一種精密激光切割頭隨動裝置及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說，特別涉及一種精密激光切割頭隨動裝置及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光由于其高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科研、國防、工業(yè)等國民生產(chǎn)的重要方面。在工業(yè)領(lǐng)域，激光加工作為先進(jìn)制造技術(shù)，具有高效、高精度、高質(zhì)量、范圍廣、節(jié)能環(huán)保并能實(shí)現(xiàn)柔性加工和超微細(xì)加工的優(yōu)點(diǎn)，在汽車、電子電路、電器、航空航天、鋼鐵冶金、機(jī)械制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，且在某些行業(yè)(例如汽車、電子行業(yè)等)已經(jīng)達(dá)到較高的水平。對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率、自動化、無污染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。
[0003]激光切割是激光加工中比較常見，應(yīng)用也比較廣泛的一種方式。隨著激光切割在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用，各種材料的切割使用到了激光切割方式。隨著工業(yè)的發(fā)展，尤其是電子產(chǎn)品的小型化，對于加工材料的精密切割日漸成為激光切割的主要發(fā)展方向。激光精密切割屬于材料的微細(xì)加工范疇，需要達(dá)到高精度、準(zhǔn)確、迅速、自動化的加工方式，在激光精密切割中，激光切割頭的噴嘴與待切割材料表面的距離決定激光精密切割斷面質(zhì)量及切割速度。而在切割過程中，需要維持噴嘴到工件表面的高度一致。對于待切割材料厚薄不均勻、表面起伏不平的材料，普通的激光切割機(jī)不能夠準(zhǔn)確的對焦，也難以維持噴嘴到待切割材料表面的距離，造成切割質(zhì)量下降。
[0004]為了維持在切割過程中，噴嘴與材料表面的高度一致，有人在激光切割頭上使用電容調(diào)高器進(jìn)行調(diào)節(jié)及控制，即在激光切割頭上安裝電容調(diào)高器，電容調(diào)高器和待切割的金屬材料之間形成電容，且電容的大小與激光切割頭和待切割材料表面距離有關(guān)，因此使用電容調(diào)高器檢測形成的電容的大小，來調(diào)節(jié)Z軸的高低，從而帶動激光切割頭的高低變化，維持激光切割頭上的噴嘴和待切割材料之間的高度差恒定。但是使用電容調(diào)高器僅僅能夠在切割非金屬時(shí)起作用，電容調(diào)高器在切割非金屬時(shí)，因?yàn)樾纬傻碾娙莘浅Ｐ?，難以檢測及控制，所以電容調(diào)高器無法用于非金屬材料。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中一般激光切割頭原理如圖1所示，激光束2首先由激光擴(kuò)束系統(tǒng)1進(jìn)行擴(kuò)束，擴(kuò)大激光束2的直徑，同時(shí)壓縮激光束2的發(fā)散角，已得到近似平行的激光束。然后激光束2經(jīng)過聚焦鏡3進(jìn)行聚焦，透過保護(hù)鏡4和電容調(diào)高器5的孔，并穿過噴嘴6的孔，聚焦后的激光束2聚焦到待切割材料7上，進(jìn)行激光切割。為了防止切割過程中產(chǎn)生的灰塵等通過噴嘴6上升到聚焦鏡3，污染及損壞聚焦鏡，所以采用保護(hù)鏡4保護(hù)聚焦鏡。在切割過程中，需要高壓輔助氣體，將待切割材料7的部分吹除，高壓輔助氣體通過輔助氣體入口 9進(jìn)入激光切割頭，然后通過噴嘴6吹出，與激光束同軸。
[0006]8為激光束理想聚焦平面，在該平面附近，激光束被聚焦到最小尺寸，因此能量密度最高，切割能力最強(qiáng)，激光切割一般采用激光束聚焦焦點(diǎn)進(jìn)行切割。在精密激光切割中，為了保證激光切割速度及質(zhì)量，需要始終維持待切割材料7位于激光束理想聚焦平面8上。但是由于待切割材料厚度不均勻、表面不平整等等，而且待切割材料7在切割過程中保持不動，因此難以保證在所有切割位置，待切割材料都使用位于激光束理想聚焦平面8上。為了保證切割速度及切割質(zhì)量的均勻，在所有切割路徑中獲得相同的切割質(zhì)量，需要采用激光切割頭隨動裝置，以便在切割過程中，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)Z軸的高低，帶動切割頭上下移動，從而維持切割頭上激光束理想聚焦平面8始終位于待切割材料7之上。
[0007]有人采用在激光切割頭噴嘴6之上安裝電容調(diào)節(jié)器5，來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制Z軸高低，帶動切割頭上下移動。電容調(diào)高器5需要測量激光切割頭噴嘴6與待切割材料7之間形成的電容，維持噴嘴6與待切割材料7表面的距離，從而間接控制切割頭與待切割材料7的相對位置，從而使得待切割材料7位于激光束焦點(diǎn)。但采用電容調(diào)高器的方式僅僅在切割金屬材料時(shí)可行，因?yàn)橹挥挟?dāng)待切割材料7為金屬材料時(shí)，待切割材料7與噴嘴之間才會形成電容，才可使用電容調(diào)高器測量其電容，當(dāng)待切割材料為非金屬時(shí)，其與噴嘴之間可能不存在電容，或者電容非常小，難以檢測，所以就無法使用該方法。因此迫切需要一種能夠?qū)λ胁牧系募す馇懈疃加行У难b置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供一種可適用于任何材料的零件切割的精密激光切割頭隨動裝置及其控制方法。
