一种精密激光切割系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及精密激光切割技术领域，更具体的说，特别涉及一种精密激光切割系统。
【背景技术】
[0002]激光由于其高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的优点，已经广泛应用于科研、国防、工业等国民生产的重要方面。在工业领域，激光加工作为先进制造技术，具有高效、高精度、高质量、范围广、节能环保并能实现柔性加工和超微细加工的优点，在汽车、电子电路、电器、航空航天、钢铁冶金、机械制造等领域得到了广泛的应用，且在某些行业(例如汽车、电子行业等)已经达到较高的水平。对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。
[0003]激光切割是激光加工中比较常见，应用也比较广泛的一种方式。随着激光切割在各个领域的广泛使用，各种材料的切割使用到了激光切割方式。随着工业的发展，尤其是电子产品的小型化，对于加工材料的精密切割日渐成为激光切割的主要发展方向。精密激光切割属于材料的微细加工范畴，需达到高精度、准确、迅速、自动化的加工方式，在精密激光切割中，气嘴与被切割材料表面的相对位置决定了切割断面质量及最佳切割速度。切割时，需要维持气嘴到工件表面的相对高度一致。对于材料厚薄不均匀、表面起伏不平的材料，普通的激光切割机不能够准确的对焦，造成切割质量下降，而且不能获得最佳的切割速度。
[0004]为了维持在切割过程中，气嘴与材料表面的相对高度一致，采用在气嘴上使用电容调高器进行调节及控制，即在气嘴上安装电容调高器，电容调高器和待切割的金属材料之间形成电容，通过检测两者形成的电容的大小，来调节Z轴的高度，从而维持气嘴和待切割材料之间的高度差恒定。但是使用电容调高器仅仅能够在切割金属时起作用，电容调高器在切割非金属时，因为形成的电容非常小，难以检测及控制，所以电容调高器无法用于非金属材料。
[0005]也有采用基本光学方式探测聚焦透镜相对于待切割材料表面的相对高度，但是因为其采用探测激光切割光束作用于材料位置处与聚焦透镜相对高度，而激光切割过程中，激光切割光束作用于材料位置处及其附近很小范围内(一般可以认为约2个激光聚焦光斑直径范围，大约直径为0.2mm的圆范围内)，会发生激烈的激光与材料的相互作用，在激光切割光束作用于材料位置处及其附近的物质，在相互作用过程中将会熔化、软化、形成熔池、变形等等复杂的反应，而此过程中，激光切割光束作用于材料位置处及其附近的很小范围内，材料表面形状及高度非常不稳定，甚至处于紊乱的动态变化过程中，因此为光学探测带来误差，导致测量不稳定、精度不高。尤其对于受到激光作用后，容易产生软化、熔化、热变形的材料，更加需要能够精确测量、调节激光焦点位置的装置。
[0006]因此，在精密激光切割中，为了提高切割质量，控制切割过程以及监视切割效果，需要设计一套系统对进行实时监控、观察待切割材料表面的显微图像。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种精密激光切割系统，能够观察、检测待加工材料表面的图像，并能够自动调整加工光束的焦点。
[0008]为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为:
[0009]—种精密激光切割系统，该切割系统包括激光光源组件、光学组件、三维运动组件和计算机，其中三维运动组件包括xy轴移动平台和z轴移动平台，xy轴移动平台带动待加工材料实现X、y方向移动，z轴移动平台带动光学组件实现z方向移动；
[0010]所述激光光源组件发射加工激光束，加工激光束经过光学组件作用后，聚焦在待加工材料上对其进行加工，计算机分别与激光光源组件、光学组件、xy轴移动平台和Z轴移动平台连接。
[0011]所述切割系统还包括辅助气体组件，其设置在待加工材料和光学组件之间；辅助气体组件采用气嘴，其上部侧壁上加工有辅助气体入口，底部中心的孔与待加工材料位置相对应。
[0012]所述激光光源组件包括激光器、滤光片、准直扩束装置和第一反射镜，其中激光器发射加工激光束，经过滤光片滤光后，到达准直扩束装置，准直扩束装置能增大加工激光束的光斑直径并减小其发散角。
[0013]所述准直扩束装置包括至少两组平行设置的透镜，透镜采用单片式镜片或组合式透镜组。
