一种数控激光切割机的光路装置 【技术领域】
本发明涉及数控激光切割机，尤其涉及数控激光切割机光路装置的设计与改进。
背景技术
激光切割机在切割过程中，激光光束聚焦成一个很小的光点，使焦点处达到很高的功率密度。这时光束输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分，材料很快被加热到熔化及汽化温度，与此同时一股高速气流从同轴或非同轴向将熔化及汽化了的材料由材料下部吹出。随着光束与材料的相对移动，使孔洞形成宽度很窄的切缝分割材料。
目前，用于民用的激光发生器由于成本原因，所发出的激光束具有一定的发散角，使整体光束在空间呈“锥形”。当“锥形”的高度改变时(相当于激光切割机光路长度改变)，聚焦镜表面的光束的横截面面积也随之改变。此外，光具有波的性质，因此不可避免地会出现衍射现象，该现象存在于所有的光学系统中，能够决定这些系统在性能方面的理论限值。衍射会使光束在传播过程中发生横向扩展。如果在对某个准直激光光束进行聚焦时使用的是一个“理想”透镜，那么光斑的大小将只受衍射作用的影响。(关系式——其中ω0′为焦点处光斑半径，λ为波长，f为透镜焦距，ω为光束在透镜上的光束半径)
从上述可以看出，光束直径的变化是引发光斑直径变化的主要因素，当激光切割机上安装切割头的横梁作X向运动，同时Z轴系统作Y向运动时，切割头在XOY平面作任意曲线运动，因此由激光发生器至激光头聚焦透镜的光路长度会发生变化，由于民用激光发生器所发出的激光存在一定的发散角，也就是说，当光路长度变化时，作用在透镜表面的光束直径在变化，这就会引起光斑大小的变化。如果光斑的尺寸在连续加工中发生变化的话，必然会对加工产生很大影响，比如，会造成切割缝宽度不一致、在相同切割功率下会割不透或烧蚀板材等现象。
现有技术中，针对以上问题，主要有三种方式：
一是平行光管：这是一种常用的方法，即在CO2激光器的输出端加一平行光管进行扩束处理，扩束后的光束直径变大，发散角变小，使在切割工作范围内近端和远端聚焦前光束尺寸接近一致；
二是在切割头上增加一独立的移动透镜的下轴，它与控制喷嘴到材料表面距离的Z轴是两个相互独立的部分；当机床工作台移动或光轴移动时，光束从近端到远端F轴也同时移动，使光束聚焦后光斑直径在整个加工区域内保持一致；
三是控制聚焦镜(一般为金属反射聚焦系统)的水压。若聚焦前光束尺寸变小而使焦点光斑直径变大时，自动控制水压改变聚焦曲率使焦点光斑直径变小。
以上三种方式结构复杂，应用难度大，成本极高。
【发明内容】
本发明针对以上问题，提供了一种结构简单、成本低、调整方便的能在连续加工中确保光斑面积不变；同时，根据不同的切割缝宽度要求，又能改变光斑面积的数控激光切割机的光路装置。
本发明的技术方案是：包括激光发生器、利用透镜使激光聚焦的切割头、连接激光发生器与切割头的传导光路以及控制器，它还设有等光程装置，等光程装置包括由伺服电机驱动的小车、设置在小车上的至少一片补偿反射镜，伺服电机连接控制器，补偿反射镜迂折地设置在传导光路中，传导光路中设有与之适配的发射反射镜、接收反射镜。
所述的补偿反射镜设有相互呈90°的补偿反射镜一、补偿反射镜二，补偿反射镜一用来接收发射反射镜传导的激光，补偿反射镜二将补偿反射镜一反射的激光传导至接收反射镜。
所述的小车上设有Y向往返运动机构，所述的补偿反射镜设置在Y向往返运动机构上。
它还包括一与数控激光切割机横梁垂直且水平设置的小车轨道。
所述的小车轨道在X向长度大于横梁轨道在X向的长度。
所述地小车连接在横梁轨道上。
所述的横梁轨道末端设有光程调整装置，光程调整装置为一延长的轨道。
所述的控制器中包括存储有根据切割头的位置指令等光程装置运动以使光路长度保持在一定值的程序的存储器。
所述的控制器中包括存储有根据加工要求指令等光程装置运动从而通过改变光路长度进而改变切割光斑面积的程序的存储器。
