基于两片透镜的变焦对焦激光切割头
阅读说明：本技术 基于两片透镜的变焦对焦激光切割头 (Zooming and focusing laser cutting head based on two lenses ) 是由 方强 方笑尘 于 2020-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于两片透镜的变焦激光切割头,包括激光输出光纤、光纤封装装置、第一光学透镜、第一透镜框、第二光学透镜、第二透镜框、第一拨杆、第二拨杆和套管；本发明提供的基于两片透镜的变焦激光切割头：将变焦切割头光学系统的结构简化到只有两片,从源头上减少了热杂光；采用自润滑结构,在保证低摩擦力的情况下大幅提高机械结构导热特性；提高了激光切割头的工作功率,延长激光切割头的寿命；降低了变焦激光切割头的成本。(The invention discloses a zoom laser cutting head based on two lenses, which comprises a laser output optical fiber, an optical fiber packaging device, a first optical lens, a first lens frame, a second optical lens, a second lens frame, a first deflector rod, a second deflector rod and a sleeve; the invention provides a zoom laser cutting head based on two lenses, which comprises: the structure of the optical system of the zoom cutting head is simplified to only two pieces, so that the hot stray light is reduced from the source; the self-lubricating structure is adopted, so that the heat conduction characteristic of the mechanical structure is greatly improved under the condition of ensuring low friction force; the working power of the laser cutting head is improved, and the service life of the laser cutting head is prolonged; the cost of the laser cutting head with variable focus is reduced.)
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，尤其涉及一种基于两片透镜的变焦对焦激光切割头。
背景技术
激光切割头是激光切割设备中的关键部件，它将激光器输出的光成像到被切割表面。对于不同厚度的金属板，通常需要不同大小的光斑以提高切割效率，这就需要激光切割头具有光学变焦能力。但现实中，除了顶级切割机外，基本没有激光切割机采用变焦切割头。造成这种局面的光学方面的原因主要是：
1、从光学系统方面看，价格极其昂贵。变焦镜头除了设计复杂外，为了减少透镜片数和保证像质，通常会大量使用非球面镜，例如：华中科技大学国家工程研究中心葛佳琪等(中国光学学报2019年第2期)给出了一个7片透镜的镜头设计，在该设计中采用了3片非球面镜；上海嘉强自动化技术公司提出了一种4片透镜的技术方案(中国专利申请号CN201510566726.6)，采用了3片非球面透镜。由于非球面镜加工困难，决定了激光镜头非常贵。
2、由于光学玻璃材料本身有材料吸收和散射，透镜吸收的光直接导致透镜温升，而散射的光作为杂光加温光学系统密闭腔体内的器件及壳体。为了减小材料吸收引起的温升带来的热透镜效应，需采用昂贵的高纯玻璃材料。
3、由于光学透镜镀膜技术不完善，目前的大功率膜的散射光的水平不低于0.2％，这意味着每个单独的玻璃透镜产生的杂光不低于0.4％，显然，光学系统中，玻璃透镜片数的增加，意味着产生热的杂光的增加。我们以上面提到的华中科技大学的设计为例，假如激光功率为一万瓦，每片产生的加热杂光为40瓦，7片透镜组成的光学系统至少需一块保护玻璃，光学系统中加热杂光的功率至少为320瓦。为了消除这些杂光带来的热量，必须仔细设计冷却系统，如果冷却效果不好，会降低光学系统的可靠性。
