CN104302436B - 用于光学元件的调整运动的传递元件、定位装置、以及具有这种传递元件的用于激光加工机的加工头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种传递元件(52)，其用于将运动驱动器(41)的产生的原始运动传递到光学元件作为调整运动，所述传递元件包括至少一个固体接头(65，66)，其中所述传递元件(52)具有第一固体接头(65)，其在与定位运动的运动路径相切的第一运动方向(53)上是机械刚性的，并且在与第一运动方向垂直的另一运动方向上具有低水平的刚度，并且其中，所述传递元件(52)具有第二固体接头(66)，其在第一固体接头(65)的第一运动方向(53)上是机械刚性的，并且在垂直于第一运动方向(53)和第二运动方向的方向上是弹性的。

Description

用于光学元件的调整运动的传递元件、定位装置、以及具有这 种传递元件的用于激光加工机的加工头
技术领域
本发明涉及用于在定位运动中将来自运动驱动器的产生的输出运动传递到光学元件的传递元件、定位装置、以及具有这种传递元件的用于激光加工机的加工头。
背景技术
从DE 10 2008 030 783 B1已知一种用于工件的激光束角度切割的方法，以及用于实现该方法的激光加工机，该激光加工机中，来自切割气体喷嘴的超声切割气流以倾斜的切割角度被引向工件表面。在那里，工件和激光切割束被相对于彼此运动，其中该倾斜的切割角与进料方向成直角。在这种相对运动过程中，激光切割束在工件表面上的位置以如下方式被调节：使得激光切割束在形成于超声切割气流内的高压区域中照射到工件表面上。为此目的，借助于至少一个光学元件，激光束的焦点被设置在切割喷嘴内，偏心于喷嘴轴线。激光束在其中的调整范围总计为十分之几毫米，其中，该至少一个光学元件的定位精度处于几微米范围内。激光束的定位例如可以通过设置在聚焦光学系统前面的束偏转镜围绕其光束反射轴的旋转而促成。
从US 6,414,785 B1已知—种用于光学元件的定位装置，其具有两个挠性支撑部，所述光学元件经由这两个挠性支撑部而由借助于相应的偏心装置运动的杠杆臂移动，并且在垂直于其光轴的平面中被移位。其中的调整运动沿杠杆臂的轴线方向进行。偏心装置的杠杆臂垂直于偏心装置的旋转轴延伸。这种设置的缺点在于，由于驱动转矩的引入，以及挠性支撑部的延伸到杠杆臂中的布置，低水平的扭转刚度被提供，从而驱动运动到光学元件的调整运动的精确而直接的传递是不可能的。实际上，由于在挠性支撑部中的转矩支撑，在偏心装置中可能发生角误差。
从US 4,767,188 A已知一种定位装置，其具有第一和第二挠性支撑部，以便实现在XY平面内的调整运动。第一挠性支撑部在第一运动方向(例如X方向)上是刚性的，并且在第二运动方向(例如Y方向)上是弹性的。第二挠性支撑部在第一运动方向上是弹性的，且在第二运动方向上是刚性的。这两个挠性支撑部都在XY平面中垂直于第一和第二运动方向的第三运动方向上是刚性的。
另外，该问题经常存在于例如激光加工机中的激光束的光束引导装置中的光学元件的这种布置和调整中，其中仅有小的结构空间可用于提供机械和热稳定的且精确的调整机构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种传递元件以及定位装置和用于激光加工机的加工头，其中，能够在定位运动中实现将来自运动驱动器的产生的输出运动精确地传递到光学元件，同时具有热决定的线膨胀的低水平的影响。
