CN109693041A - 雕刻系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本申请案涉及一种雕刻系统及其操作方法。使用激光作为刀具的雕刻系统包含激光机柜，其具有三点悬挂系统，用于将所述机柜安装在例如台子等表面上。所述三个悬挂点排列成三角形，其中所述悬挂点中的至少一者在所述雕刻刀具在xy平面内的平移场的前中心或后中心。而其它两个悬挂点安装在所述场的左前和右前拐角或所述场的左后和右后拐角，或靠近那些位置。使用所述三个排列成三角形的悬挂点，其中的至少两个的高度可独立调整，所述激光机柜可升高并定向，以便使刀具平移场的平面在雕刻操作期间平行于所述工件的目标表面。在所述刀具为激光的情况下，所述机柜还承载气体激光管，以及用于将其输出引导到沿所述z轴向下瞄准且经装备以用于xy轴场中的可编程平移的喷嘴的光学系统。

Description

雕刻系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及雕刻系统,且更具体地说，涉及一种改进的用于其中安装雕刻刀具(通常激光)的机柜的悬挂系统。所述悬挂系统允许调整雕刻刀具作业平面的高度和定向，以便在整个雕刻操作中保持基本上平行于工件的目标平面。

背景技术

在本人的第8,309,881号美国专利，本人公开了一种激光雕刻系统，其包括支撑台和配备有激光的机柜，所述机柜可调地安装在台子上，用于将激光束沿着延伸穿过台子的开放式顶部的z(垂直)轴朝作业表面引导。工件可安装在本专利中上描述的若干不同类型的支撑车中的任一者上或由其支撑，或工件可放置在地板上，在此情况下，忽略所述台。本专利描述一种用于将激光机柜可调地支撑在台子或地板上的四点悬挂系统。悬挂系统包含位于激光机柜上的四个拐角点处的手动操作螺杆。随着时间的过去，已发现四点悬挂操作起来不必要地困难。

发明内容

本发明是对'881专利中所公开的悬挂系统的改进。根据改进发明，激光机柜支撑在仅三个点处，其中的至少两个的高度是可调整的，且已发现这允许更快、更容易且更好地调整相对于将雕刻的工件的表面的激光高度和定向。通过此三点悬挂，激光置于正确的焦点处，并始终保持在正确的焦点处。

在一个实施例中，所有三个悬挂点都是可调整，以确定激光作业平面的空间中的高度和定向。本文公开一种便利的计量装置来促进高度调整过程。

在另一实施例中，结合用于较小的较便携激光机柜的可折叠台子示出，悬挂点中的仅两个是可调整的，而第三点借助于台子上的支撑垫或板来固定。

在两个实施例中，提供车来支撑工件，且所述车包含升降器系统。在具有一个固定高度点的悬挂系统的情况下，使用车升降器来将机柜相对于工件的高度设定在固定点。接着使用可调整的悬挂点来恰当地设定激光喷嘴相对于工件的高度，以及激光行进场相对于工件的定向。

在所有所说明的实施例中，三个悬挂点优选布置成三角形，而激光行进场基本上是矩形；即在x-y平面内。一旦悬挂点优选位于激光机柜的前部或后部的中心，而其它两个；即上文所述的第二实施例中的可调整点大体上位于机柜的后部或前部拐角中。如果固定点位于中心前部，那么所述两个可调整点在相对的后拐角中，且沿x轴隔开(当看激光移动场时的横轴)。

激光机柜优选具有查看窗，其允许操作者在所有相关时间看激光喷嘴以及其在工件上方的移动，以及雕刻系统对工件的作用。可使用消除薰烟累积的排气系统。

如上文所指示，本文公开本发明的两个实施例：较大固定安装，其中激光机柜安装在顶部具有矩形开口的大型重台子结构上，使得激光束可被引导通过所述开口到工件的表面上。此实施例中的工件支撑在较复杂的车上，其具有电动机驱动的高度系统，用使工件支撑表面沿z轴来回移动。然而，升降旗并不实现工件的倾斜来改变其定向。