[0009]為了解決以上提出的問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0010]一種精密激光切割頭隨動裝置，包括激光切割頭及控制所述激光切割頭上下移動的Z軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，還包括設(shè)置于激光切割頭一側(cè)的發(fā)射器，用于發(fā)出一探測激光束至待切割零件的表面，設(shè)置于激光切割頭另一側(cè)的接收器，用于接收探測激光束在待切割零件的表面反射所產(chǎn)生的反射激光束，以及與發(fā)射器、接收器和Z軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)連接的中央控制器，用于根據(jù)接收器所接收的反射激光束的能量和焦點(diǎn)位置控制Z軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)帶動激光切割頭上下移動。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例:所述發(fā)射器包括設(shè)置于激光切割頭一側(cè)的發(fā)射器外殼，安裝于發(fā)射器外殼內(nèi)的發(fā)射器控制板、發(fā)射激光器和探測激光束擴(kuò)束系統(tǒng)，及設(shè)置于發(fā)射器外殼上的發(fā)射器窗口，所述發(fā)射器控制板通過一發(fā)射器供電及控制線與發(fā)射激光器連接，所述發(fā)射激光器、探測激光束擴(kuò)束系統(tǒng)和發(fā)射器窗口依次對應(yīng)設(shè)置，且所述發(fā)射器控制板還與中央控制器連接。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例:所述接收器包括設(shè)置于激光切割頭另一側(cè)的接收器外殼，安裝于接收器外殼內(nèi)的接收器控制板、面陣CCD、小孔光闌、接收器濾光片和反射激光束聚焦系統(tǒng)，及設(shè)置于接收器外殼上的接收器窗口，所述接收器控制板通過一接收器供電及控制線與面陣CCD連接，所述面陣CCD、小孔光闌、接收器濾光片、反射激光束聚焦系統(tǒng)和接收器窗口依次對應(yīng)設(shè)置，且所述接收器控制板還與中央控制器連接。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例:所述激光切割頭包括切割頭本體，由上之下設(shè)置于切割頭本體內(nèi)的激光擴(kuò)束系統(tǒng)、聚焦鏡、保護(hù)鏡和噴嘴，在所述切割頭本體上還設(shè)有一用于為噴嘴提供高壓氣體的輔助氣體入口。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例:所述噴嘴與切割頭本體之間還設(shè)有一機(jī)械轉(zhuǎn)接板。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例:所述發(fā)射激光器為半導(dǎo)體激光器，其波長為400nm ?1200nm。
[0016]本發(fā)明還提供一種上述的精密激光切割頭隨動裝置的控制方法，該方法包括以下步驟，
[0017]步驟S1.通過中央控制器確定并記錄激光切割頭的Z軸零點(diǎn)位置；
[0018]步驟S2.通過Z軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制激光切割頭由零點(diǎn)位置向上移動，并且中央控制器實(shí)時(shí)記錄激光切割頭的Z軸坐標(biāo)、反射激光束的能量和焦點(diǎn)位置；
[0019]步驟S3.中央控制器將所記錄的不同位置的激光切割頭的Z軸坐標(biāo)、反射激光束的能量和焦點(diǎn)位置制成表格，并繪制相關(guān)曲線；
[0020]步驟S4.在激光切割頭切割過程中，中央控制器根據(jù)反射激光束的能量和焦點(diǎn)位置通過查找表格或曲線的方式確定激光切割頭的Z軸坐標(biāo)，并控制Z軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)激光切割頭至該點(diǎn)的Z軸坐標(biāo)位置。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例:所述步驟S1的具體過程為，通過中央控制器控制Z軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)帶動激光切割頭的噴嘴貼近待切割零件的上表面，并記錄此時(shí)Z軸的位置S，將該位置S作為Z軸零點(diǎn)位置。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例:所述步驟S1中還包括設(shè)定一 Z軸零點(diǎn)位置修正值T，且所述Z軸零點(diǎn)位置為S-T。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例:所述步驟S2的具體過程為，
[0024]步驟S21.通過中央控制器設(shè)定Z軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)每次向上移動的間距M，設(shè)定調(diào)節(jié)Z軸的范圍N，以及設(shè)定每次移動后數(shù)據(jù)采集的時(shí)間L，其中N為Μ的整數(shù)