[发明专利]一种高精度激光随动切割头及其监测和自动寻焦方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

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。

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CCD组件设于第三45°反射镜片的一侧。