CN102574240B - 具有冗余轴的激光加工机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助激光束(3)加工工件(2)的激光加工机(1)，包括：用于待加工的工件(2)的工件支座(4)；能够沿着一个或至少两个主轴(X，Y)相对于工件支座(4)移动的移动单元(5)；和设置在移动单元(5)上的光学的加工单元(6)，该加工单元将激光束(3)聚焦到待加工的工件(2)上，其中，加工单元(6)在其关于工件支座(4)的一个端部(6a)上围绕一个或至少两个附加轴(A，B)可摆动地支承在移动单元(5)上，对于每个附加轴(A，B)在移动单元(5)上或在加工单元(6)上各设有一个用于使加工单元(6)的关于工件支座(4)的另一个端部(6b)围绕相应的附加轴(A，B)偏转的驱动装置(7)，并且设有控制装置(8)，该控制装置将激光束(4)在工件(2)上的期望的轨迹分成移动单元(5)沿着该一个或至少两个主轴(X，Y)的运动和加工单元(6)围绕该一个或至少两个附加轴(A，B)的偏转并且相应地控制移动单元(5)和加工单元(6)的驱动装置(7，8)。

Description

具有冗余轴的激光加工机
技术领域
本发明一种用于借助激光束加工工件的激光加工机，其中，该激光加工机包括：用于待加工的工件的工件支座；能够借助驱动装置沿着一个或至少两个主轴相对于工件支座移动的移动单元；和设置在移动单元上的光学的加工单元，该加工单元将激光束聚焦到待加工的工件上。
背景技术
在工件的激光材料加工中力求高的加工速度。在已知的激光加工机中，激光加工头通过确定的驱动装置或者也借助机器人运动，以便能够构成确定的加工几何形状。在其中需要强烈的方向交替的区域中，在高的加工速度下出现显著的加速度，使得到目前为止需要在这样的加工区域中明显地减小激光加工头的运动速度，这又不利地影响所期望的高的加工速度。
发明内容
相对于此，本发明的任务是在开头所述类型的激光加工机中提高加工速度并且由此提高机器性能。
该任务根据本发明通过如下方式解决：加工单元在其关于工件支座的一个端部上围绕一个或至少两个附加轴可摆动地支承在移动单元上，对于每个附加轴在移动单元上或在加工单元上各设有一个用于使加工单元的关于工件支座的另一个端部围绕相应的附加轴偏转的驱动装置，和设有控制装置，该控制装置将激光束在工件上的期望的轨迹分成移动单元沿着该一个或至少两个主轴的运动和加工单元围绕该一个或至少两个附加轴的偏转并且相应地控制这些驱动装置。在仅有一个附加轴的情况下，该附加轴优选平行于一个主轴延伸，而在有两个附加轴的情况下，这些附加轴可以分别平行于两个主轴延伸。
本发明也涉及一种用于借助激光束加工工件的激光加工机，其中，该激光加工机包括：光学的加工单元，该加工单元将激光束聚焦到待加工的工件上；能够借助驱动装置沿着一个或至少两个主轴相对于光学的加工单元移动的、用于待加工的工件的工件支座，并且根据本发明，加工单元在其关于工件支座的一个端部上围绕一个或至少两个附加轴可摆动地支承在保持单元上，对于每个附加轴在保持单元上或在加工单元上各设有一个用于使加工单元的关于工件支座的另一个端部围绕相应的附加轴偏转的驱动装置，和设有控制装置，该控制装置将激光束在工件上的期望的轨迹分成工件支座沿着该一个或至少两个主轴的运动和加工单元围绕该一个或至少两个附加轴的偏转并且相应地控制这些驱动装置。
