CN106061672A - 带有具有配合的偏转单元的线缆引导系统的用于热处理工件的激光束机器 - Google Patents

Abstract

一种激光束机器，其具有用于将激光束发射到待处理的工件上的激光头（3），以及用于使所述激光头（3）物理地运动的运动单元（1、2、9），所述运动单元具有线性运动的机器门架（1）和横向滑架（2），该横向滑架被保持成能够使其在所述机器门架上以横向方式运动，其中，带有最小允许弯曲半径的柔性纤维线缆（10）在上激光头端上的进入点处进入以便传送激光束，并且其中，提供线缆引导系统（12、13）以便至少在其长度的一部分上引导所述纤维线缆（10）。为了提供起源于上文的激光束机器，在该激光束机器中，在纤维线缆（10）不承受过度负载的情况下，激光头（3）的倾斜位置也是可行的，本发明提出所述线缆引导系统（12、13）具有偏转单元（13），该偏转单元装配于所述激光头（3）并且预先规定挠曲的刚性偏转弧，该偏转弧在所述进入点上方延伸并且紧密毗邻所述进入点，并且借助于该偏转弧，所述纤维线缆（10）被引导到所述进入点，并且该偏转弧的半径大于所述纤维线缆（10）的最小允许弯曲半径。

Description

带有具有配合的偏转单元的线缆引导系统的用于热处理工件 的激光束机器

技术领域

本发明涉及激光束机器，包括：

·用于将激光束发射到待处理工件上的激光头，

·用于使激光头空间地运动的运动单元，该运动单元具有线性运动的机器门架（portal），横向滑架（carriage）保持在该机器门架上使得能够使其以横向方示运动，并且激光头安装在该机器门架上，

·带有最小允许弯曲半径的柔性纤维线缆，其将激光束传送到激光头并且因而在上激光头端上的进入点处进入，以及

·用于至少在其长度的一部分上引导纤维线缆的线缆引导系统。

通过使用激光束机器进行热处理用于工件的自动分离、焊接、拆卸、压型、硬化或标记。在此使激光束相对于待处理工件的表面运动。

背景技术

激光束机器具有用于生成激光束的激光源以及激光头。激光束从激光源被供应到所述头部并且被引导到待处理的工件上。激光头的外壳保护性地容纳了集中激光束所需的部件。

激光头和工件之间的相对运动通常被实现为，激光头作为运动单元能够沿所有空间方向运动，使得在工件的处理期间，以受控方式循沿存储在机器控制中的图案。

呈气体激光器、光纤激光器、碟片激光器和二极管激光器形式的高功率激光器被用作激光源，其中，圆形极化或未极化激光辐射主要用于避免轮廓切割期间吸收行为的任何方向性依赖。在工业生产中，尤其是二氧化碳气体激光器（CO₂激光器）、掺钕钇铝石榴石激光器（Nd：YAG激光器）和最近的掺镱石英玻璃振荡器通常被用作碟片激光器或呈光纤形式（镱激光器）。

镜系统或呈柔性光纤形式的光学波导适于将激光束传送到激光头；纤维光学一般能够比镜系统更容易地操作。在此在单个光学纤维内或者在组合成束的多个光学纤维中将激光束引导到激光头。在下文中，术语“光学纤维”或者“纤维线缆”指的是单个纤维和一束光学纤维二者。

纤维线缆固定在激光头的上端处，并且遵循其横向运动和竖直运动。纤维线缆因此铺设成使得其能够遵循激光头的整个潜在运动路径而不会达不到预定的最小弯曲半径（这将导致纤维线缆的破损）。

在小处理区域或低激光功率的情况下，标准线缆悬挂件适用于保持纤维线缆。这里可以提供用于机械保护纤维线缆和用于遵守许用弯曲半径的额外的罩（cover）。这样的罩比如从DE 39 06 571 A1中已知。