[0014]所述光学组件包括显微物镜、第二反射镜、第三反射镜和实时监测装置，其中第三反射镜平行设置在第一反射镜下方，第二反射镜沿水平方向并与第三反射镜平行设置；
[0015]被第一反射镜反射后的加工激光束，依次经过第三反射镜、第二反射镜作用后，到达实时监测装置，经过实时监测装置作用后，到达显微物镜放大聚焦后，作用在待加工材料上，焦点为第二加工激光束焦点。
[0016]所述实时监测装置包括第四反射镜、第五反射镜、成像透镜、小孔光阑、电荷耦合器件、照明光源和第三透镜；
[0017]其中照明光源发出照明光束，照明光束到达第三透镜透射后，经过第五反射镜反射至第四反射镜，照明光束透过第四反射镜后到达显微物镜，经过显微物镜放大聚焦后，在待加工材料表面形成光斑，光斑的中心轴与第二加工激光束焦点的中心轴重合；
[0018]照明光束在待加工材料表面部分反射形成成像光束，成像光束经过显微物镜被聚焦后，透过第四反射镜和第五反射镜，到达成像透镜透射聚焦，穿过小孔光阑中心的小孔，将待加工材料表面的图像传输给电荷耦合器件，电荷耦合器件将其转化为数字信号并传输给计算机。
[0019]所述成像透镜和小孔光阑之间还同轴设置有滤光片。
[0020]所述光学组件还包括自动调焦装置，其包括探测光源、衍射光学元件、第四透镜、第六反射镜、第七反射镜、透镜组合和采集光束接收器；
[0021]其中探测光源发出探测光束，探测光束经过衍射光学元件分成至少三束出射方向相同的探测光分束，每束探测光分束经过第四透镜透射聚焦后，到达第六反射镜上表面透射后，被第二反射镜上表面反射至第四反射镜，第四反射镜的下表面将探测光分束反射后，经过显微物镜放大聚焦在待切割材料的表面；
[0022]探测光束在待切割材料的表面反射形成采集光束，采集光束经过显微物镜的聚焦后，被第四反射镜的下表面反射，到达第二反射镜的上表面并被反射至第六反射镜，第六反射镜下表面将采集光束反射，到达第七反射镜上表面发射，经过透镜组合聚焦后，到达采集光束接收器，即采集到待加工材料表面的光斑信息，并将其传给计算机。
[0023]所述透镜组合和采集光束接收器之间还同轴设置有第二滤光片。
[0024]所述透镜组合包括柱面透镜和第五透镜，两者由下至上依次同轴设置在第七反射镜和采集光束接收器之间。
[0025]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0026]1、本发明中通过计算机控制，并通过三维移动组件带动光学组件和待加工材料运动，即能够调整光学组件与待加工材料之间的位置，其方便操作；如果待加工材料表面不平整、变形等，计算机将实时探测、采集、计算光学组件与待加工材料的相对位置，并控制三维移动组件进行实时调整，从而始终维持光学组件与待切割材料的相对位置，从而保证激光加工效果，加工质量稳定、均匀，并达到最佳加工效率。另外，普通的激光随动装置仅仅针对金属材料的切割，本发明中，无论任何材料类型，都可以使用其自动调焦功能，因此不受待切割材料种类的限制。
[0027]2、本发明中采用照明光源发射照明光束，能够将待切割材料表面进行照明，便于获得待切割材料表面的清晰的图像信息；此外，自动调焦装置能够始终维持待切割材料的表面与光学组件的相对距离，通过实时监测装置的电荷耦合器件能够维持其实时监测，从而保证实时监测待切割材料表面的图像的清晰，并能够自动寻找焦点位置，判断待加工材料是否位于恰当的位置。
[0028]3、本发明中，计算机可控制准直扩束装置的第一透镜进行移动，从而实现当整个光学组件与待切割材料表面相对位置不变时，加工激光束焦点位置可以在待切割材料表面、外部、内部实时的任意调整，从而实现特殊要求的加工，例如加工激光逐渐深入的穿孔。
[0029]4、本发明将自动调焦装置的探测光束分为多束，能够在加工激光束与待切割材料的作用点附近获得采集光束，而不是直接采集加工激光束焦点处，可以避免因加工激光束焦点处发生的加工激光束与待切割材料的相互作用引起的，如待切割材料表面的熔化、软化、变形等，带来的探测误差，从而提高自动调焦的精度。
【附图说明】
[0030]图1为本发明精密激光切割系统的原理图。
[0031]图2为本发明精密激光切割系统的光路示意图。
[0032]图3为本发明精密激光切割系统中自动调焦装置光路图。
[0033]图4为本发明中自动调焦装置产生的探测光分束焦点示意图。
[0034]图5为本发明中自动调焦装置采集光束光路图。
[0035]附图标记说明:1-激光光源组件、11-激光器、12-滤光片、13-准直扩束装置、131-第一透镜、132-第二透镜、14-第一反射镜、151-加工激光束