CN102216024A - 用于借助激光束加工工件的机器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于借助激光束加工工件，尤其是用于激光切割金属的机器，该机器包括工件夹持器、激光加工单元、用于使所述激光加工单元和所述工件夹持器相对运动的驱动单元、机器控制装置和供气设备，其中，所述供气设备具有至少一个气源、一个配属于所述激光加工单元的气体喷嘴、一个将所述气体喷嘴与至少一个气源连接的管路装置和至少一个布置在该管路装置中的、与气控单元连接的比例调压阀(4)。在此，所述比例调压阀(4)具有一个压电气动前置级(14)和一个由该压电气动前置级(14)促动的气动功率级(13)。

Description

用于借助激光束加工工件的机器

本发明涉及一种用于借助激光束加工工件，尤其是用于激光切割金属的机器，该机器包括工件夹持器、激光加工单元、用于使激光加工单元和工件夹持器相对运动的驱动单元、机器控制装置和供气设备，其中，供气设备具有至少一个气源、一个配属于激光加工单元的气体喷嘴、一个将气体喷嘴与至少一个气源连接的管路装置和至少一个布置在该管路装置中的、与气控单元连接的比例调压阀。

借助激光束可以对各种材料进行不同的加工。已知例如用于激光焊接，用于激光切割和激光打标尤其是金属的方法。聚焦激光束的能量密度足以使工件熔化或甚至使材料蒸发。

为避免损坏激光系统或不利地影响其光学性能，需要将在材料加工时借助激光产生的物质可靠地输出。为此，将高速的气体射束对准激光加工区域，为此目的在此所述类型的激光加工机器具有一个配备气体喷嘴的供气设备。此处在确定的激光加工方法中重要的是，气体射束的速度要能与特殊的加工工序匹配；这点特别适用于激光切割，其中，首先，即在激光束完全穿透材料厚度之前，气体速度低于随后进行的沿切割线切割材料时的速度。在此，在按本发明所述类型的机器中设置的供气设备的比例调压阀用于调整从气体喷嘴中喷出的气体射束的速度。因为气体的种类也会影响借助激光束进行材料加工的结果，所以，按本发明所述类型的机器的供气单元部分地包括多个提供不同气体的气源。

就所有前述的现有技术而言，例如JP 08174261 A、KR 1020060059652 A、DE 102005028243 A1、DE 69317313 T3、DE 202007015908 U1、DE102005049010 A1、DE 10154352 A1、DE 60216996 T2和WO 2004/087362 A2是相关的。

最后一个提到的专利文献在此公开了这样一种用于借助激光束加工工具的机器，在该机器中为了控制经过配属于激光加工单元的气体喷嘴的气流，可以设置一个比例式流量控制阀或伺服调节阀。后者在此尤其可以设计为气动流量控制阀，其中，根据气体压力控制该流量控制阀。

相对现有技术，本发明所要解决的技术问题是，提供一种开头所述类型的、具有很高功率潜力的机器。特别是力求为使加工时间尽可能短而借助激光束以至今未实现或不可实现的动力学进行材料加工和/或为了进一步改善产品质量而借助激光束更加精确地进行材料加工。

该技术问题按本发明通过一种用于借助激光束加工工件的机器解决，其中，比例调压阀包括一个压电气动前置级和一个由该前置级促动的气动功率级。比例调压阀的这种设计以极其惊人的方式形成一系列可能性的关键，如将在以下详细阐述的那样，这些可能性使机器的各种与实际相关的功率特征得到实质性的改善。

本发明应用的第一种可能在于，比例调压阀布置在激光加工单元上，即在激光加工单元的运动中与其一同运动。因为通过该比例调压阀具有压电气动前置级和由其促动的气动功率级的设计，该比例调压阀的重量相对现有技术减少了，使得比例调压阀直接在激光加工单元上的布置或安装不会对机器的动力性能造成不利的影响。因此在这些按本发明的机器中，激光加工单元能够以比布置有明显更重的磁控比例调压阀的激光加工单元上的情况实质上更大的动力运动。与比例调压阀静态的布置，即与该调压阀不与该激光加工单元一同移动而是通过一根软管或其它柔性的气体管路与布置在激光加工单元上的气体喷嘴连接的布置相比，获得实质性改善的加工精确度；由于不需要可变形的气体管路且比例调压阀和气体喷嘴之间的死空间减小，从气体喷嘴中射出的气体射束能够更精确地与激光束和通过该激光束当前进行的材料加工匹配。这对于可分别调节喷出速度的气体射束和在加工工序中进行气体交换的气体类型均适用。在本发明的应用中实现的特别大的工艺流程动力的另一些方面还在于特别快的气体交换或从气体喷嘴中喷出的气体射束的速度不仅特别精确而且特别快地变化。为了前述这些方面，本发明的一个尤其优选的扩展设计的特征在于，比例调压阀与安装在激光加工单元上的气体喷嘴特别近地，优选与其直接相邻地布置。

