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专利号: 2021111161632
申请人: 山东理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 机床;其他类目中不包括的金属加工
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.多焦点聚焦透镜大功率无气爆水导激光水光耦合对准切割头,其特征在于:包括多焦点聚焦透镜部件(1040)、激光光纤连接头(101)、扩束准直透镜组部件(1020)、分光镜部件(1030)、CCD摄像机调节旋钮(105)、全反射镜部件(1060)、衰减片部件(1070)、滤光片部件(1080)、CCD摄像机(109)、水光耦合腔三坐标移动调节部件(5)、水光耦合腔部件(6);激光透过多焦点聚焦透镜部件(1040)中的多焦点聚焦透镜(104)形成沿透镜轴线分布的多个聚焦点(111);由水光耦合腔三坐标移动调节部件调整多焦点聚焦透镜(104)与水光耦合腔部件(6)的相对位置,使得激光通过多焦点聚焦透镜(104)形成的沿直线分布的多个聚焦点(111)与水光耦合腔部件(6)中的水射流宝石喷嘴保持架(606)中心线同轴、并保证激光与水射流宝石喷嘴(605)上表面不发生干涉,激光通过多个聚焦点(111)后再发散、射向导光水射流水柱(8)的内表面,再经全反射沿导光水射流水柱(8)的内部传导;

多焦点聚焦透镜(104)其曲面由多个轴心线相同、半径不同的球面相交而成,位于最顶部的球面其半径R1最大,距离轴心线越远的环形球面其半径越小,距离轴心线最远也即最边缘的环形球面其半径Rn最小;在多焦点聚焦透镜(104)边缘位置的环形球面半径Rn最小,激光透过该环形球面形成的聚焦点距离多焦点聚焦透镜(104)的底面最近;在多焦点聚焦透镜(104)顶部的球面其半径R1最大,激光透过该球面形成的聚焦点距离多焦点聚焦透镜(104)的底面最远;激光透过多焦点聚焦透镜(104)形成多个聚焦点(111),聚焦点(111)沿着多焦点聚焦透镜(104)的轴心线均匀分布;

为使得每个聚焦点(111)的激光能量分布相等,多焦点聚焦透镜(104)其同轴的顶部球面和每一个环形球面沿轴心线的投影面积相等,设多焦点聚焦透镜(104)顶部球面和环形球面的总数为n个,顶部球面沿轴心线在水平面投影的平面圆半径为r1,最外边环形球面(114)沿轴心线在水平面投影的平面圆环外圆半径为rn,在已知rn的情况下,第i个平面圆或平面圆环外圆半径计算公式为: ,其中i的取值范围为:1至n‑1;当i=1时为平面圆,i>1时为平面圆环。

2.根据权利要求1所述的多焦点聚焦透镜大功率无气爆水导激光水光耦合对准切割头,其特征在于:激光光纤连接头(101)是一个环形柱体,激光光纤连接头(101)内有用于激光传输的导光孔,激光光纤连接头(101)上端接入光纤,下方连接扩束准直透镜组部件(1020);扩束准直透镜组部件(1020)内有激光传输的导光孔和上下分布的凹透镜、凸透镜;

扩束准直透镜组部件(1020)下方安装有分光镜部件(1030),分光镜部件(1030)中安装有分光镜(103);多焦点聚焦透镜部件(1040)中安装有多焦点聚焦透镜(104),多焦点聚焦透镜部件(1040)安装在分光镜部件(1030)下方;多焦点聚焦透镜部件(1040)下方通过螺栓连接水光耦合腔三坐标移动调节部件(5),水光耦合腔部件(6)通过卡扣结构与上方的水光耦合腔三坐标移动调节部件(5)连接;分光镜(103)与多焦点聚焦透镜(104)轴线成45°夹角安装;分光镜部件(1030)的左侧安装有全反射镜部件(1060),全反射镜部件(1060)中安装有全反射镜(106),全反射镜(106)与分光镜(103)平行安装;CCD摄像机调节旋钮(105)安装在全反射镜部件(1060)的左下方,全反射镜部件(1060)正上方安装有滤光片部件(1080),滤光片部件(1080)中安装有滤光片(108);滤光片部件(1080)的上方安装有衰减片部件(1070),衰减片部件(1070)中安装有衰减片(107);CCD摄像机(109)安装在衰减片部件(1070)上方,CCD摄像机(109)呈正方体形状,上壁开有连接口;CCD摄像机(109)、衰减片部件(1070)、滤光片部件(1080)和全反射镜部件(1060)依次从上到下安装在同一垂直线上;

激光光纤连接头(101)、扩束准直透镜组部件(1020)、分光镜部件(1030)、多焦点聚焦透镜部件(1040)、水光耦合腔三坐标移动调节部件(5)、水光耦合腔部件(6)依次从上到下安装在同一垂直线上;

