CN103930235A - 用于激光加工系统的头部组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于激光加工系统(优选地光纤激光加工系统)的头部组件。组件系统允许在激光加工系统中聚焦透镜组件相对于射束路径的稳定的和滑动聚焦位移。组件系统使得容易更换期望的聚焦透镜组件。可进行适应性修改以提供聚焦移位的计算机化处理器控制以及安装后的光学组件及其位置的检测。

Description

用于激光加工系统的头部组件

技术领域

本发明涉及一种用于激光加工系统的头部组件。更具体地，本发明提供一种使得能够相对于激光加工系统中的射束路径更换和移位聚焦光学装置的组件系统。

背景技术

工业应用提供用于激光系统的末端头部。这些末端头部过去涉及聚焦光学系统和透镜插入件，所述聚焦光学系统和透镜插入件相互永久连接并在插入之后防止聚焦光学系统相对于射束路径对准。

其它传统的结构涉及单独的聚焦光学系统和透镜插入件，所述聚焦光学系统和透镜插入件在末端头部中在准直仪组件与喷嘴组件之间间隔开，所述末端头部具有不同尺寸的聚焦光学系统所需要的可交换适配器板，例如在美国专利5，702，622中所示，该专利的内容通过引用在此全文并入。

在美国5，702，622的聚焦光学系统中，沿着射束路径在外界大气与聚焦光学系统中的聚焦透镜的自旋调节装置之间需要一开口。这种结构允许以持续暴露到外界大气和直接数字式手动调节的不精确性的缺点单独地更换组合式自旋调节装置和聚焦透镜系统。

发明内容

响应于以上考虑中的至少一个，本发明涉及一种用于激光加工系统(优选地，光纤激光加工系统)的头部组件。所述组件系统允许聚焦透镜组件相对于激光加工系统中的射束路径的牢固的和滑动的聚焦移位。

本发明的另一方面涉及用可滑动调节透镜模块容易地更换期望的聚焦透镜组件。

所提出的本发明的可选改进能够使计算机化处理器控制装置可操作以用于电子控制透镜组件的聚焦移位。

所提出的本发明的进一步可选改变可操作以在使用期间对安装的光学组件进行远程检测。

根据本发明的进一步可选实施例，提供了一种用于激光加工系统的头部组件，包括：沿着激光的射束路径插入的可操作透镜组件；单个盖板，所述单个盖板以与限定所述射束路径的边界的限定边界式透镜接收器密封布置的方式固定所述可操作透镜组件；调节系统，所述调节系统能够操作以在所述密封布置中沿着横向于所述射束路径的方向调节所述透镜组件；聚焦系统，所述聚焦系统能够操作以在所述密封布置中使所述透镜组件在平行于所述射束路径的轴向方向上聚焦；并且所述透镜组件包括与透镜模块可相对滑动地布置的透镜镜筒，该透镜模块将透镜单元能够更换地固定在所述射束路径中。

根据本发明的另一个可选实施例，提供了一种头部组件，其中：调节系统还包括：第一枢轴臂和第二枢轴臂，所述第一枢轴臂和所述第二枢轴臂绕平行于所述射束路径的公共枢转轴线可枢转地固定到所述盖板；用于在所述限定边界式透镜接收器外部远程枢转所述枢轴臂中选定的一个的装置；和用于将所述透镜镜筒可释放地推向所述盖板且推入到与在每一个相应的所述枢轴臂上的镜筒支撑部分强制接触的状态的装置。

根据本发明的进一步改进，调节系统进一步包括：用于相对于沿着相应的所述枢轴臂的每一个相应镜筒支撑部分并平行于所述射束路径对准所述透镜镜筒的装置。

根据本发明的更进一步改进，所述用于远程枢转的装置包括用于在上述密封布置中绕所述公共枢转轴线远程地驱动所述相应镜筒支撑件中的至少一个并能够操作以相对于所述射束路径驱动所述透镜组件的装置。

根据本发明的更进一步改进，设有聚焦系统，所述聚焦系统进一步包括：固定在所述透镜镜筒的表面上的驱动齿条组件；所述驱动齿条组件能够操作以在沿着所述射束路径的滑动方向上驱动一销，该销从所述驱动齿条组件延伸穿过在所述透镜镜筒中的平移狭槽；并且所述销能够释放地固定到所述透镜模块，从而有效地将滑动的所述销的平移传递给所述透镜模块，从而与所述销一起在聚焦方向上沿着所述射束路径平移所述透镜模块。

