激光材料加工系统和调节激光焦点的尺寸和位置的方法技术方案

本发明专利技术涉及激光材料加工系统，其包括：具有总准直焦距(fK)的准直光学部件(K)，其包括用于发散光束(D)的光束源(Z)、具有正或负焦距(f1、f2)的第一和第二光学器件(L1、L2)，其中发散光束(D)实现穿过第一光学器件(L1)然后穿过第二光学器件(L2)，并以准直状态离开第二光学器件(L2)；配置在准直光学部件(K)的下游并且具有正焦距(fO)的第三光学器件(O)，其将以准直状态离开准直光学部件(K)的光束(P)聚焦到焦点(F)；第一和第二调节元件(A1、A2)，其沿着光束传播方向(R)独立地移动第一或第二光学器件(L1、L2)离开彼此，其中光束源(Z)与第三光学器件(O)的图像侧焦平面(B)之间的总光束路径(gs)小于第三光学器件(O)的正焦距(fO)与总准直焦距(fK)之和的两倍值。

Laser material processing system and methods for adjusting the size and position of laser focus

\u672c\u53d1\u660e\u6d89\u53ca\u6fc0\u5149\u6750\u6599\u52a0\u5de5\u7cfb\u7edf\uff0c\u5176\u5305\u62ec\uff1a\u5177\u6709\u603b\u51c6\u76f4\u7126\u8ddd(fK)\u7684\u51c6\u76f4\u5149\u5b66\u90e8\u4ef6(K)\uff0c\u5176\u5305\u62ec\u7528\u4e8e\u53d1\u6563\u5149\u675f(D)\u7684\u5149\u675f\u6e90(Z)\u3001\u5177\u6709\u6b63\u6216\u8d1f\u7126\u8ddd(f1\u3001f2)\u7684\u7b2c\u4e00\u548c\u7b2c\u4e8c\u5149\u5b66\u5668\u4ef6(L1\u3001L2)\uff0c\u5176\u4e2d\u53d1\u6563\u5149\u675f(D)\u5b9e\u73b0\u7a7f\u8fc7\u7b2c\u4e00\u5149\u5b66\u5668\u4ef6(L1)\u7136\u540e\u7a7f\u8fc7\u7b2c\u4e8c\u5149\u5b66\u5668\u4ef6(L2)\uff0c\u5e76\u4ee5\u51c6\u76f4\u72b6\u6001\u79bb\u5f00\u7b2c\u4e8c\u5149\u5b66\u5668\u4ef6(L2)\uff1b\u914d\u7f6e\u5728\u51c6\u76f4\u5149\u5b66\u90e8\u4ef6(K)\u7684\u4e0b\u6e38\u5e76\u4e14\u5177\u6709\u6b63\u7126\u8ddd(fO)\u7684\u7b2c\u4e09\u5149\u5b66\u5668\u4ef6(O)\uff0c\u5176\u5c06\u4ee5\u51c6\u76f4\u72b6\u6001\u79bb\u5f00\u51c6\u76f4\u5149\u5b66\u90e8\u4ef6(K)\u7684\u5149\u675f(P)\u805a\u7126\u5230\u7126\u70b9(F)\uff1b\u7b2c\u4e00\u548c\u7b2c\u4e8c\u8c03\u8282\u5143\u4ef6(A1\u3001A2)\uff0c\u5176\u6cbf\u7740\u5149\u675f\u4f20\u64ad\u65b9\u5411(R)\u72ec\u7acb\u5730\u79fb\u52a8\u7b2c\u4e00\u6216\u7b2c\u4e8c\u5149\u5b66\u5668\u4ef6(L1\u3001L2)\u79bb\u5f00\u5f7c\u6b64\uff0c\u5176\u4e2d\u5149\u675f\u6e90(Z)\u4e0e\u7b2c\u4e09\u5149\u5b66\u5668\u4ef6(O)\u7684\u56fe\u50cf\u4fa7\u7126\u5e73\u9762(B)\u4e4b\u95f4\u7684 The total beam path (GS) is less than two times the sum of the positive focal distance (fO) of the third optical device (O) and the sum of the total collimation focal distance (fK).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】激光材料加工系统和调节激光焦点的尺寸和位置的方法