造成这种局面的机械方面的原因主要是：实现变焦镜头中诸透镜相对运动的机械结构和方法是：将诸透镜分别固定在各自的透镜框上，各透镜框用直线轴承与导轨连接，然后通过架在轴承上的凸轮带动诸透镜实现相对运动，达到变焦目的。具体结构可参见中国专利申请号201910637898.6公开的技术方案。在激光光学系统中，由于透镜自身材料吸收、散射和透镜表面镀膜不完美导致的光散射，密封在凸轮内部的透镜和透镜框的温度会升高，而直线轴承的导热特性差，透镜及透镜框上的热量只能通过空气向凸轮传递，而凸轮在光的作用下也会发热，凸轮上的热一部分通过轴承传递给基座，一部分通过空气传递，由于冷却通常是直接作用在基座上的，滚动轴承同样是不良导热体，这导致冷却设计非常困难；这种传统结构由于散热效果差，要么限制变焦头的使用功率，要么在大功率使用时导致光学系统可靠性变差，严重时会导致性能的降低，如产生热透镜效应；此外，这种结构还会导致机械系统结构复杂、安装困难、尺寸变大。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于两片透镜的变焦对焦激光切割头，本发明可以降低变焦切割头的成本；减少激光切割头中的热杂光；提高激光切割头机械结构的导热能力，提高切割头的可靠性。
为了实现上述目的，一种基于两片透镜的变焦对焦激光切割头本发明采用的技术方案是包括激光输出光纤、光纤封装装置、第一光学透镜、第一透镜框、第二光学透镜、第二透镜框、第一拨杆、第二拨杆和套管，其中：所述第一光学透镜和第二光学透镜设置在所述激光输出光纤的输出光路上；所述激光输出光纤封装装置包裹并固定所述激光输出光纤；所述第一光学透镜固定在所述第一透镜框上；所述第二光学透镜固定在所述第二透镜框上；所述第一透镜框设置在所述套管中靠近所述激光输出光纤的一端；所述第二透镜框设置在所述套管内远离所述激光输出光纤的一端；所述第一透镜框和所述第二透镜框的外环面与所述套管之间设置有自润滑结构；所述套管的壁上沿平行于管轴线方向开有两个槽，所述第一拨杆通过所述套管其中一个槽与所述第一透镜框相连，所述第二拨杆通过所述套管另一个槽与所述第二透镜框相连；所述光纤封装装置与所述套管固定连接。
进一步，所述第一拨杆和所述第二拨杆分别拖动所述第一透镜框和所述第二透镜框以及固定在透镜框上的所述第一光学透镜和所述第二光学透镜运动，用于实现变焦和/或对焦。
进一步，所述第一透镜框和所述第二透镜框或者由自润滑材料制成，或者由透镜框基体和基体外表面的自润滑涂层组成，或者由透镜框基体和镶嵌在透镜框基体上的自润滑材料组成。
进一步，所述第一光学透镜和第二光学透镜均采用球面镜。
本发明提出另一种基于两片透镜的变焦对焦激光切割头，其特征是：包括激光输出光纤、光纤封装装置、第一光学透镜、第一透镜框、第二光学透镜、第二透镜框、第二拨杆和套管组成，其中：所述第一光学透镜和第二光学透镜设置在所述激光输出光纤的输出光路上；所述激光输出光纤封装装置包裹并固定所述激光输出光纤；所述第一光学透镜固定在所述第一透镜框上；所述第二光学透镜固定在所述第二透镜框上；所述第一透镜框固定设置在所述套管中靠近所述激光输出光纤的一端；所述第二透镜框设置在所述套管内远离所述激光输出光纤的一端；所述第二透镜框外环面与所述套管之间设置有自润滑结构；所述套管的壁上沿平行管轴线方向开有一个槽，所述第二拨杆通过所述套管上的槽与所述第二透镜框固定连接；所述光纤封装装置与所述套管固定连接。
进一步：所述第二拨杆拖动所述第二透镜框以及固定在透镜框上的所述第二光学透镜运动，用于实现变焦和/或对焦。
进一步，所述第二透镜框或者由自润滑材料制成，或者由透镜框基体和基体外表面的自润滑涂层组成，或者由透镜框基体和镶嵌在透镜框基体上的自润滑材料组成。
在上述技术方案中，所述透镜框为环状透镜框。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明提供的基于两片透镜的变焦对焦激光切割头，将变焦切割头光学系统的结构简化到只有两片透镜，从源头上减少了热杂光，避免了在切割头光学系统中添加冷却系统，提高了光系统的稳定性，并且两片透镜采用球面镜，降低了激光切割头的成本。
进一步的，本发明的激光头中广泛采用了自润滑结构，自润滑结构优选石墨，作为良导热材料，能够在保证低摩擦力的情况下大幅提高机械结构导热特性，并且，在设计中，自润滑结构实现了器件之间的面接触，极大程度的提升的导热性能，随着热问题的大幅改善，可以提高激光切割头的工作功率，延长激光切割头的寿命，提高切割头的可靠性。
进一步的，本发明的激光切割头结构简单，与现有激光切割头相比成本大幅降低，使其普遍应用成为可能，进而可以促进激光切割质量和效率的提高。
附图说明
图1为本发明提出的第一种基于两片透镜的变焦对焦激光切割头结构示意图。
图2为本发明提出的第二种基于两片透镜的变焦对焦激光切割头结构示意图。
其中：1表示激光输出光纤；2表示激光输出光纤封装装置，31表示第一透镜，32表示第二透镜；41表示第一透镜框、42表示第二透镜框；51表示第一拨杆，52表示第二拨杆；6表示套管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明提出的基于两片透镜的变焦对焦激光切割头进行详细说明。