然而，在高速切割操作中，可以产生机械振动和大的离心力。这些可以不利地影响光束品质并且甚至导致纤维线缆的破损，从而激光离开进入环境内。

为了降低这种风险，DE 196 07 327 B4提出根据上述类型的激光束机器。这种机器包括用于生成激光束的激光源、用于热处理工件的激光头，以及用于将激光束传送到激光头的纤维线缆。运动单元用于使激光头在工件表面上方的水平平面中运动并且调节其距工件的竖直距离。为了执行水平运动，运动单元包括关于双向连续位移运动学的线性引导系统，该系统允许激光头沿两个位移轴线的平移位移，其中所述两个位移轴线彼此正交并且如带有横向滑架的活动机器门架那样以标准方式就构造设计。

纤维线缆沿整个线性引导系统延伸直到上激光头端处的进入点，并且以足够大的自由弧被供应到所述点。在特别变形集中的长度区段，其由以U形铺设的变形限制的、柔性保护鞘围绕。变形集中的长度区段包括从静止点到活动机器门架以及从这里到活动横向滑架的过渡段。在激光头的平移运动期间，U形保护鞘的腿部的长度变化，而不是U形的半径变化，使得在激光头的运动期间，也遵从引导到其中的纤维线缆的最小弯曲半径。其他控制、数据和供应线能够装纳在保护鞘内，其也被称为线缆拖链或者能量链。

DE 10 2010 004 193 A1描述了一种用于使用激光束在电路板上热连接电子或机械部件的装置。电路板定位在活动平面工作台上，激光发生器设置在该工作台附近并且激光束的偏转光学器件布置于该工作台上。借助于柔性光学波导将激光束从激光发生器引导到准直器，该准直器设置在偏转光学器件的正前方。激光束由准直器平行地对齐并且被引导到基底上。光学波导遵循偏转光学器件在平面工作台上的运动，并且以环圈（loop）形式铺设在线缆拖链中。

US 2010/0147810 A1公开了一种CNC激光束机器，其带有用于发射激光束的激光头和用于激光头的空间运动并且使机器门架和横向滑架线性地运动的运动单元。激光束通过纤维-激光发生器（光纤激光器）生成。光纤激光器被封罩在塑料保护罩内并且在具有预定的最小曲率半径的能量链内被引导。塑料保护罩在此被固定在能量链的开始处和终止处，以避免纤维激光散逸到能量链外。

发明内容

技术目标

激光束机器能够以柔性方式使用并且例如适于要求不仅激光束沿正交方向被引导到工件表面上，而且还要求用偏斜照射的激光束进行处理的纤维切割。这里可能需要激光头能够相对于竖直倾斜，这需要纤维线缆上具有弯曲或扭转负载。

本发明的目的在于，提供一种激光束机器，其中，在纤维线缆不过度加载的情况下激光头的倾斜位置也是可行的。

本发明的大体描述

源于上述类型的激光束机器的这种目的根据本发明被实现，其中线缆引导系统具有偏转单元，该偏转单元安装在激光头上并且预先确定机械偏转弓（mechanical deflectionbow），该机械偏转弓在进入点上方延伸并且紧密毗邻进入点，并且借助于该机械偏转弓，纤维线缆被引导至进入点，并且该机械偏转弓的半径大于纤维线缆的最小允许弯曲半径。

根据本发明，偏转单元（经由其将纤维线缆引导至激光头）固定到激光束机器的激光头。由于这种固定，偏转单元也执行激光头在空间内的所有运动，特别是也相对于竖直倾斜。延伸到上激光头端处的进入点的纤维线缆弧在此由机械刚性偏转弓固定地预先确定。纤维线缆弧因此并非如已知激光束机器中那样由线缆在空间内的自由弧形成而形成，而是该弧被机械地预先确定并且不随时间变化。相对于从现有技术中已知的自由“动态弧”，在下文中这种纤维线缆弧也被称为“静态弧”或者“支撑弧”。静态弧具有下列优点：

·使纤维线缆的位置机械地稳定直到激光头的进入点。特别地发生在带有快速方向改变的切割操作中的离心力不涉及纤维线缆并且仅由偏转单元去除。

·由机械刚性偏转弓预先确定的弯曲半径能够比在形成自由动态弧的情况下必须容许的纤维线缆的弯曲半径小得多。更小的弯曲半径更狭小、需要更小的空间并且因此允许更紧凑的结构。具体地，相比于具有更大延伸的自由弧，在激光头方向改变或旋转时其承受更小的离心加速度。

运动单元包括机器门架，该机器门架能够沿工作台的纵向方向运动。门架状结构的特征在于高度的机械稳定性并且允许在其上安装有激光头的横向滑架沿横向方向（垂直于纵向方向）运动。因此，借助于运动单元，能够使激光头在工作台的整个区域上方运动。

偏转单元直接地或经由一个或多个中间元件间接地紧固到激光头。其包括偏转弓，该偏转弓至少部分地在纤维线缆的进入点上方延伸进入激光头内并且因而在进入点处紧密地毗邻竖直，使得纤维线缆在离开偏转弓时以笔直延伸或最好带有小弯曲地触碰到激光头进入点上。

为此目的，偏转弓优选地相对于激光头设计和设置成使得纤维线缆在远离激光头的接触点处触碰到偏转弓上并且在接近激光头的接触点处从偏转弓向下延伸到进入点。

将纤维线缆从下方供应到偏转弓、在偏转弓上方引导并且使其在偏转弓靠近激光头的一侧处以近乎直线地或至多带有向进入点的轻微弯曲的方式向下通过。偏转弓在此设置成尽可能靠近激光头的纵轴线并且因而确保短的横向延伸，这在偏转单元的给定弯曲半径下尽可能小（=小的横向延伸）。在激光头绕其喷炬尖端（torch tip，所谓的“工具中心点”（TCP））枢转运动期间，或者在激光头绕其旋转轴线旋转期间，纤维线缆必须因此遵循更短的运动路径。

这也由如下事实支持：如上文已经解释的那样，偏转点预先确定纤维线缆的弯曲的静态半径，这能够是相对小的并且优选地在100至150 mm的范围中。

在激光束机器的特别有利的实施例中，纤维线缆和偏转单元的小的横向延伸的优点更甚地增强，在所述实施例中，远离激光头的接触点和延伸通过进入点的光束供应轴线之间的距离（A）小于偏转弓的直径。

光束供应轴线定位在激光切割头的工具轴线中。纤维线缆在此不仅描绘绕偏转弓的半圆；而且描绘比如四分之三的圆。纤维线缆不在具有距工具轴线最大距离（该最大距离将对应于偏转弓的直径）的点处触碰到偏转弓上，而是在更靠近工具轴线的点处触碰到偏转弓上，并且之后被引导围绕偏转弓直到靠近激光头的接触点，在该处其再次离开偏转弓。

由于在激光头上的紧密引导，纤维线缆靠近工具轴线（也被称为C-轴线）的旋转点延伸并且承受离心力，在运动方向快速变化时该离心力尽可能小。

已经表明当偏转单元包括支架和转接器时是有用的，其中转接器经由支架固定到激光头并且将偏转弓连接到纤维线缆的保护管。

如果必要，则纤维线缆可以由比如金属或者塑料的波纹管的柔性保护管围绕。在这种管中，其以受保护的方式供应到转接器，该转接器一方面设有用于柔性保护管的接受器，另一方面设有用于刚性偏转弓的接受器。因此纤维线缆经由转接器通过到达偏转弓。已经在上文提及的远离激光头的接触点（并且纤维线缆在该处进入偏转弓）定位在转接器中或者在其紧邻。

转接器本身被保持在支架上，该支架直接地或者经由一个或多个中间元件间接地连接到激光头，使得其也执行激光头的所有运动，尤其是从竖直倾斜。支架、转接器和偏转弓在此是偏转单元的零件。

尤其对于激光头上的偏转单元的小的横向延伸和紧密引导的方面，当支架具有与激光头的纵轴线围起小于30度的角度的支架中心轴线时是有利的。

尽管支架中心轴线和激光头的纵轴线（工具轴线）因此不平行地延伸，但是它们以锐角会聚，与支架从激光头以钝角（比如90度的角）横向突出的情况相比，这对机器动力学具有更小的影响。“支架中心轴线”在此被理解为激光头上的支架固定和转接器之间的假想笔直连接线。

