扩束镜准直调节装置及激光加工设备的制作方法

1.本实用新型涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种扩束镜准直调节装置及激光加工设备。


背景技术：

2.扩束镜是激光加工领域常用的光学器件，其主要功能是将激光器出口的激光光束放大，得到不同口径的聚焦光斑，同时保护光学器件不被小口径激光束打坏。
3.经过扩束镜扩束后的光束会发散或会聚，导致打到加工平台的实际光斑异常偏大或偏小，特别是在飞行光路较长的机器上，其飞行轴方向加工的近点和远点将产生线宽差异，影响切割品质。因此，需要对扩束镜的准直性能进行检测并调节其准直性。
4.现有的方式是采用光斑分析仪来测量扩束后的光束的准直效果，光斑分析仪的结构较为复杂，且依赖操作人员的专业性，因此存在使用不便的问题。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对现有的扩束镜准直调节装置存在成本较高以及使用不便的问题，提供一种解决上述问题的扩束镜准直调节装置。
6.一种扩束镜准直调节装置，包括：
7.扩束镜；
8.治具，所述治具设有第一通孔，所述第一通孔的孔径小于射出所述扩束镜的光束的直径；
9.观测板，所述观测板与所述治具沿第一方向间隔设置，所述观测板上设置有多个同心且半径不等的圆环，射出所述扩束镜的光束能够经过所述第一通孔投射至所述观测板上并形成光斑，且形成所述光斑的边界能够与其中一个所述圆环的轨迹重合；
10.沿所述第一方向且远离所述治具的方向，所述观测板能够从第一位置运动至第二位置；通过调节所述扩束镜的发散角，使位于所述第一位置的光斑和位于所述第二位置的光斑的大小相等。
11.在其中一个实施例中，所述治具还设有第二通孔，所述扩束镜的周面连接于所述第二通孔的孔壁，所述第二通孔与所述第一通孔同轴设置。
12.在其中一个实施例中，所述扩束镜准直调节装置还包括调光套，所述调光套套设于所述治具远离所述扩束镜的一端，且所述调光套设有第三通孔，所述第三通孔的孔径小于所述第一通孔的孔径，所述第三通孔与所述第一通孔同轴设置。
13.在其中一个实施例中，所述扩束镜包括第一镜筒、第一镜片、第二镜片及第一调节圈，所述第一镜片滑动连接于所述第一镜筒的内壁，所述第二镜片连接于所述第一镜筒的内壁，所述第一调节圈螺纹连接于所述第一镜筒的内壁；
14.所述第一镜筒能够绕自身轴线转动，通过带动所述第一调节圈沿所述第一方向移动，所述第一调节圈能够推动所述第一镜片相对所述第二镜片沿所述第一方向移动。
15.在其中一个实施例中，所述第一镜筒的周面沿径向向外凸设有多个间隔的转动条，各所述转动条沿所述第一方向延伸。
16.在其中一个实施例中，所述扩束镜准直调节装置还包括机械手，所述机械手可拆卸连接于所述转动条，并通过所述转动条转动所述第一镜筒。
17.在其中一个实施例中，所述扩束镜准直调节装置还包括驱动机构，所述驱动机构的输出端连接于所述观测板，所述驱动机构用于驱动所述观测板沿所述第一方向运动。
18.在其中一个实施例中，所述驱动机构包括固定座、驱动电机、螺杆和螺母，所述驱动电机安装于所述固定座，所述螺母与所述观测板连接，所述螺杆与所述驱动电机的输出端固接，所述螺母螺纹连接于所述螺杆，且所述螺母滑动连接于所述固定座，所述驱动电机通过所述螺杆带动所述螺母沿所述螺杆的轴向移动。
19.在其中一个实施例中，所述扩束镜准直调节装置还包括第一基座，所述第一基座构造有安装板，所述安装板设有第四通孔，所述扩束镜连接于所述第四通孔的孔壁。
20.一种激光加工设备，包括如上所述的扩束镜准直调节装置。
21.本技术方案具有以下有益效果：上述扩束镜准直调节装置，包括扩束镜、治具和观测板，其中，治具的第一通孔的孔径小于扩束后的光束的直径，因此能够限制扩束后的光束的边界，使得光束投射至观测板上所呈现的光斑具有较为清晰的边界，从而方便通过观测板上与光斑边界重合的第一圆环判断光斑的大小。当观测板沿第一方向且沿远离治具的方向从第一位置运动至第二位置时，当光束为发散光时，投射至第二位置的观测板上的光斑的直径大于第一圆环的直径；当光束为会聚光时，投射至第二位置的观测板上的光斑的直径小于第一圆环的直径。此时，调节扩束镜的发散角，直至投射至观测板上的光斑边界与第一圆环重合，使得投射至第一位置的光斑和投射至第二位置的光斑的大小相等，则说明光束为平行光。通过水平移动观测板并调节扩束镜的发散角，使得投射至不同位置的光斑大小相等，从而准确判断扩束镜扩束后的光束的准直效果，其结构较为简单，且操作难度较低，使用更为灵活，具有较高的调试效率。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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它的附图。
