雷射雕刻切割機自動實時調焦裝置的製作方法
2023-09-15 18:08:40 4
專利名稱：雷射雕刻切割機自動實時調焦裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種雷射雕刻切割設備，特別是涉及一種雷射雕刻切割機自動實
時調焦裝置。
背景技術：
現有普通雷射雕刻切割設備，X、Y軸的二維加工只能對工件的某一平面進行加工，如果表面不平度大於士0.5毫米，就會使焦點離開工件表面，大大降低了雷射加工點的功率密度，使加工質量下降甚至加工失敗；而三維雷射加工一般需要預先設計三維數據模型，設計三維數據模型需要成本昂貴的設備，人工設計難度大，時間長，效率低，且如果在批量加工時工件的外形誤差過大也會使加工失敗。 而現有的自動對焦雷射雕刻切割設備有兩類，一類是接觸式方式，如專利號為CN00205163X的一種雷射雕刻機的自動對焦構造，主要是在雷射雕刻筆的筆座上垂直設立一電子式探針，該電子探針設為頂部具有凸緣的適當長度的圓管，圓管上下段各設有一凹環，供筆車座上的定位柱卡摯定位，而圓管端面的圓心處設有開孔，供內部二段式的電子感測棒突伸於外，籍由Z軸帶動的平臺電動上升，使加工物件表面接觸到探針，並依軟體所存儲的鏡片焦距，計算後下降至聚焦面即完成自動對焦，且電子探針在工作時可向上收合，不致觸碰到工作物。但這種設備只能對平面工件進行靜態對焦，使用受到局限。[0004] 另一類為非接觸式CCD方式，如專利號為CN200710067504. 5的一種仿形種雷射加工方法，屬於雷射加工領域，該方法利用CCD雷射位移傳感器來探測雷射頭與被加工件之間的距離，生成被雕刻材料三維地形圖，通過PID控制算法來控制雷射頭的位置，確保雷射的焦點落在被加工件的表面，實現對異型材料進行雷射切割和雕刻。以及一種雷射雕刻機，包括機架，雷射頭，與雷射頭連接的X軸，Y軸飛行機構，與工作表面垂直的Z軸驅動機構，CCD雷射位移傳感器以及用與控制仿形雕刻的上為控制器。本發明提供一種能夠實現動態調焦，在雕刻過程中實時調焦，實現異型平面雕刻的仿形雷射雕刻加工方法及其雷射雕刻機。但此方法為用CCD採集圖象數據由電腦軟體計算三維數據後進行加工，屬於仿形加工需要高像數CCD和電腦和PID控制算法，成本高，使用時不能脫離電腦，現在廣泛使用的脫機雷射雕刻切割機使用不便，另外，由於雷射頭上增加電機和升降機構增加了雷射頭的質量，對運動速度和精度會有很大影響。
發明內容本實用新型的目的是提供一種雷射雕刻切割機自動實時調焦裝置，採用此裝置的
雷射雕刻切割機能在雕刻切割工作過程中無接觸地自動實時檢測雷射頭與被加工物件的
距離，並實時調整雷射頭與被加工物件之間的距離，不需要預先設計三維數據模型，能動態
的對不平工件和異形工件進行三維雷射雕刻切割加工，加工速度快，精度高。 為了達到上述目的，本實用新型的雷射雕刻切割機自動實時調焦裝置，包括機架、
工作平臺、X軸直線單元、Y軸直線單元、Z軸直線單元和聚焦頭，其特徵在於還包括超聲波
