[发明专利]一种三坐标振镜扫描式激光加工头

说明书

技术领域

本发明属于激光加工应用领域，特别涉及一种三坐标振镜扫描式激光加工头。

背景技术

近年来，基于振镜扫描方式的激光加工技术(以下简称振镜扫描激光加工)由于其高效率、高精度、非接触、高柔性化程度、强的材料适应性(可加工超硬、超脆、超薄等特殊材质)等特性，使其在精密制造领域得到了广泛应用。

振镜扫描激光加工设备一般包括激光器、导光光路、振镜扫描式激光加工头和机床几个部分，其系统原理是：将从激光器谐振腔中输出的激光束通过导光光路完成扩束准直后，进入振镜扫描式激光加工头，由激光加工头中的XY两轴激光振镜系统实现激光束的聚焦和精确偏转扫描运动。具体的说，振镜扫描式激光加工头主要包括XY两轴激光振镜系统和辅助机构，其中XY两轴激光振镜系统一般包括两块激光平面反射镜和一个扫描聚焦透镜，激光束先后经过垂直安装、由伺服电机驱动的一对激光平面反射镜(分别称为X、Y轴激光平面反射镜)的反射，进入扫描聚焦透镜(又称为F-theta物镜或远心透镜)聚焦后输出作用于待加工对象上。X、Y轴激光平面反射镜的转动使工作平面上的激光聚焦光斑分别在X、Y轴上移动，两个镜面协同动作使激光聚焦光斑可以在工作平面上完成直线和各种曲线的移动，光束入射角与像面上的光斑位置满足线性关系，从而通过控制入射光束的扫描角来控制光斑在像面上的位置。

振镜扫描式激光加工头一般固定安装在机床上，通过控制光束的偏转运动即可实现激光振镜系统扫描范围内的X、Y二维图形激光加工。因此，将振镜扫描式激光加工头安装在能够直线运动的X-Y-Z多轴数控机床上，可以实现大幅面工件的激光内雕、激光焊接、激光刻蚀、激光打标等诸多激光加工应用，方法是将需要加工的区域分成若干个子块(子块面积的大小由振镜扫描式激光加工头的扫描范围而定)，利用振镜扫描式激光加工头加工速度快、精度高的特点，实现各个子块图形加工，而机床主要是带动振镜扫描式激光加工头到下一个子块加工位置。如专利号为200320116332.3的中国专利“振镜头雕刻切割多用激光雕刻机”，专利申请号为201020026191.6的发明专利文献“一种紫外激光切割机”，以及专利申请号为200910215372.5的专利文献“CCD振镜式激光焊接装置及方法”报告了采用XY两轴激光振镜系统进行多种材质的平板激光切割、刻蚀和焊接等应用。

然而，目前的振镜扫描激光加工设备中，振镜扫描式激光加工头的结构较为简单，除了XY两轴激光振镜系统外，只有一些除烟尘、CCD加工监控等辅助机构，都是将XY二维激光振镜系统与多轴数控机床进行固定连接设计，由于不具备模块化和独立接口特性，使得不易拆卸安装，并且焦距的调节必须依赖多轴数控机床的Z轴运动机构实现，功能关联度高，难以实现复杂曲面工件需要实时频繁调整加工焦距的加工需求。进一步的，现在还尚末有文献报道自身具备加工焦距测量与调节功能一体化的振镜扫描式激光加工头。

发明内容

本发明的目的在于提出一种三坐标振镜扫描式激光加工头，该激光加工头具有加工单元模块化、易拆装、可与多种商业数控机床组合加工、工艺简单可靠，对各种平面、复杂曲面工件加工应用的适用性强的优点。

本发明提供了一种三坐标振镜扫描式激光加工头，包括XY两轴激光振镜系统；用于将该激光加工头安装至多轴联动数控机床的装夹机构；用于调节XY两轴激光振镜系统Z轴位置的Z轴移动机构；用于控制Z轴移动机构和XY两轴激光振镜系统运动的控制系统；所述Z轴移动机构包括一固定部件和一运动部件，装夹机构固定安装在Z轴移动机构的固定部件上，XY两轴激光振镜系统固定安装在Z轴移动机构的运动部件上，XY两轴激光振镜系统的光束出射方向与Z轴移动机构运动部件的运动方向平行，Z轴移动机构和XY两轴激光振镜系统均与控制系统电连接。

进一步，它还包括一用于测量XY两轴激光振镜系统与加工工件之间Z向间距，并将该Z向间距输出至控制系统的激光位移传感器，该激光位移传感器固定安装在Z轴移动机构的运动部件上，与控制系统电连接。

进一步，所述Z轴移动机构的固定部件为一导轨，运动部件为一滑块，滑块安装在导轨上，并能够沿导轨上下移动。

进一步，激光位移传感器的安装角度使其激光位移测量方向与XY两轴激光振镜系统的光束出射方向平行。

进一步，所述的多轴联动数控机床是三轴或五轴联动数控机床。