根据调压阀按本发明具有压电气动前置级的设计可以使调压阀以24V的工作电压工作，其中，即使在功率侧的开关功率较高时压电气动前置级的电功率消耗也小于50毫瓦，优选最大为30毫瓦，这也对按本发明的用于激光加工工件的机器的实际应用是特别有利的。

按本发明的一种优选的扩展设计以特别的程度利用由本发明提供的这些可能，即，压电气动前置级的控压出口直接加载气动功率级。因此，尤其实现一个特别紧凑的比例调压阀，该比例调压阀以理想的方式适合于安置在移动的激光加工单元中。就同一个观点在此尤其有利的是，压电气动前置级包括一个直接安装在气动功率级的壳体上的压电气动先导式比例阀。该先导式比例阀又可以在优选的扩展方案中包括一个壳体，该壳体具有一个布置在其中的、可在进气喷嘴和排气喷嘴之间变化位置的压电弯曲换能器。在此有利的是，压电气动先导式比例阀的壳体的内腔与气动功率级连通，以便以上述方式直接加载该气动功率级。

压电气动先导式比例阀的壳体可以安置在外壳(Kapselung)中，压电气动先导式比例阀的排气孔通入该外壳的内腔中，其中，外壳具有一个横截面相对排气喷嘴更大的排气孔。这种外壳保护先导式比例阀的排气孔不受气流的影响，这种气流影响会不利地影响比例调压阀调节特性的可重复性，并且该外壳以这种方式有助于实现特别高的精确度。同时通过外壳排气孔相比排气喷嘴更大的尺寸防止在外壳内形成不期望的压力，这种压力的形成同样会不利地影响比例调压阀的调节特性的可重复性。外壳可以容纳气控单元的至少一部分电子部件，因此，虽然外壳与比例调压阀直接相邻，但也受保护地被安置。

若压电气动前置级按本发明前述的扩展方案包括一个直接安装在气动功率级壳体上的压电气动先导式比例阀，则按本发明的另一种扩展设计，压电气动先导式比例阀的进气喷嘴通过在该先导式比例阀壳体中的孔与布置在气动功率级壳体中的控制气孔连接。由此，气动功率级壳体的静态力可以用于将控制气体连接到压电气动先导式比例阀上。与之相关联地为了阐明必须指出，原则上可以考虑将每种气体和气体混合物(也例如空气)作为压电气动先导式比例阀的控制气体。尤其考虑用原本就在供气设备中可供使用的气体尤其通过这样驱动压电气动先导式比例阀，即，前述的控制气孔通过一个可以将先导式比例阀处的预压力调整到例如1、2bar的预压调节器与供气设备的高压气源连接。另一个选择在于，将控制气孔连接到与供气设备不同的、单独的压力介质源上。

在气动功率级的设计结构方面，本发明的一种优选的扩展方案规定，气动功率级具有一个入口、一个出口和一个在控制活塞气缸中可轴向移动地导引的控制活塞，该控制活塞具有至少一个与固定在壳体上的相应的第二控制棱边共同作用的第一控制棱边，其中，第一和第二控制棱边限定出一个布置在入口和出口之间的流动路径中的可变化的控制缝隙。如以下详细阐述的那样，在这种构造中能够实现一些特别的优点。这例如可以通过将第二控制棱边布置在通向控制活塞气缸的出口的孔区域内，使控制活塞不会受到在控制缝隙中膨胀的气体的任何影响；因为膨胀伴随着明显的流体扰动出现在气动功率级的出口处，即在固定于壳体上的区域内进行，因此防止了反作用到控制活塞上。同时，所提供的气体的压力在控制活塞的区域内一直是恒定的。这使得调节特性的可重复性很精确。为此，按另一种优选的实施形式还有利的是，通向控制活塞气缸的入口的孔横截面面积大于通向控制活塞气缸的出口的孔横截面面积。

若气动功率级按本发明的这个方案具有一个控制活塞，并且压电气动前置级具有压电弯曲换能器，则可以通过适当选择重要的设计参数使压电弯曲换能器的运动与控制活塞的调节行程之间的传动比至少局部为至少1∶50，优选约1∶100或更大。这是一个对调节特性尤其有利的比例。