3傳感器和DSP控制系統； Y軸直線單元的導軌安裝在機架上，X軸直線單元與Y軸直線單元垂直，X軸直線單元的導軌與Y軸直線單元的滑塊連接，聚焦頭與X軸直線單元的滑塊連接，超聲波傳感器通過連接板固定安裝在聚焦頭上，z軸直線單元的軸承座固定安裝在機架上，z軸直線單元的螺帽與工作平臺連接，DSP控制系統通過數據線與超聲波傳感器、z軸直線單元的電動機連接。 所述的z軸直線單元包括電動機、絲杆、螺帽和軸承座，軸承座在絲杆兩端與絲杆滑動連接，螺帽在絲杆上與絲杆採用螺紋滑動連接，電動機的輸出軸與絲杆連接，電動機為步進電機或伺服電機。 所述的機架為金屬結構件，是整個雷射雕刻切割機的支撐連接件。 所述的超聲波傳感器為非接觸式超聲波測距傳感器，它能實時測量出被加工物件
表面與聚焦頭之間的距離，並把所測得的數據傳送給DSP控制系統。 所述的聚焦頭包括聚焦鏡座、聚焦鏡筒和連接板，聚焦鏡座連接在X軸直線運動
單元的滑塊上，聚焦鏡筒安裝在聚焦鏡座下部，連接板固定在聚焦鏡筒上，連接板的作用是
用來連接聚焦頭與超聲波傳感器，聚焦鏡筒還用於安裝聚焦鏡片。 所述的工作平臺為被加工件的承載平臺，工作時，被加工件置於工作平臺上。 所述的DSP控制系統包括DSP、FPGA兩個功能晶片，DSP從主機接收運動指令或運
動指令塊，並把從主機讀取的大量圖形數據實時的寫入FPGA的RAM區，並向主機發送運行
狀態、位置、I/O狀態等；FPGA晶片根據接收的指令，完成對電動機的運動控制，DSP具有高
速浮點運算的能力，對S-曲線運動過程中的數據和一些插補算法，進行運算處理，擺脫對
PC機的依賴，並把處理的數據實時地與FPGA通信。DSP控制系統還具有USB接口 ，可實現
脫機工作，不必為每臺雷射雕刻切割機電腦，工業現場使用方便，成本低。 所述的X軸直線單元、Y軸直線單元為直線型運動組件，包括導軌和滑塊，導軌與
滑塊滑動連接。 在DSP控制系統中設定被加工物件表面與聚焦頭之間距離數值範圍。工作時，被加工物件置於工作平臺上，聲波傳感器便測出被加工物件表面與聚焦頭之間的實際距離，實際距離的數值被發送到DSP控制系統與設定的被加工物件表面與聚焦頭之間距離數值範圍進行比較，如果實際距離的數值大於設定的距離數值範圍，DSP控制系統發出指令使電動機旋轉，帶到絲杆轉動，絲杆轉動帶到其上的螺帽向上運動，螺帽向上運動帶動工作平臺同其上的被加工物件一起向上運動，使被加工物件表面與聚焦頭之間距離變小，使被加工物件表面與聚焦頭之間距離數值達到設定的距離數值範圍；相反，如果實際距離的數值小於設定的距離數值範圍，DSP控制系統發出指令使反向電動機旋轉，帶到絲杆轉動，絲杆轉動帶到其上的螺帽向下運動，螺帽向下運動帶動工作平臺同其上的被加工物件一起向下運動，使被加工物件表面與聚焦頭之間距離變大，使被加工物件表面與聚焦頭之間距離數值達到設定的距離數值範圍。這樣，能實時地保證雷射聚焦後焦點與被加工物件保持最佳的雕刻切割距離。因為聚焦頭與超聲波傳感器安裝一體，測距點與雷射聚焦點同步，加工軌跡一致，雷射聚焦焦點不會因工件不平而偏離加工表面，確保加工效果和精度達到設計要求，無須進行預先設計三維數據。 由於z軸直線單元不在雷射聚焦頭上，沒有增加雷射頭負載，對雷射頭運動速度，精度無影響，加工速度快，精度高。 採用本雷射雕刻切割機自動實時調焦裝置的雷射雕刻切割機能在雷射雕刻切割工作過程中無接觸地自動實時檢測雷射頭與被加工物件的距離，並實時調整雷射頭與被加工物件之間的距離，不需要預先設計三維數據模型，能動態的對不平工件和異形工件進行三維雷射雕刻切割加工，加工速度快，精度高，結構簡單，成本低。