本发明提供一种冗余的轴系统，该轴系统通过加工单元的动态的附加轴能够明显地提升整个系统的性能。重要的组成部分是光学的加工单元围绕确定的旋转点或围绕旋转轴线或者说摆动轴线的可转动或者说可摆动的支承结构和至少一个高动态的驱动装置，该驱动装置使光学的加工单元偏转至少一个确定的角度。因为仅必须驱动光学的加工单元而不需要驱动移动单元，并且由于光学的加工单元以小的力摆式地偏转，所以得到本发明。附加驱动装置的、即在该或这些附加轴上的动态值(加速度、冲击、加速度)明显大于在该主轴或这些主轴上的动态值，优选是它的至少2至3倍。因为此外整个光学的加工单元偏转，所以避免了加工单元内部的光学的路程比的改变。但是通过摆动，在工件表面上的成像通过焦点的移位而改变。视接收区域而定，在此能够通过主轴或者但是通过成像光学装置的焦点位置调节实现再调节。用于该附加轴或这些附加轴的该或这些驱动装置设置在移动单元上，这改型具有优点：这些驱动装置在加工单元沿Z方向运动时不随着运动。因此，尤其在平台机中能够减小Z方向上的关键的被驱动的质量。
在根据本发明的激光加工机的特别优选的实施方式中，激光束作为离散的光束被耦合输入到加工单元中并且所述加工单元具有成像光学装置、尤其是伸缩式装置，其将耦合输入的激光束成像并且尤其也聚焦到待加工的工件上。通过成像光学装置能够实现对焦点位置的再调节，例如通过用于使各个光学部件移动/移位的装置。
在该实施方式的一种特别有利的扩展构型中，激光束通过一端固定在加工单元上的光缆被耦合输入到加工单元中并且因此与加工单元的相应偏转无关地始终沿着加工单元的光学轴线延伸。此外，该加工单元中的部件和由此成像比保持恒定。
优选地——但是不排它地——通过固体激光器、例如棒状、盘状或纤维激光器或者也通过二极管激光器提供用于激光加工的激光辐射。它们尤其适合通过光缆引导激光辐射。
优选地，在移动单元上或者在保持装置上设有用于使整个加工单元相对于移动单元在从加工单元射出的激光束的方向上移动的驱动装置，使得由此能够使整个加工单元在Z轴上运动并且由此能够调节烧嘴和工件之间的距离。
为了使加工单元在笛卡尔坐标中移动，设有两个高动态的直线驱动装置，它们的平移的驱动方向相互正交地延伸并且撑开一个平面，该平面可以近似平行于工件支座，但是也可以相对于该工件支座倾斜。为了使加工单元在极坐标中移动，设有一个用于径向偏移的高动态的直线驱动装置和一个用于角度偏转的高动态的旋转驱动装置，使得直线驱动装置的平移的径向运动能够与旋转驱动装置的旋转运动叠加。控制装置能够在上下文中理解为一个单元，该单元视加工轨迹和加工策略来决定，是在笛卡尔坐标中还是在极坐标中移动。
本发明在其它方面也涉及用于借助如上构造的激光加工机对工件进行激光加工的方法，其中，将激光束在工件上的期望的轨迹分成移动单元沿着该一个或至少两个主轴的运动和加工单元围绕该一个或至少两个附加轴的偏转并且相应地控制移动单元和加工单元的驱动装置，以及也涉及一种计算机产品，其具有代码单元，当程序在数据处理设备上运行时，该代码单元适合用于执行所述方法。
附图说明
本发明的其它优点由权利要求、说明书和附图给出。上述的和还要继续列出的特征同样能够单独地或者组成地以任意组合使用。所示的和所述的实施方式不应理解为穷尽性的列举，而是对于本发明的说明具有举例的特征。其示出：
图1根据本发明的具有能够相对于工件支座在主轴上移动的激光加工单元的激光加工机的第一实施例；和
图2根据本发明的具有能够相对于工件加工单元在主轴上移动的工件支座的激光加工机的第二实施例。
在附图中两个实施例的彼此相当的部件以符合目的的方式设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示意地示出根据本发明的用于借助激光束3对工件2激光焊接或激光切割的激光加工机1的侧视图。