23.图1为本实用新型一实施例提供的扩束镜准直调节装置的结构示意图；
24.图2为图1所示的治具的剖视图；
25.图3为图1所示的观测板的示意图；
26.图4为图1所示的扩束镜的剖视图；
27.图5为图1所示的调光套的示意图；
28.图6为光束未经过治具直接投射在观测板上的光斑示意图；
29.图7为光斑的能量分布图。
30.附图标号：100-扩束镜准直调节装置；110-扩束镜；111-转动条；112-第一镜筒；113-第一调节圈；114-第一压圈；115-第一镜片；116-弹性件；117-第二镜片；118-第二压
圈；120-治具；121-第一通孔；122-第二通孔；130-观测板；131-圆环；140-调光套；141-第三通孔；142-第一安装孔；200-光束。
具体实施方式
31.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
32.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
33.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
34.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
35.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
36.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
37.正如背景技术所言，经过扩束镜扩束后的光束会发散或会聚，导致打到加工平台的实际光斑异常偏大或偏小，特别是在飞行光路较长的机器上，其飞行轴方向加工的近点和远点将产生线宽差异，影响切割品质。因此，需要对扩束镜的准直性能进行检测并调节其准直性，使得经过扩束镜扩束后的光束为平行光。现有的方式是采用光斑分析仪来测量扩束后的光束的准直效果，光斑分析仪的结构较为复杂，且依赖操作人员的专业性，因此存在
使用不便的问题。为了解决上述技术问题，于是有了本技术的发明构思，具体将通过下面的实施例进行说明。
38.如图1至图3所示，本实用新型一实施例提供的扩束镜准直调节装置100包括扩束镜110、治具120和观测板130；治具120设有第一通孔121，第一通孔121的孔径小于射出扩束镜110的光束200的直径；观测板130与治具120沿第一方向即图示中的x方向间隔设置，观测板130上设置有多个同心且半径不等的圆环131，经扩束镜110扩束后的光束200再经过第一通孔121投射至观测板130上，并在观测板130上形成光斑，光斑的边界能够与其中一个圆环即第一圆环的轨迹重合；观测板130能够沿x方向移动，当观测板130沿远离治具120的方向从第一位置运动至第二位置时，调节扩束镜110的发散角，以使位于第一位置的光斑和位于第二位置的光斑的大小相等。
39.如图6和图7所示，当扩束后的光束200不经过治具120的第一通孔121而是直接投射到观测板130时，根据光斑的能量分布图可知，光斑的中间能量高即光强大，边缘能量低且变化慢即光强小，人眼不容易区分和界定出光斑的边缘，对应投射到观测板130上的光斑分为两部分，第一部分为光强较大的光束形成的光斑，即图6所示的a区域，第二部分为光强较小的光束形成的光晕即b区域，由于位于b区域的光束强度较小，显示出来的光晕较为模糊，无法清楚的界定出位于b区域的光晕的边缘，即无法直接观察出实际的光斑大小。因此，在实际调节时，需要在观测板130和扩束镜110之间设置治具120，且治具120上的第一通孔121的直径小于a区域的光束直径，使得投射至b区域的光束被治具120阻挡，光束经第一通孔121投射至观测板130时，形成的光斑只有a区域，从而能够清楚的判定光斑的边界，通过光斑与观测板130的其中一个圆环的轨迹重合进而得出光斑的直径。
