CN100479973C - 用于生成旋转激光束的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生成旋转激光束(5)的设备(1)，该设备可用于各种应用，包括材料的焊接、切削、钻削或烧蚀。更具体地，根据本发明的设备(1)能够生成快速旋转且精确的激光束，因为转动的主光学器件(100)包含绕轴线(X1)转动的第一反射面(102)和环形的第二反射面(26)，其中该第一反射面(102)将所述激光束的方向改变为进入第二反射面(26)的方向，该第二反射面朝所述轴线(X1)反射所述激光束。

Description

用于生成旋转激光束的设备
技术领域
本发明涉及一种用于生成旋转激光束的设备，尤其涉及允许进行精确且快速的圆形/环形机加工和/或焊接的设备。这种设备还可有利地应用于对圆形机加工和/或焊接区域的显示。
背景技术
尽管下面的说明具体地涉及焊接设备，但应当理解，根据激光束参数，根据本发明的设备也可用于机加工操作，例如材料的切削、钻削或烧蚀。
现有技术中已知例如使用激光束进行圆形焊接的系统。
这些系统中的某些系统是基于这样的原则，即焊接设备是以位置固定的方式相对于一个或多个待焊接工件设置的。激光束沿固定的方向指向工件的焊接区域，而工件被支承件驱动而旋转，该支承件包括用于进行驱动的电机装置。
然而，这种系统具有许多缺点，其难以相对于激光束精确地调节工件的位置，这在工件高速旋转时尤其严重。
此外，如果要相继焊接大量工件，则相应焊接方法会花费很长时间。实际上，在该方法中，在工件的静止不动的支承件被驱动而高速旋转之前，必须将工件安置在该支承件上。然后一旦工件的转速高于预定的转速，就实施焊接处理。在焊接处理之后，在从支承件上取下工件之前以及在安置下一个工件之前，支承件必须停止转动。
还已知其它系统，其中工件在焊接期间保持静止不动，改变激光束的方向以扫掠整个焊接区域。为了用激光束覆盖整个焊接区域，在激光束的光径上设置两个镜子，使这两个镜子均可在两个端位置之间彼此独立地倾斜。从而，一个镜子负责激光束沿第一方向X-X’的移动，而第二个镜子负责激光束沿垂直于第一方向X-X’的第二方向Y-Y’的移动。因此，这两个镜子各自的倾斜相结合可覆盖工件的整个焊接区域。
然而，这种系统的一个缺点是焊接区域的尺寸越大，每个镜子的两个端位置就彼此相距越远。因此，镜子从一个端位置倾斜到另一个端位置所需的时间就越长，这降低了焊接方法的总体速度。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种用于快速并可靠地在至少一个工件上执行圆形机加工(circular machining)的设备从而改进上述现有技术的系统。
因此，本发明涉及这样一种设备，该设备包括用于提供激光束的装置，在照射到工件的冲击区域上之前，所述激光束先通过该设备的至少一个光学系统沿光径行进，然后通过出口从所述设备射出。该光学系统具有中心轴线X1，并且至少用于调节所述激光束在冲击区域内的像焦点的位置。该设备的特征在于，所述光学系统包括第一反射面，该第一反射面能够相对于中心轴线X1转动并可将激光束的方向改变为进入第二反射面的方向，该第二反射面为环形并用于朝中心轴线X1反射激光束，该设备包括驱动所述第一反射面转动的装置。根据本发明的设备还包括使激光束在照射到第一反射面上之前会聚的装置，以便在第一反射面附近形成第一焦点。
因此，可通过反射面的简单转动实现例如圆形机加工、焊接，从而能采用高的转速，该转速独立于焊接件的尺寸。
由于激光束在第二反射面上的反射，该激光束能够以向心的方向照射在工件上，从而允许执行“外部焊接”。最后这个特征对于上述公知系统是重要的附加改进，因为对于上述公知系统，当激光束照射到工件上时该激光束为离心方向，只能进行“内部焊接”。
根据本发明的优选实施例，第一反射面以位置固定的方式设置在光学系统内，光学系统能够经由所述电机装置的作用相对于中心轴线X1转动。
在更优选的实施例中，根据本发明的设备包括两个不同的系统，所述系统用于精确调节像焦点在待焊接工件上的位置。
在光学系统内还设置有具有光轴X2的转动透镜或可倾斜透镜，以提高焊接区域内的像焦点的品质。从而，该转动透镜被可枢转的支承件支承，以便能相对于光学系统的中心轴线X1改变轴线X2的方向。
附图说明
下面将参照示出本发明焊接设备的结构的附图更详细地说明本发明。然而，本发明可实现为许多不同的形式，并且不应被认为局限于文中所说明的实施例。
图1是根据本发明的激光焊接设备的横截面示意图；
图2是居中地布置在图1的设备内的光学系统的放大的横截面视图；
图3是表示在图2的光学系统的不同构型内的激光束的光径的示意图；
图3a是图3的圆圈A内所包围的元件的放大视图；
图4是根据本发明替换实施例的位于图2下部的附加套管的放大横截面视图；
图4a是图4的附加套管的放大的横截面视图，该横截面垂直于图4的横截面。
