CN109906130A - 包含由柔性构件连结到一起的两个部分组成的本体的激光切割头 - Google Patents

包含由柔性构件连结到一起的两个部分组成的本体的激光切割头 Download PDF

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Yanushma Cinegema Electric Power Technology
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Abstract

一种激光切割头(1)包括：本体(2)；激光光源(3)，该激光光源(3)位于本体(5)的第一端(4)；喷嘴(6)，该喷嘴(6)位于本体(5)的另一端(7)；光学系统(8)，该光学系统(8)位于本体(5)的内部，激光光源(3)和喷嘴(6)之间。本体(2)包括至少两个部分(10，11)，它们相对于彼此可滑动，从而由于它们的相互位移，激光光源(3)和/或喷嘴(6)和/或光学系统(12)的相互位置可以改变，从而可以在使用期间改变本体(2)内部的激光束(9)的几何形状，以实现激光束(9)聚焦于工件(27)的表面上的所需参数。

Description

包含由柔性构件连结到一起的两个部分组成的本体的激光切 割头
技术领域
本发明的目的是一种激光切割头，特别是用于切割金属部件的激光切割头，以及包括该切割头的激光切割器。
背景技术
激光切割头用于激光切割器是已知的，所述切割头使用激光束和压缩气体来切割金属片。这种切割头包括光学系统，该光学系统对于将激光束聚焦在工件表面上的合适位置是必要的。
中国实用新型专利CN202607091U公开了一种可调焦的可倾斜激光切割头。在所述头部的透镜组件中，设有具有可变曲率的反射镜，并且其以机械调节模式连接到镜筒。这种具有激光束调焦功能的摆动式激光切割头可以根据不同的激光加工要求，实现快速变焦，并且具有自动摆头，可以高效率、高质量地加工出梯形缝来。另一中国实用新型专利CN202028872U公开了一种抽屉式聚焦调节的激光切割头。该激光切割头的特征在于，在镜头外壳中设置压力环，将聚焦镜片放置在镜片小抽屉中，并将该小抽屉放置在激光头的中心。文献CN102497952B公开了一种激光切割头，具有：在激光束路径中设置在其前方的成像透镜系统的相机，用以观察被加工的工件区域；用于将工作激光束聚焦至工件表面或者指定区域的透镜系统；以及设计为通过成像透镜系统在光轴方向上的设置来计算校正偏移以移动照相机图像焦点的分析器单元。文献WO2011004084A1公开了一种激光束聚焦头，其包括具有空腔的主体，该空腔被设计成接收聚焦的透镜盒。安装系统包括至少一个可移动的锁定凸轮，其设置在所述盒中，以及至少一个第一从动锁，其设置在主体中。凸轮锁可以在至少一个安装位置之间移动，其中可移动凸轮至少与第一凸轮从动件机械连接，将所述盒固定在主体的凹槽内。文献CN102039490A公开了一种激光切割头，包括基座、连接件、聚焦镜元件、聚光头和喷嘴，还包括防碰撞机构、自动聚焦机构和水冷环。聚焦镜元件包括设有可伸缩镜座的第一镜凹槽和第二镜凹槽。工作头设有双镜座，可手动安装5英寸聚焦镜或7.5英寸聚焦镜。该切割头具有自动聚焦功能，可以进行编程以调整焦点。所有上述方案在激光切割头内部都包括光学系统的可移动元件。当移动时，这种可移动元件引起接触元件的磨损，并因此形成擦除材料的灰尘或者颗粒，随着时间的推移，灰尘或颗粒沉积在光学系统的元件上。如果光学系统元件是可更换的，则它们的更换可能另外导致灰尘从外部进入光学系统。这些灰尘导致激光束消散或干扰其路径，这对激光束聚焦在所需位置具有非常强烈的影响。激光束无法正确聚焦在工件表面上会降低切割工件所需的有效功率，减慢切割过程，并降低切割质量，其中表现在工件边缘的不平整边缘和/或咬边或毛刺上。灰尘的最大问题或其影响是所谓的“焦点偏移”，这意味着激光束的重新定位。与激光束在没有干涉的情况下通过光学系统相反，激光束被光学元件上的灰尘吸收，这导致光学元件通常不均匀地升温。这会改变光学元件的几何形状并改变光束的焦点，并使其参数变差。更重要的是，光学元件的升温还会在被加热的透镜上形成额外的不需要的热透镜或其他干扰，这意味着透镜上的被加热的气体也会对光束的质量产生不利影响。功率越高，镜头对灰尘的敏感度越高，对切割过程的影响就越大。光学元件的清洁度是最关键的参数。