40.如图1所示，在一实际的应用场景中，治具120和观测板130沿水平方向依次向右排布，x方向则为水平方向。当观测板130从第一位置水平向右运动至第二位置时，其中，第一位置和第二位置的间距大于1米。当光束为发散光时，则投射至第二位置的观测板130上的光斑的直径大于第一圆环的直径，即光斑的边界与第一圆环的轨迹不重合；当光束为会聚光时，投射至第二位置的观测板130上的光斑的直径小于第一圆环的直径。此时，通过调节扩束镜110的发散角，直至投射至观测板130上的光斑的边界与第一圆环的轨迹重合，使得投射至第一位置的光斑和投射至第二位置的光斑的大小相等，则说明光束没有发散也没有会聚，即为平行光。通过水平移动观测板130并调节扩束镜110的发散角，使得投射至不同位置的光斑大小相等，从而准确判断扩束镜110扩束后的光束的准直效果，其结构较为简单，因此成本较为低廉，且操作难度较低，使用更为灵活，具有较高的调试效率。
41.在一实施例中，为了提高观测效率，可直接通过人眼判断光斑的边界，进而通过与其边界重合的圆环确定光斑的直径。在其他实施方式中，也可在观测板靠近治具的一侧设置相机，通过相机对观测板进行拍照，通过图像显示获取光斑的直径。
42.如图3所示，在一实施例中，任一相邻的两个圆环的直径之差为0.5mm。当圆环131的数量为5个时，沿圆环的径向向外的方向，各圆环的直径依次为3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm。在保证各圆环的轨迹清晰且相邻的两个圆环轨迹不会出现干涉的前提下，相邻圆环的间隔越小，则任一直径的光束投射到观测板130上所呈现的光斑的边界与圆环轨迹重合的可能性越高，降低因圆环之间间隔较大，导致光束的边界位于相邻的两个圆环之间的风险，从而容易通过圆环的直径判断出光斑的直径，不仅检测精度会更高，而且适配性更强。
43.如图1和图2所示，在其中一个实施例中，治具120设有第二通孔122，第二通孔122位于治具120靠近扩束镜110的一端。具体地，治具120为圆筒状结构，包括第一段和第二段，第一段的直径小于第二段的直径，第一通孔121设置于第一段的中心，第二通孔122设置于第二段的中心，且第二通孔122的直径大于第一通孔121的直径，使得治具120通过第二通孔122套设于扩束镜110的外周面，即扩束镜110的外周面连接于第二通孔122的孔壁。第二通孔122与第一通孔121同轴且连通，扩束镜110扩束后的光束先穿过第二通孔122，进而通过直径更小的第一通孔121对光束的边界进行限制。
44.在另一实施方式中，扩束镜准直调节装置还包括安装座，安装座与扩束镜沿第一方向间隔，安装座上设置有卡接结构例如卡接槽。治具可以为规则的矩形板，第一通孔设置于矩形板的中心，第一通孔的轴心与扩束镜的中轴线对准，矩形板所在的平面与观测板所在的平面平行，矩形板的外周面连接于卡槽的槽壁，从而将治具进行固定，保证治具限制光束边界的效果。
45.如图1和图5所示，在其中一个实施例中，当扩束镜110的扩束倍率较小时，则扩束后的光束直径较小。当扩束后的光束直径小于第一通孔121的直径时，为了保证投射至观测板130上的光斑具有清晰的边界，治具120远离扩束镜110的一端可拆卸连接有调光套，调光套设有第三通孔141，第三通孔141的孔径小于第一通孔121的孔径，且第三通孔141与第一通孔121同轴，通过调光套上设置的第三通孔141对更小直径的光束的光晕进行阻挡，便于观察投射至观测板130上的光斑的大小。通过调光套和治具120的配合从而适应不同倍率的扩束镜110的准直调节。如图5所示，具体地，调光套套设于治具120的外周面，调光套上设置有第一安装孔142，治具120上的对应位置设置有第二安装孔(图未标示)，利用螺钉等紧固件依次穿过第一安装孔142和第二安装孔从而将调光套固定于治具120靠近观测板130的一端。
46.在其中一个实施例中，扩束镜准直调节装置100还包括第一基座，第一基座位于扩束镜110的下方，第一基座朝向扩束镜110的一面向上延伸出安装板，安装板所在的平面与观测板130所在的平面平行，安装板(图中未示出)上设有第四通孔(图中未示出)，扩束镜110连接于第四通孔的孔壁。通过第一基座对扩束镜110起到支撑作用，使得扩束镜110的放置位置相对稳定，进而保证经扩束镜110扩束后的光路处于预设轨迹上，使得投射至观测板130上的光斑能够与观测板130的圆环同心，便于快速获取光斑的直径大小，保证调试的效率。