保护管在运动空间内以区段方式延伸，该运动空间在机器门架和激光头之间的区域中延伸，并且在此其一端连接于转接器并且另一端连接于机器门架。

纤维线缆的保护管被紧固到机器门架的横向滑架并且以一个或多个弧的方式松散地从该处铺设通过这种运动空间。运动空间定位在与待处理工件和激光头相同的机器门架的一侧处。纤维线缆从该处被向上引导到转接器。铺设在运动空间中的纤维线缆遵循激光头的运动。越靠近工具轴线引导纤维线缆，运动幅度越小。在此方面，即使被松散地铺放，但是纤维线缆在运动空间内的铺设长度也尽可能短。

已经表明当保护管被构造成金属的柔性肋片管并且偏转管由铝或者碳纤维增强材料构成时是有利的。

偏转弓优选地具有壁，该壁被构造成以区段方式管状地闭合和/或以区段方式在横截面中呈壳的形式。

部分闭合的横向管壁有助于将纤维线缆固定到偏转弓并且保护其免于机械损坏。在最简单的情况下，偏转弓由经由横向腹板或支柱互连的两个弯曲侧壁构成。

附图说明

现在将参考实施例和附图更加详细地描述本发明。在示意性附图中：

图1以三维视图示出根据本发明的激光束机器的实施例，其带有定位单元和偏转单元，

图2以放大的三维示意图示出带有偏转单元的激光束机器的一个区段，以及

图3以激光束的主视图示出偏转单元。

具体实施方式

根据本发明的激光束机器在实施例中是激光切割机器，并且激光头被构造为激光切割炬3。激光切割炬3由光束供应单元27和适当的毗邻激光切割头24构成。

图1给出激光切割机器的运动单元和向激光切割炬3供应纤维线缆的概览。

运动单元的基本部件和功能从DE 10 2012 008 122 A1已知。其包括机器门架1和横向滑架2，激光切割炬3安装在横向滑架2上。机器门架1和横向滑架2能够沿彼此正交的两个线性轴线5、6运动。激光切割炬3能够借助于线性引导系统9独立于其运动，其中线性引导系统9带有沿位移轴线7和8（方向箭头7；8）沿二个空间方向的位移运动学。激光切割炬3能够沿升降轴线7提升或下降以便调节高度。位移轴线8平行于运动单元的线性轴线5（方向箭头）延伸，并且因此是冗余的（redundant）。位移轴线7、8两者垂直于线性轴线6延伸，使得经由沿位移轴线8的位移通过线性引导系统能够沿冗余轴线5的方向执行激光切割炬3的小运动。由机器门架1实现激光切割炬3沿所述轴线的大运动。

激光切割机器具有掺镱光纤激光器（图中未示出）。掺镱光纤激光器发射工作波长大约为1070 nm并且具有高激光功率（若干kW）的辐射。激光束经由纤维线缆10引导到激光切割炬3。纤维线缆10被构造成柔性光学单个纤维，其设有塑料覆盖物以便保护其不受机械负载损伤。在动态负载时纤维线缆的自由最小弯曲半径指定为200 mm。

纤维线缆10经由安装在横向滑架2上的能量链11向下前进进入运动空间14内，激光切割炬3和待处理工件（未示出）也定位在该运动空间14中。在这个线缆区段上，纤维线缆10由用于额外的机械保护的带有波纹轮廓的金属保护管12覆盖，并且以弧的方式供应到偏转单元13，这将在下文参考图2更详细地解释。为了实现纤维线缆10在运动空间内尽可能小的运动，尽可能近地沿工具轴线引导线缆。能量链11因此被设置成使得一个腿部被固定到横向滑架2并且另一个腿部被固定到激光头的运动单元的线性引导系统9。能量链11因此不仅沿竖直（z-方向）和横向滑架2的运动方向（y-方向）执行激光头的运动，还沿x-方向执行激光头的运动。因此能够保持纤维线缆10在运动空间14中的铺设长度是短的并且能够尽可能近地沿工具轴线引导纤维线缆。

