中部具有大开口，切割嘴上端81安装于调位激光出射窗7020下方，激光从调位激光出射窗7020射出后，从割嘴8的上端中部具有大开口处射入切割嘴内腔80中。切割嘴内腔80中安装有准直切割镜9，准直切割镜9通常为凸透镜(或其他准直透镜组合)，激光通过准直切割镜9后竖向向下从位于切割嘴下端82的小开口处，即从出光嘴84处射出。切割嘴8的侧壁上设有气孔83，贯通至切割嘴8的内腔80中。所述切割嘴8上下设置，上开口大，下开口小，小口有利于避免切割烟雾粉尘进入切割嘴内，激光自上而下经过切割嘴的准直切割镜9准直射出；出光嘴84为带有圆角的方形，对应方形切割区域。气孔用于连接气管，在作业时气管持续向切割嘴内腔80内输入气体，气体从出光嘴84中喷出，方便在作业时一是防止烟尘进入从出光嘴84处进入切割嘴内腔80内，二是吹散下方的烟尘，利于精细化切割。

如图27所示，为准直切割激光的切割头内部光路图。出射激光400，经过第三维度调位镜和第四维度调位镜的调制后，产生不同位移的切割激光401，切割激光401经过准直切割镜后，形成不同位移的准直向下的切割激光，如第一准直切割激光401'、第二准直切割激光401”和第三准直切割激光401”'，并从出光嘴84中射出至下方的切割单元区域1100内，从而对板材110进行切割作业。

本实施例的第一维度轨道和第二维度轨道，通过平行移动的方式用于大范围移动切割区域，而通过第三维度调位镜和第四维度调位镜的反射来在小范围的切割区域内快速定位切割点，最后通过准直切割镜使切割激光竖直向下切割。通过大范围+小范围内的结合，切割速度能达到现有切割设备的10～40倍以上的切割速度提升。

本实施例的高速切割激光系统，通过四个维度分配激光的平面位移，第一维度轨道和第二维度轨道负责大距离位移，将切割头快速移动至远距离处，而第三维度调位镜和第四维度调位镜用来在小范围平面内高速改变切割激光的方位实现超高速切割。

实施例二

本实施例二在实施例一的基础上，将活动调焦镜片组，包括其辅助控制结构移出切割头内，并可固定设置在切割激光光路经过的其他位置，例如底座、第一维度轨道或第二维度轨道上。可进一步降低切割头的重量，提高切割头移动的灵活度。

实施例三

本实施例在在实施例一的基础上，去掉切割嘴和其内的准直切割透镜。本实施例的方案不能用于切割具有一定厚度的板材，但可用于切割非常薄的其他材料，比如卡纸，皮革等。

实施例四

本实施例为一种基于多维分配控制的高速激光切割方法，包括以下步骤：

(1)利用固定光路反射镜将激光器发出的切割激光调整至与第一维度轨道方向平行射出；

(2)在第一维度轨道上交叉设置第二维度轨道，第二维度轨道可沿第一维度轨道方向往复直线运动；同时，在第二维度轨道与平行于第一维度轨道的切割激光的交接处设置活动光路反射镜，并利用活动光路反射镜改变切割激光方向为平行于第二维度轨道方向；

(3)在第二维度轨道上设置切割头，切割头可沿第二维度轨道方向往复直线运动；切割头上安装第三维度调位镜和第四维度调位镜，利用电机对第三维度调位镜和第四维度调位镜进行往复转动控制，第三维度调位镜的转动轴线和第四维度调位镜的转动轴线相互交叉设置；利用第三维度调位镜接收平行于第二维度轨道的切割激光并反射至第四维度调位镜；

(4)利用第四维度调位镜将接收到的切割激光向下反射向切割平台方向；

(5)在切割激光的光路路径上设置活动调焦镜片组，并利用行程传感器和控制器实时计算切割激光射至切割平台上不同位置的光程，从而控制活动调焦镜片组对实时调整切割激光的切割焦点。

还包括步骤：

将切割平台划分为若干切割面积与第三维度调位镜和第四维度调位镜协同反射范围对应的切割单元区域；

先控制第一维度轨道和第二维度轨道移动将切割头移动至待切割单元区域的上方，再控制第三维度调位镜和第四维度调位镜将切割激光沿切割轨迹反射，直至完成该切割单元区域的切割，再控制切割头移动至下一切割单元区域，依此循环控制切割。

实施例五

本实施例为另一种基于多维分配控制的高速激光切割方法，包括以下步骤：

(1)利用固定光路反射镜将激光器发出的切割激光调整至与第一维度轨道方向平行射出；

(2)在第一维度轨道上交叉设置第二维度轨道，第二维度轨道可沿第一维度轨道方向往复直线运动；同时，在第二维度轨道与平行于第一维度轨道的切割激光的交接处设置活动光路反射镜，并利用活动光路反射镜改变切割激光方向为平行于第二维度轨道方向；

