專利名稱：激光切割裝置的光焦補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種激光切割裝置的光焦補(bǔ)償方法，特別是一種利用光焦補(bǔ)償 方法改善最終成品尺寸因激光光束發(fā)散角大小變化所產(chǎn)生誤差的激光切割裝置 的光焦補(bǔ)償方法。
背景技術(shù)：
激光(Laser)是近20年來(lái)科技的新名詞，其技術(shù)的應(yīng)用不斷獲得突破，包 括對(duì)產(chǎn)業(yè)加工型態(tài)也有卓著的貢獻(xiàn)，諸如鉆孔、切割、焊接以及各種材料的熱 處理等。
隨著激光加工領(lǐng)域的增加，激光被要求從小功率逐漸朝向大功率的層級(jí)發(fā) 展。以切割加工為例，被切割物件的厚度不斷增加，且要求的切割的斷面質(zhì)量 與精確度必須維持；因此，如何更精準(zhǔn)控制激光光束的穩(wěn)定性而達(dá)到高規(guī)格加 工質(zhì)量，是所有應(yīng)用激光切割裝置的廠商一直努力的方向。
以圖1為例， 一般激光光束經(jīng)由振蕩器產(chǎn)生后發(fā)射，由于光束發(fā)散的角度 變化，使在同一光路的不同位置所接收到的范圍并不一致，如圖Pl及P2位置 的反射鏡IO、 11，因?yàn)榧す夥瓷渲睆絉1及R2的不同，而直接影響到后端聚焦 的位置；即，在相同物性條件下擺設(shè)的聚焦鏡組12、 13，所產(chǎn)生的聚焦深度 (D0F)F1、 F2會(huì)有異位的變化，最終形成如圖2所示激光實(shí)際加載于物件的位置 與預(yù)定路徑或深度產(chǎn)生偏差，造成操作者相當(dāng)?shù)睦_。特別是愈大行程的設(shè)備， 或者加工物件厚度愈厚的切割所造成的影響更大；若激光發(fā)散角變化的問(wèn)題沒(méi) 有獲得改善，則所造成切割質(zhì)量不一致，終將導(dǎo)致產(chǎn)出成品的尺寸誤差增加而 難以控制品質(zhì)。為了解決上述問(wèn)題，同業(yè)陸續(xù)發(fā)展出一些改善方案。如圖3所示的「光路
等長(zhǎng)度設(shè)計(jì)」、圖4所示的「利用望遠(yuǎn)鏡組降低激光發(fā)散角度(TELESCOPE COUPLER)」、或圖5所揭示的「可變曲率鏡組(ADAPTIVE MIRROR) j等技術(shù)；但 其中仍不乏具有以下所列的缺陷
(一) 「光路等長(zhǎng)度設(shè)計(jì)」的缺點(diǎn)為
(1) 機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，所需成本高，不適合用于大行程床臺(tái)；
(2) 多出兩個(gè)反射鏡組15、 16，使日后維護(hù)成本提高；
(3) 激光發(fā)振器1所產(chǎn)生光束路徑多一個(gè)轉(zhuǎn)折，并增加兩個(gè)反射鏡組15、 16， 使光路校正難度相對(duì)提高；
(4) 多出兩個(gè)反射鏡組15、 16，并要與切割裝置的載具同步移動(dòng)，不適用于 高速切割的機(jī)床。
(二) 「利用望遠(yuǎn)鏡組降低激光發(fā)散角度(TELESCOPE COUPLER)」主要是在激 光發(fā)振器1所產(chǎn)生光束路徑中加裝一凹凸鏡組17、 18，以「Z」字形態(tài)排列，用
以縮小激光發(fā)散角；其缺點(diǎn)為
(1) 所述凹凸鏡組17、 18的規(guī)格必須配合激光光束腰部(WAIST)的位置及加 工范圍大小設(shè)計(jì)，其配置成本昂貴，且由于是非標(biāo)準(zhǔn)的鏡片元件，日后維護(hù)及 消耗支出非?？捎^；
(2) 無(wú)法完全消除激光發(fā)散角度變化所造成的影響，且大型床臺(tái)的遠(yuǎn)、近加 工點(diǎn)的質(zhì)量與尺寸誤差仍無(wú)法獲得改善，當(dāng)床臺(tái)尺寸大于2M本4M便不適用；
(3) 由于裝置中加裝一組凹凸鏡，使光路校正工作更形困難。
(三) 「可變曲率鏡組(ADAPTIVE MIRROR)」主要是利用液壓或氣壓控制， 改變反射鏡19的表面曲度，使在不同光路位置切割時(shí)產(chǎn)生相同的光斑大小，用 以穩(wěn)定激光切割的質(zhì)量及減少產(chǎn)出成品的尺寸誤差；其缺點(diǎn)為