激光加工机1包括用于待加工的工件2的水平工件支座(例如平台)4、能够沿着两个相互正交的水平主轴X、Y在整个工件支座4上移动的移动单元5(例如XY滑架单元)以及设置在移动单元5上的光学加工单元6，该加工单元随着移动单元5移动并且将竖直射出的激光束3聚焦到待加工的工件2上。
在加工单元的关于工件支座4的上端部6a上，该加工单元6例如通过万向关节或球面接头-接收装置(未示出)可摆动地围绕两个相互正交的附加轴A、B悬挂地支承在移动单元5上，这些附加轴在此分别平行于主轴X、Y延伸。在移动单元5上或者在加工单元6上设有两个能够在X或Y方向上调节的高动态的直线驱动装置7，在附图中仅示出这些直线驱动装置中的X直线驱动装置。两个直线驱动装置7作用在加工单元6的关于工件支座4的下端部6b上并且能够如虚线所示那样使加工单元6相互独立地围绕两个附加轴A、B偏转，即二维地偏转。
用于移动移动单元5的XY驱动装置8和两个直线驱动装置7被控制装置9控制，该控制装置将激光束3在工件2上的期望的轨迹曲线分成移动单元5沿着主轴X、Y的运动和加工单元6围绕附加轴A、B的偏转并且相应地控制XY驱动装置8和两个直线驱动装置7。
(未示出的)激光器的激光束3通过插入到加工单元6中的光缆(玻璃纤维)10作为发散光束耦合输入到加工单元6中。该加工单元6为此在其上端部6a上具有插头接收装置，光缆10的纤维插头10a插入到该插头接收装置中并且能够附加地可旋转地支承在该插头接收装置中。耦合输入的激光束3通过在此构造为透镜伸缩装置的成像光学装置11成像和聚焦到待加工的工件2上。成像光学装置11包括透镜系统，该透镜系统包括能够在光束传播方向上移动的准直透镜12和聚焦透镜13，该准直透镜使从光缆10中射出的激光束3准直并且附加地用于通过在光束传播方向上的移动改变在工件上的焦点位置，该聚焦透镜将激光束3聚焦到工件2上。
在移动单元5上还设有电动的竖直驱动装置14用以相对于移动单元5竖直地移动包括光缆10和成像光学装置11在内的整个加工单元6，以便使整个加工单元6垂直于工件2、即在竖直的Z轴上运动并且由此能够调节加工单元6和工件2以及必要时工件2上的焦点位置之间的距离。
具有光缆10和成像光学装置11的整个加工单元6悬挂地固定并且围绕两个附加轴A、B可旋转地被支承在移动单元5上。两个高动态的直线驱动装置7用于使整个加工单元6以可变的、确定的角度在X或Y方向上偏转。当在X或Y方向上的最大偏转相对于工件2到附加轴A、B的距离很小时，由此得到的对切削过程的影响很小。因此，例如对于X或Y方向上的+/-20mm的最大偏转和600mm的系统总长度而言，加工单元6的最大的偏转角度仅为1.9°，这引起加工单元6到工件3的距离变化仅为0.3mm。因为整个光学加工单元6摆动，所以避免了在加工单元6内部的光学路程比例的改变。通过摆动，在工件表面上的成像通过焦点的移位而改变。视接收范围而定，在此能够通过主轴或者但是也通过成像光学装置11的焦点位置调节实现再调节。
如果应当经过激光束3在工件2上的期望轨迹，则控制装置9将该轨迹曲线分成移动单元5沿着主轴X、Y的具有尽可能少的方向改变的运动和加工单元6围绕附加轴A、B的偏转并且相应地控制移动单元5的驱动装置8和驱动装置7。
代替如所示地能够在两个主轴上移动，也可以仅能在唯一的主轴上移动。代替所示地围绕两个附加轴可摆动地被支承，加工单元6也可以仅围绕唯一的附加轴可摆动地被支承。