本发明的以上及其它方面、特征和优点将从接合附图获悉的以下描述中变得清楚，其中相同的附图标记表示相同的元件。

附图说明

图1是用于激光加工系统的头部组件的透视图；

图2是沿着图1中的截面2-2的头部组件的透视剖视图；

图3是用于激光加工系统的聚焦透镜组件的透视图；

图4是图3中的聚焦透镜组件的倒置透视图；

图5是图4的进一步旋转透视图；

图6是沿着图5中的截面6-6的透视剖视图；

图7是图6中的视图A的特写视图；

图8是图7的处于反转定向的修改的局部透视图，指明了调节系统和限制透镜模块的旋转的对准组件元件的枢转点；

图9是单个盖板的透视图；

图10是调节系统中的一个枢轴臂组件的透视图，指明了相对于枢转中心线P-CL的振鸣枢转方向P枢轴臂。

具体实施方式

以下详细地描述本发明的实施例。尽可能地，在附图和描述中使用相同或类似的附图标记，并且相同或类似的附图标记表示相同或类似的部件或步骤。附图是简化或示意性形式，而没有按比例绘制。仅为了方便和清楚起见，方向性术语(上游/下游等)或运动性(前/后/枢转等)术语。这些方向性术语和类似的方向性术语将不会以任何方式被解释为限制本发明的保护范围。

以下参照图1-3，提供了一种用于激光加工系统(优选地，光纤激光加工系统)的示例性头部组件1。光学准直仪组件2通过聚焦透镜组件4和滑动窗体组件5与喷嘴组件3间隔开。窗体组件5能够以允许密封更换该窗体组件5体的方式可从透镜组件4的壳体向外滑动(图1中的箭头)。

透镜组件4包括单个盖板6，所述单个盖板6经由穿过通过所述壳体的相应孔6A’以接合壳体的壁的螺钉6a能够密封地安装在壳体上，如图所示。任选的，一个或多个对准销(未示出)可以从壳体的壁向上延伸并接合盖板6上的对准销孔6B，如图所示，从而提供可重复的容易对准。将被理解的是，对准销6B可以可选地从盖板6延伸。

保护罩10如图所示可铰接地安装在盖板6上(注意摆动箭头)并提供对调节系统(随后论述)的固定到单个盖板6的内侧的X-Y控制器8、8的保护。此外，还为聚焦调节系统(随后论述)设置聚焦控制装置9。观察窗体7被设置成视觉地但密封地检查透镜组件元件，如随后所述。为方便起见，设置相对于控制器8、8、9的一个或多个参考刻度，如图所示。

另外要理解的是，头部组件1可以被适应性地修改以沿着所示的数字通道经由外部处理接收器/致动器51或从内部指示器(随后论述)接收内部传感器信号。此外，设置可选的计算机化处理控制器52，所述计算机化处理控制器可以接收来自处理接收器51的数据信号，并相应地可以处理和发送数字调节或聚焦指令给自动调节或聚焦系统(未示出)。将要理解的是，在这种改进中，处理控制器52设有可适当操作的电子存储器、信号接收器、和可操作的数据处理器以及变送器，如本领域技术人员所理解的。

查看图1中的剖视图2-2，提供了对相对于盖板6滑动地容纳透镜模块12的透镜镜筒11的结构的可见访问。透镜单元13可移除地安装在透镜模块12中，并且可操作以允许容易更换不同焦距透镜，例如f125、f200或f250透镜可以被容易定位或调节，如将论述的那样。多个限制和固定弹簧14在弹簧沟槽15(图4)中缠绕在透镜镜筒11的外表面上并朝向盖板6推动透镜镜筒11，如将要论述的。图3中所示的弹簧14围绕透镜镜筒11在方向B、B上延伸并被固定，如将要论述的。为了便于说明，图3中的弹簧14被显示处于非固定位置。