水光耦合腔三坐标移动调节部件(5)包括连接内筒(501)、传动滑筒(502)、X方向调节旋钮(503)、X方向圆柱形传动导轨(504)、外滑套(505)、内滑套(506)、Y方向调节旋钮(507)、Y方向圆柱形传动导轨(508)、Z轴调节套筒(509)、X方向压缩弹簧(511)、Y方向压缩弹簧(512)、键(513);

连接内筒(501)下部圆筒、传动滑筒(502)上部圆筒、Z轴调节套筒(509)为圆筒形空心结构,传动滑筒(502)上部圆筒的外径比连接内筒(501)下部圆筒的内径小,两者属于间隙配合,Z轴调节套筒(509)上部分连接连接内筒(501)的外部圆筒、下部分连接传动滑筒(502)的外部圆筒;

连接内筒(501)通过其上部螺钉与上方的多焦点聚焦透镜部件(1040)连接,连接内筒(501)和传动滑筒(502)的外壁开有键槽,键槽内放有键(513),键槽与键(513)使得连接内筒(501)和传动滑筒(502)不能产生相对转动;连接内筒(501)外壁开有正向外螺纹,传动滑筒(502)外壁开有反向外螺纹,在连接内筒(501)和传动滑筒(502)的外侧安装有Z轴调节套筒(509);Z轴调节套筒(509)的内壁上部开有正向内螺纹,下部开有反向内螺纹;通过Z轴调节套筒(509)的转动实现连接内筒(501)和传动滑筒(502)相对移动,进而实现水光耦合腔部件(6)的Z轴调节,调节多焦点聚焦透镜(104)与水光耦合腔部件(6)的直线距离;

传动滑筒(502)下部、外滑套(505)、内滑套(506)都是圆筒形空心结构,两条X方向圆柱形传动导轨(504)在X方向同一水平面穿过传动滑筒(502)、外滑套(505)和内滑套(506),用作传动滑筒(502)、内滑套(506)之间相对移动的导轨;X方向圆柱形传动导轨(504)与传动滑筒(502)、内滑套(506)的配合孔一个为过盈配合、一个为间隙配合;X方向调节旋钮(503)的螺杆与两条X方向圆柱形传动导轨(504)、内滑套(506)另一侧的X方向压缩弹簧(511)处于同一水平面;X方向压缩弹簧(511)安装于传动滑筒(502)和内滑套(506)之间;传动滑筒(502)上开有螺纹孔,内滑套(506)外壁开有盲孔,用于安装X方向压缩弹簧(511);内滑套(506)的一侧与X方向调节旋钮(503)的螺杆前端接触,另一侧压向X方向压缩弹簧(511);

X方向调节旋钮(503)通过螺杆与传动滑筒(502)连接;旋转X方向调节旋钮(503),控制螺杆的前端伸缩;顺时针旋转X方向调节旋钮(503)时,内滑套(506)沿X轴负方向的移动;逆时针旋转X方向调节旋钮(503)时,在X方向压缩弹簧(511)的反作用力的推动下内滑套(506)沿X轴正方向移动,从而控制水光耦合腔部件(6)沿X轴正负方向的移动;

四条Y方向圆柱形传动导轨(508)在Y方向同一水平面两两平行、前后对称穿过传动滑筒(502)、外滑套(505),用作传动滑筒(502)、外滑套(505)之间相对移动的导轨;Y方向圆柱形传动导轨(508)与外滑套(505)的配合孔为过盈配合、与传动滑筒(502)的配合孔为间隙配合;Y方向调节旋钮(507)的螺杆与四条Y方向圆柱形传动导轨(508)、传动滑筒(502)另一侧的Y方向压缩弹簧(512)处于同一水平面,Y方向压缩弹簧(512)安装于传动滑筒(502)和外滑套(505)之间;传动滑筒(502)外壁上开有盲孔,外滑套(505)开有螺纹孔,用于安装Y方向压缩弹簧(512);传动滑筒(502)的一侧外壁与Y方向调节旋钮(507)的螺杆前端接触,另一侧外壁压向Y方向压缩弹簧(512);

Y方向调节旋钮(507)通过螺杆与外滑套(505)连接;Y方向调节旋钮(507)控制螺杆的前端伸缩,控制传动滑筒(502)沿Y轴正与负方向的移动,从而控制水光耦合腔部件(6)沿Y轴正与负方向的移动;顺时针旋转Y方向调节旋钮(507)时,传动滑筒(502)沿Y轴正方向的移动;逆时针旋转Y方向调节旋钮(507)时,在Y方向压缩弹簧(512)的反作用力的推动下传动滑筒(502)沿Y轴负方向移动;内滑套(506)下部分内壁开有环形母扣,用于连接水光耦合腔部件(6);