具体实施方式
首先参照图1说明根据本发明的激光束焊接设备1。设备1包括主壳体2，该设备的大部分构件封装在该主壳体内。主壳体2包括待安置在工件保持工具上方的工作台3上的装置(未示出)，例如底座。
主壳体包括侧向开口4，激光束5沿基本水平的方向通过该侧向开口，所述激光束由远程激光源(未示出)生成。激光束5指向半透明镜子6，该镜子与入射激光束成大约45度角以将入射激光束的方向改变为基本垂直的方向。
此外，在半透明镜子6的背侧设置有顶部开口7，该开口以常规方式用作观察窗以便定位光学传感器200例如CCD相机。该光学传感器可与具体包含处理器的信号处理单元201相连接，该处理单元可与显示器202相连接。
沿激光束的光径从半透明镜子6向下设置有主室8，该主室部分地封装着可沿中心轴线X1的方向平移的活动单元9。该活动单元9通过侧臂10与主壳体2相连接，所述侧臂在平行于中心轴线X1的方向上延伸且与设置在主壳体的内表面上的支承延伸部12的孔11配合。优选地，在每个支承延伸部12和与其对应的臂10之间插入球轴承13，以在活动单元9平移时改善这两个元件之间的滑动。活动单元相对于壳体的垂直位置是可调节的，这可通过任何合适的装置例如测微螺杆实现。
活动单元包括由套管101径向限制的设置在中央的光学系统100，下文将详细说明该光学系统。套管101包括两个其上邻接有轴承17的隔开的环形阶梯部16，以便相对于活动单元9在中心轴线X1的方向上保持该套管的位置并沿径向引导该套管。环形螺钉18与设置在套管15的前端19处的螺纹部相配合，以使轴承17紧靠对应的阶梯部16。
围绕套管101以位置固定的方式直接设置有转子20，例如，该转子的形式为双极永磁体。
围绕转子20同心地设置有定子21，该定子承载多个线圈22，图中示出两个线圈。这样，转子20和定子21的组合就形成了一电机，该电机的电源装置由标号23示意性地示出。电机的动作经由套管101的转动引起光学系统100转动。
此外，活动单元9在其下部包含块状件24，在该块状件内设置有被环形镜26包围的中心腔25。从图1可见，环形镜26的横截面为凹形，从而使该镜子具有聚焦功能。
设置常规装置例如被镜子26的底面所抵靠的螺钉27以便精确调节镜子的位置，设置弹簧28以在该镜子的顶面上施加压力。从而，可调节镜子26的轴线相对于中心轴线X1的倾度，以便在激光束照射到工件上之前控制激光束的品质。
此外，块状件24包括由半球形保护窗30封闭的基底中心开口29。此窗30的功能是防止该设备的光学元件在焊接期间被灰尘或等离子体损坏。还设置有用于相对于中心轴线X1以及环形镜26精确调节保护窗30的位置的装置，例如使用螺钉31。
现在将参照图2详细说明转动式光学系统100。在图2中示意性地示出光学系统100，省略套管101以加强对光学部件的说明。
图2示出第一管状件32，该管状件对于活动单元9是静止不动的且包括多个限定支承框架的径向延伸部33。在管状件32的端部34的区域内设置有透镜35，该透镜的主要作用是限制激光束5的发散。
第一管状件32被承载聚焦透镜37的第二管状件36围绕，该聚焦透镜的作用是将激光束聚焦在反射面102附近。
第二管状件36可沿中心轴线X1的方向在两个端位置之间移动。从而，聚焦透镜37可在图2中标号为37’和37”的两个端位置之间移动，以改变激光束焦点在中心轴线X1的方向上的位置。
可使用任何常规装置调节第二管状件36的位置，例如形成在第一管状件32的内表面与第二管状件36的外表面之间的螺纹件(未示出)。
第二管状件36还部分地被第三管状件38包围，下文将说明该第三管状件的功能。
光学系统100包括特别承载光学器件104的附加套管103，该光学器件具有平面的输入面105和半球形的输出面106。
在本发明的优选实施例中，光学器件104是由石英制成的块状件，其中设有形成反射面102的平面间隙。该间隙可简单地由空气填充并且相对于中心轴线X1成一定角度，以便如图1所示改变入射激光束的方向。光学器件104可简单地通过摩擦保持在套管103内。
应指出，在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员可将反射面102制成任何合适的形式。然而，就由所使用的激光束的高功率所导致的加热的危险而言，使用镜子不如使用间隙有效。从而，很清楚，也可以使用常规的镜子，在不必使用高功率激光束的应用中尤其如此。
从另一方面看，就光学系统转动期间光学器件的转动惯量而言，所公开的光学器件104的形状是有利的。
此外，套管103容纳着由支承件108支承的校正透镜107。支承件108通过在垂直于图2的平面的方向上相互对准的两个枢转销(未示出)机械地连接到套管103。该支承件还包括两个相互平行且平行于中心轴线X1的方向的销109和110，所述销设置在该支承件的合适的盲孔内。
第一销109在其孔内由螺旋弹簧111支承，而第二销110例如通过螺纹件(未示出)相对于其孔保持在固定位置。