图1为本发明提出的第一种基于两片透镜的变焦对焦激光切割头结构示意图。由激光输出光纤1、激光输出光纤封装装置2、第一光学透镜31、第二光学透镜32、第一透镜框41、第二透镜框42、第一拨杆51、第二拨杆52和套管组成。其中：激光输出光纤封装装置2将激光输出光纤2包裹并固定在其中，用于对光纤做必要的处理并保护光纤；第一光学透镜31固定在第一透镜框41上，第二光学透镜32固定在第二透镜框42上；套管6上沿平行于管轴方向开有两个平行于管轴的槽；透镜框41和42设置在套管6内，第一透镜框41靠近激光输出光纤；第一拨杆51通过套管6上的对应槽与第一透镜框41固定连接，第二拨杆52通过套管6上的对应槽与第二透镜框42固定连接；透镜框41、42的外环表面与套管6中至少有一个面具有自润滑结构。在该切割头中，通过分别拖到第一拨杆51、第二拨杆52带动第一透镜框41、第二透镜框42及固定在透镜框上的第一光学透镜31和第二光学透镜32可以实现光学系统变焦功能，通过同步拖动两个拨杆及与拨杆固定在一起的透镜框和透镜，可以实现光学系统的对焦。把变焦数据和对焦数据组合起来，就可以同时进行变焦和对焦功能。
在上述系统中，自润滑结构通常制造在透镜框外环面上，这样更便利。第一透镜框41和第二透镜框42可以由自润滑材料制成，也可以由透镜框基体和基体外表面的自润滑涂层组成，还可以由透镜框基体和镶嵌在环状透镜框基体上的自润滑材料组成。
通常，透镜框为环状。
图2为本发明提出的第二种基于两片透镜的变焦激光切割头结构示意图。由激光输出光纤1、激光输出光纤封装装置2、第一光学透镜31、第二光学透镜32、第一透镜框41、第二透镜框42、第二拨杆52和套管组成。其中：激光输出光纤封装装置2将激光输出光纤2包裹并固定在其中，用于对光纤做必要的处理并保护光纤；第一光学透镜31固定在第一透镜框41上，第二光学透镜32固定在第二透镜框42上；套管6上沿平行于管轴方向开有一个平行于管轴的槽；第一透镜框41固定设置在套管6内，并靠近激光输出光纤1，第二透镜框42设置在套管6内远离激光输出光纤的一端；第二拨杆52通过套管6上的对应槽与第二透镜框42固定连接；第二透镜框42的外环表面与套管6中至少有一个面具有自润滑结构。在该切割头中，通过拖到第二拨杆52带动第二透镜框42及固定在透镜框上的第二光学透镜32运动，可以实现某些特定的光学系统变焦和对焦。
在上述系统中，自润滑结构通常制造在透镜框外环面上，这样更便利。第二透镜框42可以由自润滑材料制成，也可以由透镜框基体和基体外表面的自润滑涂层组成，还可以由透镜框基体和镶嵌在透镜框基体上的自润滑材料组成。
通常，透镜框为环状。
根据图1所示技术方案，我们设计了一个变焦对焦系统，用于数值孔径0.065的激光输出，可将激光输出光纤1的芯径从2倍变化到4倍。其中，两个透镜均采用球面镜，焦距分别为39.84和50.75；透镜框41、42采用环状金属基体镶嵌自润滑材料(石墨)的结构，透镜固定在透镜框内部。该系统中，等量的拖动拨杆带动两个透镜运动，可以实现对焦；分别按变焦规律拖动两个拨杆，可以实现变焦；在拖动透镜变焦的运动量基础上同时叠加上对焦所需的移动量，可以同时实现变焦和对焦。这种变焦透镜结构可以使激光切割头的成本甚至低于定焦激光切割头，大幅提升变焦切割头的市场竞争能力。
根据图2所示技术方案，我们设计了一个变焦系统，用于数值孔径0.065的激光输出，可将激光输出光纤1的芯径从2倍变化到4倍，两个透镜均采用球面镜，焦距分别为37.51和43.76；透镜框42采用环状金属基体镶嵌自润滑材料(石墨)的结构，透镜固定在透镜框内部。这是一种近似的变焦透镜结构，通过巧妙参数设计，使光源出光点到像点共轭距离在从2倍到4倍的变焦过程中只变化0.11毫米，不影响使用。分别按变焦规律拖动两个拨杆，可以实现变焦，该运动机制上比前一种方案简单。
根据图2所示技术方案，我们设计了一个对焦变焦关联系统，用于单模激光器，通过一片透镜的运动，可使变焦量依据对焦量变化而变化。该切割头适用数值孔径0.065的激光输出，可将激光输出光纤的芯径从放大2倍变化到放大5倍。其中，两个透镜均采用球面镜，焦距分别为34.7毫米和45.48毫米；透镜框42采用环状金属基体镶嵌自润滑材料(石墨)的结构，透镜固定在透镜框内部。所设计的加工光斑的变化规律是：对焦量4.5毫米，放大率3倍；对焦量0毫米，放大率3.5倍；对焦量负5毫米，放大率3倍；对焦量负10毫米，放大率4倍；对焦量负18.2，放大率5倍。
本发明提供基于两片透镜的变焦激光切割头，与现有在商用产品相比，可以大幅降低变焦切割头成本，使其普遍应用成为可能，进而促进激光切割质量和效率的提高。
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