(1) 可變曲率鏡組19為一反射鏡，價(jià)格昂貴，且日后常態(tài)性的消耗及維護(hù) 成本非?？捎^，約較一般標(biāo)準(zhǔn)反射鏡組高出20倍左右；
(2) 激光光路校正的精準(zhǔn)度及中心正位度的要求較高，否則鏡組的變曲面將造成光路的偏差更大；
(3)所述鏡組的變曲率的誤差會(huì)隨環(huán)境溫度、鏡片表面潔凈度以及激光功率
大小等條件有所變化，而增加控制的困難度，終將影響最后產(chǎn)生光斑的大小。
此外，諸如激光切割應(yīng)用方面的先前技術(shù)文獻(xiàn)，包括美國(guó)第5， 690， 785號(hào)、 5,783,814號(hào)、5,594,235號(hào)等專利內(nèi)容，雖有探討動(dòng)態(tài)聚焦技術(shù)及/或相關(guān)的 聚焦點(diǎn)深度問(wèn)題，卻都沒(méi)有與「激光發(fā)散角度變化」的觀念進(jìn)行聯(lián)結(jié)，用以改 善所造成誤差的影響程度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種激光切割裝置的光焦補(bǔ)償方法，以此改善最終 成品尺寸因激光光束發(fā)散角大小變化所產(chǎn)生的誤差。
本發(fā)明提供的光焦補(bǔ)償方法，以下列步驟加以實(shí)現(xiàn)
(一) 、預(yù)先取得激光振蕩產(chǎn)生器在產(chǎn)生光束模態(tài)后一段穩(wěn)定的長(zhǎng)度范圍 所表現(xiàn)的光斑大小變化的曲線圖，或光束發(fā)散角大小變化的曲線(二) 、建立一 「參考數(shù)據(jù)」模擬前述曲線圖，并將該「參考數(shù)據(jù)」輸入 數(shù)控器作為比對(duì)的數(shù)據(jù)庫(kù)；
(三) 、依據(jù)加工載臺(tái)所載聚焦鏡移動(dòng)至不同位置，對(duì)應(yīng)前述「參考數(shù)據(jù)」 的數(shù)值，并由數(shù)控器運(yùn)算出該聚焦鏡的聚焦點(diǎn)的變化量；
(四) 、由數(shù)控器發(fā)出指令給驅(qū)動(dòng)器改變載臺(tái)上的聚焦鏡位置以補(bǔ)償光焦 因激光光束發(fā)散角大小變化所產(chǎn)生的誤差。
本發(fā)明提供的一種激光切割裝置的光焦補(bǔ)償方法，該裝置包括激光振蕩產(chǎn) 生器、反射鏡、聚焦鏡、數(shù)控器、驅(qū)動(dòng)器及加工載臺(tái)，其中，該反射鏡設(shè)于激 光振蕩產(chǎn)生器所發(fā)射的光束路徑上，聚焦鏡設(shè)于經(jīng)反射鏡反射后的激光光束路 徑上，且配置于加工載臺(tái)，該加工載臺(tái)與驅(qū)動(dòng)器及數(shù)控器相連，受數(shù)控器控制 以驅(qū)動(dòng)器移動(dòng)加工載臺(tái)位置；該光焦補(bǔ)償方法為
(一)、預(yù)先取得激光振蕩產(chǎn)生器在產(chǎn)生光束模態(tài)后一段穩(wěn)定的長(zhǎng)度范圍所表現(xiàn)的光斑大小變化的曲線圖，或光束發(fā)散角大小變化的曲線(二) 、建立一參考數(shù)據(jù)模擬前述的曲線圖，并將該參考數(shù)據(jù)輸入數(shù)控器 作為比對(duì)的數(shù)據(jù)庫(kù)；
(三) 、依據(jù)加工載臺(tái)所載聚焦鏡移動(dòng)至不同位置，對(duì)應(yīng)前述參考數(shù)據(jù)的 數(shù)值，并由數(shù)控器運(yùn)算出該聚焦鏡的聚焦點(diǎn)的變化量；
(四) 、由數(shù)控器發(fā)出指令給驅(qū)動(dòng)器改變載臺(tái)上的聚焦鏡位置以補(bǔ)償光焦 因激光光束發(fā)散角大小變化所產(chǎn)生的誤差。
相較于先前技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)包括
