CN108817676B - 机床的热概念 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机床的热概念，具体涉及一种激光加工系统(1)，具有控制单元(30)、激光消融装置(10)和气体供应装置(40)，其中，激光消融装置包括用于产生激光束(14)的激光器(12)和激光头(16)，其包括用于将激光器(12)的激光束(14)引导到待加工的工件(22)的表面(20)上的再定向装置(18)，其中，工件(22)被配置在位于工作腔室(28)中的容纳设备(26)中，其中，定位装置(32)被设置为用于激光头与工件之间的相对移动，且其中工作腔室(28)包括用于气体的至少一个入口(46)和至少一个出口(48)。激光加工系统(1)的气体供应装置(40)被构造为提供工作腔室(28)中的气流，以及温度系统(11)被设置为调节气流的温度。

Description

机床的热概念
技术领域
本发明涉及一种激光加工系统，其包括控制单元、激光消融(ablation)装置和气体供应装置，其中，温度系统被设置为控制装置的工作腔室中的气体的温度。
背景技术
用激光束加工基材或工件的激光加工系统是已知的。而且，已知激光加工装置和方法被用于在基材或工件上形成一表面，特别是一个或多个切割边缘(cutting edge，切口)以形成切割工具。关于加工，在短脉冲激光器的帮助下的切割工具激光消融提供了经济地加工非常硬的材料(例如，多晶金刚石或CVD金刚石)的可能性。
激光加工装置通常可以被描述为包括产生光束的激光源，该光束借助反光镜被引向消融的区域。在光束到达消融的平面之前，一聚焦透镜被置于该光束的路径上，该聚焦透镜的作用在于集中光束于一个具有非常小的直径的点，以供应非常高密度的能量。消融是通过材料在光束聚焦的点处的升华作用而得到的。发生消融过程的必要条件是，在足够短的时间内吸收充足的能量以使温度快速升高至使材料分解的点。所有消融过程导致一些消融产物成分(可为气态、液态或固态，称为消融碎屑(ablation debris))的生成。这些消融碎屑是一个重大的问题。
已使用多种方法和设备来尝试捕获和控制在激光消融过程期间生成的消融碎屑。大多数方法和设备依赖于正在被消融的表面附近的某种气流。但气流的应用还可以导致所述加工环境所不期望的干扰。可能导致对加工具有不利影响的气流或气态湍流。此流动可通过在该区域的一侧吹气并从该区域的另一侧强力抽吸而产生，其中，重要的是避免基材的其他部分上或激光消融装置的其他元件上的流体流动而产生的滞留的消融碎屑的沉积。
已知的激光加工系统提供了在内部空间或外壳(enclosure)中的工作区域(被称为工作腔室)，其中，内部空间可以由壳体限定并且可以包括减弱光透射的能打开的屏蔽设备、以及内部空间与外部空间之间的其他元件。这类工件的外壳必须适应于使加工周围的体积完全符合加工所需。外壳必须被密封，其包括至少一个与外界隔开的外壳的内部体积的大体上不透气且不透光的密封和/或外壳内的气体的紧密密封。采用这种外壳，保护激光加工装置的使用者免受光透射和消融碎屑的影响。打开屏蔽设备导致气体和热在工作腔室与环境之间进行交换，其中，工作腔室中设置的装置元件的温度的变化可能产生变形和精度问题。而且，在内部空间中，气流可以被引导到消融点上，其中，适宜以倾斜的角度将气流引导到加工区域上。通过气流将升华期间形成的等离子体从激光的加工区域去除。气体供应装置可以包括多个气体喷嘴，每个气体喷嘴将局部流(partial stream)从不同方向引导到激光束的冲击点附近的加工区域上。