该目的通过具有第一和第二挠性支撑部的传递元件而实现，其中，第一挠性支撑部被形成为在与该传递元件的运动路径相切的第一运动方向上是机械刚性的、并且在与第一运动方向垂直的另一运动方向上具有低水平的刚度，并且其中第二挠性支撑部被设计成在第一挠性支撑部的第一运动方向上是机械刚性的、在垂直于第—和第二运动方向的方向上是弹性的。该传递元件能实现光学元件的精密调节运动，并致使引入到该传递元件的驱动转矩或所引入的调节运动被从第一挠性支撑部尽可能以最小的反应(也即由于机械刚度)直接传递到第二挠性支撑部，以便引入光学元件中，并致使至少第二挠性支撑部最小化或补偿由热导致的运动驱动器或光学元件的长度改变。因此，能够满足连续操作条件下提供高水平的精度的要求，即，这些挠性支撑部能够被加载高应力周期数(high stresscycle number)，并且能够实现对光学元件的可重现的调整运动。
传递元件可以将从运动驱动器所引入的定位运动传递至光学元件，其中，第一挠性支撑部的运动路径处于由第一挠性支撑部的第一运动方向和垂直于第一运动方向的另一运动方向所形成的运动平面中。优选地，沿空间方向或运动方向引入驱动转矩或定位运动，使得第一挠性支撑部的移位运动在运动平面内一也即两维地发生。
第一挠性支撑部可以具有至少一个弯曲舌片，该弯曲舌片在第一运动方向上是刚性的、并传递使用方向，且在横向于第一运动方向的第二运动方向上是挠性的，并且由于驱动器的以及传递元件的运动的一些部分在期望的使用运动的方向上是不起作用的，所以减小了所谓的寄生(parasitic)运动。由于这种富有建设性的措施，可以通过一种简单的方式产生精密的调整运动。
在第一和第二挠性支撑部之间可以设置刚性连接元件。该连接元件优选被形成为在第一和第二运动方向以及与之垂直的方向上是非挠性的，即抗变形的。因此，通过运动驱动器直接引入挠性支撑部中的调整运动的方向，又在第一运动方向尽可能以最小的反应，即，直接地传递到第二挠性支撑部。因此，可以实现调整运动的精度的提高。
连接元件优选被形成为L形的，其中，第一挠性支撑部的所述至少一个弯曲舌片与第一臂接合，并且第二挠性支撑部被设置在另一臂上。因而，可以形成一种结构紧凑的传递元件，其在彼此不同的两个运动方向上补偿了热影响，特别是纵向膨胀。
可以将第一挠性支撑部设置成一端处于支撑元件上，来自运动驱动器的驱动转矩能够在支撑元件处被引入，其中，具体来说，支撑元件与弯曲舌片之间的传递区域具有高水平的刚性，以用于传递运动驱动器的驱动运动。因此，驱动点处的驱动转矩被直接传递给第一挠性支撑部，而不会发生由于弹性效应导致的挠性支撑部的避让。因而，运动驱动器的驱动运动或定位运动可以导致直接地传递，并因而具有高水平的可再现性。
第一挠性支撑部可以具有彼此以一定距离平行的两个弯曲舌片，它们与支撑元件接合，并且在弯曲舌片的相反端部上接收连接元件或连接元件的臂。这样便在支撑元件和为此目的而通过弯曲舌片定位的连接元件之间形成一种平行四边形导引装置，所述的平行四边形导引装置，在运动驱动器的旋转和平移驱动运动被引入到传递元件的情况下，都可以实现在使用运动或第—运动方向上的直接传递。此外，热影响(特别是长度变化)，以及与寄生的、破坏性的定位运动的叠加可被格外减少。
该支撑元件(运动驱动器与之接合)，可以对称地设置在各弯曲舌片之间。因此，就形成了一种紧凑的和节省空间的布置。
支撑元件优选被形成为夹紧元件，其与运动驱动器的驱动轴接合，其中，支撑元件的夹紧力优选能够被调节。为此目的，支撑元件具有一种带狭缝的配置，其中狭缝的间隙能够借助于固定元件被减小，以便实现在驱动轴上的固定。在例如运动驱动器的驱动轴上的偏心轴承的操作过程中，对偏心轴承的无间隙地接收可通过支撑元件而被调节。