在设计来结合较小便携式激光雕刻系统使用的其它实施例中，台子是轻量且可折叠的以方便储存和/或运输，且优选使用三点悬挂系统，其中沿x轴的中心点处于固定高度。此实施例中的车安装在轮子上，以便容易四处移动的，且使用手摇曲柄来实现高度控制目的。

本文还公开一种在围绕平行于激光喷嘴行进的x轴的对称轴旋转时可借此雕刻圆柱形或渐细圆柱形物体的装置。

如本文中所公开，将在阅读详细描述本发明的各种实施例的以下说明书后明白本发明的这些和其它目标和益处，应理解，所属领域的技术人员可想到对这些实施例的修改和添加。

附图说明

本发明的各种特征、优点以及其它用途通过参考以下详细描述以及图式将变得更明显，在图式中：

图1是位于工件上方的支撑台上的激光雕刻系统的前透视图，工件又由紧挨位于支撑台的开放区域之下的推入式车承载；

图2是图1的系统的四分之三视图，其中激光机柜的盖子是打开的；

图2A是用于在三个悬挂点中的一者处设定激光喷嘴相对于目标表面的高度的计量装置的示意图；

图3是可由图1和2的设备可进行的雕刻过程的步骤的流程图；

图4是图1和2的系统的简图，包含雕刻系统的控制面板与各种受控元件之间的连接；

图5是图1和2的设备的俯视图，其还以框图形式示出激光管的各种元件以及用于激光管的电力供应器和冷却系统；

图6是用于CO2激光管的冷却系统的示意性图表；

图7是图1和2的系统的正视图，其中激光机柜处于水平条件，以在具有水平顶部表面的工件上雕刻；

图8是图1和2的系统的正视图，其中调整激光机柜来容纳倾斜的工件的目标表面；

图9是用于对渐细圆柱形物体执行雕刻过程的附加装置的透视图；

图10是使用可折叠台的便携式激光雕刻系统的正视图；

图11是图10的便携式雕刻系统的俯视图；以及

图12是用于图10和11中的实施例中的可折叠台的透视图。

具体实施方式

参看图1、2、7和8，示出一种激光雕刻系统，其包括大体上矩形的基座台10，其具有大体上平坦的顶部表面，所述顶部表面具有较大的中心开口，所有视图中的基座台支撑激光雕刻机柜12，其具有带查看窗15以及把手48和50连同排气管道46的铰合盖13。安装在机柜12内的是激光系统14，其包含安装在横向承载梁54上的向下瞄准的激光雕刻喷嘴16，横向承载梁54又安装在前后输送系统梁52上，所述前后输送系统梁装备成使得激光喷嘴16可由控制中心18编程以在二维x-y平面内移动，其中x轴由梁54界定，y轴由输送梁52的定向界定，且z轴是喷嘴16的垂直或瞄准轴。

机柜12安装在基座台10的水平表面上，使得激光机柜的开放底部与基座台10中的开口重合，从而允许来自喷嘴16的激光功率束截取搁置在车22的顶部表面上的工件30的顶部表面并对其操作。机柜12且因此激光喷嘴16的作业平面在x-y坐标系中的水平是借助于前中心支撑件20以及左后和右后可调整支撑件24和26来设定的，所述支撑件包含延伸穿过安装到激光机柜的器具并搁置在基座台10的顶部表面上的拇指轮螺钉，如在图2和7中最佳示出。

在操作中，图3中示意性地示出操作者所进行的步骤序列。顶部框3A表示以下步骤：将工件30放置在车22的顶部表面上并将车推入基座台10的腿28之间的区域中，使得待雕刻的表面在激光喷嘴16的正下方，且待雕刻的区域与喷嘴16可在x-y坐标平面内移动通过的区域重合。