旋拧在套管103内的环形件112的下表面紧靠销109和110。因此，在图2中很明显，如果将环形件112沿支承件108的方向向下旋拧，则在销109和110上施加压力。由于销110固定在该支承件上，所以这会在增大施加在销109上的压力的同时引起该支承件的枢转运动。因此，施加在销109上的压力传递给弹簧111，该弹簧被更多地压缩以便吸收该压力。
结果，校正透镜107倾斜，或换句话说，该校正透镜的光轴X2相对于中心轴线X1转动。在上述示例中，如图2中示意性示出的，光轴X2顺时针转动。
第三管状件38作为从光学系统100的外部操作环形件112的工具的一部分。实际上，从图2中可见，第三管状件38包括多个从其下表面突出的短杆39，以用于与设置在环形件112上表面内的对应盲孔113配合。从而，操作员必须通过压缩支承弹簧40而将第三管状件38降低，以使短杆39进入盲孔113。然后，在弹簧40保持压缩时，转动第三管状件38以引起环形件112的转动，从而使校正透镜107倾斜。当释放第三管状件38上的压力时，短杆39从盲孔113释放，并且环形件112保持在固定的角位置。
校正透镜107的作用是作用在激光束5上，以避免焊接区域内的像焦点发生任何几何像差，即提高像焦点的品质。
出于相同原因，在环形镜26的制备过程中必须非常仔细地处理其表面。实际上，如图1所示的该镜子的凹形截面最初是圆的一部分。然而，必须根据几何参数的变化对曲率进行处理以使其不规则，所述几何参数例如转动的反射面102的倾度和该反射面与环形镜26之间的距离。由于镜面的制备质量高，所以可提高像焦点的品质。
如图1明显示出的，通过根据本发明的设备的激光束5的光径使得当光学系统100被电机驱动而转动时可实现圆形焊接。
参照图3和图3a，下面将说明根据本发明的设备所运用的光学原理。
当聚焦透镜处于其如图1和图3中平线(plain line)所示的中间位置，且活动单元9处于中立位置时，工件的冲击区域中的像焦点位于F0。
从此状态开始，用户必须使活动单元9向上或向下平移，以调节在操作期间被激光束扫掠的圆的半径值。从而，像焦点与活动单元9一起沿中心轴线X向上或向下平移。当活动单元9处在其相对于壳体2的最高位置时，像焦点位于F1’；而当活动单元处在其最低位置时，像焦点位于F1。
假设工件的待加工区域位于工作台3的平面内，则在操作期间被激光束扫掠的圆的半径由激光束与所述工作台平面的交点F2或F2’给定。
因此，当活动单元处在其最高位置时，被激光束扫掠的圆的半径相当于F0与F2’之间的距离，像焦点仍位于F1’。这样，必须将像焦点从F1’移动到F2’，这可通过聚焦透镜37的平移实现。在此具体情况下，用户必须使聚焦透镜37向上平移以使像焦点从F1’移动到F2’。
相反，当活动单元处于其最低位置时，被激光束扫掠的圆的半径相当于F0与F2之间的距离，像焦点仍位于F1。因此，必须将像焦点从F1移动到F2，这可通过聚焦透镜37的平移实现。在此具体情况下，用户必须使聚焦透镜37向下平移以使像焦点从F1移动到F2。
当然，所述的关于调节焦点位置的方法是示例性的而非限制性的。例如，由于可选择不同数量的透镜或选择不同特性的透镜，该方法可进行改变。
图3和图3a中还清楚地示出，像焦点位于F2’的构型尤其适合于“内部焊接”。即，例如将圆盘焊接在环内或者将环的内表面焊接在板上的情况。
对于现有技术的设备，根据本发明的设备尤其有利，因为本设备还允许“外部焊接”。用于外部焊接的设备的构型的示例在图3和图3a中示出，其中像焦点位于F2。在此情况下，激光束照射在工件上而没有与中心轴线X1相交，从而照射在工件上同时具有向心方向。这例如可用于将枢轴焊接在轮子的中心，在此情况下激光束必须围绕枢轴画一个圆。
参照图4和图4a，下面说明已参照图2说明的根据本发明的附加套管103的替换实施例。
更具体地，本实施例涉及支承校正透镜107的结构的改变，以及设置用于调节光轴X2与中心轴线X1之间的方位角的装置的改变。
此处，支承件408通过两个枢转销401和402机械地连接到套管103，这两个枢转销在垂直于图4的平面的方向上—即沿图4a的平面一相互对准。
在支承件408的两侧分别设置有弹性环403、404，从图4和图4a中可见每个环均由多个扁平环的层叠体形成。优选地，扁平环由金属制成并通过任何适合的公知方法围绕它们的周缘至少部分地焊接或粘合在一起。
每个弹性环403、404均包括两个贯穿该环的厚度并且沿直径相对的孔405、406，每个孔内设有螺钉409、410。
每个弹性环的第一螺钉409在连接区域内将该弹性环紧固在支承件408上，各个连接区域沿直径相对。
每个弹性环的第二螺钉410简单地确保扁平环保持相互紧固在一起，从而该螺钉比对应的第一螺钉409短。所有螺钉的头部都在弹性环的与支承件408相对的各侧从弹性环突出。
