[发明专利]带有测量装置的多功能激光加工刀具

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光加工刀具，尤其是涉及一种光、机、电一体化以及图像处理等相关信息处理，具有打孔、切割、焊接和测量等功能的激光加工刀具。

背景技术

激光加工是现今激光技术应用的主要领域，特别是在半导体与微电子产业、汽车工业、船舶制造业中。近年来，对于激光加工设备的需求急剧增加，但大多数激光加工设备只能实现单一加工要求。由于激光束本身孔径的限制，现有的激光打孔装置较多地采用扫描切割加工的方式来实现较大孔径的加工。这种扫描加工方式存在耗时和加工表面不光滑等不足。为克服这些不足，在加工时，要求激光束的光斑大小可以根据加工需求改变。

旋转棱镜由于结构简单，并可在一定范围内产生近似的无衍射光束，因而备受关注。利用旋转棱镜光学系统可以实现多种形式的光束变换，例如，将实心横截面光束变换为环状光束、平面或径向细环聚焦光束，或者作相反的变换，或者将高斯光束变换成无衍射光束等。其优越的光束和能量变换特性使它在激光打孔、圆柱形工件热处理、焊接、切片、高精度准直技术中等激光加工应用领域都具有非常诱人的价值(冯国英，吕百达，蔡邦维.轴棱镜光学系统对激光束的变换及应用[J].激光技术，1996，20(3))。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的激光加工设备功能单一等不足，提供一种光斑可调，以获得满足不同加工需求的光斑形状和能量分布，从而实现集打孔、切割、焊接等功能的带有测量装置的多功能激光加工刀具。

为此，本发明利用光学成像公式，获得He-Ne激光器和CO2激光器出射的激光束的相关关系的计算公式，把对不可见光光束的测量转换到对可见光光束的测量，避免使用针对不可见光光束测量的光学元件，以降低成本。同时，采用实时测量光束状态，并通过控制系统及时对参数进行修正，以提高了加工质量、精度和加工效率。

本发明包括光学系统和采集控制处理装置。

光学系统设有：

He-Ne激光器，He-Ne激光器用于瞄准定位指示以及作为照明成像光源；CO₂激光器，CO₂激光器作为实际加工的光束；

兼有透射和反射作用的平面镜，兼有透射和反射作用的平面镜用于把He-Ne激光器发射的激光束与CO₂激光器发射的激光束耦合，耦合后的激光束与光学系统同轴，兼有透射和反射作用的平面镜设于He-Ne激光器发射的激光束前方；

扩束准直器，扩束准直器用于对激光束的扩束准直和压缩激光束的发散角，扩束准直器设于CO₂激光器发射的单光束正前方；

正旋转棱镜与负旋转棱镜，正旋转棱镜与负旋转棱镜设于扩束准直器正前方并与扩束准直器中心轴同轴；

聚焦透镜，聚焦透镜用于对从正旋转棱镜与负旋转棱镜的出射光束再聚焦，聚焦透镜设于负旋转棱镜正前方，并与负旋转棱镜中心轴同轴。

采集控制处理装置设有：

信息采集处理器，信息采集处理器用于对可见光束光斑数据进行采集处理，信息采集处理器设有摄像装置和计算机，摄像装置设于采集加工工件前方，摄像装置的输出端接计算机；

控制器，控制器用于对激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数进行控制、优化以及正旋转棱镜与负旋转棱镜及聚焦透镜相对位置进行调整，以获得满足实际需求的指标；

反馈电路，反馈电路用于将信号采集处理后的信息反馈给控制器，以调整光学系统中正、负旋转棱镜间隔、聚焦透镜位置以及优化激光器的工作参数，反馈电路的输入端接信息采集处理器的处理信号输出端，反馈电路的反馈信息输出端接控制器输入端，控制器的控制信号输出端分别接CO₂激光器的控制手柄和正旋转棱镜与负旋转棱镜及聚焦透镜的光具座。

He-Ne激光器和CO₂激光器出射的激光束经过光学系统中的扩束准直器和正旋转棱镜与负旋转棱镜后，具有线性相关关系。根据它们之间的相关关系，通过对He-Ne激光束实际光斑的测量，可以获得CO₂激光束的光斑情况。

兼有透射和反射作用的平面镜可采用可移动式平面镜，通过改变其位置，变换可见光束的耦合强度，在平面镜上最好镀上透过10.6μm和0.6328μm波长的增透膜以减少光能量的损失及消除系统的杂散光。