本专利技术涉及用于激光材料加工的系统以及用于调节焦点沿着用于激光材料加工的激光束的光束传播方向的位置和尺寸的方法。
技术介绍
激光器大规模用于材料加工，例如用于焊接和切割。为此目的，激光束必须通过工件。这可以通过相对于工件移动加工头来进行。在这方面，移动速度以及加工速度受限于加工头的质量或工件的质量。较高的加工速度可以使用加工头来实现，所述加工头其具有可移动的光学偏转单元，例如可旋转的反射镜，借此，激光束通过工件。这种类型的系统称为扫描系统。这种类型的扫描系统也可以由机器人引导，其于是执行粗略定位。明显比机器人更动态的扫描系统执行焦点的快速且精确的微定位。这种类型的扫描系统要求焦点的位置和尺寸在加工期间应该完全受控。在这方面，例如，可能期望的是具有恒定的焦点尺寸，例如通过其直径，在扫描系统的整个工作区域内，独立于被驱动的焦点位置得到提供。另外，例如，可能期望的是能够根据加工要求特别地改变焦点尺寸。另外，这种类型的扫描系统中存在具有尽可能紧凑的外部尺寸的要求。例如，可能希望的是使用机器人控制的扫描系统以复杂形状浸入工件中，以便在其中在不可触及的位置执行激光加工。扫描系统的结构越紧凑，这就越容易。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种具有紧凑结构形状的单元，其允许以高度动态的方式独立调节焦点位置和焦点尺寸。本专利技术提供一种用于激光材料加工系统，其包括：具有总准直焦距的准直光学部件，其包括用于发散光束的光束源、具有正焦距的第一光学器件和具有负焦距的第二光学器件，其中所述发散光束首先穿过第一光学器件，然后穿过第二光学器件，并且以准直状态离开第二光学器件；具有正焦距的第三光学器件，其中第三光学器件配置在准直光学部件的下游，并且将以准直状态离开准直光学部件的光束聚焦到焦点；和用于沿着光束传播方向移动第二光学器件的调节元件，其中，通过将第二光学器件和第三光学器件配置为形成伸缩式光学装置，第二光学器件的图像侧主平面与第三光学器件的物体侧主平面之间的平均光束路径被选择成使得，当借助于第二调节元件移动第二光学器件时，焦点的尺寸是大致恒定的，并且其中，光束源与第三光学器件的图像侧焦平面之间的总光束路径小于第三光学器件的正焦距与总准直焦距之和的两倍值。根据一个实施例，第二光学器件的图像侧主平面与第三光学器件的物体侧主平面之间的平均光束路径满足以下条件：f2+0.75*fO<d2<f2+1.25*fO，或者约等于第二光学器件的负焦距与第三光学器件的正焦距之和。根据再一实施例，第一光学器件在光束传播方向上是不动的。根据再一实施例，所述系统还包括：光束偏转单元，其用于将来自光束传播方向的光束偏转至另一方向；和控制器，其用于控制调节元件和光束偏转单元，使得焦点相对于待加工材料的表面的位置能够被调节至预定值。根据再一实施例，所述系统还包括：第四光学器件，其具有大致与第一光学器件的正焦距相对应的正焦距；和第五光学器件，其具有大致第二光学器件的负焦距相对应的负焦距，其中，第一光学器件和第二光学器件构造成被加工光束穿透，第四光学器件和第五光学器件构造成被观测光束穿透，第四光学器件联接至第一光学器件，并且第五光学器件的运动偶联至第二光学器件的运动。本专利技术进一步提供一种用于激光材料加工系统，其包括：具有总准直焦距的准直光学部件，其包括用于发散光束的光束源、具有正焦距的第一光学器件和具有负焦距的第二光学器件，其中所述发散光束首先穿过第一光学器件，然后穿过第二光学器件，并且以准直状态离开第二光学器件；具有正焦距的第三光学器件，其中第三光学器件配置在准直光学部件的下游，并且将以准直状态离开准直光学部件的光束聚焦到焦点；用于沿着光束传播方向移动第一光学器件的第一调节元件；和用于沿着光束传播方向移动第二光学器件的第二调节元件，其中第一调节元件和第二调节元件能够彼此独立地移动第一光学器件和第二光学器件，其中光束源与第三光学器件的图像侧焦平面之间的总光束路径小于第三光学器件的正焦距与总准直焦距之和的两倍值。根据再一实施例，通过将第二光学器件和第三光学器件配置为形成伸缩式光学装置，在第二光学器件的图像侧主平面与第三光学器件的物体侧主平面之间将平均光束路径选择成使得，当借助于第二调节元件移动第二光学器件时，焦点的尺寸是大致恒定的。