(3)在第二维度轨道上设置切割头，切割头可沿第二维度轨道方向往复直线运动；切割头上安装第三维度调位镜和第四维度调位镜，利用电机对第三维度调位镜和第四维度调位镜进行往复转动控制，第三维度调位镜的转动轴线和第四维度调位镜的转动轴线相互交叉设置；利用第三维度调位镜接收平行于第二维度轨道的切割激光并反射至第四维度调位镜；

(4)利用第四维度调位镜将接收到的切割激光向下反射向切割平台方向；

(5)在切割激光的光路路径上设置活动调焦镜片组，并利用行程传感器和控制器实时计算切割激光射至切割平台上不同位置的光程，从而控制活动调焦镜片组对实时调整切割激光的切割焦点。

还包括步骤：

(6)将准直切割镜设于第四维度调位镜下方，利用准直切割镜将斜向射出的切割激光向法向方向折射，使切割激光与法向方向的夹角变小或者平行于法向方向。

还包括步骤：

将切割平台划分为若干切割面积与第三维度调位镜和第四维度调位镜协同反射范围对应的切割单元区域；

先控制第一维度轨道和第二维度轨道移动将切割头移动至待切割单元区域的上方，再控制第三维度调位镜和第四维度调位镜将切割激光沿切割轨迹反射，直至完成该切割单元区域的切割，再控制切割头移动至下一切割单元区域，依此循环控制切割。

实施例六

本实施例为一种基于多维分配控制的高速激光切割方法，包括以下步骤：

(1)利用固定光路反射镜将激光器发出的切割激光调整至与第一维度轨道方向平行射出；

(2)在第一维度轨道上交叉设置第二维度轨道，第二维度轨道可沿第一维度轨道方向往复直线运动；同时，在第二维度轨道与平行于第一维度轨道的切割激光的交接处设置活动光路反射镜，并利用活动光路反射镜改变切割激光方向为平行于第二维度轨道方向；

(3)在第二维度轨道上设置切割头，切割头可沿第二维度轨道方向往复直线运动；切割头上安装第三维度调位镜和第四维度调位镜，利用电机对第三维度调位镜和第四维度调位镜进行往复转动控制，第三维度调位镜的转动轴线和第四维度调位镜的转动轴线相互交叉设置；利用第三维度调位镜接收平行于第二维度轨道的切割激光并反射至第四维度调位镜；

(4)利用第四维度调位镜将接收到的切割激光向下反射向切割平台方向；

(5)在切割激光的光路路径上设置活动调焦镜片组，并利用行程传感器和控制器实时计算切割激光射至切割平台上不同位置的光程，从而控制活动调焦镜片组对实时调整切割激光的切割焦点。

还包括步骤：

(6)将准直切割镜设于第四维度调位镜下方，利用准直切割镜将斜向射出的切割激光向法向方向折射，使切割激光与法向方向的夹角变小或者平行于法向方向。

还包括步骤：

利用第三维度调位镜和第四维度调位镜控制切割激光，在准直切割镜覆盖的切割范围内持续切割，同时控制第一维度轨道和第二维度轨道移动切割头，将准直切割镜覆盖的中心点实时往切割点方向靠近。

实施例七

本实施例为一种基于多维分配控制的高速激光切割方法，包括以下步骤：

(1)利用固定光路反射镜将激光器发出的切割激光调整至与第一维度轨道方向平行射出；

(2)在第一维度轨道上交叉设置第二维度轨道，第二维度轨道可沿第一维度轨道方向往复直线运动；同时，在第二维度轨道与平行于第一维度轨道的切割激光的交接处设置活动光路反射镜，并利用活动光路反射镜改变切割激光方向为平行于第二维度轨道方向；

(3)在第二维度轨道上设置切割头，切割头可沿第二维度轨道方向往复直线运动；切割头上安装第三维度调位镜和第四维度调位镜，利用电机对第三维度调位镜和第四维度调位镜进行往复转动控制，第三维度调位镜的转动轴线和第四维度调位镜的转动轴线相互交叉设置；利用第三维度调位镜接收平行于第二维度轨道的切割激光并反射至第四维度调位镜；

(4)利用第四维度调位镜将接收到的切割激光向下反射向切割平台方向；

(5)在切割激光的光路路径上设置活动调焦镜片组，并利用行程传感器和控制器实时计算切割激光射至切割平台上不同位置的光程，从而控制活动调焦镜片组对实时调整切割激光的切割焦点。

还包括步骤：

(6)将准直切割镜设于第四维度调位镜下方，利用准直切割镜将斜向射出的切割激光向法向方向折射，使切割激光与法向方向的夹角变小或者平行于法向方向。

还包括步骤：

利用第三维度调位镜和第四维度调位镜控制切割激光，在准直切割镜覆盖的切割范围内持续切割，同时控制第一维度轨道和第二维度轨道移动切割头，将准直切割镜覆盖的中心点实时往切割点方向靠近。

且，当准直切割镜覆盖的中心点与切割点靠近到一定距离后停止靠近，当切割点再次远离准直切割镜覆盖的中心点一定距离后再次控制靠近。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。