专利名称：可调切割角度的激光切割装置及使用该装置的激光切割机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及激光切割领域，具体来说是一种可调切割角度的激光切割 装置及使用该装置的激光切割机。
背景技术：
激光加工技术，利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非 金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等，是涉及到光、机、电、 材料及检测等多学科的一门综合技术。 一般地，激光加工系统，包括激光器、 导光系统、加工机床、控制系统、4企测系统等。
激光切割，是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，激光束能量及活 性气体辅助切割过程中附加的化学反应热能被材料吸收，由此引起照射点材料 温度急剧上升。到达沸点后材料开始汽化，并形成孔洞。随着光束与工件的相
对移动，最终使材料形成切缝。激光切割中，常使用激光器有YAG激光器和 C02激光器。
C02激光切割，是用聚焦镜将C02激光器产生的激光束聚焦在材料表面 上并使材料熔化；同时，用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料；使激 光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝。随着C02激 光器及数控技术的不断完善和发展，目前已成为工业上板材切割的一种先进的 力口工方法。
现有的激光切割机，切割质量极好，其切口宽度窄(一般为0.1-0.5mm), 精度高(一般孔中心距误差0.1-0.4mm,轮廓尺寸误差0.1-0.5mm),切口表 面光洁(一般Ra为12.5-25pm),切缝一般无需再进行加工。但是，现有的 激光切割机，也具有一定的缺陷，简述如下
现有的激光机切割机中，激光切割装置通常为竖直设置，对材料的加工也 为竖直切割；但现实中存在大量侧向切割的需求，此时，激光切割装置与工件 之间需要进行相对运动，使得激光束与工件加工表面之间形成特定的夹角；然 而，无论是激光切割装置，还是工件都较为笨重，驱动激光切割装置或是工件进行转动都十分困难，也不现实。为此，现有的激光切割机难以进行侧向切割； 在这种情况下，客户也只得使用传统的机械雕刻机完成侧向切割，其切割效率 和质量较低。
为此，在现有激光切割装置的基础上，有必要设计一种可以进行侧向切割 的激光切割机，以提高切割的效率和质量。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供一种可调切割角度的激光切割装置，可调节激 光束与工件加工表面成的夹角，实现对工件的侧向切割。在此基础上，本实用 新型还提供一种使用该装置的激光切割机，其切割效率和切割质量较高。
为解决以上技术问题，本实用新型提供的可调切割角度的激光切割装置， 其采用的技术方案是包括切割头和光路传导系统，所述切割头上安装聚焦镜， 用于将所述光路传导系统传输来的激光束聚焦在工件的加工表面上；在激光器 光轴与所述切割头之间，设置第一旋转系、第二旋转系；所述激光器光轴、第 一旋转系、第二旋转系及切割头依次连接；所述第一旋转系的旋转轴为Y轴， 所述Y轴与所述激光器光轴重合；所述第二旋转系的旋转轴为X轴，所述X 轴垂直于所述Y轴；所述切割头纵轴垂直于所述X轴；所述光路传导系统中 装有多个平面反射镜和/或棱镜，用于使激光束依次经由所述激光器光轴、Y 轴、X轴及切割头纵轴传输。
优选地，在所述第一旋转系上设置第一平面反射镜；所述第一平面反射镜 的法线与所述Y轴之间的夹角为45。；在所述第二旋转系上设置第二平面反射 镜；所述第二平面反射镜的法线与所述X轴之间的夹角为45°。