因此，第一弹性环403的螺钉头紧靠环形件112(如结合图2公开的)，而第二弹性环404的螺钉头紧靠设置在套管103内的阶梯部411。
然后，将说明由支承件408与两个弹性环403和404一起形成的组件的功能。
以与结合图2说明的方式类似的方式，当沿支承件408的方向旋拧环形件112时，压力施加在第一弹性环403的螺钉头上。
在该压力的作用下，第一弹性环403弯曲，由于支承件408是刚性的比较不易弯曲，从而使第二弹性环404弯曲。由于弹性环403和404分别都弯曲，支承件408、从而校正透镜107的光轴X2相对于中心轴线X1的方向倾斜。更具体地，当在图4上旋拧环形件112时，校正透镜107逆时针转动。
如上所述，校正透镜107的作用是作用在激光束5上，以避免焊接区域内的像焦点发生任何几何像差，即提高像焦点的品质。
更一般地，根据本发明的设备的一个重要方面在于：在光径的方向上，光束聚焦光学系统位于转动的反射面102前面。因此，在第一反射面102的附近生成第一焦点，并且不再需要沿光径更远的额外的聚焦透镜或系统。实际上，使用后置式聚焦系统的主要缺点在于该系统必须与第一反射面102一起转动，对于装置尤其是必须实现大约每分钟30000转的转速的装置的结构而言，这会导致重量问题。
还应指出，在第一反射面附近生成焦点这一事实是为反射面优选上述结构的主要原因。实际上，常规的镜子几乎不能承受激光束的集中在刚好与该镜子相邻的焦点中的高能量。
根据本发明的设备可用于许多不同的应用。例如，通过将观察窗与上述光学传感器200一起使用，可将该设备用作检查设备。在这种情况下，由于不需要将激光束输入该设备，因此不需要壳体2的侧向开口4。然而，可保留该开口4并用于输入光源，以便照亮工件的待检查区域并增强观察图像的对比。
本发明的另一个重要优点是：光学系统可在相继处理两个工件期间保持转动以便处理一连串工件。激光束提供装置仅需在需要除去处理过的工件以及在安置新的工件时停止，这样节省了用户的时间。
在不脱离本发明的范围的情况下可在上述设备内添加其它常规特征。例如，可设置冷却液供给回路以冷却图1中可见的轴承17。还可设置用于测量光学系统的转速的装置。

Claims (23)

1.用于生成旋转激光束(5)的设备(1)，所述设备包括用于激光束的输入装置(4)，所述激光束在通过出口(29)从所述设备射出并照射到工件的冲击区域上之前通过该设备的至少一个光学系统(100)沿光径行进，所述光学系统具有中心轴线(X1)并且至少用于调节所述激光束在所述冲击区域内的像焦点(F0，F1，F1’，F2，F2’)的位置，所述光学系统还包括第一反射面(102)，该第一反射面能够绕所述中心轴线(X1)转动并用于将所述激光束的方向改变为进入第二反射面(26)的方向，该第二反射面为环形并朝所述轴线(X1)反射所述激光束，该设备包括用于驱使所述第一反射面(102)转动的驱动装置(20，21，22)，其特征在于，所述光学系统(100)包括至少一个透镜(37)，该透镜使所述激光束在照射到所述第一反射面(102)上之前会聚，以便在所述第一反射面(102)附近形成与所述激光束在工件的所述冲击区域内的像焦点(F0，F1，F1’，F2，F2’)不同的第一焦点。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一反射面(102)以固定的方式设置在所述光学系统(100)内，该光学系统可通过所述驱动装置(20，21，22)绕所述中心轴线(X1)转动。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述第二反射面(26)是凹面。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述光学系统(100)包括具有光轴(X2)的转动透镜(107)，该透镜能够倾斜，从而所述光轴(X2)能与所述中心轴线(X1)成一定角度。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述光学系统(100)包括套管(103)，所述第一反射面(102)和所述转动透镜(107)设置在该套管内，该转动透镜由通过两个沿直径相对的销(401，402)与所述套管机械连接的支承件(108，408)支承以便可倾斜，在所述套管(103)内紧靠所述支承件设置有环形件(112)以便经由螺纹件调节所述光轴(X2)与所述中心轴线(X1)之间的角度。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述支承件(108)包括两个从该支承件的顶面突出并沿垂直于所述销的方向在直径上相对的杆(109，110)，所述杆中的第一杆(110)固定在所述支承件(108)内，而所述杆中的第二杆(109)设置在盲孔内并由弹簧(111)支承。
