CN114156718B - 一种便携式激光剥线装置及其剥线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式激光剥线装置及其剥线方法，便携式激光剥线装置包括依次从前至后同轴设置的激光源、第一锥透镜、第二锥透镜、平面透镜、凹面反射镜，所述第一锥透镜与第二锥透镜锥顶对称设置用于在第二锥透镜后形成环形激光束，所述平面透镜后端面中心处设有不透光挡块，所述不透光挡块后端开设限位槽用于将待加工导线前端定位，所述凹面反射镜的凹曲面与平面透镜相对设置用于将透过平面透镜的环形激光束聚焦，所述凹面反射镜中心处同轴设有通孔供待加工导线穿过。本发明结构简单、使用方法，适用于需要便携或者手持激光剥线的应用领域，如工业自动化现场布线、航空航天设备现场布线等无法使用传统台式或桌面式激光剥线设备领域。

Description

一种便携式激光剥线装置及其剥线方法

技术领域

本发明涉及线材加工，具体地指一种便携式激光剥线装置及其剥线方法。

背景技术

自从电被发现并应用后各类导线大量出现，其主要特征都是有内部金属导电线芯和外部绝缘层外皮组成。随着各类消费类电子产品、高速通信产品的蓬勃发展越来越多的通信电缆直径越来越细。传统的机械方式除去导线绝缘层的方式已经无法满足不伤线芯、切口整齐、一致性好等要求。在过去的十年内出现了各种激光剥除导线绝缘层、屏蔽层的方法。如专利CN200820192662中所述的分光式双头剥线机，在该方法中提出了使用上下两束激光聚焦到导线绝缘层并移动线材使激光束在导线绝缘层上形成烧灼缺口，后续采用人工或机械拉扯已经存在缺口的导线绝缘层实现线芯与绝缘层分离的目的。这类只有两个激光聚焦束进行切割绝缘层的方法存在以下主要缺点：为满足焦点处高峰值功率的要求，焦点直径较小且焦深较短这直接导致了圆形线材绝缘层边缘处于离焦工作状态容易出现切不断或塑料残留。离焦点较近的位置又出现过度切割损伤线芯问题。为了解决这个问题又提出了如专利CN201010500061所述的采用四个或更多激光束进行绝缘层切割的方法，采用这种方法大幅度改善了传统两激光束中存在的问题。但该方法也出现了新的问题，因为需要将激光分为4路光束输出、无论是切换光束还是分光束方案都存在光学设计过度复杂，更严重的问题是只有四路激光束完全重合时才有最佳效果。设备需要极高的机械稳定性和调节精度制造和使用都相当困难。为了进一步扩展激光剥线应用的覆盖领域又出现了如专利CN201310279521这种激光束相对线材旋转的方法，但该方法普遍存在切口难以对齐问题。随着航天、航空、军工、汽车等领域电子化程度越来越高各类电缆很多都需要在现场进行施工剥线处理，传统的各类激光剥线机都是按照生产线批量应用设计体积大、重量重、调节复杂等无法满足狭小空间内手持现场作业的要求。

因此，需要开发出一种结构简单、使用方便、切口一致性好的便携式激光剥线装置及其剥线方法。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种结构简单、使用方便、切口一致性好的便携式激光剥线装置及其剥线方法。

本发明的技术方案为：一种便携式激光剥线装置，其特征在于，包括从前至后依次同轴设置的激光源、第一锥透镜、第二锥透镜、平面透镜、凹面反射镜，所述第一锥透镜与第二锥透镜锥顶相对设置用于在第二锥透镜后形成环形激光束，所述平面透镜后端面中心处设有不透光挡块，所述不透光挡块后端开设限位槽用于将待加工导线顶端定位，所述凹面反射镜的凹曲面与平面透镜相对设置用于将透过平面透镜的环形激光束聚焦，所述凹面反射镜中心处同轴设置通孔供待加工导线穿过。