优选地，分别在所述第一旋转系、第二旋转系上设置第一平面反射镜、第 二平面反射镜；所述第一平面反射镜的镜面与所述X轴、Y轴确定的平面正 交，所述第一平面反射镜的法线与所述Y轴之间的夹角为45。；所述第二平面 反射镜的镜面与所述X轴、切割头纵轴确定的平面正交，所述第二平面反射 镜的法线与所述X轴之间的夹角为45°。
优选地，所述第一旋转系与所述第二旋转系之间通过联轴器连接。
优选地，所述联轴器分别通过压环与第一旋转系、第二旋转系固定。
优选地，所述第一旋转系、第二旋转系之间连接第三旋转系；所述第三旋转系的旋转轴为Z轴，所述Z轴与所述X轴、Y轴之间按右手定则确定。
优选地，分别在所述第一旋转系上、第二旋转系、第三旋转系上设置第一 平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜；所述第一平面反射镜的镜面 与所述Y轴、Z轴确定的平面正交，所述第一平面反射镜的法线与所述Y轴 之间的夹角为45。；所述第二平面反射镜的镜面与所述X轴、切割头纵轴确定 的平面正交，所述第二平面反射镜的法线与所述X轴之间的夹角为45°;所述 第三平面反射镜的镜面与所述X轴、Z轴确定的平面正交，所述第三平面反射 镜的法线与所述Z轴之间的夹角为45。。
优选地，所述第一旋转系与所述第三旋转系之间、所述第三旋转系与所述 第二旋转系之间分别通过联轴器连接。
优选地，所述联轴器分别通过压环与第一旋转系、第三旋转系、第二旋转 系固定。
本实用新型提供的激光切割机，使用上述可调切割角度的激光切割装置； 还包括与所述可调切割角度的激光切割装置配套的激光器、工作台、控制系统 及才佥测系统。
与现有技术相比，本实用新型提供的可调切割角度的激光切割装置，在激 光器光轴、切割头之间，设置正交的第一旋转系、第二旋转系；其中，第一旋 转系可绕激光器光轴器即Y轴旋转，固定切割头的第二旋转系可绕第一旋转 系的旋转轴即X轴旋转；光路传导系统中，安装有多个平面反射镜和/或棱镜 构成的光学组件，保证激光束按照激光器光轴—Y轴—x轴—切割头纵轴的3各 线传输。使切割头绕X轴、Y轴旋转，就可任意调整切割头与工件加工表面 的倾角、方位角，从而使切割头与工件加工表面之间形成预定的夹角；由激光 器光轴、第 一旋转系、第二旋转系、切割头纵轴及光路传导系统空间布局方式 决定，激光束的传输路线在切割头旋转过程中不会改变，也就是说，激光束、 工件加工表面之间的夹角等于切割头、工件加工表面之间的夹角；由此，只要 调整切割头倾角、方位角，切割头就可以按客户要求的任意角度对工件进行切 割。由于切割头较为轻便，驱动器切割头的旋转比较容易，这也就更容易实现 本实用新型目的。
本实用新型提供的激光切割机，可任意调整切割角度，由此可以大幅提高切割效率和切割质量。
图l是本实用新型可调切割角度的激光切割装置第 一 实施例的结构图； 图2是图1中可调切割角度的激光切割装置使用状态示意图； 图3本实用新型可调切割角度的激光切割装置第二实施例的示意图。
具体实施方式
本实用新型的基本构思是切割头、激光器光轴之间设置正交的两个旋转 系，使得切割头可绕激光器光轴旋转；由此，调整切割头倾角、方位角，可使 切割头和工件加工表面之间形成预定的夹角，实现对工件以任意角度进行切 割。
下面结合实施例与附图具体说明。
请参考图1，该图是本实用新型可调切割角度的激光切割装置第一实施例 的结构图。该可调切割角度的激光切割装置100(以下简称切割装置)，包括 切割头1和光路传导系统2;在切割头上安装聚焦镜1-1,可将光路传导系统2 传输来的激光束聚焦在工件的加工表面上。此外，激光器光轴(图未示)与切 割头1之间，设置第一旋转系3、第二旋转系4，从而使得切割头1可绕激光 器光轴进行旋转。具体是，激光器光轴、第一旋转系3、第二旋转系4及切割 头l依次连接，其空间布局要求第一旋转系1的旋转轴即Y轴，与激光器 光轴重合；第二旋转系4的旋转轴即X轴，与Y轴正交；切割头1的纵轴与 X轴正交。另外，光路传导系统2中装有多个平面反射镜和/或棱镜，使得激 光束按照预定的传输线路进行反射和/或折射，其结果是激光束依次经由激 光器光轴、Y轴、X轴及切割头纵轴进行传输。
请参考图2 ，该图是图1中可调切割角度的激光切割装置使用状态示意图。 按照图l所述结构，在激光器光轴、切割头l之间，设置正交的第一旋转系3、 第二旋转系4;并且，第一旋转系3可绕激光器光轴器即Y轴旋转，固定切割头 1的第二旋转系4可绕第一旋转系3的旋转轴即X轴旋转；使切割头1绕X轴、Y 轴旋转，就可任意调整切割头1纵轴与工件200的加工表面的倾角"、方位角/ , 从而使切割头1与工件加工表面之间形成预定的夹角。由于光路传导系统2中， 安装有多个平面反射镜和/或棱镜构成的光学组件，保证激光束按照激光器光轴—Y轴—X轴—切割头纵轴的路线进行传输。如前文所述，由激光器光轴、
第一旋转系3、第二旋转系4、切割头1纵轴及光路传导系统2的空间布局方式所 决定，在切割头l的旋转过程中，激光束的传输路线不会改变；也就是说，切 割头1绕任一轴旋转，激光束仍按照激光器光轴—Y轴—X轴—切割头纵轴的路 线进行传输。由此，激光束、工件200加工表面之间的夹角等于切割头1、工件 200加工表面之间的夹角；由此，只要调整切割头l的倾角"、方位角"，切割 头1就可以按客户要求的任意切割角度对工件200进行切割。特别地，相对激光 器或工件200而言，切割头l较为轻便，驱动器切割头l的旋转比较容易，这也 就更容易实现本实用新型目的。
在本使用新型的光路传导系统2中，既可使用平面反射镜、也可以使用棱 镜，这是因为利用平面反射镜的反射特性或棱镜的折射特性，均可使光线发生 偏转。实际上，根据光学原理，可以设计多种平面反射镜和/或棱镜系统，使 得激光束仍按照激光器光轴—Y轴—X轴—切割头纵轴的路线进行传输。下面 以一种平面反射镜系统为例进行说明。
如图l所示，在该切割装置100的光路传导系统2中，分别在第一旋转系3、 第二旋转系4上设置第一平面反射镜2-l、第二平面反射镜2-2。其中，第一平 面反射镜2-l的镜面X轴、Y轴确定的平面正交，第一平面反射镜2-l的法线与Y 轴之间的夹角为45。；第二平面反射镜2-2的镜面与X轴、切割头l纵轴确定的平 面正交，第二平面反射镜2-2的法线与X轴之间的夹角为45。。当然，根据几何 原理，第一平面反射镜2-l的法线与X轴之间夹角也为45。，第二平面反射镜2-2 的法线与切割头1纵轴之间的夹角也为45。，在此不再赘述。
光路传导系统2按照上述方式布置第 一平面反射镜2-1 、第二平面反射镜 2-2后，激光束就可以按照激光器光轴—Y轴—X轴—切割头l纵轴的路线进行 传输。具体是，激光束沿激光器光轴(Y轴)前进，射到第一平面反射镜2-l 上发生一次垂直折射，使得激光束沿X轴前进，射到第二平面反射镜2-2上发生 二次垂直折射，使得激光束沿切割头l纵轴前进，直至被切割头l上的聚焦镜l-l 汇聚。
上述光路传导系统2，可以严格保证激光束按照激光器光轴—Y轴—x轴— 切割头纵轴的路线进行传输；即使切割头l旋转，激光束也不会改变传输路线；由此，为从任意角度对工件200进行切割奠定1^出。该光路传导系统2，精度较 高、结构简单、维护方便，为本实用新型所推荐使用。
上述切割装置100中，各部件之间可采用多种连接方式，如下所述 如图1所示，第一旋转系3由第一旋转系固定块3-1通过锁紧螺母5固定 在切割头固定板6上；第一平面反射镜2-l通过第一平反镜座3-2固定于第一 旋转系固定块3-l上。需要时，第一旋转系3可以绕Y轴(第一旋转轴)旋转 任意角度，从而改变切割头1的方位角"，然后通过锁紧螺母5固定在切割头 固定板6上。
第二旋转系4的第二旋转系固定块4-1与第 一旋转系3的第 一旋转系的固 定块3-l连接；同时，第二平面反射镜2-2通过第二平反镜座4-2固定于第二 旋转系固定块4-1上；聚焦镜1-1通过压圏1-2固定于第二旋转系固定块4-1 上，喷嘴l-4通过镜筒1-3固定于第二旋转系固定块4-l上。需要时，第二旋 转系4可以绕X轴(第二旋转轴)旋转任意角度，从而改变切割头1的倾角"。
优选地，第一旋转系3与第二旋转系4之间通过联轴器7连接。第二旋转 系固定块4-1与第一旋转系固定块3-1之间连接联轴器7连接，联轴器7的两 端分别通过压环8与第一旋转系固定块3-l、第二旋转系固定块4-l固定。换 而言之，联轴器7分别通过压环8与第一旋转系3、第二旋转系4固定。在需 要时，第二旋转系4可以绕X轴(第二旋转轴)旋转任意角度，然后通过压 环8固定在第一旋转系3上。
在该切割装置100中，激光器发射的激光束经过一系列光学元件处理后沿 Y轴前进；通过第一平面反镜2-l上进行一次垂直折射，使激光束沿X轴前 进；再通过第二平面反射镜2-2上再进行一次垂直折射；然后通过聚焦镜1-1 对激光束聚焦， -使激光能量集中于焦点上；最后通过喷嘴l-4射出。利用激光 束在工件200上运动，就可实现切割加工。
上述切割装置100,切割头1可绕激光轴360°旋转，也可在垂直于X轴 的方向上调整切割头1的倾角"。由于只有两个转动自由度，对工件200切割 时仍有不便，故还可进一步进行改进。具体是增加第三旋转系，使切割头1 具有三个转动自由度，使得可同时在沿X轴的方向上调整切割头1的倾角《 , 从而简化操作，简述如下请参见图3，该图是本实用新型可调切割角度的激光切割装置第二实施例
的示意图。如图3所示，切割装置100中，第一旋转系3、第二旋转系4之间， 连接第三旋转系9;其中，第三旋转系9的旋转轴为Z轴，所述Z轴与X轴、 Y轴之间4要右手定则确定，即X轴、Y轴、Z轴之间两两正交。
与上述第一实施例类似，分别在第一旋转系3、第二旋转系4、第三旋转 系9上设置第一平面反射镜2-l、第二平面反射镜2-2、第三平面反射镜2-3; 其中第一平面反射镜2-l的镜面与Y轴、Z轴确定的平面正交，第一平面反 射镜2-l的法线与Y轴之间的夹角为45°;第二平面反射镜2-2的镜面与X轴、 切割头1纵轴确定的平面正交，第二平面反射镜2-2的法线与X轴之间的夹角 为45。；第三平面反射镜2-3的镜面与X轴、Z轴确定的平面正交，第三平面 反射镜的法线与Z轴之间的夹角为45°。
设置上述第一平面反射镜2-l、第二平面反射镜2-2、第三平面反射镜2-3; 后，激光束就可以按照激光器光轴—Y轴—z轴-X轴—切割头1纵轴的路线进 行传输。具体是，激光束沿激光器光轴(Y轴)前进；射到第一平面反射镜2-l 上发生一次垂直折射，使得激光束沿Z轴前进；射到第三平面反射镜2-3上发生 二次垂直折射，使得激光束沿X前进；射到第二平面反射镜2-2发生三次垂直折 射，使得激光束沿切割头l纵轴前进，直至被切割头l上的聚焦镜l-l汇聚。
按照上述光路传导系统2,可以严格保证激光束按照激光器光轴—Y轴— Z轴—X轴—切割头纵轴的路线进行传输；切割头1绕X轴、Y轴、Z轴中的 任一轴旋转，激光束都不会改变传输路线；由此，调整激光头l的角度，就可 以调整工件200的切割角度，实现从任意角度对工件200进行切割。
本实施例中，切割头l设置了三个转动自由度，其可以绕X轴、Y轴、Z 轴中的任一轴旋转，可便捷地调整切割头1与工件200的夹角。具体是绕Y 轴旋转，调整切割头l的方位角；绕X旋转，在垂直于X轴的方向上调整切 割头l的倾角；绕Z轴旋转，在X轴的方向上调整切割头1的倾角。由于可 在两个方向上调整切割头1的倾角，可更方便地调整切割头1与工件200的夹 角，由此可以提高切割的效率。
类似地，第一旋转系3与第三旋转系9之间、第三旋转系9与第二旋转系 4之间分別通过联轴器7连接。同时，各联轴器7分别通过压环8与第一旋转系3、第三旋转系9、第二旋转系4固定。釆用此种连接方案，结构简单、连
接可靠。
上述切割装置100，可有效解决客户的侧切割要求；与传统的机械雕刻机 相比，效率大大提高；与传统的机械雕刻机相比，断面光亮度大大提高。其设 计巧妙、构思新颖，结构简单，成本较低，有较好的应用前景。
