[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

技術領域

本發明屬于激光加工技術領域，具體涉及一種自動控制加工焦距的激光加工頭及加工方法。

背景技術

激光加工頭是激光加工方法(焊接、切割、熔覆等)中各類加工頭的總稱，激光加工頭的基本原理是：激光器發出的激光束經導光光路傳輸，在激光加工頭內經聚焦鏡聚焦后，作用于被加工工件的表面實現加工。由于激光束在其焦距處的光強是最強的，因此激光加工時往往需要調整加工焦距，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。

目前的加工焦距調節方法的基本原理主要是事先通過測量手段獲知被加工工件表面的三維起伏形貌及各處的確切高度坐標值，然后通過離線編程，使得激光束沿著掃描路徑移動時，按著預先計算設定的加工焦距來調節加工頭與被加工工件的相對方位。但這些離線編程方式的加工焦距調節方法一般都存在以下問題：自動化程度低，當工件高度發生改變時(如工件裝夾誤差、異型工件、更換工件等情況)，必須先停機、重新測量工件高度，然后調節加工頭與工件之間的間距(即加工焦距)；這些調節方式費時費力，無法適應多品種、多批量、自動化生產場合。這也是目前激光加工技術應用領域的激光加工設備幾乎都是單臺套，極少見到激光加工技術在多品種、多批量、柔性化、自動化生產線上獲得應用的原因。

發明內容

本發明針對上述現有技術的不足，提供了一種自動控制加工焦距的激光加工頭；該激光加工頭可以智能適應不同高度的多品種、多批量、自動化生產場合，無須停機調整，無須人工干預，是多品種、多批量、柔性化、自動化生產線上進行智能化激光切割、焊接、打標、熱處理等加工應用的關鍵技術單元；本發明還同時提供了一種自動控制加工焦距的激光加工方法。

本發明是通過如下技術方案實現的：

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；所述激光加工頭包括Z軸升降滑板、導光聚焦機構和旋轉測距機構；

所述Z軸升降滑板安裝在激光加工機床上，可由激光加工機床驅動而運動；

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

所述旋轉測距機構包括旋轉盤、被動齒輪、主動齒輪、伺服電機和無線激光位移傳感器，所述伺服電機固定安裝在Z軸升降滑板上，伺服電機的輸出軸與主動齒輪相連，被動齒輪與主動齒輪嚙合，被動齒輪通過鍵連接套裝在旋轉盤的外圍，所述旋轉盤可轉動的套裝在導光筒的外圍；所述無線激光位移傳感器固定安裝在旋轉盤的底面上，其安裝方位要使得無線激光位移傳感器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的測量光線位于測量點與加工激光束構成的平面內。

優選的，所述激光加工頭底板與Z軸升降滑板為一體結構。

本發明還同時提供了一種自動控制加工焦距的激光加工方法，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的安裝方位，使得無線激光位移傳感器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；