为了限制已知的缺陷，激光消融装置通常可以运用抽吸罩(还被称为喷射器)，该抽吸罩具有提供进出工作区域的一个或多个门及设置为提供轻微低压的抽吸单元。抽吸罩被设置为设计一种不透油、不透水、不透气和/或不透光的工作腔室。然而，工作腔室的密封性(tightness)导致不完全地控制空气流。空气可以通过产生经过所设置的排出管道离开的湍流流动的门的迷宫而进入工作腔室中。空气的湍流流动可以导致工作腔室中的多个区，其中气体、烟气和/或雾不受到抽吸影响并保持在工作腔室中。
而且，不仅消融碎屑的去除必须被解决，而且温度分布对于所加工的部件的精度提升是很重要的。在激光消融装置中，不同的热源引起横跨该装置的与位置和时间相关的非均匀温度分布。这个非均匀温度分布导致热变形误差并引起对于加工精度的不利影响。持久的加工过程通过局部加热过程而产生更多的热量。输入工件的热量导致对大块材料的额外加热，这可能导致局部变形和不利的热影响区。
已知的是，将整个激光加工系统设置到具有受控温度的室(room)中的布置被用于提供激光加工的均匀温度。而且，已知提供了激光加工系统的不同元件的冷却，以及为小的加工元件提供小的电机以降低由其发出的热量。
本发明的一个目的是，提供一种激光加工系统，使得由热效应导致的变形误差以经济的方式最小化。
发明内容
本发明涉及一种激光加工系统，包括控制单元、激光消融装置和气体供应装置，其中，气体供应装置包括供应装置和提取装置。激光加工系统包括激光消融装置，该激光消融装置能够使激光消融基材或工件的表面上的区域，该基材或工件包括设有气体供应装置和温度系统的至少部分封闭的工作腔室。
工作腔室被构造为具有入口和出口的外壳，气流(特别是来自周围的空气)以使其流过待处理的基材的表面、工作区域的方式经由该外壳被设置在外壳的内部体积中，以便夹带(entrap)从基材消融的碎屑并冷却关键区域。所使用的流体优选地是空气，但在一些情况下可以是诸如氮气、氦气、氖气、氩气、氙气和/或氡气的其他气体。气流被用于夹带消融碎屑并引导其离开关键区域或优选地从工作区域完全去除。
而且，有利的是，即使打开工作腔室也不会出现空气流的干扰，并且空气的额外交换量大大减少。
可以通过使气体经由泵和至少一个喷嘴进入工作腔室而生成气流，其中，气体可以经过至少一个明确限定的进气口被压入工作腔室、或者通过提取工作腔室外的气体经过出气口或经过进气口和出气口两者来实现。根据本发明的优选方案，气流的流动通过气体供应装置生成，气流被提供为在整个工作腔室中及消融的区域上大体上以层流的方式流动。气体供应装置包括气体供应结构和气体去除结构。在气体的层流的情况下，消融碎屑去除的效率可以被增加且没有任何再沉积。
优选地，控制气流的控制单元被构造为控制流经封闭的工作腔室的入口和/或流经其出口的气体的物理和/或化学性质，例如，控制单元被构造为控制气体供应装置和/或温度系统。
已知的是，强制对流冷却借助空气喷射装置在现有技术中采用，并且对于从激光加工系统的不同部分(例如，光学元件)中去除热量和消融碎屑是有效的，这种强制对流冷却冲击(impinge)光学元件和力，这是由于该冲击影响了激光加工系统中通常包括的反光镜和透镜的位置和控制。因此，激光加工系统的位置和速度的精度通过使用强制对流冷却而降低。此外，使用光束上的加热空气的湍流导致光学象差(optical aberration)，光学象差趋于增加聚焦点的最小可实现尺寸，以进一步影响系统的精度。
气体沿着预定路径经过被夹带的碎屑颗粒离开起始点的能力取决于所传递的动量并取决于被夹带颗粒的尺寸和重量。为了优化传递到气流中的动量的效率，最有利的情况是附接到待加工的工件区域的层状边界层的形成。对于气流的空气动力学特性，气体喷射的冲击点与激光束之间的距离、气体压力、喷嘴类型和喷嘴直径是选择的多个因素。
