[发明专利]一种具备激光焦点自动对焦功能的加工头及其加工方法

说明书

本发明提供一种具备激光焦点自动对焦功能的加工头及其加工方法，解决现有激光焦点自动对焦方式调焦精度低，无法实现五轴机床按轨迹运动时的实时调焦功能，无法实现复杂构件表面跟随加工的问题。该加工头包括第一双摆轴空心电机、第一反射镜、第二双摆轴空心电机、头部光学单元和控制单元；第一双摆轴空心电机、第一反射镜、第二双摆轴空心电机和头部光学单元依次设置在激光束的出射光路上；头部光学单元中，反射镜座设置在第二双摆轴空心电机的输出端，第二反射镜设置在反射镜座内，音圈电机设置在反射镜座上，聚焦镜连接件设置在反射镜座内部，且与音圈电机的输出轴连接，二向色镜、聚焦镜、保护镜、电容传感器探头依次设置聚焦镜连接件上。

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种具备激光焦点自动对焦功能的加工头及其加工方法。

背景技术

激光加工技术由于具有非接触、近似“冷加工”、无污染和材料适用性广等优点，已成为航空、航天、航海、汽车等多个领域的关键加工技术。对于大型复杂构件，由于加工时存在变形、尺寸不一致等缺陷，需保证激光焦点实时跟随工件表面，因此能够实现激光焦点自动跟随的加工头成为高精度加工的关键装置。

中国专利CN2019113866715公开了一种激光切割头的防撞控制方法及防撞控制装置，该方法通过激光切割头上的感应组件与工件之间产生电容感应信号，当电容感应信号超过阈值时，向驱动电机或制动机构发送对应的避障信号，避免激光切割头与障碍物发生直接碰撞。但是，该方法未将电容感应信号的数值输送进数控系统，无法实现激光加工头位置的调节。

中国专利CN201310244879X公开了一种激光打标机自动调焦装置及自动调焦方法，该方法采用视觉方式进行自动调焦，通过获取标记物体的位置信息来自动控制焦距的调节，但是，该方法依赖视觉图像调焦，调焦精度低，且焦点位置完全依赖机床Z轴实现，无法实现五轴机床按轨迹运动时的实时调焦功能，无法实现复杂构件表面的跟随加工。

在实际的工程应用中，实现激光焦点跟随的方式有很多种，然而目前激光自动对焦主要依赖Z轴带动激光加工头实现调焦。在五轴联动加工过程中，Z轴的运动会导致其余各轴坐标变化才可实现特定的加工，对数控系统的功能有特殊要求才能实现，因此现有激光焦点自动对焦方式不适用于五轴联动曲面加工等应用场景。

发明内容

本发明的目的是解决现有激光焦点自动对焦方式调焦精度低，且焦点位置完全依赖机床Z轴实现，无法实现五轴机床按轨迹运动时的实时调焦功能，进而无法实现复杂构件表面跟随加工的问题，提供一种具备激光焦点自动对焦功能的加工头及其加工方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具备激光焦点自动对焦功能的加工头，包括第一双摆轴空心电机、第一反射镜、第二双摆轴空心电机、头部光学单元和控制单元；所述第一双摆轴空心电机、第一反射镜、第二双摆轴空心电机和头部光学单元依次设置在激光束的出射光路上；所述第一双摆轴空心电机用于实现第一反射镜、第二双摆轴空心电机和头部光学单元在C轴方向的旋转，所述第二双摆轴空心电机用于实现头部光学单元在A轴方向的旋转；所述头部光学单元包括反射镜座、第二反射镜、音圈电机、聚焦镜连接件、二向色镜、聚焦镜、保护镜和电容传感器探头；所述反射镜座设置在第二双摆轴空心电机的输出端，能够在A轴方向实现旋转，所述第二反射镜设置在反射镜座内，用于实现激光束的导向，所述音圈电机设置在反射镜座上，所述聚焦镜连接件设置在反射镜座内部，且与音圈电机的输出轴连接，所述二向色镜、聚焦镜、保护镜、电容传感器探头依次设置聚焦镜连接件上，且位于第二反射镜的反射光路上；所述音圈电机位于第二双摆轴空心电机轴线的一侧，与此同时，二向色镜、聚焦镜、保护镜和电容传感器探头位于第二双摆轴空心电机轴线的另一侧，使得第二双摆轴空心电机的负载中心与其轴线重合；所述电容传感器探头实时反馈加工头与工件之间的相对位置信息，并将该位置信息传输给控制单元，所述控制单元根据电容传感器探头反馈的位置信息控制音圈电机的动作，所述音圈电机带动二向色镜、聚焦镜、保护镜、电容传感器探头运动，实现激光焦点的调节，进而实现加工头的跟随加工。