本发明在激光的传导光路上设置了一个等光程装置，当切割头位置移动时，补偿由移动而造成的相对于切割头原点(0，0)光路长度的变化；进而实现在连续切割加工中，落在板料表面上的光斑面积为一恒定值。该等光程装置由控制器控制，控制器检测到切割头相对于原点位置移动后，根据控制器中存储的具有函数关系的程序，计算出等光程装置在S方向应该移动多少量，以使切割头在(0，0)～(a，b)点间任一点时，由激光发生器到切割头的光路长度都一致。
当有不同加工需要时，比如切割不锈钢薄板与低碳钢厚板，需要不同的光斑面积、行走速度，此时，可以通过控制器改变等光程装置的初始位置，通过初始位置的变化来改变光路长度，进而改变透镜表面光束直径，最终改变光斑面积，以满足不同加工需要。
【附图说明】
图1是本发明的结构示意图
图中1是横梁，2是切割头，3是Z轴部件，4是接收反射镜，5是发射反射镜，6是初始光路，7是补偿反射镜一，8是补偿反射镜二，9是小车，10是中间光路，11是小车轨道，12是横梁轨道，13是中间切割点，14是板料，15是激光发生器，18是光程调整装置；
图2是本发明另一实施方式的示意图
图中16是补偿反射镜；17是Y向往返运动机构。
【具体实施方式】
本发明如图2所示，包括激光发生器15、利用透镜在工件表面形成切割激光光斑的切割头2、连接激光发生器15与切割头2的传导光路装置以及控制器，它还设有等光程装置，等光程装置包括由伺服电机驱动的小车9、设置在小车9上的至少一个补偿反射镜16，以及补偿反射镜16的Y向往返运动机构17。伺服电机连接控制器，补偿反射镜16迂折地设置在传导光路中，传导光路中设有与之适配的发射反射镜5、接收反射镜4。小车9连接在横梁轨道12上。
控制器中包括存储有根据切割头2的位置指令等光程装置运动以使光路长度保持在一定值的程序的存储器。
控制器中包括存储有根据加工要求指令等光程装置运动从而通过改变光路长度进而改变切割光斑面积的程序的存储器。
依照上述实施方式工作时，在原点(0，0)位置激光发生器15到切割头2之间的初始光路6(图中粗实线所示)的长度为L。加工中，横梁1在X方向运动，横梁1上的Z轴部件3在Y方向运动，行至板料14上的P(X，Y)点13，形成一中间光路10(图中粗虚线所示)。初始光路6与中间光路10的长度一致。从图中可见初始位置时横梁1与小车9之间的距离为M，中间位置时两者间距离为N，两者长度不同；当切割头2在XOY平面作任意曲线运动时，小车9(等光程装置)同时以特定的速度曲线作S向的运动，以此来保证光路长度L保持某一给定值，通过小车9在S方向的运动实现了原点与P点之间光路长度的补偿。考虑补偿长度可能大于机身在X向的长度，小车运行的小车轨道11要长于机身长度。当小车加载在横梁导轨12上运行时，在横梁导轨12末端设置如图1中所示的光程调整装置18，用以确保补偿量。
但采用一个补偿反射镜16时，在S向运行的同时，为保证反射角度，补偿反射镜16还需要在Y向做微量往返运动，设置了Y向往返运动机构17，在必要时在Y向往返运动机构17上还可以设置Z轴旋转运动机构，以确保补偿反射镜16正确传导激光。Y向往返运动机构17连接控制器，Z轴旋转运动机构连接控制器。
本发明优选实施方式如图1所示，补偿反射镜设有相互呈90°的补偿反射镜一7、补偿反射镜二8，补偿反射镜一7用来接收发射反射镜5传导的激光，补偿反射镜二8将补偿反射镜一7反射的激光传导至接收反射镜4。它还包括一与数控激光切割机横梁1垂直且水平设置的小车轨道11。
控制器中包括存储有根据切割头2的位置指令等光程装置运动以使光路长度保持在一定值的程序的存储器。
控制器中包括存储有根据加工要求指令等光程装置运动从而通过改变光路长度进而改变切割光斑面积的程序的存储器。
依照本实施方式，利于直观地确定变化的光路长度补偿的函数关系，与上一实施方式不同的是增加了一级反射。