1、 在激光切割的加工技術(shù)中，可獲得全行程加工質(zhì)量及每一個(gè)加工成品尺 寸精度的穩(wěn)定性，特別是應(yīng)用于大行程或大功率的切割環(huán)境，所獲成效更為顯著。
2、 整體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不需大幅修改光學(xué)部件及其結(jié)構(gòu)性的設(shè)計(jì)，以降低維護(hù) 成本。
3、 裝置中不需額外增加光學(xué)鏡片，以節(jié)省成本及日后耗材的維護(hù)。
4、 不需改變既有的激光光路校正程序，使操作趨于簡(jiǎn)易。
5、 裝置的適用范圍及兼容性大，各式廠牌的激光振蕩產(chǎn)生器均可利用于本 發(fā)明的切割加工技術(shù)。


圖1為現(xiàn)有激光切割裝置的加工配置圖。
圖2為激光實(shí)際加載于物件的位置與預(yù)定路徑或深度所產(chǎn)生偏差的對(duì)照?qǐng)D。
圖3為現(xiàn)有「光路等長(zhǎng)度設(shè)計(jì)」激光切割裝置的加工配置圖。
圖4為現(xiàn)有「利用望遠(yuǎn)鏡組降低激光發(fā)散角度」激光切割裝置的加工配置圖。
圖5為現(xiàn)有「可變曲率鏡組」激光切割裝置的加工配置圖。
圖6為本發(fā)明激光切割裝置的加工流程圖。
圖7為本發(fā)明激光切割裝置的加工配置圖。
主要元件符號(hào)說(shuō)明…激光振蕩產(chǎn)生器
3 ……反射鏡
4、 4a……聚焦鏡…被加工物件
6 ……數(shù)控器7 ……驅(qū)動(dòng)器
8 ……加工載臺(tái)50 ……工作臺(tái)
具體實(shí)施例方式
如圖6所示，本發(fā)明的激光切割裝置，包括 激光振蕩產(chǎn)生器2，用以產(chǎn)生一定范圍的激光光束20;
反射鏡3，該反射鏡3設(shè)于激光振蕩產(chǎn)生器2所發(fā)射的激光光束20路徑上， 用以將激光光束反射至預(yù)定位置；
聚焦鏡4，該聚焦鏡4置于加工載臺(tái)8，通過(guò)載臺(tái)8移動(dòng)使聚焦鏡4位于前 述反射鏡3反射后的激光光束路徑30上，通過(guò)該聚焦鏡4將光束聚集對(duì)應(yīng)被加 工物件5進(jìn)行切割；
數(shù)控器6，例如CNC (Co卿uter Numerical Control)計(jì)算機(jī)數(shù)值控制器， 內(nèi)建數(shù)據(jù)庫(kù)，用以連接驅(qū)動(dòng)器7并控制該驅(qū)動(dòng)器7動(dòng)作；
驅(qū)動(dòng)器7，用以連接加工載臺(tái)8并驅(qū)動(dòng)該載臺(tái)移動(dòng)位置；
加工載臺(tái)8，用以承載聚焦鏡4;
本發(fā)明的光焦補(bǔ)償方法為
一、 預(yù)先取得激光振蕩產(chǎn)生器2在產(chǎn)生光束模態(tài)后一段穩(wěn)定的長(zhǎng)度范圍所
表現(xiàn)的光斑大小變化的曲線圖，或光束發(fā)散角大小變化的曲線二、 建立一 「參考數(shù)據(jù)」模擬與前述曲線圖吻合的一元二次方程式，并將 該「參考數(shù)據(jù)」輸入數(shù)控器6作為比對(duì)的數(shù)據(jù)庫(kù)；
三、 依據(jù)加工載臺(tái)8所載聚焦鏡4移動(dòng)至不同位置，對(duì)應(yīng)前述「參考數(shù)據(jù)」
的數(shù)值，并由數(shù)控器6運(yùn)算出該聚焦鏡4的聚焦點(diǎn)的變化量；
西、由數(shù)控器6發(fā)出指令給驅(qū)動(dòng)器7改變載臺(tái)8上的聚焦鏡4位置以補(bǔ)光焦因激光光束發(fā)散角大小變化所產(chǎn)生的誤差。