对比例调压阀和气体喷嘴之间的气体管路快速通风并因此特别快地进行气体交换的可能性有利的是，气动功率级具有一个通风口，并且控制活塞具有一个与固定在壳体上的相应的第四控制棱边共同作用的第三控制棱边，其中，第三和第四控制棱边限定出一个布置在出口和通风口之间的流动路径中的可变的第二控制缝隙。也会有利的是，第四控制棱边布置在通向控制活塞气缸的出口的孔区域内。并且在此，当通向控制活塞气缸的通风口的孔横截面面积优选大于通向控制活塞气缸的出口的孔横截面面积时，也具有由此可实现的、之前与入口和出口之间的连接相关进行阐述的优点。

若按本发明前述的扩展方案气动功率级具有一个入口、一个出口、一个通风口和一个在控制活塞气缸中可轴向移动地导引的控制活塞，该控制活塞具有一个与固定在壳体上的第二控制棱边共同作用的第一控制棱边和一个与固定在壳体上的第四控制棱边共同作用的第三控制棱边，则按本发明的另一种尤其优选的扩展方案，出口通风时的流体调节特性与通过连接出口与入口而打开比例阀时的流体调节特性的区别在于第一和/或第二控制棱边的相应成型轮廓。特别是在这种方案中，尤其可以通过为第一和/或第二控制棱边倒棱而使第三和第四控制棱边比第一和/或第二控制棱边更尖锐。在按本发明机器的这种设计结构中，可以灵敏且精确地调整比例调压阀出口处并因此在气体喷嘴处的压力。相反通过第三和第四控制棱边比第一和第二控制棱边更尖锐的设计，在出口通风时可以实现突然降低调压阀下游的气体管路内部的压力，这在特别迅速的气体交换的可能性方面是非常有利的。

很前面就已经阐述，尤其优选压电气动前置级的控压出口直接加载气动功率级。就压电气动前置级直接加载气动功率级的结构设计而言，存在多种具有不同优点并因此可以根据特有的边界条件优选使用的可能性。若气动功率级按上述设计包括一个在控制活塞气缸中可轴向移动的控制活塞，则控制活塞的端面尤其可以限定出一个直接与压电气动前置级的控压出口连接的控制腔。由此形成了一种尤其紧凑的调压阀结构；然而对控制活塞在控制活塞气缸中尽可能密封的、尽管如此摩擦还较小的导引提出了很高的要求。作为可能的备选方案可以考虑，在控制活塞上作用有一个操纵推杆，其与一个连接在压电气动前置级的控压出口上的压力/位移换能器连接。通过通常具有膜片的压力/位移换能器在压电气动前置级和气动功率级之间断开气体连接。

相应的观点适用于控制活塞的运动，即一般是控制活塞的复位。此处也可以实现具有各自优点的多种可能性。因此例如尤其是控制活塞在与控制腔或操纵推杆相对置的一侧上受到复位弹簧的加载。或者控制活塞与控制腔或操纵推杆相对置的端面限定出一个与压电气动复位先导阀的控压出口连接的复位控制腔。按另一种扩展方案，在控制活塞与控制腔或操纵推杆相对置的一侧上作用有一个与连接在压电气动复位先导阀的控压出口上的压力/位移换能器连接的复位推杆。

按本发明的一种扩展方案，气动功率级的控制活塞(只要设有这种控制活塞)优选设计具有干燥运行能力。在这种情况下就可以省掉各种润滑剂。因为由此不会有润滑剂与气体一起从调压阀中漏出，所以这点是保护激光系统不受污染的重要方面。在此，尤其优选控制活塞由轻质金属，优选由铝构成；并且该控制活塞在有利的设计方案中表面涂有一层特氟隆衍生物。这一种设计在较高调节动力和特别好的调节特性可重复性方面是有利的。在较宽的温度范围内尤其可通过在装入阀门外壳中的控制套筒中导引控制活塞来确保特别好的调节特性可重复性，控制活塞气缸设计在该控制套筒中并且该控制套筒优选由与控制活塞相同的材料或同族的材料构成并且尤其可以同样表面涂有特氟隆衍生物。若按前面所阐述的设计设置一个控制套筒，则该控制套筒优选朝向控制活塞气缸具有进气穿孔、出气穿孔和通风穿孔，它们与调压阀的入口、出口或通风口连通。

在本发明的范围内，对形成气控单元一部分的调压阀调节装置的设计也存在很多构造可能性。就这点而言，尤其可以考虑，气控单元具有一个纯数字的调节级。这尤其提供了在反应时间和调节时间最短的同时预先给定非线性的调节关系和/或独特的调节特性的可能。气控单元的调节级在此可以尤其(在省掉模拟接口的情况下)通过单向或双向的数字通讯接口与机器控制装置连通。还获得其它特别有利的选择，如尤其是由机器控制装置按需改变比例调压阀的参数组并且使其适应当前工艺流程的可能。此外尤其有利的是，比例调压阀具有自诊断功能并且自动地识别调节路径的变化。