第二挠性支撑部可以包括至少一个固定支架，光学元件能够被设置在该固定支架的从连接元件去除的区域或端部上，从而使光学元件不能相对于固定支架旋转。由于第二挠性支撑部或固定支架被垂直于第一和第二运动方向弹性地引导，因而通过向第二挠性支撑部预加应力，可以实现光学元件相对于传递元件的预应力安装，以便无间隙地接收光学元件。因此，可以实现定位运动向光学元件的高精度的运动传递。预应力在其中优选以如下方式提供：使得尽管可能发生部件长度的热致改变，但用于光学元件在定位装置中的无间隙布置的或激光加工机的加工头的无间隙布置的最小预应力得以保持。
包括第一和第二挠性支撑部以及支撑元件和连接元件的该传递元件，可以作为一件或部分地作为一件而被形成。这证明特别是对于减小由热线性膨胀所引起的破坏性运动而言是有益的。
本发明的目的还通过用于光学元件的运动的定位装置来实现，在该定位装置使用前面部分中所描述的传递元件，其中，运动驱动器具有驱动轴，所述传递元件与所述驱动轴连接。因此，驱动转矩的或产生的输出运动的精确实施使得能够实现用于光学元件的调整运动，例如用于激光束的光束形状和/或光束位置的调整。
在该定位装置中，传递元件的第二挠性支撑部可以以如下方式布置成被预加应力的：使得其在运动驱动器(例如驱动轴)的和/或光学元件的轴承中的一个或多个上施加力。由于力的这种施加，实现了各驱动构件的和光学元件的无间隙安装，这是精密调整运动所必需的。
该定位装置可以替代地或额外地具有运动驱动器，该运动驱动器具有被安装成无间隙的驱动轴。因此，不仅原始运动到光学元件的定位运动或控制运动的高精度传递可以被传递，而且驱动轴的角位置还可以通过运动驱动器上或中的测量系统被检测，以便控制光学元件的定位运动。
该定位装置的运动驱动器可以被形成为用于平移运动的线性驱动器。替代地，也可以提供导致旋转运动的旋转驱动器。优选地，运动驱动器被形成为偏心驱动器，其中，传递元件的支撑元件垂直于传递元件的运动方向地接收驱动轴。优选地，使用能够被精确控制的伺服驱动器。不过，替代地，例如针对光束引导部中的光学元件的偶尔调整，通过可手动运动的轴来实现该运动驱动器也是可以想到的。
此外本发明通过用于对工件进行激光切割或激光焊接的激光加工机用的加工头而实现，其中，用于调整光学元件的光束形状和/或光束位置的定位装置被使用，并且具有该传递元件的运动驱动器的输出运动将定位运动传递至光学元件，其中，该传递元件包括第一和第二挠性支撑部。在这种加工头中，激光切割束在切割气体喷嘴中的位置的改变可以使用该定位装置而发生。特别地，在激光束角度切割过程中可以适应激光切割束的位置，使得激光切割束在形成于超声切割气流内的高压区域中照射到工件表面上。激光切割束在光束引导部件内的这种位置的改变在其它应用的场合中也可以是有益的。例如，光学元件可以被形成为反射镜或输出连接器镜(output coupler mirror)，并且可以将该镜设置在其用于控制反射光束的位置中。此外，还可以发生所谓的瞄准(pointing)调整。
附图说明
下面通过附图中所示的示例，更详细地描述和示出了本发明以及本发明的其它有利的实施例及改进。根据本发明，可以单独地或者按照任意组合一起地应用将由说明书和附图中搜集到的各特征。此处：
图1为根据本发明的具有定位装置的加工头的透视图；
图2是加工头的示意性剖面图；
图3是根据图1的加工头的示意性部分剖面图；
图4是沿图3中的横断线IV-IV的示意图；
图5b和c是根据本发明的传递元件的示意图；并且
图6是根据图4的视图中加工头的替代实施例。
具体实施方式