根据再一实施例，所述系统还包括：控制器，其构造成控制第一调节元件和第二调节元件，使得通过第一光学器件和第二光学器件的运动，焦点的尺寸以及焦点的位置能够沿着光束传播方向被可彼此独立选择地调节至预定值，其中，通过移动第一光学器件大致调节焦点的尺寸，通过移动第二光学器件大致沿着光束传播方向调节焦点的位置，并且其中考虑以下中的至少一个：焦点沿着光束传播方向的位置由于第一光学器件的运动而发生的变化，和焦点的尺寸由于第二光学器件的运动而发生的变化，以调节预定值。根据再一实施例，通过以下方式考虑焦点的位置的变化和尺寸的变化中的至少一个：根据第一光学器件和第二光学器件沿着光束传播方向的位置，基于对焦点的位置和尺寸的计算或测量，来存储参考控制数据；以及借助于存储的参考控制数据来确定第一光学器件和第二光学器件沿着光束传播方向的必要位置，以调节用于焦点的位置和尺寸的预定值。根据再一实施例，所述系统还包括：光束偏转单元，其用于将来自光束传播方向的光束偏转至另一方向，其中控制器构造成控制第一调节元件、第二调节元件和光束偏转单元，使得焦点的尺寸以及焦点相对于待加工材料的表面的位置能够被调节至预定值。根据再一实施例，所述系统还包括：第四光学器件，其具有大致与第一光学器件的正焦距相对应的正焦距；第五光学器件，其具有大致第二光学器件的负焦距相对应的负焦距，其中，第一光学器件和第二光学器件构造成被加工光束穿透，第四光学器件和第五光学器件构造成被观测光束穿透，第四光学器件的运动偶联至第一光学器件的运动，并且第五光学器件的运动偶联至第二光学器件的运动。根据再一实施例，光束源联接至光纤的端部，激光辐射从所述光纤的端部发散地出现。根据一个实施例，第一光学器件的正焦距与光束源距第一光学器件的物体侧主平面的距离的比值是0.25-0.75。根据再一实施例，第一光学器件配置成使得入射光束的角度等于出射光束的角度。根据一个实施例，发散光束的半角发散度的正弦值处于0.05-0.15的范围内，第一光学器件的正焦距处于55mm-120mm的范围内，第二光学器件的负焦距处于-75mm到-160mm的范围内，总准直焦距处于60mm-300mm的范围内，光束穿过准直光学部件之后的直径处于14mm-50mm的范围内，并且第三光学组的正焦距处于300mm-800mm的范围内。根据一个实施例，第三光学器件相对于光束源具有恒定距离。根据再一实施例，第一调节元件和如果存在的第二调节元件是线性驱动器，特别是直接驱动器。根据再一实施例，光束偏转单元沿光束传播方向配置在第三光学器件的下游，或者光束偏转单元沿光束传播方向配置在第二光学器件与第三光学器件之间。本专利技术进一步提供一种用于调节焦点沿着用于激光材料加工的激光束的光束传播方向的位置和尺寸的方法，其包括：通过提供发散光束、将发散光束供应至具有正焦距的第一光学器件、将已穿过具有正焦距本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于激光材料加工的系统，包括：‑具有总准直焦距(fK)的准直光学部件(K)，其包括：‑用于发散光束(D)的光束源(Z)，‑具有正焦距(f1)的第一光学器件(L1)，和‑具有负焦距(f2)的第二光学器件(L2)，其中所述发散光束(D)首先穿过第一光学器件(L1)，然后穿过第二光学器件(L2)，并且以准直状态离开第二光学器件(L2)；‑具有正焦距(fO)的第三光学器件(O)，其中第三光学器件(O)配置在准直光学部件(K)的下游，并且将以准直状态离开准直光学部件(K)的光束(P)聚焦到焦点(F)；和‑用于沿着光束传播方向(R)移动第二光学器件(L2)的调节元件(A2)，其中，通过将第二光学器件(L2)和第三光学器件(O)配置为形成伸缩式光学装置，第二光学器件(L2)的图像侧主平面与第三光学器件(O)的物体侧主平面之间的平均光束路径(d2)被选择成使得，当借助于调节元件(A2)移动第二光学器件(L2)时，焦点(F)的尺寸(g)是大致恒定的，并且其中，光束源(Z)与第三光学器件(O)的图像侧焦平面(B)之间的总光束路径(gs)小于第三光学器件(O)的正焦距(fO)与总准直焦距(fK)之和的两倍值。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.26 DE 102015108248.91.用于激光材料加工的系统，包括：-具有总准直焦距(fK)的准直光学部件(K)，其包括：-用于发散光束(D)的光束源(Z)，-具有正焦距(f1)的第一光学器件(L1)，和-具有负焦距(f2)的第二光学器件(L2)，其中所述发散光束(D)首先穿过第一光学器件(L1)，然后穿过第二光学器件(L2)，并且以准直状态离开第二光学器件(L2)；-具有正焦距(fO)的第三光学器件(O)，其中第三光学器件(O)配置在准直光学部件(K)的下游，并且将以准直状态离开准直光学部件(K)的光束(P)聚焦到焦点(F)；和-用于沿着光束传播方向(R)移动第二光学器件(L2)的调节元件(A2)，其中，通过将第二光学器件(L2)和第三光学器件(O)配置为形成伸缩式光学装置，第二光学器件(L2)的图像侧主平面与第三光学器件(O)的物体侧主平面之间的平均光束路径(d2)被选择成使得，当借助于调节元件(A2)移动第二光学器件(L2)时，焦点(F)的尺寸(g)是大致恒定的，并且其中，光束源(Z)与第三光学器件(O)的图像侧焦平面(B)之间的总光束路径(gs)小于第三光学器件(O)的正焦距(fO)与总准直焦距(fK)之和的两倍值。