[發明專利]一種自動控制加工焦距的激光加工頭及加工方法

有效

• 申請號: 201410142353.5
• 申請日: 2014-04-02
• 公開（公告）號: CN103920990A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發明（設計）人: 曹宇;魏鑫磊;李峰平;余德格;余婷婷;馮愛新;朱德華
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: B23K26/046
• 分類號: B23K26/046;B23K26/70
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種自動控制加工焦距的激光加工頭，所述激光加工頭用于安裝在激光加工機床上的加工頭位置；其特征在于，所述激光加工頭包括Z軸升降滑板(2)、導光聚焦機構(3)和旋轉測距機構(5)；

所述Z軸升降滑板(2)安裝在激光加工機床上，可由激光加工機床驅動而運動；

所述導光聚焦機構(3)包括激光加工頭底板(33)、導光筒(31)和聚焦透鏡(32)，所述激光加工頭底板(33)水平設置，并固定連接在Z軸升降滑板(2)上，其安裝方位使得加工激光束(4)的行進光路與Z軸升降滑板(2)的運動方向平行；所述激光加工頭底板(33)上設置有一通孔，導光筒(31)固定安裝在所述通孔內，并延伸出激光加工頭底板(33)的下方，聚焦透鏡(32)安裝在所述導光筒(31)內；導光筒(31)與聚焦透鏡(32)的安裝方位應使得外部入射的激光束經過(45)度反射鏡的轉折之后，垂直進入聚焦透鏡(32)，聚焦在工件表面；

所述旋轉測距機構(5)包括旋轉盤(51)、被動齒輪(52)、主動齒輪(53)、伺服電機(54)和無線激光位移傳感器(55)，所述伺服電機(54)固定安裝在Z軸升降滑板(2)上，伺服電機(54)的輸出軸與主動齒輪(53)相連，被動齒輪(52)與主動齒輪(53)嚙合，被動齒輪(52)通過鍵連接套裝在旋轉盤(51)的外圍，所述旋轉盤(51)可轉動的套裝在導光筒(31)的外圍；所述無線激光位移傳感器(55)固定安裝在旋轉盤(51)的底面上，其安裝方位要使得無線激光位移傳感器(55)的測量點與加工焦點之間有偏移量，并且無線激光位移傳感器(55)的測量光線(8)位于測量點與加工激光束(4)構成的平面內。

2.根據權利要求1所述的自動控制加工焦距的激光加工頭，其特征在于，所述激光加工頭底板(33)與Z軸升降滑板(2)為一體結構。

3.一種自動控制加工焦距的激光加工方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)將激光加工頭安裝在激光加工機床上的加工頭位置，構成具有激光束能夠在待加工工件表面做XYZ直角坐標系的三維掃描運動系統；

(2)調節激光加工頭的方位使得加工激光束聚焦在被加工工件表面，固定激光加工頭中無線激光位移傳感器(55)的安裝方位，使得無線激光位移傳感器(55)的測量點與加工激光束的焦點位置之間具有偏移量delta_f，delta_f的值大于1.5倍聚焦光斑直徑；

(3)開啟激光器，激光束進入激光加工頭，透過聚焦透鏡之后，聚焦在工件表面；控制激光束按照預設移動路徑和移動速度做三維掃描運動，激光束焦點相對工件發生對應移動，同時開啟無線激光位移傳感器(55)進行測量；

(4)始終保持測量點位于激光束照射工件表面的加工焦點沿激光束移動方向偏移delta_f的距離；

根據無線激光位移傳感器(55)測得的距離L，以及無線激光位移傳感器安裝方位角α，計算出當前激光束的焦點所在位置與無線激光位移傳感器(55)測量點在豎直Z方向的高度差delta_z；計算關系式為delta_z＝|H-H0|，H＝L*sinα，H0為當前的激光加工焦距；

之后計算出delta_t秒后，當激光束焦點移動到當前無線激光位移傳感器(55)的測量點時需要調節到的加工焦距絕對值Z，其中delta_t＝delta_f/v，Z＝H0+delta_z，v為預先設定的激光束的移動速度；

將需要調節到的加工焦距絕對值Z加入到delta_t秒后的加工焦距調節策略；

(5)激光加工過程中，按照第(4)步獲得的激光束移動路徑上每一處的加工焦距調節策略，沿Z方向調整激光加工頭與被加工工件之間的距離，進行不停機、在線的加工焦距調節，直至完成激光加工。

4.根據權利要求3所述的自動控制加工焦距的激光加工方法，其特征在于，步驟(4)還包括：當激光束移動方向不變時，驅動無線激光位移傳感器(55)來回轉動一個小于90度的角度，以測量加工焦點附近的高度信息。

5.根據權利要求3所述的自動控制加工焦距的激光加工方法，其特征在于，步驟(4)還包括：驅動無線激光位移傳感器(55)做360度的旋轉運行，以測量激光加工路徑前方起伏形貌和后方的加工區域起伏形貌。