7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，该设备还包括两个分别位于所述支承件(408)两侧的弹性环(403，404)，所述弹性环均以一定角度连接到所述支承件的区域，使弹性环与支承件连接的相应区域近似沿直径相对，所述支承件(408)和所述两个弹性环(403，404)形成一方面紧靠所述环形件(112)另一方面紧靠设置在所述套管(103)内的阶梯部(411)的组件。
8.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，管状件(38)部分地接合在所述套管(103)内并设置有能够与所述环形件(112)配合的装置(39)以便驱使该环形件相对于所述中心轴线(X1)转动，从而可从所述套管(103)外部调节该环形件在所述中心轴线(X1)的方向上的位置。
9.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述第一反射面(102)设置在光学器件(104)内，该器件沿激光束(5)的传播方向具有平面的输入面(105)和半球形输出面(106)，所述第一反射面(102)由平面间隙形成。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述第一反射面(102)基本在所述半球形输出面(106)的曲率中心处与所述中心轴线(X1)相交。
11.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，该设备还包括位于该设备出口(29)区域的保护窗(30)。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述保护窗(30)的形状为半球形，其曲率中心位于所述设备外。
13.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，该设备包括透镜组件(35，37)以便调节沿所述中心轴线(X1)方向的所述第一焦点与所述第一反射面(102)之间的距离，冲击区域内的所述像焦点(F0，F1，F1’，F2，F2’)是所述第一焦点通过所述第一反射面(102)和第二反射面(26)的光学图像。
14.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，可通过所述光轴(X2)与所述中心轴线(X1)之间的角度调节所述像焦点(F0，F1，F1’，F2，F2’)的品质。
15.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，该设备包括主壳体(2)，所述主壳体包括所述用于激光束的输入装置(4)；该设备还包括活动单元(9)，所述活动单元至少部分地封装在所述主壳体内并至少包括所述光学系统(100)和所述第二反射面(26)，所述活动单元(9)能够相对于所述主壳体(2)沿所述中心轴线(X1)的方向平移，以便沿所述中心轴线(X1)调节该活动单元的位置。
16.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述驱动装置包括以固定的方式围绕所述光学系统(100)设置的转子(20)，围绕所述转子(20)设置在所述活动单元内的定子(21)。
17.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，还包括允许观察冲击区域的观察窗(7)。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述观察窗(7)与显示单元(200，201，202)相关联。
19.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述显示单元包括相机(200)、图像处理电路(201)和监视器(202)。
20.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，还包括具有光轴(X2)的转动透镜(107)，该透镜能够倾斜，从而所述光轴(X2)能相对于所述中心轴线(X1)成一定角度，以提高所述工件上的像焦点的品质。
21.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，该设备还包括位于设备出口(29)附近的保护窗(30)。
22.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，所述保护窗(30)的形状为半球形，其曲率中心位于所述设备外。
23.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备用于圆形焊接和/或机加工工件。
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