以下参照图3-10，聚焦透镜组件4在位于弹簧沟槽15中被拉紧的弹簧14(被显示为安装在相应的弹簧支架6D中但是未固定)与X-Y调节组件30中的相对枢轴臂31、31之间将透镜镜筒11固定到盖板6。如随后将要论述的，枢轴臂31、31中每一个都具有镜筒支撑表面32和沿着单个公共枢转中心线P-CL(图10)的共同枢转摆动臂33、33。每一个镜筒支撑表面32、32的外侧上都具有相应的对准孔37A、37A以用于以螺纹接合的方式容纳相应的对准螺钉37、37，从而与透镜镜筒11进行面接触(图6)。这样，可以相对于每一个臂组件调节透镜镜筒11以允许在初始安装之前以稳定的方式进行并行且细微的X-Y轴对准调节。

进一步地，每一个X-Y控制通道8、8可控制地调节相应的驱动螺钉36，所述驱动螺钉密封地突出穿过盖板6中的开口8A(图10)并通过由套管销(图6中被显示但未标记)固定到盖板6的密封套管37B(图6)以螺纹接合的方式被固定。每一个镜筒支撑部分32、32的下侧都具有相应的驱动螺纹支承表面36A，所述驱动螺纹支承表面被成形为在支承接触使用期间容纳驱动螺钉36的端部。以这种方式，相应的控制通道8、8被调节，并且转动驱动螺钉36、36，从而克服由弹簧14提供的限制弹簧张力沿着相应的弧P(图10)升起摆动臂。因此，螺钉36、36的相应调节经由对准螺钉37使相应的镜筒支撑件32以推动接触的方式在透镜镜筒11的外表面上移动，从而相对于通过头部组件1的射束路径在X-Y方向上移动。

每一个相应枢轴臂组件31的外缘都包括紧邻弹簧14的相应弹簧支架6D的相应弹簧狭槽34。以这种方式，枢轴臂组件31、31在X-Y调节或聚焦调节期间不会干扰弹簧14，如以下将要论述。

聚焦组件或系统16包括通过柔性驱动装置18将通道9连接到弯曲连接器20以用于操作齿条驱动组件21的密封套管17。齿条驱动组件21包括从通道9容纳远程驱动控制装置的齿条螺纹21A，相对于固定小齿轮(如图所示)旋转，并沿着延伸通过包围透镜镜筒11的一部分的聚焦套环1和透镜镜筒11的紧邻部分(参见图6-7)两者的狭槽23可滑动地驱动驱动销22。这样，驱动销22如由方向箭头所示相对于穿过聚焦透镜组件4的射束路径轴向地平移(图7)。

在透镜镜筒11内延伸的透镜模块12如先前所述支承透镜单元13。透镜模块12的外表面的一部分可接近狭槽23并包括用于可操作地接合驱动销22的远端的螺纹连接孔24。这样，驱动销22的轴向平移在轴向方向上将透镜模块12平移到射束路径，如由方向箭头所示(图7)。

透镜模块12包括用于牢固地容纳可移除透镜单元13的限定边界式内表面。一个或多个止动件29、29”使得能够积极地接收不同长度的透镜单元13(在图6中显示了一个较短长度的透镜单元)。在透镜模块12的内表面的任意端部上的相应的锁定螺纹27’、27”允许固定不同长度的透镜单元。这里，透镜单元13包括在唇状边缘上的透镜25和弹簧间隔器28A，且螺纹弹簧28被保持螺纹接合在弹簧螺母28与透镜单元13的接合内螺纹之间，如图所示。螺纹锁紧环26将透镜单元13固定到锁定螺纹27′并将透镜单元固定在透镜模块12中。

在透镜模块12a的远端唇状部上，V形密封件60包括不锈钢插入件61并在聚焦调节期间沿着透镜镜筒11的内表面滑动地密封透镜模块。密封件60和插入件61的布置增加预加载荷功能以在调节期间密封透镜模块12并有助于透镜模块12对中。

被保持在透镜镜筒11的紧邻表面上的凹部中的外密封环62(图6、7和8)允许在聚焦透镜组件4相对于射束路径的滑动插入或移除期间与头部组件1的元件的滑动密封。

另外，任选的滑动对准装置70(图8)包括在透镜镜筒11中用于沿着引导狭槽(未给出附图标记，但所有在图8中被示出)以螺纹接合的方式容纳对准销的对准开口。以此方式，多于一个的滑动对准和非旋转装置可操作地设置在聚焦透镜组件4中。