47.如图4所示，在其中一个实施例中，扩束镜110包括第一镜筒112、第一镜片115、第二镜片117及第一调节圈113。其中，第一镜片115和第二镜片117沿x方向间隔设置，第一镜片115和第二镜片117均连接于第一镜筒112的内壁，且第一镜片115能够相对第二镜片117沿x方向做靠近运动，第一调节圈113螺纹连接于第一镜筒112的内壁，且第一调节圈113抵接于第一镜片115背离第二镜片117的一侧。当外力作用于第一镜筒112，使其绕自身轴线转动时，第一镜筒112能够推动第一调节圈113沿靠近第二镜片117的方向移动，使得第一调节圈113推动与其抵接的第一镜片115同步移动，通过调节第一镜片115和第二镜片117之间的间距，能够实现扩束镜110的发散角调节。通过第一调节圈113和第一镜筒112的配合，改变第一镜片115和第二镜片117的间距，方便地实现扩束镜110的发散角调节。其中，第一镜片115可以为凸透镜，对应地，第二镜片117为凹透镜。
48.如图4所示，进一步地，扩束镜110还包括第一调节圈114、第二压圈118、及设置于第一镜片115和第二镜片117之间的弹性件116。其中，弹性件116与第一镜片115抵接；第一调节圈114抵接于第一镜片115背离第二镜片117的一侧，从而将第一镜片115连接于第一镜筒112内；第二压圈118抵接于第二镜片117背离第一镜片115的一侧，从而将第二镜片117连接于第一镜筒112内。如图4所示，第一调节圈113推动第一镜片115向右移动时，会压缩弹性件116，使得弹性件116对第一镜片115施加远离第二镜片117的推力，保证第一镜片115处于被第一调节圈113和弹性件116压紧的状态，不会出现松动等。第二镜片117固定设置于第一镜筒112内，即第二镜片117的安装位置固定，通过移动第一镜片115，改变第一镜片115和第二镜片117之间的距离，改变扩束镜110的发散角，获得经扩束的准直性良好的激光束，使用方便。
49.如图1所示，在其中一个实施例中，第一镜筒112的外周面沿径向向外凸设有多个间隔的转动条111，各转动条111沿x方向延伸，通过设置凸起的转动条111，便于人手或外部工具作用于转动条111上，并通过转动条111转动第一镜筒112，改变第一镜片115和第二镜片117之间的间距，进而实现发散角的调节。
50.在又一实施例中，扩束镜准直调节装置100还包括机械手，机械手设置于扩束镜110背离治具120的一侧，机械手可拆卸连接于转动条111。当机械手与转动条111连接时，能够作用于转动条111并通过转动条111转动第一镜筒112，实现扩束镜110的发散角调节。具体地，机械手包括机械臂和夹爪，机械臂能够以第一方向为轴进行360度的转动，夹爪安装于机械臂上；夹爪包括两个驱动件和分别连接于两个驱动件的夹持部。当需要调节扩束镜110的发散角时，两个驱动件分别控制夹持部夹持于扩束镜110上，并通过机械臂带动扩束镜110转动。
51.在其中一个实施例中，扩束镜准直调节装置100还包括驱动机构，驱动机构的输出端连接于观测板130，从而能够通过驱动机构驱动观测板130自动沿远离治具120的方向运动，保证观测板130的移动距离和移动方向可控，降低观测板130在移动过程中与其他部件发生干涉的可能性，保证调试效率。
52.在一个具体的实施例中，驱动机构可以为电动推杆，电动推杆的输出端与观测板130连接。通过电动推杆驱动观测板130做直线运动，能够避免气动件驱动导致的噪音大的问题，也能避免步进电机驱动导致的丢步问题。电动推杆具体包括驱动电机、固定座、螺杆和螺母，驱动电机安装于固定座，螺母与观测板130连接，螺杆与驱动电机的输出端固接，螺母螺纹连接于螺杆，且螺母滑动连接于固定座。如此，当驱动电机带动螺杆转动时，由于固定座对螺母的转动限位，使得螺母相对固定座做直线运动，进而通过螺母带动观测板130运动，实现观测板130的直线运动。
53.进一步地，本实用新型还提供一种激光加工设备(图未示)，包括上述的扩束镜准直调节装置100。该激光加工设备基于上述实施例的扩束镜准直调节装置100，通过水平移动观测板130并调节扩束镜110的发散角，直至投射至不同位置的光斑的大小相等，说明扩束后的光束为平行光，其结构较为简单，且操作难度较低，使用更为灵活，具有较高的调试效率。
54.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存
在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
55.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。