使用上述切割装置100的激光切割机，可任意调整切割角度，由此可以大 幅提高切割效率和切割质量。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施 方式不应视为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求所 限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型 的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实 用新型的保护范围。
权利要求1、一种可调切割角度的激光切割装置，包括切割头和光路传导系统，所述切割头上安装聚焦镜，用于将所述光路传导系统传输来的激光束聚焦在工件的加工表面上；其特征在于在激光器光轴与所述切割头之间，设置第一旋转系、第二旋转系；所述激光器光轴、第一旋转系、第二旋转系及切割头依次连接；所述第一旋转系的旋转轴为Y轴，所述Y轴与所述激光器光轴重合；所述第二旋转系的旋转轴为X轴，所述X轴与所述Y轴正交；所述切割头纵轴与所述X轴正交；所述光路传导系统中装有多个平面反射镜和/或棱镜，用于使激光束依次经由所述激光器光轴、Y轴、X轴及切割头纵轴传输。
2、 如权利要求1所述的可调切割角度的激光切割装置，其特征在于分 別在所述第一旋转系、第二旋转系上设置第一平面反射镜、第二平面反射镜； 所述第一平面反射镜的镜面与所述X轴、Y轴确定的平面正交，所述第一平 面反射镜的法线与所述Y轴之间的夹角为45°;所述第二平面反射镜的镜面与 所述X轴、切割头纵轴确定的平面正交，所述第二平面反射镜的法线与所述 X轴之间的夹角为45°。
3、 如权利要求2所述的可调切割角度的激光切割装置，其特征在于所 述第 一旋转系与所述第二旋转系之间通过联轴器连接。
4、 如权利要求3所述的可调切割角度的激光切割装置，其特征在于所 述联轴器分别通过压环与第一旋转系、第二旋转系固定。
5、 如权利要求1所述的可调切割角度的激光切割装置，其特征在于所 述第一旋转系、第二旋转系之间连接第三旋转系；所述第三旋转系的旋转轴 为Z轴，所述Z轴与所述X轴、Y轴之间」接右手定则确定。
6、 如权利要求5所述的可调切割角度的激光切割装置，其特征在于分 别在所述第一旋转系上、第二旋转系、第三旋转系上设置第一平面反射镜、 第二平面反射镜、第三平面反射镜；所述第一平面反射镜的镜面与所述Y轴、 Z轴确定的平面正交，所述第一平面反射镜的法线与所述Y轴之间的夹角为 45。；所述第二平面反射镜的镜面与所述X轴、切割头纵轴确定的平面正交， 所述第二平面反射镜的法线与所述X轴之间的夹角为45。；所述第三平面反射 镜的镜面与所述X轴、Z轴确定的平面正交，所述第三平面反射镜的法线与所述Z轴之间的夹角为45°。
7、 如权利要求6所述的可调切割角度的激光切割装置，其特征在于所 述第 一旋转系与所述第三旋转系之间、所述第三旋转系与所述第二旋转系之 间分别通过联轴器连接。
8、 如权利要求7所述的可调切割角度的激光切割装置，其特征在于所 述联轴器分别通过压环与第一旋转系、第三旋转系、第二旋转系固定。
9、 一种激光切割机，其特征在于使用如权利要求l-8任一项所述的可调 切割角度的激光切割装置；还包括与所述可调切割角度的激光切割装置配套 的激光器、工作台、控制系统及^^测系统。
专利摘要本实用新型公开一种可调切割角度的激光切割装置，包括切割头和光路传导系统，切割头上安装聚焦镜，用于将光路传导系统传输来的激光束聚焦在工件的加工表面上；在激光器光轴与切割头之间，设置第一旋转系、第二旋转系；激光器光轴、第一旋转系、第二旋转系及切割头依次连接；第一旋转系的旋转轴为Y轴，Y轴与激光器光轴重合；第二旋转系的旋转轴为X轴，X轴与Y轴正交；切割头纵轴与X轴正交；光路传导系统中装有多个平面反射镜和/或棱镜，用于使激光束依次经由激光器光轴、Y轴、X轴及切割头纵轴传输。旋转切割头，可以任意角度对工件进行切割，提高切割质量与切割效率。在此基础上，本实用新型还公开一种使用该装置的激光切割机。
文档编号B23K26/04GK201239859SQ200820108868
公开日2009年5月20日 申请日期2008年6月26日 优先权日2008年6月26日
发明者刘庆林, 越 张 申请人:北京大恒激光设备有限公司