图2以放大比例示出线性引导系统9。其具有双向连续位移运动学，这允许激光切割炬3沿位移轴线7和8的位移。提供能够经由驱动器23位移的以抽屉的方式构造的伸缩单元22以便沿位移轴线8的运动。在其远端，抽屉是叉形的并且形成激光切割头24的枢转接头。此外，具有不变长度的两个支柱31a、31b经由球窝接头连接到激光切割头24。支柱31a、31b借助于滑块32、32b被支撑成能够沿滑动轴线运动，其中每个滑块均具有一个驱动器。滑动轴线与彼此围起53°的角度并且生成相对于位移方向8倾斜36°角度延伸的平面。

工具中心点是激光束的焦点，其一般定位在待处理工件的表面上或在其略下方。当激光切割头24的取向改变时，能够在线性引导系统的辅助下以近似空间固定的方式保持工具中心点。

为了避免当激光切割头24沿承载设置的方向倾斜时与线性引导系统的碰撞，激光切割炬3包括光束偏转单元26，其将激光束引导到激光切割头24。光束供应轴线28延伸通过光束偏转单元26并且从其偏移到穿过激光切割头24的工具对称轴线25（激光切割头的对称轴线）。这种偏移设置产生激光切割头24沿激光切割头的对称轴线方向的更小延伸，并且减少了激光切割头24的空间需求。因此，在倾斜时，激光切割头24能够进入凹口33，这整体上允许激光切割头24的大倾斜角度和大工作区域。

根据本发明，通过使用偏转单元13由供应纤维线缆10的特殊方式促进了激光切割头24的大运动自由度，这将在下文更详细地解释。

偏转单元13包括紧固到激光切割炬3的金属保持支架131、由保持支架保持的金属转接器132以及碳纤维增强材料的偏转弓133。其基本上由两个弯曲的侧颊板（side cheek）构成，所述颊板在下侧上经由腹板互连。侧颊板具有2 mm的壁厚。偏转弓133是非常刚性的以致在正常发生的机械负载方面，其确保150 mm的构造上的预先确定的弯曲半径。转接器132在其下端设有用于保护管12的接受器并且在其上端设有用于偏转弓133的接受器。

保持支架131从激光切割头24以锐角斜向上延伸，如将参考图3更详细地解释的那样。纤维线缆10经由转接器132引导到保护管12外越过静态偏转弓133，且从该处以几乎笔直的线到达光束供应单元27的进入点35。由于连接到激光切割头24，偏转单元13也执行激光切割头24在空间内的所有运动而偏转弓133的形状不因此改变。

偏转弓133的横向颊板引导纤维线缆10并且保护其免受机械损坏。偏转弓133的上出口端紧密地毗邻进入光束供应单元27内的纤维线缆10的进入点35，以致在脱离偏转弓133之后其几乎沿笔直线延伸到进入点35。

由于共同运动和结构上的静态的预先确定的偏转弓133，纤维线缆10直到进入点35的位置被机械地稳定，即，在激光切割头24相对于竖直倾斜时也是这样。由激光切割头3的快速方向变化引起的离心力不涉及纤维线缆10并且由偏转单元13去除。

此外，由机械刚性的偏转弓133预先确定的弯曲半径（在实施例中是150 mm）能够远小于在自由弧形成的情况下必须容许的纤维线缆的弯曲半径（这里标准是至少200 mm）。因为更小的弯曲半径更少地横向延伸，因此其需要更小的空间并且允许更紧凑的结构。具体地，相比于更大横向延伸的自由纤维线缆弧的情况中将出现的情况，在激光切割头24的方向变化或旋转时，其承受更小的离心加速度。在此方面，作用在纤维线缆10上的力也保持成小的。

纤维线缆10在远离激光切割头的接触点134处（这是进入偏转弓133的进入点；在图2中，其被偏转弓133的壁遮挡）触碰到偏转弓133上并且在靠近激光切割头的接触点136处（这是离开偏转弓133的出口点）从偏转点133几乎以笔直线向下延伸到纤维线缆的进入点35。

图3是激光切割炬3、弯曲激光切割头24和偏转单元13的主视图。在这个视图中，光束供应轴线28和工具对称轴线25相继延伸。

围绕偏转弓133引导纤维线缆10直到靠近激光切割头的接触点136，在该点处其再次离开偏转弓。纤维线缆10从偏转弧进入点134直到出口点136描绘了围绕偏转弓133的四分之三的圆。