在下一下部框3B中，此处将由控制面板20执行且通过所述控制面板执行的步骤是操作车22中的升降系统来升高工件30的目标表面，直到其位于邻近前部可调整支撑装置20的前中心点处的激光喷嘴16的焦点处或附近为止。

如图3中的框3C中所示，借助于控制面板16来将激光喷嘴移动到紧邻可调整安装件20的位置，且使用图2A中所示的手持式计量装置21来手动调整可调整安装件20，来将工件30的目标表面放置在距喷嘴16某一距离处，所述距离准确地对应于喷嘴的焦距，从而确保从激光到待雕刻的目标表面的最大电力传送。这是至关重要的，因为与焦点的任何显著偏差都将导致所传送电力的显著损失。

下一步骤3D是个别地操作后拐角调整器24和26，并在左后和右后拐角处相对于工件30的目标表面再次计量激光喷嘴，以确保激光喷嘴16的操作平面在所有位置都处于距工件30的目标平面恒定距离的作业场中，或将其以另一种放置，以确保激光在x-y坐标系中的操作平面平行于也在x-y坐标系中的工件30的目标平面。

最终步骤3E在图3中示出，是以已知方式开始和进行激光雕刻操作，其中激光机柜的盖13闭合，且连接到排气管道46的排气扇全面操作。

如本人先前发布的专利第8,309,881号美国专利中所公开，与x轴输送梁54以及y轴输送梁52和56相关联的输送系统，激光喷嘴可以任何预编程模式相对于工件30的作业表面或目标表面移动，以进行涉及几乎任何种类的数字、字母和图像的雕刻操作。典型输送系统包含步进电动机、刹车和缆线，如本领域中众所周知且无需在本文献中详细描述。

如图4中所示，控制面板具有与例如具有显示屏82的膝上型计算机相关联的拨号盘和其它控制装置以及键盘80，来借助于存储器和控制系统84来在待雕刻的所要图像或消息中编程。如熟悉激光雕刻的操作的人也将很好地理解，可由控制单元86编程的激光的电力电平改变激光束的有效深度，以例如切穿工件的材料，或将材料去除到某一等级来暴露工件的材料，其可或可不由油漆或其它材料上色。车升降器由单元88控制，还可编程且可由控制面板18的开关90控制。激光机柜优选具备与盖13上的铰链相关联的安全开关，以防止控制面板操作单元84、86和88中的任一者，除非盖13完全闭合。

如图8所示，有可能工件30′相对于车22的顶部表面不平，在此情况下，调整器24和26采用不同水平，从而使机柜12倾斜，直到激光喷嘴的操作平面变为平行于工件30的目标表面；因此，确保喷嘴16在所有相关时间距工件30′的目标表面恰当的焦距。

如图6所示，此系统中的激光优选为CO2激光管32，其长度大约为36″，且朝向机柜的后部固定在围封体中，如图5所示。如所属领域的技术人员将明白，激光管接通和断开，且由单元86根据电力电平来控制，所述单元以预编程方式从控制面板18操作。激光管32具有40瓦电力供应器46以及冷却系统，所述冷却系统包含例如水的冷却剂，其流通通过导管100到具有电冷却风扇38的散热器36。已发现在本人的系统中不必使用水的累积器或贮槽作为散热器和管系统，包含具有充足容量来使激光管32冷却的泵106。

所属领域的技术人员还将理解，CO2激光管的输出不在可见光谱内。因此，期望提供红色激光器44连同组合器，其使激光管32的不可见输出光束与红色激光束汇合并预对准，并引导共同对准的光束通过镜面系统到喷嘴16，其如先前描述沿z轴朝待雕刻的工件的表面瞄准。