在图9和图10中，显示了盖板6的内部结构。连续外密封沟槽40包含能够在组装之后完全可操作地压力密封透镜镜筒11和相关的内聚焦机构或系统16的连续密封件40′(图4、5、6和8)。铰链支架38、38从盖板6的内表面突出，具有如图所示的两个腿部并在所述腿部之间限定一空间。相应枢轴臂组件31的相应摆动臂33、33的端部重叠并如图所示在每一个铰链支架38的腿部内相邻，使得在每一个臂(如图所示)中的枢轴孔39B沿着公共枢转中心线P-CL(图10)与每一个铰链支架38的每一个腿部中的枢轴孔39A对准，从而使得能够插入同轴枢轴销39C。为了适应从盖板6的相对侧插入相应的枢轴销3C、3C，相应的销沟槽40A、40A提供随后在安装之后通过罩衬垫40′的弯曲被密封的销推压通道。

沿着盖板的内表面是与连续密封件沟槽40紧邻并在组装期间能够被连续密封件40’遮盖的一系列凹部50A、50B、和50C。凹部50A、50B、和50C被定位成用于可操作地容纳可操作以检测安装在透镜模块13中的特定类型的透镜单元13中的一个或两者以及透镜模块12和透镜单元一个或两者相对于盖板6的移动的的特定传感器(未示出)或磁性传感器。在任何结构中，相应凹部中的传感器可操作以将数据信号发送给处理传感器装置51”并因此发送给远程处理控制器，从而能够实现数字反馈。因此，在本发明的一个可选布置中，调节组件和聚焦组件的计算机控制借助于处理反馈。

将要理解的是，如用于论述罩门6的措词“单个”用于说明连续(可气压密封的)盖板。这样，盖板6允许在适当的操作压力下气态冷却聚焦透镜组件4，同时防止污染。类似地，术语“单个”不禁止其中形成的用于容纳密封开口、窗体、或调节控制器的开口，只要盖板可操作以用于密封即可。

进一步要理解的是，在不背离本发明的保护范围的情况下，可以修改头部组件以提供另外的冷却系统、传感器监测系统、计算机控制调节和聚焦系统、或大气控制系统(所有都未示出)。进一步要理解的是，一个或多个计算机处理单元/控制单元(CPU的)可以为相应的激光系统部件提供集成系统操纵和控制。例如，虽然未示出，但是每一个所提出的实施例可以任选地与一个或多个CPU集成。

进一步要理解的是，通过适当的可操作修改，所提出的头部组件可以用作切割头以及任选地用作焊接头。在任何使用中，还要认识的是，接收暴露于环境的操作的表面可以被涂层以用于平滑外观、持久耐用或焊接或切割喷溅的非粘附性。在不背离本发明的保护范围的情况下，可以使用任何适当的材料，金属、陶瓷、玻璃、结晶或非晶物质。

已经参照附图描述了本发明的优选实施例中的至少一个，对于本领域技术人员显而易见的是本发明不局限于那些确切的实施例，而是在不背离本发明的保护范围或精神的情况下可以对当前公开的系统进行各种修改和改变。因此，目的是本公开内容涵盖本公开内容的修改和改变，只要所述修改和改变落入所附权利要求及其等效形式的保护范围内。

Claims (14)

