CN109332878B - 一种水导激光加工头 - Google Patents

Abstract

本申请涉及机械设备技术领域，尤其涉及一种水导激光加工头。该加工头包括激光头、聚焦镜、平移台、伸缩套筒和耦合装置，激光头的底面与平移台的顶面连接，并固定有聚焦镜；聚焦镜穿过平移台，并且，聚焦镜的轴线与平移台的平移面垂直，聚焦镜的外壁与平移台之间设有间隙；平移台的底面与伸缩套筒的顶端连接，用于带动伸缩套筒沿平移面移动；伸缩套筒套设在聚焦镜的外部，并且伸缩套筒的轴线与聚焦镜的轴线平行或重合；伸缩套筒的底端设置有耦合装置。该加工头在调节激光束、水射流和包裹气体同轴的过程中，无需频繁地调节聚焦镜的位置，避免了对聚焦镜的位置精度的影响。

Description

一种水导激光加工头

技术领域

本申请涉及机械设备技术领域，尤其涉及一种水导激光加工头。

背景技术

如图1所示，水导激光加工头能够对激光束进行聚焦，再将聚焦后的激光束耦合进微细的水射流，并在水射流的外层包裹气体，以由水射流和气体将激光束引导到工件表面，进而对工件进行加工。

通常情况下，为保证工件的加工效果，在使用水导激光加工头之前，需要对其进行调节，以保证激光束、水射流和水射流外包裹的气体同轴。在调节的过程中，首先要将通过聚焦镜的激光束的焦点调节至激光束与水射流的耦合平面，随后将该焦点调节至该耦合平面上的激光束与水射流的耦合点。目前，上述调节过程通常通过调节聚焦镜实现。具体地，沿聚激光束所在直线调节聚焦镜的位置，将焦点调节至耦合平面，以及，沿聚焦镜所在平面调节聚焦镜的位置，使激光束的焦点与耦合点重合。

在上述过程中，由于聚焦镜是改变激光束光路，使对激光束进行聚焦的重要部件。频繁地调节聚焦镜的位置，会降低聚焦镜的位置精度，不仅导致聚焦前后的激光束光路不同轴，激光束能量散失，而且难以保证激光束、水射流和包裹气体同轴度。

发明内容

本申请提供了一种水导激光加工头，用于解决现有加工头在调节激光束、水射流和包裹气体同轴的过程中，导致聚焦镜的位置精度降低的问题。

一种水导激光加工头，包括激光头、聚焦镜、平移台、伸缩套筒和耦合装置，其中，所述激光头的底面与所述平移台的顶面连接，并固定有所述聚焦镜；所述聚焦镜穿过所述平移台，并且，所述聚焦镜的轴线与所述平移台的平移面垂直，所述聚焦镜的外壁与所述平移台之间设有间隙；所述平移台的底面与所述伸缩套筒的顶端连接，用于带动所述伸缩套筒沿所述平移面移动；所述伸缩套筒套设在所述聚焦镜的外部，并且所述伸缩套筒的轴线与所述聚焦镜的轴线平行或重合；所述伸缩套筒的底端设置有所述耦合装置。

可选的，所述平移台包括固定板、第一平移板和第二平移板，其中，所述固定板的顶面与所述激光头的底面固定连接，所述固定板的底面通过第一导轨与所述第一平移板的顶面活动连接，所述第一平移板的底面通过第二导轨与所述第二平移板的顶面活动连接；所述第一导轨和所述第二导轨互相垂直，并且均与所述平移面平行；所述固定板和所述第一平移板上分别设置有第一微分头和第二微分头，所述第一微分头和所述第二微分头分别用于控制所述第二平移板沿所述第一导轨和所述第二导轨运动。

可选的，所述伸缩套筒包括依次套设且同轴的外套筒、中套筒和内套筒；所述外套筒的顶端固定在所述平移台的底面，所述外套筒的内壁设有台阶；所述中套筒卡设在所述平移台和所述台阶之间，所述中套筒与所述内套筒螺纹连接；所述内套筒的底端设置有所述耦合装置；所述外套筒设置有所述中套筒的一端的侧壁上设有调节窗口。

可选的，所述外套筒未设置有所述中套筒的一端的侧壁上设有观察窗口，所述观察窗口内的所述内套筒的外壁上设有刻度线。

可选的，所述伸缩套筒还设有限位装置，所述限位装置包括限位槽和限位钉；所述限位槽沿所述内套筒的轴线方向，设置在所述内套筒的外壁上；所述限位钉穿过所述外套筒的侧壁，并且所述限位钉用于限位的一端位于所述限位槽内。

可选的，所述耦合装置包括耦合套筒，所述耦合套筒的内部，自与所述伸缩套筒的连接端起，沿所述耦合套筒的轴线方向，依次设置有玻璃窗口、储水腔、第一喷嘴、储气腔和第二喷嘴；所述第一喷嘴与所述第二喷嘴连通且同轴，所述第一喷嘴的直径小于所述第二喷嘴的直径；所述耦合套筒的侧壁上设置有进水通道和进气通道，所述进水通道与所述储水腔连通，所述进气通道与所述储气腔连通。

可选的，所述激光头包括激光头壳体与合束镜，所述激光头壳体的内部设有一个空腔，所述空腔与所述聚焦镜连通，所述空腔内设置有所述合束镜，所述合束镜的平面与所述聚焦镜轴线的夹角为45°。

可选的，所述加工头还包括转换装置，所述转换装置包括激光套筒和保护壳体，所述激光套筒固定在所述激光头壳体的侧壁上，并与所述空腔连通，所述激光套筒的轴线与所述聚焦镜的轴线垂直；所述保护壳体套设在所述激光套筒的外部。

可选的，所述激光头的顶板上设置有图像获取装置，所述图像获取装置的光通道与所述空腔连通，并与所述聚焦镜同轴。

在本申请实施例提供的水导激光加工头中，由于平移台的下方连接着伸缩套筒，并且该伸缩套筒的底端连接着耦合装置。调节该伸缩套筒伸缩时，即可带动耦合装置上激光束与水射流的耦合平面靠近或者远离该聚焦镜，进而将该激光束的焦点调节至该耦合平面上。当调节该平移台运动时，即可带动该耦合装置沿平移台的移动方向运动，将激光束的焦点调节至该耦合平面上的激光束与水射流的耦合点，使激光束、水射流和包裹气体同轴。该装置无需频繁地调节聚焦镜的位置，避免了对聚焦镜的位置精度的影响，进而避免了激光束聚焦前后的光路不同轴，导致激光束能量散失的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为水导激光束的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的水导激光加工头的结构示意图一。

图3为本申请实施例提供的水导激光加工头的结构示意图二。

图4为本申请实施例提供的平移台的结构示意图。

图5为本申请实施例提供的伸缩套筒的结构示意图。

图6为本申请实施例提供的耦合装置的结构示意图。

附图标记说明：

01、激光束；02、水射流；03、气体；1、激光器；2、转换装置；21、激光套筒；22、保护壳体；3、激光头；31、激光头壳体；32、合束镜；4、聚焦镜；5、图像获取装置；6、平移台；61、固定板；62、第一平移板；63、第二平移板；64、第一导轨；65、第二导轨；66、第一微分头；67、第二微分头；7、伸缩套筒；71、外套筒；72、中套筒；73、内套筒；74、调节窗口；75、观察窗口；76、限位槽；77、限位钉；8、耦合装置；81、耦合套筒；82、玻璃窗口；83、储水腔；84、第一喷嘴；85、储气腔；86、第二喷嘴。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图2和图3，本申请实施例提供的水导激光加工头包括：激光器、转换装置、激光头、聚焦镜、图像获取装置、平移台、伸缩套筒和耦合装置。

该激光器用于产生激光束。

该转换装置为激光束的传输通道。具体地，该转换装置包括激光套筒和保护壳体。该激光套筒的一端与该激光器连接，另一端与激光头连接，用于将激光束传输至激光头的内部。该保护壳体套设在激光套筒的外部，用于保护该激光套筒。

该激光头用于改变该入射激光束的光路，使其反射入聚焦镜内。具体地，该激光头包括激光头壳体与合束镜。该激光头壳体的内部设有一个空腔，并且该空腔与上述激光套筒连通。该合束镜设置在该空腔的内部，并且该合束镜的平面与该激光套筒的轴线的夹角为45°。此外，该合束镜的两个平面均镀有照明光源635nm增透膜，并且，该合束镜朝向该转换装置的平面上镀有激光束532nm高反膜。

通常情况下，激光器产生的激光束是平行于激光套筒的轴线的。由于激光套筒的轴线与该合束镜平面的夹角为45°，根据光的反射原理，当该激光束照射到该合束镜的表面之后，便会在该激光束高反膜的作用下，产生与该入射光线垂直的反射光线。

该聚焦镜用于聚焦分散的激光束，将其能量集中。该聚焦镜呈柱状结构，包括聚焦镜套筒和聚焦镜片。该聚焦镜套筒的顶端固定在激光头壳体的底面上，与激光头内的空腔连通，并与合束镜相对。该聚焦镜套筒的底端安装有该聚焦镜片。该聚焦镜套筒的轴线与该合束镜的平面的夹角也为45°，并且与激光套筒的轴线垂直。

由于该激光束的反射光线也与激光套筒的轴线垂直，因此，经过合束镜反射的光线会直接沿聚焦镜套筒的轴线方向射入该聚焦镜套筒内，并在通过聚焦镜片之后汇聚，通过汇聚后的高能激光束，便可以对工件进行加工。

此外，对于水导激光加工头而言，在将激光束汇聚之后，需要将激光束与水射流进行耦合，并在水射流的外部包裹一层气体。在该过程中，需要将激光束的焦点调节至水射流的耦合点。因此，本申请实施例提供的水导激光加工头，在包括激光器、转换装置、激光头以及聚焦镜的基础上，还设有平移台、伸缩套筒和耦合装置。

请参阅图4，该平移台包括固定板、第一平移板和第二平移板。其中，该固定板的顶面与该激光头的底面固定连接，该固定板的底面通过两个第一导轨与第一平移板的顶面活动连接，第一平移板的底面通过两个第二导轨与第二平移板的顶面活动连接。该第一导轨和第二导轨互相垂直，并且均与该平移面平行。

该平移台垂直于其平移面(即平移台移动的平面)的方向，设有一个贯穿该固定板、第一平移板和第二平移板的通孔。该平移台通过该通孔套设在聚焦镜的外部，并且该平移台的顶面(即固定板的顶面)与激光头的底面固定连接。该平移台的平移面与该聚焦镜的轴线垂直，并且，该通孔的内径大于该聚焦镜的外径，即该聚焦镜的外壁和该平移台之间设有间隙。

此外，该平移台还包括第一微分头和第二微分头。该第一微分头的底座固定在固定板上，该微分头的螺杆与该第一平移板连接，并且该螺杆的轴线与第一导轨平行。当调节该第一微分头的调节旋钮时，可带动该第一微分头的螺杆伸长或缩短，进而带动该第一平移板和第二平移板同时沿着第一导轨所在直线运动。该第二微分头的底座固定在第二平移板上，该微分头的螺杆与该第一平移板连接，并且该螺杆的轴线与第二导轨平行。当调节该第二微分头的调节旋钮时，可带动该第二微分头的螺杆伸长或缩短，进而带动第二平移板沿着第二导轨所在直线运动。由于该第一导轨和第二导轨垂直，因此，该平移台能够实现在二维平面内移动。

请参阅图5，该伸缩套筒套设在该聚焦镜的***，包括依次套设且同轴的外套筒、中套筒和内套筒，并且该伸缩套筒的轴线与该聚焦镜的轴线平行或重合。可以理解的是，该外套筒、中套筒和内套筒均套设在该聚焦镜的***，并且中套筒位于该外套筒和内套筒之间。

该外套筒的顶端固定在该平移台的底面，该外套筒的内壁设有台阶。示例性的，该外套筒包括内径不同的两个部分，内径大的一端靠近该平移台设置，该内径小的一端远离该平移台设置。中套筒卡设在该平移台和该台阶之间，并且该中套筒与该内套筒通过螺纹连接。

为了提高该伸缩套筒的稳定性和结构的紧凑性，在一个示例中，如图5所示，该外套筒的最大内径与该中套筒的最大外径相同，该外套筒的最小内径与该内套筒的外径相同。

该外套筒设置有该中套筒的一端的侧壁上设有调节窗口。通过该调节窗口，调节人员可以转动外套筒内的中套筒，由于该中套筒与内套筒通过螺纹连接，因此，当该中套筒转动时，会带动内套筒沿该伸缩套筒的轴线移动。

可选的，为了便于通过调节窗口转动中套筒，在中套筒的外壁上设置了防滑花纹，以增大调节人员手指和中套筒之间的摩擦力。

可选的，在该外套筒未设置有中套筒的一端的侧壁上设有观察窗口，并且在该观察窗口内的内套筒的外壁上设有刻度线，以便调节人员确定该伸缩套筒的伸缩距离。

可选的，外套筒和中套筒的外壁均可以设置为台阶状。示例性的，外套筒与该第二平移板连接的一端的外径可以大于另一端的外径，以减少该外套筒与该内套筒接触端的壁厚，减轻该外套筒的重量。该中套筒靠近该第二平移板的一端的外径可以大于另一端的外径，以减少该中套筒的重量。

此外，本申请实施例提供的伸缩套筒还包括限位装置。该限位装置包括限位槽和限位钉。该限位槽沿内套筒的轴线方向，设置在内套筒的外壁上。该限位钉穿过该外套筒的侧壁，并且该限位钉用于限位的一端位于该限位槽内。该限位装置能够防止内套筒在沿其轴线运动的过程中撞击其上方的平移台，或者从伸缩套筒中脱落。

该耦合装置用于对将激光束与水射流耦合之后，并在水射流的外层包裹一层气体。该耦合装置设置在该伸缩套筒的底端(即该内套筒的底端)。请参阅图6，该耦合装置包括耦合套筒，该耦合套筒的内部，自与伸缩套筒的连接端起，沿耦合套筒的轴线方向，依次设置有玻璃窗口、储水腔、第一喷嘴、储气腔和第二喷嘴，该第一喷嘴与该第二喷嘴连通且同轴，该第一喷嘴的直径小于该第二喷嘴的直径。该耦合套筒的侧壁上设置有进水通道和进气通道，该进水通道与该储水腔连通，该进气通道与该储气腔连通。

当该储水腔存储有高压水之后，该储气腔体存储有高压气体之后，高压水通过该第一喷嘴后能够产生水射流，激光束照射进该水射流内，与水射流实现耦合，并且耦合后的水射流会继续运动通过第二喷嘴。同时，在高压气体的作用下，该第二喷嘴处能够产生气流，由于该第二喷嘴的直径大于该第一喷嘴的直径，因此，该气流会包裹住该耦合后的水射流。

在该耦合装置中，该玻璃窗口用于防止耦合装置内的水和气进入伸缩套筒内部。此外，该玻璃窗口的表面还镀有激光增透膜，用于增加激光的透过率。

此外，该图像获取装置，如CCD(ChargeCoupled Device，电子耦合器件)相机，设置在该激光头的顶板，用于获取耦合装置的耦合平面上的图像，以辅助该加工头进行激光束焦点位置的调节。该图像获取装置的光通道与该空腔连通，并与该聚焦镜同轴，耦合平面上的光可以通过玻璃窗口、聚焦镜和合束镜进入该图像获取装置的镜头内，从而得到耦合平面上的图像。

在使用该水导激光加工头加工工件之前，需要对其进行调节，以保证激光束、水射流和水射流外包裹的气体同轴。在本申请实施例中，由于该平移台的下方连接着伸缩套筒，并且该伸缩套筒的底端连接着耦合装置。因此，调节该伸缩套筒伸缩时，即可带动耦合装置上激光束与水射流的耦合平面靠近或者远离该聚焦镜，进而将该激光束的焦点调节至该耦合平面上。当调节该平移台运动时，即可带动该耦合装置沿平移台的移动方向运动，将激光束的焦点调节至该耦合平面上的激光束与水射流的耦合点。

综上所述，本申请实施例提供的水导激光加工头，在调节激光束、水射流和包裹气体同轴的过程中，无需频繁地调节聚焦镜的位置，避免了对聚焦镜的位置精度的影响，进而避免了激光束聚焦前后的光路不同轴，导致激光束能量散失的问题。

需要说明的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种水导激光加工头，包括激光头、聚焦镜、平移台、伸缩套筒和耦合装置，其特征在于，

所述激光头的底面与所述平移台的顶面连接，并固定有所述聚焦镜；所述聚焦镜穿过所述平移台，并且，所述聚焦镜的轴线与所述平移台的平移面垂直，所述聚焦镜的外壁与所述平移台之间设有间隙；

所述平移台的底面与所述伸缩套筒的顶端连接，用于带动所述伸缩套筒沿所述平移面移动；所述平移台包括固定板、第一平移板和第二平移板，其中，所述固定板的顶面与所述激光头的底面固定连接，所述固定板的底面通过第一导轨与所述第一平移板的顶面活动连接，所述第一平移板的底面通过第二导轨与所述第二平移板的顶面活动连接；所述第一导轨和所述第二导轨互相垂直，并且均与所述平移面平行；所述固定板和所述第一平移板上分别设置有第一微分头和第二微分头，所述第一微分头和所述第二微分头分别用于控制所述第二平移板沿所述第一导轨和所述第二导轨运动；

所述伸缩套筒套设在所述聚焦镜的外部，并且所述伸缩套筒的轴线与所述聚焦镜的轴线平行或重合；

所述伸缩套筒的底端设置有所述耦合装置，所述耦合装置包括耦合套筒，所述耦合套筒的内部，自与所述伸缩套筒的连接端起，沿所述耦合套筒的轴线方向，依次设置有玻璃窗口、储水腔、第一喷嘴、储气腔和第二喷嘴；所述第一喷嘴与所述第二喷嘴连通且同轴，所述第一喷嘴的直径小于所述第二喷嘴的直径；所述耦合套筒的侧壁上设置有进水通道和进气通道，所述进水通道与所述储水腔连通，所述进气通道与所述储气腔连通。

2.根据权利要求1所述的水导激光加工头，其特征在于，所述伸缩套筒包括依次套设且同轴的外套筒、中套筒和内套筒；

所述外套筒的顶端固定在所述平移台的底面，所述外套筒的内壁设有台阶；所述中套筒卡设在所述平移台和所述台阶之间，所述中套筒与所述内套筒螺纹连接；所述内套筒的底端设置有所述耦合装置；

所述外套筒设置有所述中套筒的一端的侧壁上设有调节窗口。

3.根据权利要求2所述的水导激光加工头，其特征在于，所述外套筒未设置有所述中套筒的一端的侧壁上设有观察窗口，所述观察窗口内的所述内套筒的外壁上设有刻度线。

4.根据权利要求2所述的水导激光加工头，其特征在于，所述伸缩套筒还设有限位装置，所述限位装置包括限位槽和限位钉；

所述限位槽沿所述内套筒的轴线方向，设置在所述内套筒的外壁上；

所述限位钉穿过所述外套筒的侧壁，并且所述限位钉用于限位的一端位于所述限位槽内。

5.根据权利要求1所述的水导激光加工头，其特征在于，所述激光头包括激光头壳体与合束镜，

所述激光头壳体的内部设有一个空腔，所述空腔与所述聚焦镜连通，所述空腔内设置有所述合束镜，所述合束镜的平面与所述聚焦镜轴线的夹角为45°。

6.根据权利要求5所述的水导激光加工头，其特征在于，还包括转换装置，所述转换装置包括激光套筒和保护壳体，

所述激光套筒固定在所述激光头壳体的侧壁上，并与所述空腔连通，所述激光套筒的轴线与所述聚焦镜的轴线垂直；

所述保护壳体套设在所述激光套筒的外部。

7.根据权利要求5所述的水导激光加工头，其特征在于，所述激光头的顶板上设置有图像获取装置，所述图像获取装置的光通道与所述空腔连通，并与所述聚焦镜同轴。