CN104227244B - 电磁驱动永磁自复位式激光切割头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电磁驱动永磁自复位式激光切割头，本申请将手动调节激光焦点的焦点控制单元，换成由差动电磁铁控制的、电涡流位移传感器检测位置的控制装置。本发明为能够使聚焦透镜在水平面上自由移动的电磁驱动永磁自复位式切割头。在技术研究和实际应用中，具有很大的发展前景。

Description

电磁驱动永磁自复位式激光切割头

技术领域

本发明涉及一种电磁驱动永磁自复位式激光切割头，其实现了用电磁铁来控制自复位永磁弹簧单元与聚焦透镜控制外框架的间距，进而来调整聚焦透镜的位置，实现了激光切割头中的激光束与辅助气体的不同轴控制，属于机电一体化技术领域。

背景技术

激光切割加工技术是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。由于激光切割加工有光点小，能量集中，热影响区小，不接触加工工件，对工件无污染，与电子束加工相比应用更方便，激光束易于聚焦、导向，便于自动化控制等优点，并广泛运用到各个行业。据了解在相对于激光束加工过程中随时调整吹风的方向可提高加工效率并且可以防止工件的残渣堵塞吹风口，但是由于传统的激光切割头不能随意的控制聚焦镜片自由移动，并且激光切割头的吹风方向也不能随意调整，使得激光切割机在工作中的加工效率相对较低。

激光切割行走轨迹多为复杂形状，而激光束焦点的位置主要依靠聚焦透镜来调整。如果用传统的液压传动控制系统等机械控制系统调整聚焦透镜的位置，会使激光头的体积增大，重量增加，激光切割头在移动过程中惯性大，移动速度缓慢，精确度较低。

发明内容

发明目的：本发明提供一种电磁驱动永磁自复位式激光切割头，其目的是解决传统激光切割头中聚焦透镜不能自由移动的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种电磁驱动永磁自复位式激光切割头，其特征在于：该切割头包括辅助气体接头、上顶盖、焦点控制单元、中间箱体、下底座箱体和含轴向传感器的辅助气体喷嘴；焦点控制单元包括上焦点控制单元与下焦点控制单元，上焦点控制单元与下焦点控制单元结构相同，上焦点控制单元与下焦点控制单元的中间为中间箱体，上顶盖设置在上焦点控制单元上，下底座箱体设置在下焦点控制单元下，辅助气体接头设置在上顶盖上，辅助气体喷嘴设置在下底座箱体下；供激光穿过的孔贯穿整个切割头；焦点控制单元包括条形坡莫合金块、柱形永磁铁、电涡流传感器、聚焦透镜架、电磁铁、聚焦透镜和聚焦透镜控制外框架；电磁铁由E型铁芯和铁心固定座构成；聚焦透镜架设置在聚焦透镜控制外框架内，电磁铁分布于聚焦透镜控制外框架的内边缘，条形坡莫合金块设置在聚焦透镜架的四周与电磁铁位置对应，条形坡莫合金块与电磁铁留有供聚焦透镜架移动的缝隙，电涡流传感器设置在电磁铁旁边，聚焦透镜设置在聚焦透镜架内。

聚焦透镜架与上顶盖之间、聚焦透镜架与下底座箱体之间均设置有环形永磁铁、定位销、柱形永磁铁和平面球轴承；环形永磁铁与平面球轴承相互交错均匀的布置在固定聚焦透镜的孔的圆周四周，柱形永磁铁插入环形永磁铁的圆内，每个环形永磁体和柱形永磁铁在轴向方向上同心且同级相对，轴向方向上表现为吸引力，水平任意方向为斥力，平面球轴承支撑在上顶盖与聚焦透镜架之间以及下底座箱体与聚焦透镜架之间，使上顶盖和下底座箱体均与聚焦透镜架间形成一定气隙，构成3自由度永磁弹簧结构。

环形永磁铁与平面球轴承各为三个，沿固定聚焦透镜的孔的圆周交替均匀布置，多个环形永磁铁与平面球轴承的圆心连线形成圆，而在这个圆上，环形永磁铁与平面球轴承交替设置，相邻的两个环形永磁铁与平面球轴承之间夹角相同。