图1中以透视的方式表示出激光加工机的加工头11，该激光加工机未被详细表示出。图2示出了加工头11的示意性剖面图，其具有设置在其上的具有至少一个光学元件15的光束引导部12，激光束13通过光学元件偏转并通过聚焦透镜16聚焦。激光束13通过切割气体喷嘴17射出，以在工件18中产生切割。距离测量装置19设置在工件18与切割气体喷嘴17之间，其在切割气体喷嘴17的金属喷嘴本体与也是金属的工件18之间产生电势差。定位装置21设置在加工头11上，所述定位装置包括至少一个运动驱动器41，并且可以具有用于控制和监测运动驱动器41的测量装置23。在加工头11的上部区域设有冷却剂供应部25，以便对设置在加工头11中的该至少一个光学元件15、特别是偏转镜，以及潜在地与其相邻设置的部件进行冷却。
如图2中所示，工件18可以被形成为管状。在加工过程中，管状工件18可以依照箭头22的方向旋转。如从引作参考的DE 10 2008 030 783 B3中已知的，旋转还发生在激光束角度切割期间。替代地，工件18还可以被形成为平面状，并且被放置在激光加工机的基架的工件支撑部上，或者可以被沿其运动。
在图3中，表示出根据图1的加工头11的上部的示意性剖面图。加工头11具有连至图3中未详细表示的光束引导部12的连接部27。光学元件15被设置成加工头11的外壳28中的偏转镜。光束入射轴31射到光学元件15的偏转表面32上，并产生光束反射轴33，激光束13沿光束反射轴通过切割气体喷嘴17射出。光学元件15被固定到接收部分35，而接收部分35则又相对于外壳28被定位在轴承36上。优选地，设置滚动轴承以用于光学元件15绕竖直轴线37的可旋转布置，竖直轴线37对应于光学元件15的旋转轴线，光学元件15的旋转轴线与激光束13的光束反射轴33一致或者平行并且稍稍偏离于光束反射轴33。运动驱动器41在外壳28的与连接部27相反的部分上被固定到外壳28。该运动驱动器41包括具有测量装置23的伺服电机。该伺服电机对通过一个或多个轴承45可旋转地安装在外壳28中的驱动轴44进行驱动。优选地，提供无间隙的安装，特别是驱动轴44的滚动轴承相对于外壳28无间隙。
偏心装置47直接设置在驱动轴44的自由端上，在该驱动轴上设置另一轴承48，尤其为滚动轴承。端部位置挡块50被设置在例如偏心装置47上，其限制驱动轴44在外壳28中两个端部位置中的旋转运动。
为了将伺服电机所产生的旋转运动作为用于形成光学元件15的调整运动的输出运动而传递到驱动轴44上，提供传递元件52，其将运动驱动器41连接至光学元件15。该传递元件52在—侧上与光学元件15的接收部分35接合，并且在另一侧上与驱动轴44或者施加至驱动轴44的偏心装置47接合。用于通过偏心装置47产生输出运动的偏心度e在图3中被表示出，该输出运动被传递至传递元件52以用于产生调整运动。
定位装置21包括至少一个传递元件52，以及运动驱动器41。在图3所示的实施例中，在定位装置21中包括例如轴承45和48以及偏心装置47。
在图4中，表示出沿图3中的线IV-IV的截面从上方看的视图。利用驱动轴44的旋转运动，通过具有偏心度e的偏心装置47产生偏移量a，从而在运动平面内沿依照箭头53的第一运动方向驱动传递元件52。因此，依照箭头56的定位运动作为围绕竖直轴线37的旋转运动被引入光学元件15中。因此，在具有旋转运动驱动器41的该示例性实施例中，旋转驱动器的运动作为所产生的旋转运动形式的输出运动被传递到光学元件15，用作定位运动或控制运动。利用光学元件15依照箭头56围绕竖直轴线37的旋转，激光束13的精确的预定光束倾斜或在透镜16下面的激光束焦点的精确位移得以实现。
通过图5a、b和5c更详细地表示出根据图3和4的传递元件52的示例性实施例，图5a、b和5c示出了侧视图、俯视图以及剖面图。传递元件52包括支撑元件61，支撑元件61能够与运动驱动器41的驱动轴44接合。为此目的，将支撑元件61形成为夹紧元件，其包括狭缝62，该狭缝的间隙能够借助于固定元件63被改变，以便实现在驱动轴44上的固定布置。在根据图3的示例性实施例中，其中滚动轴承48被设置在偏心装置47上，通过被形成为夹紧元件的支撑元件61而实现了：通过施加预定的夹紧力，在偏心装置47与支撑元件61之间的无间隙配置经由滚动轴承48而被实现。