四条Y方向圆柱形传动导轨(508)、两条X方向圆柱形传动导轨(504)、X方向调节旋钮(503)、Y方向调节旋钮(507)、X方向压缩弹簧(511)、Y方向压缩弹簧(512)在同一个平面内;

水光耦合腔部件(6)的X轴和Y轴位移调节控制,在X轴和Y轴所在的同一个平面内实现;

水光耦合腔部件(6)包括定位滚珠(601)、高压水连接头(602)、高压气连接头(603)、水腔密封镜支撑架(604)、水射流宝石喷嘴(605)、水射流宝石喷嘴保持架(606)、进气环孔(607)、气体环形缓冲区(608)、水光耦合腔壳体(609)、水腔密封镜片(610)、密封圈一(612)、环形柱状喷气口(613)、气流喷嘴安装拆卸孔(615)、密封圈二(617)、密封圈三(618);水腔密封镜支撑架(604)上部外侧有旋转三叶形结构卡扣,通过该卡扣和内滑套(506)上的环形母扣连接,同时通过定位滚珠(601)实现与水光耦合腔三坐标移动调节部件(5)的位置定位;水腔密封镜支撑架(604)下方开设有水腔密封镜槽,用于安装水腔密封镜片(610);水腔密封镜支撑架(604)上部外侧通过螺纹与水光耦合腔壳体(609)连接,水光耦合腔壳体(609)左侧平面部位安装有高压水连接头(602)和高压气连接头(603);水射流宝石喷嘴保持架(606)位于水光耦合腔壳体(609)下部,通过螺纹固定于水光耦合腔壳体(609)中;水射流宝石喷嘴保持架(606)内开设有喷嘴保持架导流孔(616),喷嘴保持架导流孔(616)的顶部安装有水射流宝石喷嘴(605),在水射流宝石喷嘴(605)中部开设有圆柱形喷口;

水射流宝石喷嘴保持架(606)的中部外壁有进气环孔(607),高压气连接头(603)通过进气通道与进气环孔(607)连接,进气环孔(607)通过4个进气孔(614)与气体环形缓冲区(608)相连接,气体环形缓冲区(608)下方连接环形柱状喷气口(613)。

3.根据权利要求2所述的多焦点聚焦透镜大功率无气爆水导激光水光耦合对准切割头,其特征在于:所述的水腔密封镜支撑架(604)下方开设有水腔密封镜槽,水腔密封镜槽中安装有密封圈和水腔密封镜片(610);水射流宝石喷嘴保持架(606)开设有水射流宝石喷嘴(605)安装盲孔,水射流宝石喷嘴保持架(606)与圆柱状水射流宝石喷嘴(605)过盈配合安装;水射流宝石喷嘴(605)圆形喷口与其下的导流孔在同一轴心线上,水射流宝石喷嘴(605)圆形喷口内径小,其下的导流孔内径大;水射流宝石喷嘴保持架(606)与水光耦合腔壳体(609)之间通过密封圈二(617)密封,防止高压水通过水射流宝石喷嘴保持架(606)与水光耦合腔壳体(609)之间的间隙从水光耦合腔部件(6)下部泄露;水光耦合腔壳体(609)与水腔密封镜支撑架(604)通过密封圈三(618)密封,防止高压水通过水光耦合腔壳体(609)与水腔密封镜支撑架(604)之间的间隙从水光耦合腔部件(6)上部泄露。

4.根据权利要求3所述的多焦点聚焦透镜大功率无气爆水导激光水光耦合对准切割头,其特征在于:所述水光耦合腔壳体(609)左侧开设有高压水连接头(602),去离子水经进水通道进入环形缓冲区(611),进入环形缓冲区(611)的去离子水,在压力作用下沿进入环形缓冲区(611)上部圆柱侧面与水光耦合腔壳体(609)孔内壁之间的流道进入水射流宝石喷嘴保持架(606)的上方空腔,之后去离子水从水射流宝石喷嘴(605)圆形喷口喷出形成微细高压水射流;水光耦合腔壳体(609)左侧开设有高压气连接头(603),高压气体经进气通道进入进气环孔(607),再经4个进气孔(614)进入气体环形缓冲区(608),在高压作用下从环形柱状喷气口(613)喷出,吹向被加工工件表面,将工件表面的积水吹走;水射流宝石喷嘴保持架(606)与水光耦合腔壳体(609)之间通过密封圈一(612)密封,防止高压气流通过水射流宝石喷嘴保持架(606)与水光耦合腔壳体(609)之间的间隙从水光耦合腔部件(6)下部泄露。