如图5中所指示，提供用于x-y坐标驱动系统的步进驱动器108，且提供紧急停止装置110来在发生故障的情况下终止雕刻操作。

图6示出用于激光管32的冷却系统34，以包含具有冷却风扇38的散热器36，以及内联泵40和流响应性安全开关42。

回顾一下，使用运载激光管32和用于将组合的不可见和可见光束引导到z轴喷嘴16的系统的激光机柜12来将可变功率激光束引导到安装在具有升降系统的车22的顶部表面上的工件30或30′的表面，所述升降系统用以将工件升高到激光系统的操作范围中。激光系统预编程的以致使激光喷嘴移动通过对应于将雕刻在工件表面上的数字、字母和/或总图像的一系列移动。

将激光喷嘴放置在正确距离处以在激光的整个操作平面且在工件的整个目标平面之上实现从喷嘴16到目标工件的最大可控电力传送的关键调整是通过首先使用前中心调整器20和计量装置21将喷嘴16放置在确切距离处的前中心位置，来实现从喷嘴到工件的最大电力传送。计量装置21被构造成捏合唇部23下方的喷嘴16上的套环或凸缘，而计量装置的底部25搁置在工件的顶部表面上。旋转调整器20上的旋钮，直到计量装置在喷嘴的凸缘与工件的顶部表面之间形成完美接触为止。

喷嘴16接着向目标表面的左后拐角移动，且计量器再次结合调整器24使用，来实现喷嘴与目标表面之间的正确距离。调整的最终步骤是使喷嘴向目标区域的右后拐角移动，且结合计量装置21使用调整器26，来将机柜放置在正确的总定向上，以适应目标表面的x-y平面相对于车的支撑表面的任何倾斜。因此，喷嘴16的作业平面有效地平行于工件30或30′的目标表面，而不管其在空间中的水平性。

现参看图9，示出可放置在车22的顶部表面上以接纳将由来自喷嘴16的光束雕刻的圆柱形或渐细圆柱形物品60。装置包括框架69，其具有带可旋转缓震轮64和66的第一区块62，所述可旋转缓震轮可通过调整器68和70在x-y平面内升高和/或移动。

平行于轮64和66的是第二区块72，其运载用橡胶外围带连同轮64和66来缓震的可旋转导轮74和76。将物品60放置在轮子上，且借助于区块62中的电动机来驱动轮子64和66中的一者来在雕刻操作随着电力供应到激光器而使装置60旋转，从而致使在装置60的旋转期间，光束从喷嘴16省略。

所属领域的技术人员将理解，操作或使用至此描述的系统的各种方式是可能的。作为第一实例，车22可采用各种形式。尽管图中示出为具有带实质且永久构造的轮子的机柜类型，但可使所述车为便携式且可折叠来实现较小的激光雕刻系统，且促进储存。

作为与上文所述的系统的第二显著偏离，所属领域的技术人员将明白，激光机柜12及其所承载的激光系统可直接放置在大面积工件上或地板上，而不使用介入基座台10。并且，以所描述的方式来使用计量和调整系统20、21、24和26，以确保激光喷嘴在x-y坐标系中的操作平面在所有时间都平行于待雕刻的表面，从而确保从激光管32通过镜面系统到喷嘴16以及从此处到待雕刻的物品的表面的最大电力传送。

所属领域的技术人员将想到对本文所述的说明性实施例的进一步和额外添加和修改，以适应各种和各类操作情境和条件。

现参看图10到12，示出较小“便携式”雕刻系统，其包含用于激光雕刻系统的机柜102，所述激光雕刻系统包含激光管波束产生器，以及光学系统和z轴指向的喷嘴，方式与相对于图1的实施例描述的大致相同，但标度较小。因此，那些细节在此处不重复，以示出机柜102并入有铰合盖103，其具有查看窗118，所述查看窗与雕刻场基本上共同延伸，使得操作者可观察雕刻过程。