在聚焦透镜架边缘安有六个条形坡莫合金块，其中四个条形坡莫合金块均布在聚焦透镜架的两边，剩下两个条形坡莫合金块对称布置在聚焦透镜架的另外两边，处在两个对边的条形坡莫合金块两两对应，每个条形坡莫合金块对应一个电磁铁形成一个电磁铁组，每两个相对的电磁铁组形成一组差动控制电磁铁组，每组差动控制电磁铁组旁边对应设置一个电涡流传感器。

优点及效果：本发明提供一种电磁驱动永磁自复位式激光切割头，本申请将手动调节激光焦点的焦点控制单元，换成由差动电磁铁控制的、电涡流位移传感器检测位置的控制装置。由聚焦透镜架、聚焦透镜控制外框架、平面球轴承、电磁铁（含E型铁芯和铁心固定座）、聚焦透镜、条形坡莫合金块、环形永磁铁和柱形永磁铁构成，其中3个同极性的环形永磁铁和3个平面球轴承穿插对称固定在对应箱体底板凹槽中，3个柱形永磁铁固定在聚焦透镜架的凹槽中，与对应箱体底板中环形永磁铁同心且同级相对布置。在竖直方向上环形永磁铁和柱形永磁体表现为吸引力，水平任意方向表现为斥力，平面球轴承支撑在对应箱体底板与聚焦透镜架间，使箱体底板与聚焦透镜架形成一定气隙，构成轴向自复位永磁弹簧单元。电磁控制装置由电磁铁（含E型铁芯和铁芯固定座），控制器和功率放大器构成，其中电磁铁固定在铁芯固定座上，控制器发出信号，功率放大器接受信号向电磁铁供电。聚焦透镜架边缘安装有6个条形坡莫合金块；在一条直线上的2个条形坡莫合金块与2个有电磁铁和一个电涡流位移传感器构成一组，构成一组差动控制单元。

在电磁控制装置中，总共有6个电磁铁，其中4个电磁铁中以2个为一组安装在两个对立面中，另2个电磁铁安装在侧面的两个对立面上。这样就构成了3组差动控制电磁铁组，用三组电磁铁组控制聚焦透镜架中间的聚焦透镜在直径方向平面方向上平动和转动，与聚焦透镜架边缘相对的电涡流传感器检测移动位置，与差动电磁铁构成闭环控制。

本发明为能够使聚焦透镜在水平面上自由移动的电磁驱动永磁自复位式切割头。该装置将永磁弹簧与电磁铁差动控制结合起来，实现了聚焦透镜在水平面上的自由移动，使得光轴相对于辅助气体喷嘴轴线灵活调整，并且激光焦点移动平稳可靠，速度高，无污染，在电磁铁断电的情况下焦点可以自动回复中心，为激光焦点控制带来方便。在技术研究和实际应用中，具有很大的发展前景。