优选的，所述限位槽为与平面透镜同轴设置、内径朝后均匀扩大的圆锥形槽。

优选的，所述第一锥透镜与第二锥透镜锥角相同。

优选的，所述不透光挡块为圆柱体或立方体，所述不透光挡块贴合固连于平面透镜后端面中心处。

进一步的，所述不透光挡块为圆柱体时与平面透镜同轴设置。

进一步的，所述不透光挡块为立方体时其中一边沿平面透镜轴向设置，所述平面透镜中心轴线经过不透光挡块的几何中心。

本发明还提供一种激光剥线方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.激光源发射准直或接近准直的激光束，激光束经锥顶相对设置的第一锥透镜、第二锥透镜后形成环形激光束，环形激光束透过平面透镜、再经凹面反射镜聚焦得到激光圈；

b.调节第一锥透镜、第二锥透镜之间的距离使激光圈与待加工导线的绝缘外皮径向对应；调节平面透镜与凹面反射镜之间的距离，使激光圈至设置于平面透镜后端中心处的不透光挡块的间距与待加工导线剥线长度对应；

c.将待加工导线同轴穿过凹面反射镜中心处的通孔，直到待加工导线顶端进入不透光挡块后端开设的限位槽接触限位，激光圈聚焦在绝缘外皮上完成剥线。

优选的，步骤b中激光圈与待加工导线的绝缘外皮径向对应，具体为：

设绝缘外皮内径为r₀、外径为R₀，则(r₀+R₀)/2≥激光圈内径r≥r₀，激光圈外径R≥R₀。

优选的，步骤b中调节第一锥透镜、第二锥透镜之间的距离，具体为：第二锥透镜固定，调节第一锥透镜轴向位置；

优选的，步骤b中调节平面透镜与凹面反射镜之间的距离，具体为：凹面反射镜固定，调节平面透镜轴向位置。

本发明的有益效果为：

1.结构简单、使用方便，适用于需要便携或者手持激光剥线的应用领域，如工业自动化现场布线、航空航天设备现场布线等无法使用传统台式或桌面式激光剥线设备领域。

2.与传统方法中的两光路、四光路激光束切割导线绝缘层的方法相比，切口被激光覆盖面积更完整，绝缘外皮中所有部分都处于相同的焦点位置切口的一致性更好；与需要机械旋转方式切割的传统方法相比，本发明方法无任何旋转机构，可避免因为机械同轴度不良而引起的激光束偏移引起的环形切口无法闭合问题。

3.可适配多种规格线材，调节第一锥透镜、第二锥透镜间距可适配待剥除的绝缘外皮径向尺寸，调节平面透镜与凹面反射镜间距可适配剥线的距离，快速精准完成剥线。

附图说明

图1为本发明便携式激光剥线装置结构示意图

图2为环形激光束结构示意图

图3为凹面反射镜结构示意图

图4为激光圈与待加工导线配合示意图

图5为便携式激光剥线装置采用笼式光学调整组件装配示意图

其中：1-激光源2-待加工导线(21-绝缘外皮22-金属线芯)3-第一锥透镜4-第二锥透镜5-平面透镜6-不透光挡块7-凹面反射镜8-限位槽9-环形激光束10-激光圈11-通孔12-笼板13-笼杆。

具体实施方式

下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种便携式激光剥线装置，包括依次从前至后同轴设置的激光源1、第一锥透镜3、第二锥透镜4、平面透镜5、凹面反射镜7，第一锥透镜3与第二锥透镜4锥顶对称设置用于在第二锥透镜4后形成环形激光束9，如图2所示。平面透镜5后端面中心处设有不透光挡块6，不透光挡块6后端开设限位槽8用于将待加工导线2顶端(前端)定位，凹面反射镜7的凹曲面与平面透镜5相对设置(即凹曲面位于凹面反射镜7上临***面透镜5的一侧)用于将透过平面透镜5的环形激光束聚焦，如图3所示，凹面反射镜7中心处同轴设有轴向的通孔11供待加工导线2穿过，本发明中从前至后方向同图1中从左至右方向。