更具體而言，以圖7的實(shí)施狀態(tài)為例，在工作臺(tái)50上置有被加工物件5、 5a，當(dāng)激光振蕩產(chǎn)生器發(fā)射一定范圍的激光光束20后，由于光束20發(fā)散的角 度變化，使在同一光路的不同位置所接收到的范圍并不一致。如圖相距激光振 蕩產(chǎn)生器A1及A2不同位置的反射鏡3、 3a，因?yàn)榧す夥瓷渲睆絜i及e 2的不 同，使在相同物性條件下擺設(shè)的聚焦鏡組4、 4a，所產(chǎn)生的聚焦深度(D0F)C1、 C2會(huì)有異位的變化；因此，通過(guò)前述的光焦補(bǔ)償方法在CNC數(shù)控器6的數(shù)據(jù) 庫(kù)內(nèi)，預(yù)先建立與激光發(fā)散角大小變化曲線吻合的「參考數(shù)據(jù)」，依據(jù)每一被 加工物件5、 5a所在位置，通過(guò)前述的「參考數(shù)據(jù)」將所接收的激光光束直徑 0 1及0 2精確計(jì)算出來(lái)，并以具相同物性條件的聚焦鏡4、 4a換算出聚焦點(diǎn)之 間的變化量S，再將所得數(shù)值儲(chǔ)存于CNC數(shù)控器6的數(shù)據(jù)庫(kù)中；換言之，當(dāng)加 工載臺(tái)8所載聚焦鏡4必須移動(dòng)至圖標(biāo)Al及A2的加工位置，該CNC數(shù)控器6 即透過(guò)指令，以驅(qū)動(dòng)器7驅(qū)動(dòng)載臺(tái)8在A2時(shí)必須根據(jù)先前運(yùn)算出的S變化量 而改變其位置，用以補(bǔ)償后端可能產(chǎn)生的聚焦誤差。
最后再通過(guò)實(shí)際位置的加工取樣，量得每個(gè)取樣位置的成品尺寸，將補(bǔ)償 值的誤差作進(jìn)一步修正，以得到更加精準(zhǔn)的補(bǔ)償；取樣位置點(diǎn)愈多，相對(duì)吻合 激光發(fā)散角大小變化曲線的「參考數(shù)據(jù)」的誤差也會(huì)更為收斂。
發(fā)明人依據(jù)上述方法實(shí)際測(cè)試，加諸于行程2M*4M以及2M*6M的加工范 圍，其尺寸誤差量?jī)H在0. 05mm左右(以16mm厚鋼板為例)，而聚焦鏡光焦補(bǔ)償 的范圍，僅在0 2.4mra以內(nèi)變化，確實(shí)可以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。
但以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，當(dāng)然不能以此限定本發(fā)明的權(quán)利 范圍。舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者爰依本發(fā)明的精神所作的等效修飾 或變化，皆仍涵蓋于本發(fā)明的權(quán)利范圍內(nèi)。
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權(quán)利要求
1、一種光焦補(bǔ)償方法，其特征在于，包括以下步驟(一)、預(yù)先取得激光振蕩產(chǎn)生器在產(chǎn)生光束模態(tài)后一段穩(wěn)定的長(zhǎng)度范圍所表現(xiàn)的光斑大小變化的曲線圖，或光束發(fā)散角大小變化的曲線圖；(二)、建立一參考數(shù)據(jù)模擬前述的曲線圖，并將該參考數(shù)據(jù)輸入數(shù)控器作為比對(duì)的數(shù)據(jù)庫(kù)；(三)、依據(jù)加工載臺(tái)所載聚焦鏡移動(dòng)至不同位置，對(duì)應(yīng)前述參考數(shù)據(jù)的數(shù)值，并由數(shù)控器運(yùn)算出該聚焦鏡的聚焦點(diǎn)的變化量；(四)、由數(shù)控器發(fā)出指令給驅(qū)動(dòng)器改變載臺(tái)上的聚焦鏡位置以補(bǔ)償光焦因激光光束發(fā)散角大小變化所產(chǎn)生的誤差。
2、 如權(quán)利要求1所述的光焦補(bǔ)償方法，其特征在于，所述光焦補(bǔ)償方 法還包括步驟(五) 、通過(guò)實(shí)際位置的加工取樣，量得每個(gè)取樣位置的成品尺寸，將 補(bǔ)償值的誤差作進(jìn)一步修正，以得到更加精準(zhǔn)的補(bǔ)償，取樣位置點(diǎn)愈多，相 對(duì)吻合激光發(fā)散角大小變化曲線的參考數(shù)據(jù)的誤差也會(huì)更為收斂。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的光焦補(bǔ)償方法，其特征在于，所述數(shù)控器為計(jì)算機(jī)數(shù)值控制器。