在激光加工系统中，已知的是，激光和激光束自身的非常大量的废热聚集在激光中及光学元件中而用于弯曲、聚焦激光束和引导激光束的输出。激光加工系统需要经济有效的冷却系统。根据本发明的装置包括温度系统，其用于调节所引导的气流的温度。通常，温度系统包括用于加热或冷却的设备，其用于调节和控制进入的气流的温度。该设备可以被构造为热交换器，其中使用空气和/或水。例如，水可以被用于第一冷却回路中并可以被进一步用于冷却激光消融系统中包括的电子设备、光学和机械部件。工作区域的热稳定性通过对进入的气流的温度的控制而大幅增加，并且没有会使工作腔室中的空气管理不稳定的干扰的气流。
而且，温度系统包括传感器装置，特别是设置为确定工件的温度、工作腔室中的气体(例如，不同区域处)的温度、以及其他元件的温度的温度传感器。根据本发明的优选方案，IR传感器被设置为确定工件的温度。其他传感器装置被设置为测量工作腔室中的流体的温度。所测量的热值可以通过控制单元被用于控制所进入的气流的温度。控制单元可以通过操作阀而控制热交换器，以例如将进入的气流的温度调节至预定值，其中上述阀调节对热交换器的次级侧上的温度有影响的热交换器的初级侧的温度。其中一个优势在于，受控温度的进入的气流可被用于调节激光消融的系统中包括的元件(如工件和任何机械、电子、光学精度部件)的温度。通过气流保护敏感的机械、电子和光学部件免受消融碎屑的影响。
而且，进入的气流在进入工作腔室之前穿过过滤装置。因此，热交换器可以包括用于吸入气体(例如来自环境的空气)的进气口。并且设有设置在进气口处的过滤装置以防止颗粒从环境进入工作腔室。
气流将携带任何尺寸的消融碎屑的任何颗粒。托盘可以被设置为部分地收集消融碎屑。该托盘可以被布置为使其可以容易地被去除和被清理。气流中夹带的其他颗粒可以在设置在气体供应装置的入口和/或出口处的过滤装置上被吸收。在优选实施例中，过滤装置被设置在适应于吸收消融碎屑的气体去除结构处。例如，预过滤器可以被设置在出气口处以吸收较大的颗粒。设置在抽吸单元中的附加过滤器吸收较小的颗粒，其中，抽吸单元可以包括风扇单元和多种过滤器。例如，过滤器的其中一个可以被设置为吸收有害颗粒，例如钴、镍、铬、锰和铁。
工作腔室可以被构造为双层壁的壁(例如，金属薄片)限制。双层壁之间的间隙可以被填充有隔离材料，例如空气。因此，工作腔室的内部与外部热隔离。
引导输入和/或输出的管道的布置可以是如组合在一起的备用空间的方式。而且，该布置可以用于避免传递热量。例如，包括抽吸单元的气体供应装置可以被设置在激光消融装置下方，以简化管路并例如通过排出气流来避免装置的加热，其中，进气口可以被设置在工作腔室的顶部。
附图说明
现将参考附图描述本发明的示例性实施例，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的激光加工系统的示意图；
图2是包括在根据本发明的实施例的激光加工系统中的热概念(thermalconcept)的示意图；
图3是被引入根据图1所示实施例的激光加工系统的工作腔室中的气流的示意图。
具体实施方式
图1示意性地示出激光加工系统1。激光加工系统1包括具有激光器12的激光消融装置10，激光器12生成激光束14并将激光束引导到具有再定向装置18的激光头16。再定向装置18可以改变激光束14到工件22(还被称为基材)的表面20上的定向(orientation)。再定向装置18包括聚焦光学系统24。基材或工件22被配置在容纳设备26中，容纳设备被放置在限定外壳的工作腔室28中。
激光加工系统1还包括控制定位装置32的控制单元30，通过定位装置32可调节和改变激光头16与工件22之间的相对位置。定位装置32的线性轴线和旋转轴线的数量可以变化。对于工件22及激光头16的线性位移，定位装置32可以包括附加调节设备。激光头16与工件22之间待调节的相对位置由控制单元30控制。控制单元30控制激光头16，用以在工件22的加工之前或加工期间调节或改变加工参数。