在图2中所示的激光加工机1’与激光加工机1的区别在于，在此工件支座4能沿着两个主轴X、Y借助驱动装置8’相对于光学加工单元6移动，加工单元6在其上端部6a上围绕两个附加轴A、B可摆动地支承在保持单元5’上并且用于使加工单元6的下端部6b围绕相应的附加轴A、B偏转的驱动装置7’设置在保持单元5’上或设置在加工单元6上。控制装置9将激光束3在工件2上的期望的轨迹分成工件支座4沿着两个主轴X、Y的运动和加工单元6围绕附加轴A、B的偏转并且相应地控制驱动装置7’、8’。

Claims (23)

1.用于借助激光束(3)加工工件(2)的激光加工机(1)，包括：
用于待加工的工件(2)的工件支座(4)；
能够借助主驱动装置(8)沿着两个主轴(X，Y)相对于所述工件支座(4)移动的移动单元(5)；
将激光束(3)聚焦到待加工的工件(2)上的光学的加工单元(6)，所述加工单元在其关于工件支座(4)的一个端部(6a)上围绕两个附加轴(A，B)可摆动地支承在所述移动单元(5)上；
设置在所述移动单元(5)上或在所述加工单元(6)上的、用于使所述加工单元(6)的关于工件支座(4)的另一个端部(6b)围绕相应的附加轴(A，B)偏转的附加驱动装置(7)；以及
用于控制所述主驱动装置(8)和附加驱动装置(7)的控制装置(9)，
其特征在于，该控制装置被编程以将激光束(3)在工件(2)上沿着所述两个主轴(X，Y)的期望的轨迹分成所述移动单元(5)沿着所述两个主轴(X，Y)的运动和所述加工单元(6)围绕所述两个附加轴(A，B)的偏转并且相应地控制所述主驱动装置(8)和附加驱动装置(7)，通过摆动，工件表面上的成像通过焦点的移位而改变，并且当超过接收区域时进行焦点位置的再调节，其中所述再调节通过成像光学装置和/或通过在竖直Z轴上移动整个加工单元(6)的电动的竖直驱动装置(14)来实现。
2.根据权利要求1的激光加工机，其特征在于，所述两个附加轴(A，B)平行于所述两个主轴(X，Y)的平面延伸。
3.根据权利要求1或2的激光加工机，其特征在于，所述两个附加轴(A，B)分别平行于这些主轴(X，Y)延伸。
4.根据权利要求1或2的激光加工机，其特征在于，所述激光束(3)作为离散的光束被耦合输入到所述加工单元(6)中并且在所述加工单元(6)上设置所述成像光学装置，其将耦合输入的激光束(3)成像到并且也聚焦到待加工的工件(2)上。
5.根据权利要求1或2的激光加工机，其特征在于，所述激光束(3)通过一端固定在所述加工单元(6)上的光缆被耦合输入到所述加工单元(6)中。
6.根据权利要求1或2的激光加工机，其特征在于，在移动单元(5)上设置所述电动的竖直驱动装置(14)，用于使整个加工单元(6)相对于移动单元(5)在竖直Z轴上移动。
7.根据权利要求1或2的激光加工机，其特征在于，所述激光束(3)通过插入到加工单元(6)中的光缆作为发散光束耦合输入到加工单元(6)中。
8.根据权利要求7的激光加工机，其特征在于，所述加工单元(6)在其上端部(6a)上具有插头接收装置，所述光缆的纤维插头(10a)插入到该插头接收装置中。
9.根据权利要求1或2的激光加工机，其特征在于，所述成像光学装置包括透镜系统和聚焦透镜(13)，该透镜系统包括能够在光束传播方向上移动的准直透镜(12)，该准直透镜使从光缆中射出的激光束(3)准直，该聚焦透镜将激光束(3)聚焦到工件(2)上。
10.根据权利要求9的激光加工机，其特征在于，通过准直透镜(12)在光束传播方向上的移动能够改变激光束(3)在工件上的焦点位置。
11.根据权利的要求1或2所述的激光加工机，其特征在于，所述成像光学装置是伸缩式装置。
12.用于借助激光束(3)加工工件(2)的激光加工机(1’)，包括：
光学的加工单元(6)，该加工单元将激光束(3)聚焦到待加工的工件(2)上，
能够借助主驱动装置(8’)沿着两个主轴(X，Y)相对于光学的加工单元(6)移动的、用于待加工的工件(2)的工件支座(4)，