在此，对本发明一般的使用情况甚至已经足够的是，气控单元具有单纯的压力调节装置，即取消控制活塞或类似控制元件的位置调节装置并且直接调节在调压阀出口处占主导的压力。然而也可以考虑调节级的其它设计，例如气控单元具有一个组合的压力/位置调节装置，其中，尤其设置一个与气控单元连接的、检测控制活塞位置的活塞位置传感器。

考虑到气控单元与激光加工单元驱动器控制装置在控制技术上直接连接，机器控制装置优选具有一个压力开关，该压力开关受到在比例调压阀出口处占主导的压力的加载并且作用在一个用于激光加工单元的调节驱动器上。由此，为了实现较高的过程动力学或过程动态特性可以使激光加工单元的运动直接与喷出气体喷嘴的气流耦连。

在按本发明的用于激光加工工件的机器的管路装置中，可在比例调压阀上游布置至少一个开关阀，借助该开关阀可切断气源与其它管路装置的连接。这尤其在设置多个气源的情况下适用，其中，优选每个气源都配有自己的开关阀。这种开关阀也尤其优选设计成电气动的，即具有压电或电磁驱动器。由此，在本发明的应用中在气压调节方面可得到的结果不受开关阀不利设计的影响。在这种情况下开关阀能够以有利于机器功率结果的方式与比例调压阀匹配。在此，开关阀尤其优选设计成防止回流的；这使得止回阀的使用成为多余，止回阀按现有技术需要用于防止位于比例调压阀处的气体回流到储存另一种气体的气源中。

在本发明技术结构的转换中可实现的用于激光加工工件的机器允许具有与至今可实现的运行参数实质性不同的运行参数。因此尤其是气动功率级可以具有(部分明显地)大于20bar的工作范围，例如不超过30bar或超过30bar。这实现了至今没有能够实现的应用。在本发明的技术转换中可实现的机器中，比例调压阀的反应时间也可以小于200ms，优选最大为150ms和/或在最长100ms以内调节形成比例调压阀出口侧压力变化的90％，这因为与之相关的、至今未能实现的动力同样实现了新的应用和工作成果。在本发明的应用中比例调压阀和气体喷嘴之间的死点容积也可以减小至最大1200立方毫米，优选最大600立方毫米，如前所述，这形成了相对现有技术得到实质性提高的工艺流程动力和精确度。就此而言，同样使得布置在激光加工单元上的供气设备部件的重量可以最大为1500克，优选小于1000克。因为调压阀按本发明的设计，如详细阐述的那样，尤其能够提供按本发明所述类型的、用于通过对较高气体功率精确且高动力的调节来激光加工工件的机器，所以按本发明开发出了所需气体流非常高的应用领域。据此，如果在气体压力超过20bar，尤其是不超过30bar时气体喷嘴的流动横截面优选不超过5.7平方毫米，尤其优选甚至不超过7平方毫米，这在带有圆形流动横截面的气体喷嘴的设计中相当于直径优选不超过2.7毫米，尤其优选不超过3毫米，则尤其体现出本发明的优越性。不存在气体喷嘴的最小横截面；但在气体喷嘴约0.8毫米至1毫米的最小直径以上时才能体现出与本发明相关的优点。

以下根据附图所示的优选实施例进一步阐述本发明特别的方面。在附图中：

图1是按本发明用于激光加工工件的机器的供气设备的框图，

图2是可在按图1的供气设备中使用的比例调压阀的详细视图，

图3是按图2的调压阀的一个细节的示意图，

图4是按图2的调压阀的另一个细节的示意图，

图5是图4中示出的按图2的调压阀的细节变型的示意图，

图6是按图2的调压阀变型的示意图，

图7是按图2的调压阀的另一个变型的示意图，

图8是按图2的调压阀布置的第一种可能的示意性视图，

图9是按图2的调压阀布置的另一种可能的示意性视图。

因为按本发明用于加工工件的机器与现有技术的区别在于在供气单元中显示出的独特性，所以本发明以下的阐述限定在供气单元上。就用于激光加工的机器的其它结构和其它部件，尤其是工件夹持器、激光加工单元、用于使激光加工单元和工件夹持器相对运动的驱动单元以及机器控制装置而言，参考众所周知的现有技术，尤其是在上面提到的属于现有技术的专利文献以及可在市场上获得的机器，通过引用，这些专利文献公开的内容构成本申请的内容。

