[发明专利]一种自动控制加工焦距的激光加工头及加工方法

权利要求书

1.一种自动控制加工焦距的激光加工头，所述激光加工头用于安装在激光加工机床上的加工头位置；其特征在于，所述激光加工头包括Z轴升降滑板(2)、导光聚焦机构(3)和旋转测距机构(5)；

所述Z轴升降滑板(2)安装在激光加工机床上，可由激光加工机床驱动而运动；

所述导光聚焦机构(3)包括激光加工头底板(33)、导光筒(31)和聚焦透镜(32)，所述激光加工头底板(33)水平设置，并固定连接在Z轴升降滑板(2)上，其安装方位使得加工激光束(4)的行进光路与Z轴升降滑板(2)的运动方向平行；所述激光加工头底板(33)上设置有一通孔，导光筒(31)固定安装在所述通孔内，并延伸出激光加工头底板(33)的下方，聚焦透镜(32)安装在所述导光筒(31)内；导光筒(31)与聚焦透镜(32)的安装方位应使得外部入射的激光束经过(45)度反射镜的转折之后，垂直进入聚焦透镜(32)，聚焦在工件表面；

所述旋转测距机构(5)包括旋转盘(51)、被动齿轮(52)、主动齿轮(53)、伺服电机(54)和无线激光位移传感器(55)，所述伺服电机(54)固定安装在Z轴升降滑板(2)上，伺服电机(54)的输出轴与主动齿轮(53)相连，被动齿轮(52)与主动齿轮(53)啮合，被动齿轮(52)通过键连接套装在旋转盘(51)的外围，所述旋转盘(51)可转动的套装在导光筒(31)的外围；所述无线激光位移传感器(55)固定安装在旋转盘(51)的底面上，其安装方位要使得无线激光位移传感器(55)的测量点与加工焦点之间有偏移量，并且无线激光位移传感器(55)的测量光线(8)位于测量点与加工激光束(4)构成的平面内。

2.根据权利要求1所述的自动控制加工焦距的激光加工头，其特征在于，所述激光加工头底板(33)与Z轴升降滑板(2)为一体结构。

3.一种自动控制加工焦距的激光加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将激光加工头安装在激光加工机床上的加工头位置，构成具有激光束能够在待加工工件表面做XYZ直角坐标系的三维扫描运动系统；

(2)调节激光加工头的方位使得加工激光束聚焦在被加工工件表面，固定激光加工头中无线激光位移传感器(55)的安装方位，使得无线激光位移传感器(55)的测量点与加工激光束的焦点位置之间具有偏移量delta_f，delta_f的值大于1.5倍聚焦光斑直径；

(3)开启激光器，激光束进入激光加工头，透过聚焦透镜之后，聚焦在工件表面；控制激光束按照预设移动路径和移动速度做三维扫描运动，激光束焦点相对工件发生对应移动，同时开启无线激光位移传感器(55)进行测量；

(4)始终保持测量点位于激光束照射工件表面的加工焦点沿激光束移动方向偏移delta_f的距离；

根据无线激光位移传感器(55)测得的距离L，以及无线激光位移传感器安装方位角α，计算出当前激光束的焦点所在位置与无线激光位移传感器(55)测量点在竖直Z方向的高度差delta_z；计算关系式为delta_z＝|H-H0|，H＝L*sinα，H0为当前的激光加工焦距；

之后计算出delta_t秒后，当激光束焦点移动到当前无线激光位移传感器(55)的测量点时需要调节到的加工焦距绝对值Z，其中delta_t＝delta_f/v，Z＝H0+delta_z，v为预先设定的激光束的移动速度；

将需要调节到的加工焦距绝对值Z加入到delta_t秒后的加工焦距调节策略；

(5)激光加工过程中，按照第(4)步获得的激光束移动路径上每一处的加工焦距调节策略，沿Z方向调整激光加工头与被加工工件之间的距离，进行不停机、在线的加工焦距调节，直至完成激光加工。

4.根据权利要求3所述的自动控制加工焦距的激光加工方法，其特征在于，步骤(4)还包括：当激光束移动方向不变时，驱动无线激光位移传感器(55)来回转动一个小于90度的角度，以测量加工焦点附近的高度信息。

5.根据权利要求3所述的自动控制加工焦距的激光加工方法，其特征在于，步骤(4)还包括：驱动无线激光位移传感器(55)做360度的旋转运行，以测量激光加工路径前方起伏形貌和后方的加工区域起伏形貌。