该传递元件52通过驱动轴44而在运动平面内被驱动，该运动平面对应于图4或图5b中的XY平面。
为了将运动驱动器41的输出运动精确地传递为用于光学元件15的定位运动，传递元件52具有彼此牢固连接的第一挠性支撑部65和第二挠性支撑部66。第一挠性支撑部65包括例如两个弯曲舌片67，它们能够在依照箭头53的第一运动方向上在运动平面内被刚性偏移，且在垂直于第一运动方向53的第二运动方向54上在运动平面内被弹性地偏移。在垂直于运动平面且由箭头55表示的第三运动方向上，弯曲舌片67也被形成为刚性的。为此目的，各弯曲舌片67具有例如带直角的截面(图5c)，其能够在运动方向54上弯曲，而在运动方向53和运动方向55上是抗弯的。优选地，两个弯曲舌片67相对于支撑元件61被对称地设置。各弯曲舌片67接合在支撑元件61的刚性传递区域68中，以便将通过驱动轴44引入的驱动转矩直接引入弯曲舌片67中。各弯曲舌片67平行于支撑元件61，并且在位于与支撑元件61相反的端部处接收连接元件71。连接元件71优选被形成为L形的，并且具有第一臂72，各弯曲舌片67被固定在第一臂72上，或者在第一臂上过渡。因此，支撑元件61经由各弯曲舌片67相对于连接元件71的第一臂72形成—种平行四边形导引装置。在箭头53的方向上，形成偏心装置47的输出运动向使用运动的直接传递，而在依照箭头54的运动方向上，提供弹性挠性以便补偿所谓的寄生运动。在本例中，各运动分量处于运动方向54上，所述运动分量由偏心装置47和传递元件52的旋转运动形成。
连接元件71具有第一和第二臂72、73，第一和第二臂被形成为至少在运动平面内，即在两个运动方向53和54上，是机械刚性的。此外，连接元件71还可以被形成为在依照箭头55的运动方向上是刚性的。因而，被引入到第一挠性支撑部65中的驱动转矩或驱动运动可以经由连接元件71被直接传递到第二挠性支撑部66中。
第二挠性支撑部66包括至少一个固定支架75，其被形成为在依照箭头53、54的第一和第二运动方向上是机械刚性的，而在依照箭头55的另一运动方向上是弹性挠性的。为此目的，与连接元件71相比，固定支架75在厚度上被大大减小，以便形成弹性挠性。固定支架75具有例如U形的轮廓，其利用其各自由臂接合在连接元件71上。在固定支架75的臂部77上设置三个孔，所述的孔彼此处于一定的距离处并且被彼此偏移，在接收部分35上的固定即通过这些孔而实现。由于这种设置，对接收部分35的定位同时被实现，使得其不能旋转。此外，可以将固定支架75精确地销到接收部分35。第二挠性支撑部66补偿了要么运动驱动器41的要么轴44的以及偏转镜15的或接收部分35的线性热膨胀，并且以这种方式确保了调整运动的精度。
在图6中，示出了传递元件52的对图3到5c中所示实施例的替代实施例。在传递元件52的本实施例中，设置为第一挠性支撑部65仅包括一个弯曲舌片，该弯曲舌片被布置在支撑元件61与连接元件71之间。在本实施例中，设置为运动驱动器41被形成为线性驱动器，其能够在依照箭头53的运动方向上运动。由于处于弯曲舌片67的纵轴线上的该运动方向，又可以发生直接的力引入和运动传递，从而提供精密的控制。连接元件71和第二挠性支撑部66与前面附图中所述的实施例相对应。
在本实施例中，还设置为原始或输出运动是在用于光学元件15的旋转调整运动中进行的线性运动。

Claims (10)