2.根据权利要求1所述的系统，其中，第二光学器件(L2)的图像侧主平面与第三光学器件(O)的物体侧主平面之间的平均光束路径(d2)满足以下条件：f2+0.75*fO<d2<f2+1.25*fO；或者约等于第二光学器件(L2)的负焦距(f2)与第三光学器件(O)的正焦距(fO)之和。3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，第一光学器件(L1)在光束传播方向(R)上是固定的。4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，进一步包括：-光束偏转单元(AE)，其用于将来自光束传播方向(R)的光束(P)偏转至另一方向，和-控制器(S)，其用于控制调节元件(A2)和光束偏转单元(AE)，使得焦点(F)相对于待加工材料(M)的表面的位置能够被调节至预定值。5.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，进一步包括：-第四光学器件(L4)，其具有大致与第一光学器件(L1)的正焦距(f1)相对应的正焦距(f4)，和-第五光学器件(L5)，其具有大致第二光学器件(L2)的负焦距(f2)相对应的负焦距(f5)，其中-第一光学器件(L1)和第二光学器件(L2)构造成被加工光束(BS)穿透，-第四光学器件(L4)和第五光学器件(L5)构造成被观测光束(BE)穿透，-第四光学器件(L4)联接至第一光学器件(L1)，并且-第五光学器件(L5)的运动偶联至第二光学器件(L2)的运动。6.用于激光材料加工的系统，包括：-具有总准直焦距(fK)的准直光学部件(K)，其包括：-用于发散光束(D)的光束源(Z)，-具有正焦距(f1)的第一光学器件(L1)，和-具有负焦距(f2)的第二光学器件(L2)，其中所述发散光束(D)首先穿过第一光学器件(L1)，然后穿过第二光学器件(L2)，并且以准直状态离开第二光学器件(L2)；-具有正焦距(fO)的第三光学器件(O)，其中第三光学器件(O)配置在准直光学部件(K)的下游，并且将以准直状态离开准直光学部件(K)的光束(P)聚焦到焦点(F)；-用于沿着光束传播方向(R)移动第一光学器件(L1)的另一调节元件(A1)，和-用于沿着光束传播方向(R)移动第二光学器件(L2)的调节元件(A2)，其中所述另一调节元件(A1)和所述调节元件(A2)能够彼此独立地移动第一光学器件(L1)和第二光学器件(L2)，其中，光束源(Z)与第三光学器件(O)的图像侧焦平面(B)之间的总光束路径(gs)小于第三光学器件(O)的正焦距(fO)与总准直焦距(fK)之和的两倍值。7.根据权利要求6所述的系统，其中，通过将第二光学器件(L2)和第三光学器件(O)配置为形成伸缩式光学装置，在第二光学器件(L2)的图像侧主平面与第三光学器件(O)的物体侧主平面之间将平均光束路径(d2)选择成使得，当借助于调节元件(A2)移动第二光学器件(L2)时，焦点(F)的尺寸(g)是大致恒定的。8.根据权利要求6或7所述的系统，进一步包括：-控制器(S)，其构造成控制所述另一调节元件(A1)和所述调节元件(A2)，使得通过第一光学器件(L1)和第二光学器件(L2)的运动，焦点(F)的尺寸(g)以及焦点(F)沿着光束传播方向(R)的位置(p)能够被可彼此独立选择地调节至预定值，其中：-通过移动第一光学器件(L1)大致调节焦点(F)的尺寸(g)，-通过移动第二光学器件(L2)大致调节焦点(F)沿着光束传播方向(R)的位置(p)，并且其中考虑以下中的至少一个：-焦点(F)沿着光束传播方向(R)的位置(p)由于第一光学器件(L1)的运动而发生的变化，和-焦点(F)的尺寸(g)由于第二光学器件(L2)的运动而发生的变化，来调节预定值。9.根据权利要求8所述的系统，其中，通过以下方式考虑焦点(F)的位置(p)的变化和尺寸(g)的变化中的至少一个：-根...

【专利技术属性】
技术研发人员：马丁·贝克尔，塞巴斯蒂安·图尼克，马丁·瓦伦丁，
申请(专利权)人：施肯拉股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE