[实用新型]基于两片透镜的变焦对焦激光切割头

说明书

本实用新型公开了一种基于两片透镜的变焦激光切割头，包括激光输出光纤、光纤封装装置、第一光学透镜、第一透镜框、第二光学透镜、第二透镜框、第一拨杆、第二拨杆和套管；本实用新型提供的基于两片透镜的变焦激光切割头：将变焦切割头光学系统的结构简化到只有两片，从源头上减少了热杂光；采用自润滑结构，在保证低摩擦力的情况下大幅提高机械结构导热特性；提高了激光切割头的工作功率，延长激光切割头的寿命；降低了变焦激光切割头的成本。

技术领域

本实用新型属于激光加工技术领域，尤其涉及一种基于两片透镜的变焦对焦激光切割头。

背景技术

激光切割头是激光切割设备中的关键部件，它将激光器输出的光成像到被切割表面。对于不同厚度的金属板，通常需要不同大小的光斑以提高切割效率，这就需要激光切割头具有光学变焦能力。但现实中，除了顶级切割机外，基本没有激光切割机采用变焦切割头。造成这种局面的光学方面的原因主要是：

1、从光学系统方面看，价格极其昂贵。变焦镜头除了设计复杂外，为了减少透镜片数和保证像质，通常会大量使用非球面镜，例如：华中科技大学国家工程研究中心葛佳琪等(中国光学学报2019年第2期)给出了一个7片透镜的镜头设计，在该设计中采用了3片非球面镜；上海嘉强自动化技术公司提出了一种4片透镜的技术方案(中国专利申请号CN201510566726.6)，采用了3片非球面透镜。由于非球面镜加工困难，决定了激光镜头非常贵。

2、由于光学玻璃材料本身有材料吸收和散射，透镜吸收的光直接导致透镜温升，而散射的光作为杂光加温光学系统密闭腔体内的器件及壳体。为了减小材料吸收引起的温升带来的热透镜效应，需采用昂贵的高纯玻璃材料。

3、由于光学透镜镀膜技术不完善，目前的大功率膜的散射光的水平不低于0.2％，这意味着每个单独的玻璃透镜产生的杂光不低于0.4％，显然，光学系统中，玻璃透镜片数的增加，意味着产生热的杂光的增加。我们以上面提到的华中科技大学的设计为例，假如激光功率为一万瓦，每片产生的加热杂光为40瓦，7片透镜组成的光学系统至少需一块保护玻璃，光学系统中加热杂光的功率至少为320瓦。为了消除这些杂光带来的热量，必须仔细设计冷却系统，如果冷却效果不好，会降低光学系统的可靠性。

造成这种局面的机械方面的原因主要是：实现变焦镜头中诸透镜相对运动的机械结构和方法是：将诸透镜分别固定在各自的透镜框上，各透镜框用直线轴承与导轨连接，然后通过架在轴承上的凸轮带动诸透镜实现相对运动，达到变焦目的。具体结构可参见中国专利申请号201910637898.6公开的技术方案。在激光光学系统中，由于透镜自身材料吸收、散射和透镜表面镀膜不完美导致的光散射，密封在凸轮内部的透镜和透镜框的温度会升高，而直线轴承的导热特性差，透镜及透镜框上的热量只能通过空气向凸轮传递，而凸轮在光的作用下也会发热，凸轮上的热一部分通过轴承传递给基座，一部分通过空气传递，由于冷却通常是直接作用在基座上的，滚动轴承同样是不良导热体，这导致冷却设计非常困难；这种传统结构由于散热效果差，要么限制变焦头的使用功率，要么在大功率使用时导致光学系统可靠性变差，严重时会导致性能的降低，如产生热透镜效应；此外，这种结构还会导致机械系统结构复杂、安装困难、尺寸变大。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种基于两片透镜的变焦对焦激光切割头，本实用新型可以降低变焦切割头的成本；减少激光切割头中的热杂光；提高激光切割头机械结构的导热能力，提高切割头的可靠性。