其特征在于，
所述加工单元(6)在其关于工件支座(4)的一个端部(6a)上围绕两个附加轴(A，B)可摆动地支承在保持单元(5’)上，
对于每个附加轴(A，B)在所述保持单元(5’)上或在所述加工单元(6)上各设有一个用于使所述加工单元(6)的关于工件支座(4)的另一个端部(6b)围绕相应的附加轴(A，B)偏转的附加驱动装置(7’)，并且
设有控制装置(9)，该控制装置被编程以将激光束(3)在工件(2)上沿着所述两个主轴(X，Y)的期望的轨迹分成所述工件支座(4)沿着所述两个主轴(X，Y)的运动和所述加工单元(6)围绕所述两个附加轴(A，B)的偏转并且相应地控制所述主驱动装置(8’)和附加驱动装置(7’)，通过摆动，工件表面上的成像通过焦点的移位而改变，并且当超过接收区域时进行焦点位置的再调节，其中所述再调节通过成像光学装置和/或通过在竖直Z轴上移动整个加工单元(6)的电动的竖直驱动装置(14)来实现。
13.根据权利要求12的激光加工机，其特征在于，所述两个附加轴(A，B)平行于所述两个主轴(X，Y)的平面延伸。
14.根据权利要求12或13的激光加工机，其特征在于，所述两个附加轴(A，B)分别平行于这些主轴(X，Y)延伸。
15.根据权利要求12或13的激光加工机，其特征在于，所述激光束(3)作为离散的光束被耦合输入到所述加工单元(6)中并且在所述加工单元(6)上设置所述成像光学装置，其将耦合输入的激光束(3)成像到并且也聚焦到待加工的工件(2)上。
16.根据权利要求12或13的激光加工机，其特征在于，所述激光束(3)通过一端固定在所述加工单元(6)上的光缆被耦合输入到所述加工单元(6)中。
17.根据权利要求12或13的激光加工机，其特征在于，在保持装置(5’)上设置所述电动的竖直驱动装置(14)，用于使整个加工单元(6)相对于保持装置(5’)在竖直Z轴上移动。
18.根据权利要求12或13的激光加工机，其特征在于，所述激光束(3)通过插入到加工单元(6)中的光缆作为发散光束耦合输入到加工单元(6)中。
19.根据权利要求18的激光加工机，其特征在于，所述加工单元(6)在其上端部(6a)上具有插头接收装置，所述光缆的纤维插头(10a)插入到该插头接收装置中。
20.根据权利要求12或13的激光加工机，其特征在于，所述成像光学装置包括透镜系统和聚焦透镜(13)，该透镜系统包括能够在光束传播方向上移动的准直透镜(12)，该准直透镜使从光缆中射出的激光束(3)准直，该聚焦透镜将激光束(3)聚焦到工件(2)上。
21.根据权利要求20的激光加工机，其特征在于，通过准直透镜(12)在光束传播方向上的移动能够改变激光束(3)在工件上的焦点位置。
22.根据权利的要求12或13所述的激光加工机，其特征在于，所述成像光学装置是伸缩式装置。
23.用于借助根据以上权利要求中任一项的激光加工机(1；1’)对工件(2)进行激光加工的方法，其中，将激光束(3)在工件(2)上沿着两个主轴(X，Y)的期望的轨迹分成移动单元(5)或工件支座(4)沿着所述两个主轴(X，Y)的运动和加工单元(6)围绕两个附加轴(A，B)的偏转并且相应地控制所述主驱动装置(8；8’)和附加驱动装置(7；7’)，通过摆动，工件表面上的成像通过焦点的移位而改变，并且当超过接收区域时进行焦点位置的再调节，其中所述再调节通过成像光学装置和/或通过在竖直Z轴上移动整个加工单元(6)的电动的竖直驱动装置(14)来实现。
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