以上各部件中：

激光源1是一种激光光源，发射出的激光是准直或接近准直；激光功率10-120W、激光波长400-455nM蓝激光、工作模式可以是连续或脉冲激光。激光源可以是半导体固体激光器、半导体光纤耦合激光器、光纤激光器等，其具体实现方式对本发明无影响。

第一锥透镜3、第二锥透镜4均为由一个圆锥面和一个平面组成的透镜，锥透镜常用来生成贝塞尔强度分布的光束或锥形非发散光束。第一锥透镜3的平面对准激光源1，第一锥透镜3、第二锥透镜4规格形状相同且锥顶对称设置。通过调节两者之间的距离可以在第二锥透镜4后得到不同发散角度的环形激光束9，第一锥透镜3、第二锥透镜4的折射率、物理锥角只对最终产生的环形激光束直径有关，材质、镀膜膜层仅仅影响激光的透过率，对于本发明实现方式无影响。

平面透镜5是一种可透过激光的无曲率镜片。环形激光束9通过平面透镜5后对于激光能量的分布无改变、其材质与镀膜膜层仅对激光透过率有影响，对于本发明实现方式无影响。

不透光挡块6是由不能透过激光且耐高温的材料制成，金属或非金属均可。不透光挡块6前端面紧贴在平面透镜5的正中心，后端的限位槽8用于临时固定待加工导线2顶端，限位槽8与平面透镜5同轴设置，限位槽8为内径朝后均匀扩大的圆锥形槽。

不透光挡块6可以是圆柱体或立方体。不透光挡块6为圆柱体时与平面透镜5同轴设置；不透光挡块6为立方体时其中一边(长宽高任一边)沿平面透镜5轴向设置，平面透镜5中心轴线经过不透光挡块6的几何中心。不透光挡块6无论为何形状，其外缘径向不超过环形激光束9内径边缘，即避免对环形激光束9造成遮挡，本实施中不透光挡块6为与平面透镜5同轴设置的圆柱体。

凹面反射镜7是一种常规放射形聚焦镜，其凹曲面正对环形激光束9，中心处的通孔11孔径大于待加工导线2外径且小于环形激光束9内径。凹面反射镜7的焦距与环形激光束9的发散角共同决定聚焦后激光圈10的径向尺寸。

待加工导线2是一种通用的电力或信号传输线材。它具有内部的金属线芯22和一个完全紧贴覆盖金属线芯22表面的绝缘外皮21。待加工导线2的最大直径需要小于环形激光束9内径(否则无法通过通孔11)。

通过调节平面透镜5和不透光挡块6到凹面反射镜7之间的距离可以控制所需剥离绝缘外皮21的长度；通过调节第一锥透镜3、第二锥透镜4之间的距离可以调节环形激光束9的发散角，间接控制凹面反射镜7聚焦形成的激光圈10直径，以适配不同规格待加工导线2。

如图4所示，激光圈10直径要求为：若绝缘外皮21内径为r₀、外径为R₀，则(r₀+R₀)/2≥激光圈内径r≥r₀，激光圈外径R≥R₀。激光圈10内缘与绝缘外皮21内缘平齐或向外稍超过绝缘外皮21内缘，可避免照射到紧贴绝缘外皮21内缘的金属线芯22，但也不可过多超过绝缘外皮21内缘，否则绝缘外皮21可受激光照射的部分太少，剥线难以脱落；激光圈10外缘与绝缘外皮21外缘平齐或超过绝缘外皮21外缘，可将绝缘外皮21充足覆盖，实现剥离。