附图说明：

图1是本发明专利的3维结构图。

图2是切割头爆炸展开图。

图3是本发明专利的聚焦透镜控制单元结构图。

图1中的1为辅助气体接头，2为上顶盖，3为上焦点控制单元，4为中间箱体，5为下焦点控制单元，6为下底座箱体，7为辅助气体喷嘴（含轴向传感器）。

图2中的8为环形永磁铁，9为定位销，10为条形坡莫合金块，11为柱形永磁铁，12为平面球轴承。

图3中13为电涡流传感器，14为聚焦透镜架，15为电磁铁（含E型铁芯和铁心固定座），16为聚焦透镜，17为聚焦透镜控制外框架。

具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，本发明提供一种电磁驱动永磁自复位式激光切割头，该切割头包括辅助气体接头1、上顶盖2、焦点控制单元、中间箱体4、下底座箱体6和含轴向传感器的辅助气体喷嘴7；焦点控制单元包括上焦点控制单元3与下焦点控制单元5，上焦点控制单元3与下焦点控制单元5结构相同，上焦点控制单元3与下焦点控制单元5的中间为中间箱体4，上顶盖2设置在上焦点控制单元3上，下底座箱体6设置在下焦点控制单元5下，辅助气体接头1设置在上顶盖2上，辅助气体喷嘴7设置在下底座箱体6下；供激光穿过的孔贯穿整个切割头；焦点控制单元包括条形坡莫合金块10、柱形永磁铁11、电涡流传感器13、聚焦透镜架14、电磁铁15、聚焦透镜16和聚焦透镜控制外框架17；电磁铁15由E型铁芯和铁心固定座构成；聚焦透镜架14设置在聚焦透镜控制外框架17内，电磁铁15分布于聚焦透镜控制外框架17的内边缘，条形坡莫合金块10设置在聚焦透镜架14的四周与电磁铁15位置对应，条形坡莫合金块10与电磁铁15留有供聚焦透镜架14移动的缝隙，电涡流传感器13设置在电磁铁15旁边，聚焦透镜16设置在聚焦透镜架14内。

聚焦透镜架14与上顶盖2之间、聚焦透镜架14与下底座箱体6之间均设置有环形永磁铁8、定位销9、柱形永磁铁11和平面球轴承12；环形永磁铁8与平面球轴承12相互交错均匀的布置在固定聚焦透镜的孔的圆周四周，也就是说环形永磁铁8与平面球轴承12的圆心连线形成圆，环形永磁铁8与平面球轴承12在这个圆上交替布置，相邻的环形永磁铁8与平面球轴承12之间的夹角相等，柱形永磁铁11插入环形永磁铁8的圆内，每个环形永磁体和柱形永磁铁在轴向方向上同心且同级相对，轴向方向上表现为吸引力，水平任意方向为斥力，平面球轴承支撑在对应箱体底板与聚焦透镜架间，使对应的箱体底板与聚焦透镜架间形成一定气隙，构成3自由度永磁弹簧结构，这样下底板与聚焦透镜架在竖直方向上形成一定刚度，不能自由移动，在水平方向上实现了不通电情况下聚焦透镜自动回复中心。

环形永磁铁8与平面球轴承12各为三个，沿固定聚焦透镜的孔的圆周交替布置，多个环形永磁铁8与平面球轴承12的圆心连线形成圆，而在这个圆上，环形永磁铁8与平面球轴承12交替设置，相邻的两个环形永磁铁8与平面球轴承12之间夹角相同。

在聚焦透镜架边缘安有六个条形坡莫合金块10，其中四个条形坡莫合金块10均布在聚焦透镜架14的两边，两个条形坡莫合金块10对称布置在聚焦透镜架14的另外两边，处在两个对边的条形坡莫合金块10两两对应，每个条形坡莫合金块10对应一个电磁铁15形成一个电磁铁组，每两个相对的电磁铁组形成一组差动控制电磁铁组，每组差动控制电磁铁组旁边对应设置一个电涡流传感器13。

每个焦点控制单元由三组差动控制电磁铁组构成。两个焦点控制单元的结构相同。

每个焦点控制单元中六个电磁铁固定在聚焦透镜控制外框架上，且两个为一组的电磁铁对聚焦透镜实现在水平方向上差动控制，三组差动控制电磁铁组实现激光焦点在平面内稳定移动和旋转。电涡流传感器对聚焦透镜架位置进行检测。上焦点控制单元3和下焦点控制单元5结构相同，安装不同焦距的透镜，实际工作中根据切割材料的不同选择其中一组焦点控制单元工作。

以下结合附图说明本发明的具体实施方式，以便更好的理解本发明，而不是对本发明的限定。

附图所示，其中辅助气体接头1、上顶盖2、中间箱体4、下底座箱体6、和辅助气体喷嘴7为此装置的主体构成并且提前按照要求安装好。再安装之间的焦点控制单元3、5。在一条直线上的两个条形坡莫合金块与两个有电磁铁，一个电涡流传感器构成一组差动控制单元。每组差动控制单元可以实现该方向上的1自由度移动。总共有六个电磁铁，其中四个电磁铁中以两个为一组安装在两个对立面中，另两个电磁铁安装在侧面的两个对立面上。这样就构成了三组差动控制电磁铁组，整个控制装置由三组控制单元构成，如图3所示布置则可实现平面3自由度移动。