1.一种用于光学元件(15)的运动的定位装置(21)，其具有运动驱动器(41)和传递元件(52)，所述传递元件用于将引入到所述传递元件(52)中的运动驱动器(41)的输出运动传递成用于X-Y平面中的光学元件(15)的接收部分(35)的调整运动，所述接收部分(35)被连接到所述传递元件(52)，所述传递元件(52)具有至少一个第一和第二挠性支撑部(65，66)，其中，所述第一挠性支撑部(65)在所述X-Y平面内在第一运动方向(53)上以机械刚性的方式被形成，并且在X-Y平面中在另一第二运动方向(54)上具有低水平的刚度，并且所述第二挠性支撑部(66)被形成为在所述第一挠性支撑部(65)的第一运动方向(53)上是机械刚性的，并且在垂直于第一挠性支撑部(65)的第一和第二运动方向(53，54)且垂直于所述光学元件(15)的X-Y平面的第三运动方向(55)上是弹性的，其特征在于，
所述传递元件(52)的第一挠性支撑部(65)具有至少一个弯曲舌片(67)，所述至少一个弯曲舌片在所述第一运动方向(53)上是刚性的并在横向于所述第一运动方向(53)的第二运动方向(54)上是挠性的，并且所述第一挠性支撑部(65)利用一个端部连接至驱动转矩由所述运动驱动器(41)被引导至的传递元件(52)的支撑元件(61)，并且所述运动驱动器(41)具有与所述传递元件(52)连接的驱动轴(44)，并且所述运动驱动器(41)被形成为偏心驱动器，并且所述传递元件(52)的支撑元件(61)垂直于所述传递元件(52)的运动平面地接收所述驱动轴(44)，
其中，在第一与第二挠性支撑部(65，66)之间设置连接元件(71)，所述连接元件在第一和第二运动方向(53，54)上以及垂直于它们的方向上是刚硬的，
并且其中，所述弯曲舌片平行于所述支撑元件并且在一个与所述支撑元件相反的端部处接收所述连接元件。
2.根据权利要求1的定位装置，其特征在于，所述连接元件(71)被形成为L形的，其中，所述第一挠性支撑部(65)的至少一个弯曲舌片与所述连接元件(71)的一个臂(72)接合，并且所述第二挠性支撑部(66)设置在另一个臂(73)上。
3.根据权利要求1的定位装置，其特征在于，所述第一挠性支撑部(65)具有以一定距离彼此平行的两个弯曲舌片(67)，支撑元件(61)设置在这两个弯曲舌片之间，所述运动驱动器(41)与所述支撑元件接合。
4.根据权利要求1的定位装置，其特征在于，所述支撑元件(61)被形成为夹紧元件，其与运动驱动器(41)的驱动轴(44)接合并且能够调整其夹紧力。
5.根据权利要求1的定位装置，其特征在于，所述第二挠性支撑部(66)具有至少一个固定支架(75)，光学元件(15)或所述光学元件(15)的接收部分(35)能够设置在所述固定支架上使得其不能旋转。
6.根据权利要求1的定位装置，其特征在于，所述第一和第二挠性支撑部(65，66)、所述支撑元件(61)和所述连接元件(71)整体地形成。
7.根据权利要求1的定位装置，其特征在于，所述传递元件(52)的第二挠性支撑部(66)以如下方式设置成预加应力的：使得其在运动驱动器(41)的和/或所述光学元件(15)的至少一个轴承(45，48，36)上施加力。
8.根据权利要求1的定位装置，其特征在于，所述运动驱动器(41)的驱动轴(44)被安装成使得其无间隙。
9.根据权利要求1的定位装置，其特征在于，所述连接元件在第一和第二运动方向(53，54)上以及垂直于它们的方向上是抵抗变形的。
10.用于对工件(18)进行激光切割或焊接的激光加工机用的加工头，其特征在于，设置根据权利要求1至9之一的定位装置(21)，所述加工头的光学元件(15)的用于设置激光束(13)的光束形状和/或光束位置的调整运动利用传递元件(52)被控制。
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