用于借助激光束加工工件的机器在图1中示出的供气单元1包括两个在较高压力下储存不同气体(过程气体)的气源2、两个分别配属于气源2的开关阀3、一个可以通过开关阀3分别与每个气源2连接的比例调压阀4以及一个布置在激光加工单元5上的气体喷嘴6。气体单元的所述部件通过管路装置7相互连接。两个开关阀3设计成防止回流的气动阀，即它们可气动地开关。为此设置一个控制气源8，其可以分别通过一个控制阀9接到开关阀3上，其中，控制阀9尤其可以指电磁阀或压电阀。比例调压阀4也可以通过气动操纵，因此它也与控制气源8连接。此外，系统10通过电接线11与电源连接并且通过接口12与机器的控制装置连接。

比例调压阀4包括(参照图2)一个设计具有较高工作压力和气体流量的气动功率级13和一个操纵该气动功率级13的压电气动前置级14。气动功率级13包括一个基本上呈圆柱形的壳体段15、一个插入其中的、限定出控制活塞气缸16的控制套筒17和一个可以在该控制活塞气缸中轴向移动的控制活塞18。壳体段15的端侧通过第一壳盖19和第二壳盖20封闭。此外，在壳体段15上法兰连接有一个接线盒21。在该接线盒21上设有一个输入接口22、一个输出接口23和一个通风接口24。一个设置在控制套筒17中的进气穿孔26通过进气孔25与输入接口22连通。一个设置在控制套筒17中的出气穿孔28通过出气孔27与输出接口23连通。并且一个设置在控制套筒17中的通风穿孔30通过通风孔29与通风接口24连通。此外如图2所示的那样，出气穿孔26和通风穿孔30的横截面面积大于出气穿孔28的横截面面积。

在控制活塞的圆周上设有两个溢流槽，即第一溢流槽31和第二溢流槽32。借助第一溢流槽31，在控制活塞18相应的、相对图2所示的位置向右移的位置中，调压阀的入口E和出口A，即进气穿孔26和出气穿孔28可相互连接。并且借助第二溢流槽32，在控制活塞18相应的、相对图2中所示的位置向左移的位置中，调压阀的出口A和通风口B，即出气穿孔28和通风穿孔30可相互连接。控制活塞18在两个溢流槽31和32之间具有一个环形的、基本上密封地贴靠在控制活塞气缸16上的隔片33。在隔片33上面向第一溢流槽31(参见图3)设有第一控制棱边34，其与布置在出气穿孔28区域内的、固定在壳体上的第二控制棱边35共同作用。并且在隔片33上面向第二溢流槽32设有第三控制棱边36，其与同样布置在出气穿孔28区域内的、固定在壳体上的第四控制棱边37共同作用。通过控制活塞18在控制罩17内部位置的变化，可以在第一控制棱边34和第二控制棱边35之间或在第三控制棱边36和第四控制棱边37之间分别限定出一个由可变控制缝隙形成的、在出口和入口之间或在出口和通风口之间的流动路径。

图3示出通过控制活塞18处于相应位置上在第一控制棱边34和第二控制棱边35之间形成的控制缝隙开口较小时的流动情况。对于在入口E和出口A之间产生的压力剧减起决定作用的节流效应并且通过该节流效应引发的、到达出口的过程气体的剧烈漩涡由于第一和第二控制棱边所选的布置而保持不会对控制活塞的位置和受到调整的位置的可实现的精确性造成影响。涡流存在于壳体段15的区域内并且仅(不对控制活塞起作用地)作用在隔片33的圆周表面上。在此期间，过程气体恒定地以各气源2的压力处于一直与入口E连接的第一溢流槽31的区域内。

图4和5示出一些措施，通过这些该措施实现，在出口A通风时，即在出口A通过第二溢流槽32与通风口B连接时的流体调节特性与适用于由于出口A通过第一溢流槽31与入口E的连接使比例阀打开时的流体调节特性不同。为此起决定性作用的是将第一控制棱边34和/或第二控制棱边35的成型轮廓设计成，使得第三控制棱边36和第四控制棱边37比第一和/或第二控制棱边更尖锐。为此按照图4，固定在壳体上的第二控制棱边35倒棱，即配设有斜边38。按照图5与此相对地，出于相同的目的，第一控制棱边34倒棱，即配设有斜边39。

用于操纵气动功率级13的压电气动前置级14包括压电气动先导式比例阀40。它具有一个如已知那样的包围内腔41的壳体42，压电陶瓷弯曲换能器43布置在该壳体中。弯曲换能器43一侧固定地夹紧。其自由端布置在两个喷嘴之间，即在进气喷嘴44和排气喷嘴45之间。压电气动先导式比例阀40的壳体42安置在保护罩47形式的外壳46中，压电气动先导式比例阀与排气喷嘴45连接的排气孔通入该保护罩47的内腔48中。也容纳气控单元的电子部件一部分49的保护罩47具有相对排气喷嘴45横截面更大的出气孔50。压电气动先导式比例阀40的壳体42位置固定地安装在保护罩47相应的凹处51中。通过将保护罩47安置在第一壳盖20上，压电气动先导式比例阀40的壳体42固定地设置到该第二壳盖20上。