因此，本发明的目的是提供一种激光切割头，其限制或消除了已知激光切割头的所述缺点，特别是用于金属部件的激光切割头，以及包括这种头的激光切割器。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光切割头，包括：本体；位于本体第一端的激光光源；设置在本体另一端的喷嘴；设置在本体内部位于激光光源和喷嘴之间的光学系统，使得在操作过程中激光束从激光光源穿过光学系统然后穿过喷嘴。本发明的激光切割头的特点在于，本体包括至少两个部分，这两个部分相对于彼此可滑动，由于它们的相互位移，激光光源和/或者喷嘴和/或者光学系统的相互位置可以改变，从而可以在使用过程中改变本体内部的激光束的几何形状，以实现激光束聚焦在工件表面上的所需参数。至少两个本体部分的相互位移沿着本体的光轴和/或穿过本体的光轴发生。第一本体部分可以与激光光源集成，第二本体部分可以与喷嘴集成，而第一本体部分可以沿着和/或穿过头的光轴相对于第二本体部分滑动，从而确保了至少第一本体部分相对于第二本体部分的移动范围，该移动范围是实现激光束聚焦在工件表面上的所需参数必要的。相邻的本体部分的相互移动和精确定位是通过相对于彼此可滑动的连接装置实现的。两个、三个或更多个本体部分可以相对于彼此同时移动。通过任何合适的马达可以确保相邻本体部分的精确滑动，例如由控制系统控制的步进马达。
优选地，至少第一本体部分通过套筒或波纹管形式的柔性且中空的遮蔽构件连接到第二本体部分，该柔性且中空的遮蔽构件具有：密封的外护套；第一开口，该第一开口具有密封到本体的第一部分的第一边沿，与激光光源集成的部分相对；和第二开口，该第二开口具有第二边沿，该第二边沿密封到与喷嘴集成的第二本体部分，在操作过程中，第一本体部分可相对于第二本体部分沿着和/或穿过头部的光轴移动，并且保证从激光光源侧观察，从激光光源和第一光学元件之间的头部的内部空间的周围的密封。在头部的内部空间内没有移动部件，当相互摩擦时，移动部件可能产生污垢颗粒。该波纹管不产生摩擦并且不产生任何灰尘。此外，该波纹管在头部光轴的垂直方向上也是柔性的，并且使得相邻的本体部分能够在头部光轴的垂直方向上移动。当本体部分相对于彼此移动时，柔性和中空的遮蔽构件变形，例如，通过在垂直于头部光轴的方向上的更大或更小的凸起。这种头部设计确保头的内部没有移动部件，确保元件之间没有摩擦，并且从激光光源侧观察，激光光源和第一光学元件之间的头的密封内部空间内不会产生灰尘。所述柔性中空遮蔽构件可由在变形时不会产生杂质的任何弹性材料制成，例如塑料或橡胶。柔性中空遮蔽构件也可以制成手风琴式波纹管。在这种情况下，手风琴式波纹管的部件可以制成基本上呈刚性的，通过柔性连接件连接以确保密封性。这种波纹管设计是已知的，无需进一步解释。光学系统可以由一个或多个光学透镜式的光学元件组成，即具有至少一个弯曲边界表面的本体，由透明材料制成，其设计成通过在介质边界处的折射现象聚焦或散射光束，设置成在一个和/或多个本体部分内居中并且垂直于头的光轴。
优选地，光学系统的至少两个元件各自设置在单独的本体部分中。
优选地，光学元件在其周边上紧密地设置在相应的本体部分的内表面上。
优选地，至少第二本体部分还包括连接器，该连接器用于将含有例如氧气、氩气或氮气的压缩气体的导管与第二本体部分的壳体中的至少一个开口连接，该至少一个开口紧密连接到该连接器，从而进行设置，在操作期间，从喷嘴侧观察，压缩气体流防止杂质沉积在第一光学元件的表面上或保护玻璃上，然后朝向头部光轴方向通过喷嘴向外排出。头部可以包括如上所述的波纹管连接的3、4个或更多个本体部分，并且它们相对于头的纵向轴线和横向轴线彼此移动，从而在操作期间，压缩气流直接或间接引入，例如，压缩气体流在从第二本体部分的内表面反弹之后，至所述第一光学元件的表面，从喷嘴侧观察，然后在其光轴方向上通过喷嘴向外排出。光学系统的第一元件可以是透明盖。
优选地，该透明盖可以由玻璃制成，例如石英玻璃或铅玻璃，并且是可以互换的。
