[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

说明书

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种自动控制加工焦距的激光加工头及加工方法。

背景技术

激光加工头是激光加工方法(焊接、切割、熔覆等)中各类加工头的总称，激光加工头的基本原理是：激光器发出的激光束经导光光路传输，在激光加工头内经聚焦镜聚焦后，作用于被加工工件的表面实现加工。由于激光束在其焦距处的光强是最强的，因此激光加工时往往需要调整加工焦距，即使得激光束的聚焦位置位于被加工工件表面，以提高加工效率。

目前的加工焦距调节方法的基本原理主要是事先通过测量手段获知被加工工件表面的三维起伏形貌及各处的确切高度坐标值，然后通过离线编程，使得激光束沿着扫描路径移动时，按着预先计算设定的加工焦距来调节加工头与被加工工件的相对方位。但这些离线编程方式的加工焦距调节方法一般都存在以下问题：自动化程度低，当工件高度发生改变时(如工件装夹误差、异型工件、更换工件等情况)，必须先停机、重新测量工件高度，然后调节加工头与工件之间的间距(即加工焦距)；这些调节方式费时费力，无法适应多品种、多批量、自动化生产场合。这也是目前激光加工技术应用领域的激光加工设备几乎都是单台套，极少见到激光加工技术在多品种、多批量、柔性化、自动化生产线上获得应用的原因。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种自动控制加工焦距的激光加工头；该激光加工头可以智能适应不同高度的多品种、多批量、自动化生产场合，无须停机调整，无须人工干预，是多品种、多批量、柔性化、自动化生产线上进行智能化激光切割、焊接、打标、热处理等加工应用的关键技术单元；本发明还同时提供了一种自动控制加工焦距的激光加工方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

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；所述激光加工头包括Z轴升降滑板、导光聚焦机构和旋转测距机构；

所述Z轴升降滑板安装在激光加工机床上，可由激光加工机床驱动而运动；

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

所述旋转测距机构包括旋转盘、被动齿轮、主动齿轮、伺服电机和无线激光位移传感器，所述伺服电机固定安装在Z轴升降滑板上，伺服电机的输出轴与主动齿轮相连，被动齿轮与主动齿轮啮合，被动齿轮通过键连接套装在旋转盘的外围，所述旋转盘可转动的套装在导光筒的外围；所述无线激光位移传感器固定安装在旋转盘的底面上，其安装方位要使得无线激光位移传感器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的测量光线位于测量点与加工激光束构成的平面内。

优选的，所述激光加工头底板与Z轴升降滑板为一体结构。

本发明还同时提供了一种自动控制加工焦距的激光加工方法，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的安装方位，使得无线激光位移传感器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；