压电气动先导式比例阀40的进气喷嘴44通过其壳体42中的孔52与布置在该气动功率级13的壳体中的、延伸经过第二壳盖20和壳体段15直到连接盒21的控制气孔53连接。在连接盒21上设有一个控制气接口54，将控制气孔53与控制气源8连接的气体管路可与该控制气接口54连接。

压电气动前置级14直接地，即通过控压出口55作用于气动功率级13。为此，压电气动先导式比例阀40的壳体42的内腔41通过所述控压出口55与气动功率级13连通。具体来说，控压出口55通过贯穿第二壳盖20的控压孔56与控制腔57连接，该控制腔57由第二壳盖20、控制活塞18面向该第二壳盖20的端面58和控制套筒17界定。在相对置的端部处，控制活塞18通过复位弹簧59支承在第一壳盖19上。控制活塞18在控制套筒17内部的位置以这种方式仅与在控制腔57内部占主导的压力有关，该压力可以借助压电气动先导式比例阀40，即通过弯曲换能器43相应的通电被极其精确并且迅速地调整。

调压阀与一个设计为组合的压力/位置调节装置的数字调节级连接。为此，在出口A处的压力和控制活塞18真正的位置均接通到调节级上。为此，测量推杆60与控制活塞18连接，该测量推杆60贯穿第一壳盖19并且与本身已知的、布置在第一壳盖19上的位置传感器61共同作用。

图6示意性地示出调压阀4`的这种设计结构，其相对按图2的实施形式的区别在于，操纵推杆62作用到控制活塞18上，该操纵推杆62与一个连接在压电气动前置级14的控压出口55上的本身已知的压力/位移换能器63连接。

通过气体技术以这种方式，压电气动前置级14通过压力/位移换能器63的膜片64与气动功率级13断开连接。在图6中用65表示包括电子调节装置的、带有机器接口12的气控单元。气控单元65的电子调节装置除了与位置传感器61连接外，还与测量出口A处压力的压力传感器66连接。同样示出在控制气源8和压电气动前置级14之间连接的预压调节器67。其余部分适用前面图1至图5的阐述，为避免重复相应地不再赘述。为了完整性仅还要指出，通过压电气动前置级14和复位弹簧59加载控制活塞18的布置相对按图2的实施形式彼此调换位置。

在图7所示的比例调压阀4``的另一种变型方案中，在去掉弹簧复位装置的情况下由两个反向作用的压电气动前置级14和14``调整控制活塞18的位置。压电气动前置级14`的控压出口55如前所述通过压力/位移换能器63和操纵推杆62作用到控制活塞18上。在一定程度上构成压电气动复位先导阀69的压电气动前置级14`的控压出口68以相应的方式通过压力/位移换能器70和复位推杆71作用到控制活塞18上。

图8和9示意性地示出供气设备的部件布置在用于激光加工工件的机器内部的不同变型方案。按图8仅气体喷嘴6布置在(移动的)激光加工单元5上，而比例调压阀4是固定的。比例调压阀4通过一根柔性的连接管路72与气体喷嘴6连接。与此相对，按图9比例调压阀4直接布置在激光加工单元5上，这由于按本发明所使用的具有前述有利效果的比例调压阀4具有较小的重量而得以实现。

Claims (55)

1.一种用于借助激光束加工工件，尤其是用于激光切割金属的机器，该机器包括工件夹持器、激光加工单元(5)、用于使所述激光加工单元和所述工件夹持器相对运动的驱动单元、机器控制装置和供气设备，其中，所述供气设备具有至少一个气源(2)、一个配属于所述激光加工单元的气体喷嘴(6)、一个将所述气体喷嘴与至少一个气源连接的管路装置(7)和至少一个布置在该管路装置中的、与气控单元(65)连接的比例调压阀(4、4`、4``)，其特征在于，所述比例调压阀(4、4`、4``)具有一个压电气动前置级(14、14`)和一个由该压电气动前置级(14、14`)促动的气动功率级(13)。

2.如权利要求1所述的机器，其特征在于，所述比例调压阀(4、4`、4``)布置在所述激光加工单元(5)上。

3.如权利要求1或2所述的机器，其特征在于，所述气体喷嘴(6)布置在所述激光加工单元(5)上。

4.如权利要求1至3之一所述的机器，其特征在于，所述压电气动前置级(14、14`)的控压出口(55)直接加载所述气动功率级(13)。

5.如权利要求4所述的机器，其特征在于，所述压电气动前置级(14)包括一个直接安装在所述气动功率级(13)的壳体(15、19、20)上的压电气动先导式比例阀(40)。

