一种高精度激光随动切割头及其监测和自动寻焦方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光加工技术领域，更具体的说，特别涉及一种高精度激光随动切割头及其监测和自动寻焦方法。
【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。在激光切割中，喷嘴与被切割材料表面的距离决定切割断面质量及切割速度。切割时，需要维持喷嘴到工件表面的高度一致。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。
[0004]为了维持在切割过程中，喷嘴与材料表面的高度一致，有人在喷嘴上使用电容调高器进行调节及控制，即在喷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，从而维持喷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非金属时起作用，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]而在精密激光切割中，为了提高切割质量，控制切割过程以及监视切割效果，需要对进行实时监控。
[0006]一般的激光切割原理示意图如图1所示，激光器a发出的激光束首先经过扩束镜b进行扩束，并减小光束发散角，得到近于平行光，平行的激光束经过45°反射镜c，进入聚焦镜d，由聚焦镜d聚焦，并透过保护镜e，然后经过喷嘴，入射到待切割材料h。在切割过程中，为了更好的将待切割材料移除，采用高压辅助气体f，高压辅助气体f由喷嘴g喷出，与激光同轴，将激光熔化的待切割材料移除。在切割过程中，会有灰尘飞溅，为了保护光学器件不受灰尘的影响，在聚焦镜下方采用保护镜进行保护。图1中，45°反射镜c、聚焦镜d、保护镜e、喷嘴部分，一般集成在一起，称之为激光切割头。
[0007]在激光切割过程中，为了保证切割质量，需要保持喷嘴到待切割材料表面的距离一定。而待切割材料厚度不均匀、材料表面起伏不平等，会降低切割质量。普通激光切割机的切割头不含有随动装置，无法维持喷嘴与待切割材料表面距离的恒定，而普通的电容调高器型的激光切割头随动装置，仅适用于金属材料的切割，对非金属切割，因为其无法与非金属待切割材料形成电容，因此无法使用该类型的随动装置。为了解决上述问题，需要设计一种新型的激光随动切割头，能够自动寻找激光焦点，在切割过程中维持喷嘴与待切割材料之间的距离，可适用于金属和非金属材料。并且能够得到待切割材料的图像，对切割过程及切割质量进行实时观察、监测、控制等。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种高精度激光随动切割头及其监测和自动寻焦方法，该切割头能够自动寻找激光焦点，在切割过程中维持喷嘴与待切割材料之间的距离，能适用于金属和非金属材料，并且能够得到待切割材料的图像，对切割过程及切割质量进行实时观察、监测、控制的优点。
[0009]为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为:
[0010]一种高精度激光随动切割头，包括依次设置的光探测接收组件、45°发射镜片组件、聚焦镜组件和喷嘴，以及依次设于45°发射镜片组件一侧的激光发射组件、照明光源组件和面阵CCD组件；其中，所述激光发射组件用于发出半导体激光光束，该半导体激光光束依次通过45°发射镜片组件和聚焦镜组件后于待切割材料上进行切割，所述照明光源组件用于发出照明光束，该照明光束依次经过45°发射镜片组件和聚焦镜组件后于待切割材料上进行照明，所述面阵CCD组件用于接收照明光束在待切割材料上形成的成像光束，所述光探测接收组件用于接收半导体激光光束18在待切割材料上形成的探测光束。
[0011]根据本发明的一优选实施例:所述45°发射镜片组件包括依次设置的第一 45°反射镜片、第二 45°反射镜片、第三45°反射镜片、凸透镜和第四45°反射镜片，所述光探测接收组件设于邻近第一 45°反射镜片的一端，所述激光发射组件设于第一 45°反射镜片的一侧，所述照明光源组件设于第二 45°反射镜片的一侧，所述面阵(XD组件设于第三45°反射镜片的一侧。
[0012]根据本发明的一优选实施例:所述激光发射组件包括设于第一 45°反射镜片一侧的半导体激光器。
[0013]根据本发明的一优选实施例:所述照明光源组件包括依次设置的照明光源、第一滤光片和照明光束调整透镜，且所述照明光束调整透镜设于第二 45°反射镜片的一侧。
[0014]根据本发明的一优选实施例:所述面阵(XD组件包括依次设置的面阵(XD、第二滤光片和成像光束调整透镜，且所述成像光束调整透镜设于第三45 °反射镜片的一侧。
[0015]根据本发明的一优选实施例:所述光探测接收组件包括依次设置的光探测接收元件、小孔光阑和第三滤光片，且所述第三滤光片设于邻近第一 45°反射镜片的一端。
[0016]根据本发明的一优选实施例:所述聚焦镜组件包括依次设置的聚焦镜和保护镜片，所述聚焦镜位于邻近第四45°反射镜片的一端。
[0017]根据本发明的一优选实施例:所述半导体激光器发出的激光为单色光，其波长为400nm ?lOOOnm。
[0018]本发明还提供一种根据上述的高精度激光随动切割头的监测和寻焦方法，该方法包括以下步骤:
[0019]第一步、激光发射组件发出一半导体激光光束，该半导体激光光束依次通过45°发射镜片组件和聚焦镜组件后于待切割材料上进行切割；
[0020]第二步、照明光源组件发出一照明光束，该照明光束依次经过45°发射镜片组件的部分组件和聚焦镜组件后于待切割材料上进行照明；
[0021]第三步、面阵(XD组件用于接收照明光束在待切割材料上形成的成像光束，该成像光束在面阵c⑶组件上形成待切割材料表面的图像，通过一与面阵(XD组件连接的计算机即可实时监测待切割材料表面的图像；
[0022]第四步、光探测接收组件用于接收半导体激光光束在待切割材料上形成的探测光束，并根据探测光束的位置和能量，通过一 Z轴调节机构调节所述高精度激光随动切割头的高度以实现自动寻焦。
[0023]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0024]1、本发明中激光切割头能够自动寻找焦点位置，当光探测接收组件接收到的能量最大时，待切割材料也恰好位于激光光束的焦点位置，即探测光束在光探测接收组件上聚焦时，激光光束也恰好