本发明使用时，用控制器控制功率放大器向电磁铁输送电流，并且用电涡流传感器13对聚焦透镜架的水平位置进行测量，以此来达到电磁铁对聚焦透镜焦点的控制。

Claims (4)

1.一种电磁驱动永磁自复位式激光切割头，其特征在于：该切割头包括辅助气体接头（1）、上顶盖（2）、焦点控制单元、中间箱体（4）、下底座箱体（6）和含轴向传感器的辅助气体喷嘴（7）；焦点控制单元包括上焦点控制单元（3）与下焦点控制单元（5），上焦点控制单元（3）与下焦点控制单元（5）结构相同，上焦点控制单元（3）与下焦点控制单元（5）的中间为中间箱体（4），上顶盖（2）设置在上焦点控制单元（3）上，下底座箱体（6）设置在下焦点控制单元（5）下，辅助气体接头（1）设置在上顶盖（2）上，辅助气体喷嘴（7）设置在下底座箱体（6）下；供激光穿过的孔贯穿整个切割头；焦点控制单元包括条形坡莫合金块（10）、柱形永磁铁（11）、电涡流传感器(13)、聚焦透镜架（14）、电磁铁(15)、聚焦透镜(16)和聚焦透镜控制外框架（17）；电磁铁（15）由E型铁芯和铁心固定座构成；聚焦透镜架（14）设置在聚焦透镜控制外框架（17）内，电磁铁(15)分布于聚焦透镜控制外框架（17）的内边缘，条形坡莫合金块（10）设置在聚焦透镜架（14）的四周与电磁铁(15)位置对应，条形坡莫合金块（10）与电磁铁(15)留有供聚焦透镜架（14）移动的缝隙，电涡流传感器(13)设置在电磁铁（15）旁边，聚焦透镜(16)设置在聚焦透镜架（14）内。

2.根据权利要求1所述的电磁驱动永磁自复位式激光切割头，其特征在于：聚焦透镜架（14）与上顶盖（2）之间、聚焦透镜架（14）与下底座箱体（6）之间均设置有环形永磁铁（8）、定位销（9）、柱形永磁铁（11）和平面球轴承(12)；环形永磁铁（8）与平面球轴承(12)相互交错均匀的布置在固定聚焦透镜的孔的圆周四周，柱形永磁铁（11）插入环形永磁铁（8）的圆内，每个环形永磁体和柱形永磁铁在轴向方向上同心且同级相对，轴向方向上表现为吸引力，水平任意方向为斥力，平面球轴承支撑在上顶盖（2）与聚焦透镜架之间以及下底座箱体（6）与聚焦透镜架之间，使上顶盖（2）和下底座箱体（6）均与聚焦透镜架间形成一定气隙，构成3自由度永磁弹簧结构。

3.根据权利要求1所述的电磁驱动永磁自复位式激光切割头，其特征在于：环形永磁铁（8）与平面球轴承(12)各为三个，沿固定聚焦透镜的孔的圆周交替均匀布置，多个环形永磁铁（8）与平面球轴承(12)的圆心连线形成圆，而在这个圆上，环形永磁铁（8）与平面球轴承(12)交替设置，相邻的两个环形永磁铁（8）与平面球轴承(12)之间夹角相同。

4.根据权利要求1所述的电磁驱动永磁自复位式激光切割头，其特征在于：在聚焦透镜架边缘安有六个条形坡莫合金块（10），其中四个条形坡莫合金块（10）均布在聚焦透镜架（14）的两边，剩下两个条形坡莫合金块（10）对称布置在聚焦透镜架（14）的另外两边，处在两个对边的条形坡莫合金块（10）两两对应，每个条形坡莫合金块（10）对应一个电磁铁(15)形成一个电磁铁组，每两个相对的电磁铁组形成一组差动控制电磁铁组，每组差动控制电磁铁组旁边对应设置一个电涡流传感器(13)。