圖1是本實用新型實施例的結構示意圖。[0019] 圖2是剖視圖。 圖3是聚焦頭5和超聲波傳感器6結構示意圖。
具體實施方式
圖1標記說明機架l，工作平臺2， Y軸直線單元3， X軸直線單元4，聚焦頭5，超聲波傳感器6， z軸直線單元7， DSP控制系統8。 圖2標記說明導軌9，滑塊10，軸承座11，絲杆12，螺帽13，電動機14，被加工件15。 圖3標記說明聚焦鏡座16，連接板17，聚焦鏡筒18。 參見圖l，本實用新型的雷射雕刻切割機自動實時調焦裝置，包括機架1、工作平臺2、X軸直線單元4、 Y軸直線單元3、 z軸直線單元7、聚焦頭5、超聲波傳感器6和DSP控制系統8。 Y軸直線單元3的導軌9安裝在機架1上，X軸直線單元4與Y軸直線單元3垂直，X軸直線單元4的導軌9與Y軸直線單元3的滑塊10連接，聚焦頭5與X軸直線單元4的滑塊10連接，超聲波傳感器6通過連接板17固定安裝在聚焦頭5上，z軸直線單元7的軸承座11固定安裝在機架1上，z軸直線單元7的螺帽13與工作平臺2連接，DSP控制系統8通過數據線與超聲波傳感器6、 z軸直線單元7的電動機14連接。[0026] 參見圖2，z軸直線單元7包括電動機14、絲杆12、螺帽13和軸承座ll，軸承座11在絲杆12兩端與絲杆12滑動連接，螺帽13在絲杆12上與絲杆12採用螺紋滑動連接，電動機14的輸出軸與絲杆12連接，電動機14為步進電機或伺服電機，本實施例中採用步進電機。 機架1為金屬結構件，是整個雷射雕刻切割機的支撐連接件。 超聲波傳感器6為非接觸式超聲波測距傳感器，它能實時測量出被加工物件表面與聚焦頭5之間的距離，並把所測得的數據傳送給DSP控制系統8。 參見圖3，聚焦頭5包括聚焦鏡座16、聚焦鏡筒18和連接板17，聚焦鏡座16連接在X軸直線運動單元的滑塊10上，聚焦鏡筒18安裝在聚焦鏡座16下部，連接板17固定在聚焦鏡筒18上，連接板17的作用是用來連接聚焦頭5與超聲波傳感器6，聚焦鏡筒18還用於安裝聚焦鏡片。 工作平臺2為被加工件15的承載平臺，工作時，被加工件15置於工作平臺2上。[0031] DSP控制系統8包括DSP、 FPGA兩個功能晶片，DSP從主機接收運動指令或運動指令塊，並把從主機讀取的大量圖形數據實時的寫入FPGA的RAM區，並向主機發送運行狀態、位置、I/O狀態等；FPGA晶片根據接收的指令，完成對電動機14的運動控制，DSP具有高速
浮點運算的能力，對S-曲線運動過程中的數據和一些插補算法，進行運算處理，擺脫對PC
機的依賴，並把處理的數據實時地與FPGA通信。DSP控制系統8還具有USB接口 ，可實現脫
機工作，不必為每臺雷射雕刻切割機電腦，工業現場使用方便，成本低。 X軸直線單元4、Y軸直線單元3為直線型運動組件，包括導軌9和滑塊10，導軌9