激光加工系统1包括气体供应装置40，气体供应装置40包括气体供应结构41以及以生成气流(由箭头44表示)的方式设置的气体去除或抽取结构42。在工件22的加工期间，待加工工件22的表面20的区域中的气流44可以被调节，从而从加工位置去除在激光消融期间由于材料的升华而生成的消融碎屑。而且，激光加工系统1包括温度系统11，这将在下文中详细描述。
在激光消融装置10中，工作腔室28由壳体60限定以形成内部空间，并且可以包括可提供到内部空间的入口的能打开的门62(图1中未示出)。壳体60可以包括双层壁64，双层壁提供在其之间的间隙66，其中间隙66可以充满空气或用于工作腔室28的隔热的任何适合的隔离材料。
为了形成气流44，提供至少一个入口46和至少一个出口48，使得来自工作腔室28的环境的气体可以被压入或被吸入被围绕的工作腔室28。在一个实施例中，工作腔室28被设计为真空腔室，其中抽离线(suctioning off-line)50被连接到真空泵52，使得工作腔室28中可产生受控的真空。优选地，再定向装置18被设置在构造为真空腔室的工作腔室28内，或者替代地，再定向装置可被设置在真空腔室外。
根据图2，示出了激光加工系统1的温度系统11。优选地，压缩空气经由构造为至少一个喷嘴70的至少一个入口46被注入由工作腔室28的壳体60限定的内部空间内。至少一个喷嘴70可被设置在再定向装置18附近，以保护再定向装置免受消融碎屑的影响。气体通常为从激光加工系统10的周围提取的被压缩的新鲜空气，但还可以是氧气或中性气体或者促进消融过程的任何合适的气体。至少一个喷嘴70可以适当地选定其直径及位置，以得到气流44的层流。气流冷却工作腔室28中包含的元件，并且在优选情况下，气流保护再定向装置18免受消融碎屑所产生的污染。至少一个喷嘴70被仔细地设置，因此，气流44的空气动力学特性被设定为层状的。影响气流44的因素是激光束14的轴线与气流44之间的冲击角度、至少一个喷嘴70与工件22之间的间隙、以及气流44的冲击点与工件22的表面20上的激光束14的激光点之间的距离。所有这些和其他因素可以被调节为至少沿着待加工的工件22的表面20实现层状气流44。
根据本发明的优选实施例，气流44的温度借助构造为热交换器80的加热或冷却设备来调节。热交换器80的适合的水回路还可以被用于冷却激光加工系统1的其他部件。或者，还可使用用于冷却其他部件的激光加工系统1的附加热交换器的空气或水回路。热交换器80被设置为在通过入口46进入工作腔室28之前使气流44到达适当的温度。热交换器80包括连接到加热流体的流体线的初级侧以及构造为使进入的气流44到达预定温度的次级侧。在进入热交换器80之前被压入或被吸入的气体经过过滤装置82，过滤装置确保没有颗粒进入工作腔室28。
根据激光加工系统1的优选实施例，控制单元30或另一控制单元适应于管理气流44，例如温度和流动参数。根据本发明的一个实施例，设置了不同的温度传感器84、86。温度传感器84的一个(例如，红外传感器)可以以确定工件22的温度的方式被调节。另一温度传感器86可以被调节以测量被压入或被吸入所围绕的工作腔室28的进入的气流44的温度。而且，其他温度传感器装置可以被用于测量热交换器80的初级水回路的温度、加工结构和/或工件22的温度。所测量的温度值可以被用于控制热交换器80。为此，所确定的温度值被传递至控制单元30或另一控制单元，该控制单元被构造为例如操作用于调节热交换器80的初级侧的温度的热交换器80的阀，以控制热交换器80的次级侧的温度，即，进入的气流44的温度。