图10到12的系统进一步包含呈具有支撑部件108、110和112的可折叠管框架结构的形式的台子100，来容纳激光雕刻系统的机柜102。部件108是焊接到台子的中心后管的固定垫，且激光雕刻器的机柜102固定地搁置在其上，如图11所示。台子100的前管与后管之间的细长部件110和112也容纳激光机柜，且明确地说为安装在机柜102的左前和右前拐角上的旋转螺钉可调整支撑件114、116的脚提供搁置点。元件108、114和116一起提供三点支撑/悬挂系统，其允许调整激光机柜102以及其中的激光喷嘴的高度和定向，使得激光喷嘴行进通过平行于搁置在带轮车104的顶部的工件120的作业表面的作业平面。车104配合到折叠台100的腿中以及之间，如图10所示。注意，车104具有手动操作的曲柄升降器，其具有适当齿轮和其它必需机构，以允许车的支撑表面相对于雕刻系统的机柜102升高和降低。车104和台100两者具有脚轮形轮子。手曲柄杠杆105操作所述升降器。

在图10到12的系统中，作业表面相对于雕刻机柜102内的激光喷嘴的高度的调整由车104中的升降器来进行；即对于台子100上的中心后垫所提供的支撑件108不存在可调整特征，从而简化其结构和操作。一旦已实现高度来将激光喷嘴放置在距待雕刻的工件的表面恰当的焦距，就接着根据需要来调整拇指轮螺钉114和116，来结束升高和定向机柜102以及其中的激光喷嘴的作业平面，使得其在雕刻过程期间始终平行于待雕刻的工件的作业表面的过程。

图10到12的实施例说明以下事实，尽管三点悬挂系统的几何形状保持三角形，但可具有支撑点中的一者作为固定支撑，且依靠车中的升降器来将喷嘴放置在距工件恰当的焦距处，而其它两个支撑件(在此情况下，114和116)保持可调整，来不仅提供高度调整，而且提供倾斜或定向调整。还示出固定支持108可在中心后部而不是在中心前部的实施例，如相对于图1的实施例的情况。图2A中所示的计量装置以与在图1到9的系统中使用相同的方式结合便携式系统使用。

Claims (20)

1.一种雕刻装置，其包括：

机柜，其界定xyz坐标系，所述机柜具有开放底部；

雕刻刀具，其安装在所述机柜内，且可穿过所述开放底部来操作，以可编程平移通过xy轴场，来对工件执行雕刻操作；以及

三点悬挂系统，其用于建立所述机柜相对于工作表面的高度和定向，其中所述悬挂系统的所述点中的至少两个是可调整的。

2.根据权利要求1所述的雕刻装置，其中所述刀具是沿z轴瞄准的激光。

3.根据权利要求1所述的雕刻装置，其中所述三个悬挂点布置成三角形。

4.根据权利要求3所述的雕刻装置，其中所述悬挂点中的一者固定在沿x轴的中心点，在所述机柜的前部或附近。

5.根据权利要求3所述的雕刻装置，其中所述悬挂点中的一者固定在所述机柜的中心后部或附近。

6.根据权利要求1所述的雕刻装置，其进一步包含用于所述机柜的支撑台，所述台具有基本上对应于所述雕刻刀具的几何形状的开口，且与所述雕刻刀具的xy平移场垂直处于相同位置。

7.根据权利要求6所述的雕刻装置，其进一步包含车，其可放置在所述机柜下方，且适合于运载所述雕刻刀具可对其进行操作的工件，所述车具有升降器系统，用于使所述工件沿所述z轴且相对于所述机柜移动。