4、 如權(quán)利要求1或2所述的光焦補(bǔ)償方法，其特征在于，所述參考數(shù) 據(jù)為一元二次方程式。
5、 一種激光切割裝置的光焦補(bǔ)償方法，該裝置包括激光振蕩產(chǎn)生器、 反射鏡、聚焦鏡、數(shù)控器、驅(qū)動(dòng)器及加工載臺(tái)，其中，該反射鏡設(shè)于激光振 蕩產(chǎn)生器所發(fā)射的光束路徑上，聚焦鏡設(shè)于經(jīng)反射鏡反射后的激光光束路徑 上，且配置于加工載臺(tái)，該加工載臺(tái)與驅(qū)動(dòng)器及數(shù)控器相連，受數(shù)控器控制 以驅(qū)動(dòng)器移動(dòng)加工載臺(tái)位置；其特征在于，該光焦補(bǔ)償方法為(一)、預(yù)先取得激光振蕩產(chǎn)生器在產(chǎn)生光束模態(tài)后一段穩(wěn)定的長(zhǎng)度范 圍所表現(xiàn)的光斑大小變化的曲線圖，或光束發(fā)散角大小變化的曲線圖；(二) 、建立一參考數(shù)據(jù)模擬前述的曲線圖，并將該參考數(shù)據(jù)輸入數(shù)控 器作為比對(duì)的數(shù)據(jù)庫(kù)；(三) 、依據(jù)加工載臺(tái)所載聚焦鏡移動(dòng)至不同位置，對(duì)應(yīng)前述參考數(shù)據(jù) 的數(shù)值，并由數(shù)控器運(yùn)算出該聚焦鏡的聚焦點(diǎn)的變化量；(四) 、由數(shù)控器發(fā)出指令給驅(qū)動(dòng)器改變載臺(tái)上的聚焦鏡位置以補(bǔ)償光 焦因激光光束發(fā)散角大小變化所產(chǎn)生的誤差。
6、 如權(quán)利要求5所述的激光切割裝置的光焦補(bǔ)償方法，其特征在于， 所述光焦補(bǔ)償方法還包括步驟-(五) 、通過(guò)實(shí)際位置的加工取樣，量得每個(gè)取樣位置的成品尺寸，將 補(bǔ)償值的誤差作進(jìn)一步修正，以得到更加精準(zhǔn)的補(bǔ)償，取樣位置點(diǎn)愈多，相 對(duì)吻合激光發(fā)散角大小變化曲線的參考數(shù)據(jù)的誤差也會(huì)更為收斂。
7、 如權(quán)利要求5或6所述的激光切割裝置的光焦補(bǔ)償方法，其特征在 于，所述數(shù)控器為計(jì)算機(jī)數(shù)值控制器。
8、 如權(quán)利要求5或6所述的激光切割裝置的光焦補(bǔ)償方法，其特征在 于，所述參考數(shù)據(jù)為一元二次方程式。
全文摘要
一種激光切割裝置的光焦補(bǔ)償方法，該裝置包括激光振蕩產(chǎn)生器、反射鏡、聚焦鏡、數(shù)控器、驅(qū)動(dòng)器及加工載臺(tái)，反射鏡設(shè)于激光振蕩產(chǎn)生器所發(fā)射的光束路徑上，聚焦鏡設(shè)于經(jīng)反射鏡反射后的激光光束路徑上，且配置于加工載臺(tái)，載臺(tái)與驅(qū)動(dòng)器及數(shù)控器相連，受數(shù)控器控制以驅(qū)動(dòng)器移動(dòng)載臺(tái)位置；光焦補(bǔ)償方法包括預(yù)先取得激光振蕩產(chǎn)生器的光斑大小變化的曲線圖；建立一參考數(shù)據(jù)模擬前述曲線圖，并將該參考數(shù)據(jù)輸入數(shù)控器作為比對(duì)的數(shù)據(jù)庫(kù)；依據(jù)加工載臺(tái)所載聚焦鏡移動(dòng)至不同位置，對(duì)應(yīng)前述參考數(shù)據(jù)的數(shù)值，并由數(shù)控器運(yùn)算出該聚焦鏡的聚焦點(diǎn)的變化量；由數(shù)控器發(fā)出指令給驅(qū)動(dòng)器改變載臺(tái)上的聚焦鏡位置，以補(bǔ)償光焦因激光光束發(fā)散角大小變化所產(chǎn)生的誤差。
文檔編號(hào)B23K26/04GK101314195SQ20071010547
公開日2008年12月3日 申請(qǐng)日期2007年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月31日
發(fā)明者賴昱翔, 陳文漳 申請(qǐng)人:惠霸企業(yè)股份有限公司