如图5所示，本实施例中第一锥透镜3、第二锥透镜4均采用美国Throlabs公司的AX2520-A型号锥透镜、平面透镜5采用美国Throlabs公司的WG41010-UV平面透镜、凹面反射镜7采用美国Throlabs公司的CM254-025-E02凹面反射镜，激光源1采用大族天成的450nM120W蓝光光纤耦合半导体激光***配合F810APC-405大口径激光准直器，上述光学部件通过美国Throlabs公司的笼式光学调整组件进行组装，笼式光学调整组件包括多个笼板12和四根笼杆13，各笼板12将各光学部件装配在内，各笼板12四角穿设于四根笼杆13上，可带动各光学部件轴向移动。

上述便携式激光剥线装置的激光剥线方法，包括以下步骤：

a.激光源1(光纤耦合半导体激光***与准直器配合)发射直径约8mm的高斯分布准直激光束，经第一锥透镜3、第二锥透镜4后形成环形激光束9，环形激光束透过平面透镜5、再经凹面反射镜7聚焦得到激光圈10；

b.调节第一锥透镜3、第二锥透镜4之间的轴向距离(本实施例中第二锥透镜4固定，调节第一锥透镜3轴向位置)使激光圈10与待加工导线2的绝缘外皮21径向对应(即(r₀+R₀)/2≥激光圈内径r≥r₀，激光圈外径R≥R₀，本实施例中激光圈内径r＝r₀、激光圈外径R≥R₀)；调节平面透镜5与凹面反射镜7间的轴向距离(本实施例中凹面反射镜7固定，调节平面透镜5轴向位置)，使激光圈10至不透光挡块6之间的距离与待加工导线2的绝缘外皮21剥线长度对应；

c.将待加工导线2同轴穿过凹面反射镜7中心处的通孔11(直径10mm)，待加工导线2前端进入限位槽8接触限位，此时激光圈10聚焦在绝缘外皮21上完成剥线。

以上方法中，若步骤b中激光圈的(r₀+R₀)/2≥激光圈内径r＞r₀(即激光圈10内缘向外稍超过绝缘外皮21内缘)，则经步骤c后剥除的绝缘外皮21还有极少部分与待加工导线2连接，此时将便携式激光剥线装置移开，手动将剥除的绝缘外皮21从待加工导线2上拉出即可。

Claims (4)

1.一种激光剥线方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.激光源（1）发射准直或接近准直的激光束，激光束经锥顶相对设置的第一锥透镜（3）、第二锥透镜（4）后形成环形激光束（9），环形激光束（9）透过平面透镜（5）、再经凹面反射镜（7）聚焦得到激光圈（10）；

b.调节第一锥透镜（3）、第二锥透镜（4）之间的距离使激光圈（10）与待加工导线（2）的绝缘外皮（21）径向对应；调节平面透镜（5）与凹面反射镜（7）之间的距离，使激光圈（10）至设置于平面透镜（5）后端中心处的不透光挡块（6）的间距与待加工导线（2）剥线长度对应；

c.将待加工导线（2）同轴穿过凹面反射镜（7）中心处的通孔（11），直到待加工导线（2）顶端进入不透光挡块（6）后端开设的限位槽（8）接触限位，激光圈（10）聚焦在绝缘外皮（21）上完成剥线。

2.如权利要求1所述的激光剥线方法，其特征在于，步骤b中激光圈（10）与待加工导线（2）的绝缘外皮（21）径向对应，具体为：

设绝缘外皮（21）内径为r₀、外径为R₀，则(r₀+ R₀)/2≥激光圈内径r≥r₀，激光圈外径R≥R₀。

3.如权利要求1所述的激光剥线方法，其特征在于，步骤b中调节第一锥透镜（3）、第二锥透镜（4）之间的距离，具体为：第二锥透镜（4）固定，调节第一锥透镜（3）轴向位置。

4.如权利要求1所述的激光剥线方法，其特征在于，步骤b中调节平面透镜（5）与凹面反射镜（7）之间的距离，具体为：凹面反射镜（7）固定，调节平面透镜（5）轴向位置。