8.根据权利要求7所述的雕刻装置，其中所述升降系统是电动机驱动的。

9.根据权利要求7所述的雕刻装置，其中所述升降系统是手动可操作的，且所述台是可折叠的。

10.根据权利要求1所述的雕刻装置，其中所述机柜具有带查看窗的铰合盖，所述查看窗大体上与所述刀具的所述xy平移场共同延伸。

11.一种激光雕刻系统，其包括：

a.基座台，其用于支撑激光雕刻装置；

b.机柜，其具有开放底部且含有可编程激光雕刻装置，所述可编程激光雕刻装置具有沿穿过所述开放底部的z轴瞄准的激光束喷嘴；以及控制系统，用于在具有于所述z轴相同的坐标系中的x和y轴的作业平面内移动所述激光喷嘴；

c.用于在所述基座台与所述机柜之间提供第一支持点的装置；

d.工件支撑装置，其用于将界定目标平面的工件放置在所述激光束喷嘴下面；以及

e.一对可调整装置，其位于所述机柜与所述基座台之间的两个隔开的支持点处，以调整所述机柜相对于所述基座台的定向，从而将所述激光作业平面平行于所述目标平面放置。

12.根据权利要求11所述的激光雕刻系统，其中所述台是具有腿以及用于支撑所述激光机柜的顶部水平表面区域的刚性结构，所述台是开放式的，以允许来自所述激光喷嘴的光束沿所述z轴朝所述作业平面中的所述工件的表面引导。

13.根据权利要求11所述的激光雕刻系统，其中所述机柜含有用于所述激光的冷却系统、沿所述x轴且平行于所述x轴安置的横向支撑件、用于致使所述激光喷嘴沿所述梁的经编程移动的装置、用于使所述横向支持件沿所述x和y轴平移的支撑结构，以及用于在雕刻操作期间使所述梁沿所述y轴可编程地移动的装置。

14.根据权利要求13所述的激光雕刻系统，其中所述机柜包括具有透视窗的铰合顶盖。

15.根据权利要求14所述的激光雕刻系统，其中所述用于提供所述可调整支撑点的装置包括安装在所述机柜的左后和右后拐角处的一对螺杆调整器，以相对于所述台的水平支撑表面来支撑所述机柜，所述螺杆可独立调整，以致使所述激光喷嘴的平移平面在整个雕刻区域中平行于待雕刻的所述工件的平面。

16.根据权利要求11所述的激光雕刻系统，其中所述工件支撑装置是可相对于所述基座台移动的车，且在所述车内包含升降器系统，来相对于所述台和所述激光系统的所述水平支撑表面来升高和降低工件。

17.根据权利要求11所述的激光雕刻系统，其中所述系统进一步包括气体激光和用于所述气体激光的冷却系统，所述冷却系统包含冷却剂循环系统以及作为热交换器操作的散热器。

18.根据权利要求11所述的激光雕刻系统，其进一步包含所述工件支撑装置上的用后可弃装置，用于接纳具有平行于所述x轴的对称轴的可旋转工件，其中所述装置能够在雕刻操作期间使所述工件围绕其自身的对称轴旋转。

19.一种操作以下类型的激光设备雕刻系统的方法：具有安置于具有开放底部的机柜中且可以可编程方式在整个x-y轴作业平面内移动并沿延伸穿过所述机柜的所述开放底部的z轴引导雕刻光束的激光束喷嘴；用于所述机柜的支撑件；以及用于界定目标平面的工件的第二支撑件，其中所述方法包括以下步骤：

a.将所述机柜相对于所述目标平面的高度固定在第一点处，且之后；

b.在与所述第一点隔开的第二和第三点处，沿所述x和y轴两者，调整所述机柜相对于所述目标平面的高度，使得所述激光喷嘴的所述作业平面在所有相关点处平行于所述目标平面。

20.一种用于在平面工件表面上雕刻图案和图像的激光系统，其包括：

承载激光管的具有开放底部的机柜、穿过所述机柜的所述开放底部瞄准的光束喷嘴，以及用于将来自所述激光管的输出耦合到所述喷嘴的光学系统；

用于贯穿x-y平面的至少一部分来平移所述喷嘴的装置；以及

用于调整所述机柜相对于所述表面的定向和高度，直到所述x-y平面平行于所述表面的平面的装置，其中所述装置包括三角形排列的3点悬挂，其中所述悬挂点中的至少两个可沿z轴调整。