6.如权利要求5所述的机器，其特征在于，所述压电气动先导式比例阀(40)包括一个壳体(42)，该壳体(42)具有一个布置在其中的、可在进气喷嘴(44)和排气喷嘴(45)之间改变位置的压电弯曲换能器(43)。

7.如权利要求6所述的机器，其特征在于，所述压电气动先导式比例阀(40)的所述壳体(42)的内腔(41)与所述气动功率级(13)连通。

8.如权利要求6或7所述的机器，其特征在于，所述压电气动先导式比例阀(40)的壳体(42)安置在外壳(46)中，所述压电气动先导式比例阀(40)的与所述排气喷嘴(45)连接的排气孔通入所述外壳(46)的内腔(48)中，其中，所述外壳具有一个相对所述排气喷嘴为大横截面的出气孔(50)。

9.如权利要求8所述的机器，其特征在于，所述外壳(46)容纳所述气控单元的至少一部分电子部件(49)。

10.如权利要求6至9之一所述的机器，其特征在于，所述压电气动先导式比例阀(40)的进气喷嘴(44)通过在该压电气动先导式比例阀壳体(42)中的孔(52)与布置在所述气动功率级(13)的壳体(15、19、20)中的控制气孔(53)连接。

11.如权利要求10所述的机器，其特征在于，所述控制气孔(53)通过一个预压调节器与所述供气设备的气源(2)连接。

12.如权利要求10所述的机器，其特征在于，所述控制气孔(53)连接在一个与所述供气设备不同的控制气源(8)上。

13.如权利要求12所述的机器，其特征在于，所述控制气孔通过一个预压调节器(67)与所述控制气源(8)连接。

14.如权利要求1至13之一所述的机器，其特征在于，所述气动功率级(13)具有一个入口(E)、一个出口(A)和一个在控制活塞气缸(16)中可轴向移动地导引的控制活塞(18)，该控制活塞(18)具有至少一个与固定在壳体上的相应的第二控制棱边(35)共同作用的第一控制棱边(34)，其中，所述第一和第二控制棱边限定出一个布置在所述入口和所述出口之间的流动路径中的可变的控制缝隙。

15.如权利要求14所述的机器，其特征在于，所述第二控制棱边(35)布置在通向所述控制活塞气缸(16)的出口(A)的孔的区域内。

16.如权利要求15所述的机器，其特征在于，通向所述控制活塞气缸(16)的入口(E)的孔横截面面积大于通向该控制活塞气缸的出口(A)的孔横截面面积。

17.如权利要求14至16之一所述的机器，其特征在于，所述气动功率级(13)具有一个通风口(B)，并且所述控制活塞(18)具有第三控制棱边(36)，该第三控制棱边(36)与一个固定在壳体上的相应的第四控制棱边(37)共同作用，其中，所述第三和所述第四棱边限定出一个布置在所述出口(A)和所述通风口(B)之间的流动路径中的可变的第二控制缝隙。

18.如权利要求17所述的机器，其特征在于，所述第四控制棱边(37)布置在通向所述控制活塞气缸(16)的出口(A)的孔的区域内。

19.如权利要求17或18所述的机器，其特征在于，通向所述控制活塞气缸(16)的通风口(B)的孔横截面面积大于通向该控制活塞气缸的出口(A)的孔横截面面积。

20.如权利要求17至19之一所述的机器，其特征在于，所述出口(A)通风时的流体调节特性与通过连接所述出口与所述入口(E)而打开所述比例阀时的流体调节特性由于所述第一和/或所述第二控制棱边(34；35)的成型轮廓而有所不同。

21.如权利要求20所述的机器，其特征在于，所述第三和第四控制棱边(36；37)比所述第一和/或第二控制棱边(34；35)更尖锐。

22.如权利要求21所述的机器，其特征在于，所述第一和/或第二控制棱边倒棱。

23.如权利要求4和14所述的机器，其特征在于，所述控制活塞(18)的端面(58)限定出一个与所述压电气动前置级(14)的控压出口(55)连接的控制腔(57)。

24.如权利要求4和14所述的机器，其特征在于，在所述控制活塞(18)上作用有一个操纵推杆(62)，该操纵推杆(62)与一个连接在所述压电气动前置级(14、14`)的控压出口(55)上的压力/位移换能器(63)连接。

25.如权利要求23或24所述的机器，其特征在于，所述控制活塞(18)在与所述控制腔(57)或所述操纵推杆(62)相对置的一侧上受到复位弹簧(59)的加载。

26.如权利要求23或24所述的机器，其特征在于，在所述控制活塞(18)与所述操纵推杆(62)相对置的一侧上作用有一个复位推杆(71)，该复位推杆(71)与连接在压电气动复位先导阀(69)的控压出口(68)上的压力/位移换能器(70)连接。