从图3中的细节可以看出，进入的气流44被过滤并被加热/冷却至预定温度且经由入口46的装置被引导到封闭的工作腔室28中(优选地以获得层流的方式)。气体可以经由抽离线50被带离或抽离工作腔室28，其中气流44中的消融碎屑的夹带颗粒可以被排出。消融碎屑中包括的较大的颗粒可以被收集到设置在工件22下方的托盘88中。气流中的夹带的消融碎屑可通过经过在工作腔室28外的路径上的过滤装置90来吸收。工作腔室28外的路径可以被设置成使得位于激光消融装置10前方的激光加工系统1的使用者不会受到干扰。

Claims (13)

1.一种激光加工系统(1)，具有控制单元(30)、激光消融装置(10)和气体供应装置(40)，其中，所述激光消融装置(10)包括：激光器(12)，用于产生激光束(14)；和激光头(16)，包括用于将所述激光器(12)的激光束(14)引导到待加工的工件(22)的表面(20)上的再定向装置(18)，其中，所述工件(22)被配置在位于工作腔室(28)中的容纳设备(26)中，其中，定位装置(32)被设置为用于所述激光头(16)与所述工件(22)之间的相对移动，以及其中，所述工作腔室(28)包括用于气体的至少一个入口(46)和至少一个出口(48)，
其特征在于，所述气体供应装置(40)被构造为提供所述工作腔室(28)中的气流，且所述激光加工系统具有温度系统(11)，所述温度系统被设置为调节所述气流的温度，其中所述温度系统(11)包括调节所述气流的温度的至少一个设备和构造为确定热值的至少一个温度传感器(84、86)，其中所述热值通过所述控制单元(30)被用于调节进入的气流的温度。
2.根据权利要求1所述的激光加工系统(1)，其中，所述气体是来自周围的空气。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工系统(1)，其中，所述气体供应装置(40)包括气体供应结构(41)和气体去除结构(42)，使得所述进入的气流(44)借助泵和至少一个出口(48)被压入或被吸入所述工作腔室(28)中。
4.根据权利要求1或2所述的激光加工系统(1)，其中，所述气体供应装置(40)由所述控制单元(30)控制。
5.根据权利要求1所述的激光加工系统(1)，其中，所述至少一个设备被构造为热交换器(80)。
6.根据权利要求5所述的激光加工系统(1)，其中，所述至少一个温度传感器(84、86)被构造为确定所述工件(22)的热值。
7.根据权利要求5所述的激光加工系统(1)，其中，所述至少一个温度传感器(84、86)被构造为确定所述工作腔室(28)中的气体的热值。
8.根据权利要求6或7所述的激光加工系统(1)，其中，由所述温度传感器(84、86)确定的热值被所述控制单元(30)使用，以控制所述热交换器(80)而将所述进入的气流(44)的温度调节至预定值。
9.根据权利要求1或2所述的激光加工系统(1)，其中，所述进入的气流(44)在进入所述工作腔室(28)之前穿过过滤装置。
10.根据权利要求1或2所述的激光加工系统(1)，其中，托盘(88)被设置为部分地收集消融碎屑。
11.根据权利要求3所述的激光加工系统(1)，其中，在适于吸收消融碎屑的所述气体去除结构(42)处设置过滤装置。
12.根据权利要求1或2所述的激光加工系统(1)，其中，所述工作腔室(28)由双层壁限制。
13.根据权利要求12所述的激光加工系统(1)，其中，所述工作腔室(28)的双层壁提供一间隙，所述间隙被填充有隔离材料。
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