1.一种用于激光加工系统的头部组件，包括：

沿着激光的射束路径插入的可操作透镜组件；

单个盖板，所述单个盖板以与限定所述射束路径的边界的限定边界式透镜接收器密封布置的方式固定所述可操作透镜组件；

调节系统，所述调节系统能够操作以在所述密封布置中沿着横向于所述射束路径的方向调节所述透镜组件；

聚焦系统，所述聚焦系统能够操作以在所述密封布置中使所述透镜组件在平行于所述射束路径的轴向方向上聚焦；并且

所述透镜组件包括与透镜模块可相对滑动地布置的透镜镜筒，该透镜模块将透镜单元能够更换地固定在所述射束路径中。

2.根据权利要求1所述的头部组件，其中：

所述调节系统进一步包括：

第一枢轴臂和第二枢轴臂，所述第一枢轴臂和所述第二枢轴臂绕平行于所述射束路径的公共枢转轴线可枢转地固定到所述盖板；

用于在所述限定边界式透镜接收器外部远程枢转所述枢轴臂中选定的一个的装置；和

用于将所述透镜镜筒可释放地推向所述盖板且推入到与在每一个相应的所述枢轴臂上的镜筒支撑部分强制接触的状态的装置。

3.根据权利要求2所述的头部组件，其中：

所述调节系统进一步包括：

用于相对于沿着相应的所述枢轴臂的每一个相应镜筒支撑部分并平行于所述射束路径对准所述透镜镜筒的装置。

4.根据权利要求3所述的头部组件，其中：

所述用于远程枢转的装置包括用于在上述密封布置中绕所述公共枢转轴线远程地驱动所述相应镜筒支撑件中的至少一个并能够操作以相对于所述射束路径驱动所述透镜组件的装置。

5.根据权利要求1所述的头部组件，其中：

所述聚焦系统进一步包括：

固定在所述透镜镜筒的表面上的驱动齿条组件；

所述驱动齿条组件能够操作以在沿着所述射束路径的滑动方向上驱动一销，该销从所述驱动齿条组件延伸穿过在所述透镜镜筒中的平移狭槽；并且

所述销能够释放地固定到所述透镜模块，从而有效地将滑动的所述销的平移传递给所述透镜模块，从而与所述销一起在聚焦方向上沿着所述射束路径平移所述透镜模块。

6.根据权利要求5所述的头部组件，进一步包括：

用于在上述密封布置中在所述限定边界式透镜接收器外远程驱动所述驱动齿条组件的装置。

7.根据权利要求6所述的头部组件，其中：

所述用于远程驱动的装置还包括：

用于能够操作以将柔性驱动构件的远程驱动运动平移给所述驱动齿条组件上的柔性连接器的密封套管组件。

8.根据权利要求1所述的头部组件，还包括：

位于所述透镜模块的内部上的至少一个台阶，所述至少一个台阶用于在组装期间将所述透镜单元容纳在所述至少一个台阶上；

在与所述至少一个台阶相关联的所述透镜模块的所述内部上的至少一个内部锁定螺纹，所述至少一个内部锁定螺纹用于将所述透镜单元保持在所述透镜模块和所述至少一个台阶之间；和

锁紧环，所述锁紧环以螺纹接合的方式接合所述内部锁定螺纹以将所述透镜单元固定在所述至少一个台阶与所述透镜模块之间。

9.根据权利要求8所述的头部组件，还包括：

在所述透镜单元中紧邻保持唇状部的可操作透镜；

在所述透镜单元的内表面上的内部螺纹；和

能够操作地释放的推动螺母，所述推动螺母将所述可操作透镜弹性推动到与所述保持唇状部保持接触，从而在所述调节系统和所述聚焦系统中的一个的使用期间相对于所述透镜模块有效地固定所述透镜。

10.根据权利要求1所述的头部组件，还包括：

至少一个滑动对准系统，所述至少一个滑动对准系统相对于所述透镜镜筒滑动地引导所述透镜模块并防止所述透镜模块与所述透镜镜筒之间的相对旋转。

11.根据权利要求1所述的头部组件，还包括：

可操作以滑动地布置在所述透镜镜筒与所述透镜模块之间的透镜模块密封件。

12.根据权利要求1所述的头部组件，还包括：

至少一个位置传感器，所述至少一个位置传感器能够操作以感测所述透镜模块的位置和所述透镜单元相对于所述透镜镜筒的位置中的一个；以及

所述至少一个位置传感器能够操作以产生在上述密封布置中能够由在外部控制处理器处接收的位置信号。

13.根据权利要求1所述的头部组件，还包括：

数字控制装置，所述数字控制装置能够操作以驱动所述调节系统和所述聚焦系统中的至少一个并且相对于所述射束路径有效地定位所述透镜组件；以及

所述数字控制装置包括产生数字调节信号以通过所述数字控制装置调节所述透镜组件的外部控制处理器。

14.根据权利要求1所述的头部组件，还包括：

准直仪系统，所述准直仪系统能够操作地并能够释放地密封至所述可操作透镜组件的上游侧；

窗体组件系统，所述窗体组件系统被能够操作地并能够移除地密封到所述可操作透镜组件的下游侧；和

喷嘴组件，所述喷嘴组件被密封地固定在所述窗体组件系统的下游侧，由此在所述激光加工系统的使用期间射束从所述准直仪系统穿过所述喷嘴组件。