27.如权利要求23或24所述的机器，其特征在于，所述控制活塞(18)与所述控制腔(57)或所述操纵推杆(62)相对置的端面限定出一个复位控制腔，该复位控制腔与压电气动复位先导阀(69)的控压出口(68)连接。

28.如权利要求14至27之一所述的机器，其特征在于，所述控制活塞(18)设计具有干燥运行能力。

29.如权利要求28所述的机器，其特征在于，所述控制活塞(18)由轻质金属，优选由铝构成。

30.如权利要求28或29所述的机器，其特征在于，所述控制活塞(18)表面涂有一层特氟隆衍生物。

31.如权利要求14至30之一所述的机器，其特征在于，所述控制活塞(18)在一个装入阀门外壳(15、19、20)中的控制套筒(17)中导引。

32.如权利要求17和31所述的机器，其特征在于，所述控制套筒(17)朝向所述控制活塞气缸(16)具有进气穿孔(26)、出气穿孔(28)和通风穿孔(30)。

33.如权利要求31或32所述的机器，其特征在于，所述控制套筒(17)由与所述控制活塞(18)相同的材料或同族的材料构成。

34.如权利要求31至33之一所述的机器，其特征在于，所述控制套筒(17)表面涂有特氟隆衍生物。

35.如权利要求14至34之一所述的机器，其特征在于，设有一个与所述气控单元(65)连接的活塞位置传感器(61)。

36.如权利要求1至35之一所述的机器，其特征在于，所述气控单元(65)具有一个纯数字的调节级。

37.如权利要求1至36之一所述的机器，其特征在于，所述气控单元(65)的调节级通过单向或双向的数字通讯接口(12)与所述机器控制装置连通。

38.如权利要求1至37之一所述的机器，其特征在于，所述机器控制装置可以按需改变所述比例调压阀的参数组并且使该参数组适应当前工艺流程。

39.如权利要求1至38之一所述的机器，其特征在于，所述比例调压阀(4、4`、4``)具有自诊断功能并且自动地识别所述调节路径的变化。

40.如权利要求1至39之一所述的机器，其特征在于，所述气控单元(65)具有一个单纯的压力调节装置。

41.如权利要求1至39之一所述的机器，其特征在于，所述气控单元(65)具有一个组合的压力/位置调节装置。

42.如权利要求1至41之一所述的机器，其特征在于，所述机器控制装置具有一个压力开关，该压力开关受到所述在比例调压阀(4、4`、4``)出口(A)处压力的加载并且作用在一个用于所述激光加工单元(5)的调节驱动器上。

43.如权利要求1至42之一所述的机器，其特征在于，所述气动功率级(13)具有大于20bar的工作范围。

44.如权利要求6和14所述的机器，其特征在于，所述压电弯曲换能器(43)的运动与所述控制活塞(18)的调节行程之间的传动比至少局部为至少1∶50，优选约1∶100或更大。

45.如权利要求1至44之一所述的机器，其特征在于，所述比例调压阀(4、4`、4``)的反应时间最大为200ms，优选最大为150ms。

46.如权利要求1至45之一所述的机器，其特征在于，在最大100ms以内调节形成所述比例调压阀(4、4`、4``)出口侧的压力变化的90％。

47.如权利要求1至46之一所述的机器，其特征在于，所述比例调压阀(4、4`、4``)和所述气体喷嘴(6)之间的死点容积最大为1200立方毫米，优选最大为600立方毫米。

48.如权利要求1至47之一所述的机器，其特征在于，所述气体喷嘴(6)具有一个直径在0.8毫米至3毫米之间，优选在1毫米至2.7毫米之间的圆形流体横截面。

49.如权利要求1至48之一所述的机器，其特征在于，布置在所述激光加工单元(5)上的供气设备部件的重量最大为1500克，优选小于1000克。

50.如权利要求1至49之一所述的机器，其特征在于，在所述管路装置(7)中在所述比例调压阀(4、4`、4``)的上游设有至少一个开关阀(3)。

51.如权利要求50所述的机器，其特征在于，所述开关阀(3)电气动地设计具有压电或电磁驱动器。

52.如权利要求50或51所述的机器，其特征在于，设有多个气源(2)，其中，每个气源都配有一个开关阀(3)。

53.如权利要求52所述的机器，其特征在于，所述开关阀(3)设计成防止回流。

54.如权利要求1至53之一所述的机器，其特征在于，所述比例调压阀(4、4`、4``)的工作电压为24V。

55.如权利要求1至54之一所述的机器，其特征在于，所述压电气动的前置级(14、14`)的电功率消耗小于50毫瓦，优选最大为30毫瓦。

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