保持支架131的中心轴线135与所述轴线25、28围起小于30度的锐角α。偏转弓133具有230 mm的直径（半径：115 mm）并且被设置成尽可能靠近轴线25和28。这表明轴线25、28和远离激光切割头的接触点134之间的距离A小于偏转弓133的直径。在实施例中该距离是200 mm。

因此，纤维线缆10在偏转弧进入点134处触碰到偏转弓133上，其中该进入点134不处于距激光切割头24的最大距离。由于纤维线缆10在更靠近激光切割头24的点处触碰到偏转弓133上，因此纤维线缆10和保护管12被引导成尽可能靠近激光切割头24的轴线25、28和工具轴线（C-轴线）的枢转点。因此，纤维线缆10在激光切割头24快速运动变化时承受由离心力引起的更小机械负载并且在激光切割头24旋转时承受小扭矩。

Claims (9)

1.一种激光束发射机器，包括：

·用于将激光束发射到待处理的工件上的激光头（3），

·用于使所述激光头（3）空间地运动的运动单元（1、2、9），所述运动单元具有线性运动的机器门架（1），横向滑架（2）保持在所述机器门架（1）上使得能够使所述横向滑架（2）以横向方式运动，并且所述激光头（3）安装在所述横向滑架（2）上，

·带有最小允许弯曲半径的柔性纤维线缆（10），其将所述激光束传送到所述激光头（3）并且因而在上激光头端上的进入点（35）处进入，以及

·用于至少在所述纤维线缆（10）的长度的一部分上引导所述纤维线缆（10）的线缆引导系统（12、13），

其特征在于，所述线缆引导系统（12、13）具有偏转单元（13），所述偏转单元（13）安装在所述激光头（3）上，并且预先确定刚性偏转弓（133），所述刚性偏转弓（133）在所述进入点（35）上方延伸并且紧密地毗邻所述进入点（35），并且所述纤维线缆（10）借助于所述刚性偏转弓（133）被引导到所述进入点（35），并且所述偏转弓（133）的半径大于所述纤维线缆（10）的所述最小允许弯曲半径。

2.根据权利要求1所述的激光束机器，其特征在于，所述纤维线缆（10）在远离所述激光头的接触点（134）处触碰到所述偏转弓（133）上并且在靠近所述激光头的接触点（136）处从所述偏转弓（133）向下延伸到所述进入点（35）。

3.根据权利要求2所述的激光束机器，其特征在于，所述偏转弓（133）具有在100至150mm范围中的半径。

4.根据权利要求2或3所述的激光束机器，其特征在于，远离所述激光头的所述接触点（134）和延伸通过所述进入点（35）的激光头纵轴线（28）之间的距离（A）小于所述偏转弓（133）的直径。

5.根据前述权利要求中任意一项权利要求所述的激光束机器，其特征在于，所述偏转单元（13）包括支架（131）和转接器（132），其中所述转接器（132）经由所述支架（131）固定到所述激光头（3）并且将所述偏转弓（133）连接到所述纤维线缆（10）的保护管（12）。

6.根据权利要求5所述的激光束机器，其特征在于，所述支架（131）具有支架中心轴线（135），所述支架中心轴线（135）与所述激光头纵轴线（28）围起小于30度的角度（α）。

7.根据权利要求5或6所述的激光束机器，其特征在于，所述保护管（12）以区段方式在运动空间（14）内延伸，所述运动空间（14）在所述机器门架（1）和所述激光头（3）之间的区域中延伸，其中，所述保护管（12）一端连接于所述转接器（132）并且另一端连接于所述横向滑架（2）。

8.根据权利要求5至7中的任意一项权利要求所述的激光束机器，其特征在于，所述保护管（12）被构造成金属的柔性肋片管并且所述偏转弓（133）由铝或者碳纤维增强材料制成。

9.根据前述权利要求中任意一项权利要求所述的激光束机器，其特征在于，所述偏转弓（133）具有壁，所述壁被构造成以区段的方式管状地闭合和/或以区段的方式在横截面中呈壳形式。