與滑塊10滑動連接。 在DSP控制系統8中設定被加工物件表面與聚焦頭5之間距離數值範圍。工作時，被加工物件置於工作平臺2上，聲波傳感器便測出被加工物件表面與聚焦頭5之間的實際距離，實際距離的數值被發送到DSP控制系統8與設定的被加工物件表面與聚焦頭5之間距離數值範圍進行比較，如果實際距離的數值大於設定的距離數值範圍，DSP控制系統8發出指令使電動機14旋轉，帶到絲杆12轉動，絲杆12轉動帶到其上的螺帽13向上運動，螺帽13向上運動帶動工作平臺2同其上的被加工物件一起向上運動，使被加工物件表面與聚焦頭5之間距離變小，使被加工物件表面與聚焦頭5之間距離數值達到設定的距離數值範圍；相反，如果實際距離的數值小於設定的距離數值範圍，DSP控制系統8發出指令使反向電動機14旋轉，帶到絲杆12轉動，絲杆12轉動帶到其上的螺帽13向下運動，螺帽13向下運動帶動工作平臺2同其上的被加工物件一起向下運動，使被加工物件表面與聚焦頭5之間距離變大，使被加工物件表面與聚焦頭5之間距離數值達到設定的距離數值範圍。這樣，能實時地保證雷射聚焦後焦點與被加工物件保持最佳的雕刻切割距離。因為聚焦頭5與超聲波傳感器6安裝一體，測距點與雷射聚焦點同步，加工軌跡一致，雷射聚焦焦點不會因工件不平而偏離加工表面，確保加工效果和精度達到設計要求，無須進行預先設計三維數據。[0034] 由於z軸直線單元7不在雷射聚焦頭上，沒有增加雷射頭負載，對雷射頭運動速度，精度無影響，加工速度快，精度高。 本雷射雕刻切割機自動實時調焦裝置可運用於335、532、1064和10600微米波長的雷射雕刻切割機。 採用本雷射雕刻切割機自動實時調焦裝置的雷射雕刻切割機能在雷射雕刻切割工作過程中無接觸地自動實時檢測雷射頭與被加工物件的距離，並實時調整雷射頭與被加工物件之間的距離，不需要預先設計三維數據模型，能動態的對不平工件和異形工件進行三維雷射雕刻切割加工，加工速度快，精度高，結構簡單，成本低，適用範圍廣，它的推廣使用對提高工作效率，降低加工的廢品率有著積極的意義。
權利要求雷射雕刻切割機自動實時調焦裝置，包括機架、工作平臺、X軸直線單元、Y軸直線單元、z軸直線單元和聚焦頭，其特徵在於還包括超聲波傳感器和DSP控制系統；Y軸直線單元的導軌安裝在機架上，X軸直線單元與Y軸直線單元垂直，X軸直線單元的導軌與Y軸直線單元的滑塊連接，聚焦頭與X軸直線單元的滑塊連接，超聲波傳感器通過連接板固定安裝在聚焦頭上，z軸直線單元的軸承座固定安裝在機架上，z軸直線單元的螺帽與工作平臺連接，DSP控制系統通過數據線與超聲波傳感器、z軸直線單元的電動機連接。
2. 根據權利要求1所述的雷射雕刻切割機自動實時調焦裝置，其特徵在於超聲波傳 感器為非接觸式超聲波測距傳感器。
專利摘要本實用新型的提供一種雷射雕刻切割機自動實時調焦裝置，包括機架、工作平臺、X軸直線單元、Y軸直線單元、z軸直線單元、聚焦頭、超聲波傳感器和DSP控制系統，Y軸直線單元的導軌安裝在機架上，X軸直線單元與Y軸直線單元垂直，X軸直線單元的導軌與Y軸直線單元的滑塊連接，聚焦頭與X軸直線單元的滑塊連接，超聲波傳感器通過連接板固定安裝在聚焦頭上，z軸直線單元的軸承座固定安裝在機架上，z軸直線單元的螺帽與工作平臺連接，DSP控制系統通過數據線與超聲波傳感器、z軸直線單元的電動機連接。採用裝置的雷射雕刻切割機能動態的對不平工件和異形工件進行三維雷射雕刻切割加工，加工速度快，精度高，結構簡單，成本低。
文檔編號B23K26/36GK201456866SQ20092008663
公開日2010年5月12日 申請日期2009年6月12日 優先權日2009年6月12日
發明者田承新 申請人:武漢眾泰數碼光電設備有限公司