优选地，喷嘴是可移除的，并且可以拆卸连接到第二本体部分，可以垂直于头部的光轴和/或沿着其光轴居中或移动。在操作期间，喷嘴可以由具有其他参数的喷嘴自动替换，特别是喷嘴开口的其他尺寸和/或沿着头部光轴的其他喷嘴长度。喷嘴可以自动更换，使其通过快速释放的连结部连接到头部的第二部分，并且可以在头部已经移动到工作区域外的位置或在具有其他参数的喷嘴正确放置在其槽中的工作区域后，进行更换。如果需要，通过控制系统移动的头部可以自动地将现有喷嘴留在空闲槽中并且可以拾取具有其他参数的喷嘴。
优选地，头部包括其附接到激光切割器所需的固定件，用于头部沿参考系统轴线移动和定位。通过由数字可编程控制系统控制的机械系统移动和定位头，该控制系统具有用于数据输入的用户面板。这种机械系统是已知的，这里不再进一步描述。喷嘴至少通过参考系统轴线固定以相对于头的光轴居中，并且至少通过参考系统轴线移动可以滑动地附接到的本体部分，喷嘴可滑动地连接和/或移动光学系统和/或喷嘴的激光光源。
本发明的实质还是一种激光切割器，其包括具有上述特征的激光切割头。这样的激光切割器在现有技术中是已知的，这里不需要更精确地描述。
优选地，喷嘴通过参考系统轴线固定以相对于头的光轴居中，并且通过参考系统轴线移动可以滑动地附接到的本体部分或本体的另一部分，借助一个或多个激光切割器驱动，所述头部在参考系统的一个或多个轴线上移动。
附图说明
通过实例和附图更详细地解释本发明，其中：
图1示意性地示出了激光切割头的透视图；
图2示意性地示出了激光切割头的纵向截面，示出了激光束在没有激光束聚焦在工件表面上的位置通过光学系统的路径；
图3示意性地示出了激光切割头喷嘴的纵向截面的片段，示出了激光束在激光束聚焦在工件表面上的位置通过光学系统的路径；
图4示意性地示出了可更换喷嘴的透视图，并示出了其连结部；
图5示意性地示出了包括根据本发明的头的激光切割器的俯视图；
图6示意性地示出了包括根据本发明的头的激光切割器的前视图；
图7示意性地示出了包括根据本发明的头的激光切割器的侧视图。
附图标记说明:
1-激光切割头
2-本体
3-激光光源
4-本体的第一端
5-本体
6-喷嘴
7-本体的第二端
8-光学系统
9-激光束
10-本体的第一部分
11-本体的第二部分
12-头的光轴
13-遮蔽构件，遮蔽套筒，遮蔽波纹管
14-外护套
15-第一开口
16-第一边沿
17-第二开口
18-第二边沿
19-头的内部空间
20-连接器
21-压缩气体导管
22-开口
23-光学系统的第一元件
24-喷嘴开口
25-固定件
26-激光切割器
27-工件
28-喷嘴尖端与工件的距离
29-沿着头的光轴的喷嘴长度
30-喷嘴连结部
具体实施方式
图1和图2分别示出了激光切割头1的透视图和截面图，该激光切割头1包括：激光光源3，该激光光源3连接到光纤2并位于本体5的第一端4；喷嘴6，该喷嘴6位于本体5的另一端7；光学系统8，该光学系统8位于本体5内部，在激光光源3和喷嘴6之间，从而在操作期间激光束9从激光光源3穿过光学系统8然后穿过喷嘴6。
本体2包括：与激光光源3集成的本体5的第一部分10和与光学系统8和喷嘴6集成的本体5的第二部分11。本体5的第一部分10相对于本体5的第二部分11沿着并穿过头1的光轴12可滑动，以便提供所述本体(5)的第一部分(10)相对于本体(5)的第二部分(11)的移动范围来实现激光束(9)在工件(27)上的所需聚焦本体5的第一部分10借助于波纹管形式的中空柔性遮蔽构件13连接到本体5的第二部分11。
波纹管13具有密封的外护套14和第一开口15，该第一开口15具有密封到本体5的第一部分10的第一边沿16，与和激光光源3集成的部分相对；和第二开口17，该第二开口17具有第二边沿18，该第二边沿18与本体5的第二部分11密封，与光学系统8和喷嘴6集成，使得在操作期间本体5的第一部分10可相对于本体5的第二部分11沿着并穿过头1的光轴12移动，并且保证从激光光源3侧观察的从激光光源3和第一光学元件8之间的头1的内部空间19的周围的紧密密封，并且保证在操作时头1的内部空间19没有移动部件。激光光源3以所谓的“光纤端”的形式制成，激光通过光纤2从头1的外部供给激光光源。光学系统8的所有元件相对于彼此和本体5的第二部分11固定。
另外，本体5的第二部分11包括连接器20，该连接器20用于连接压缩气体导管21和紧密连接到该连接器20的本体5的第二部分11中的开口22。
开口22定位成在操作期间，从喷嘴6侧观察，压缩气体流被引导到光学系统8的第一元件23的表面，然后在头1的光轴12的方向上穿过喷嘴6离开到头1的外部。
开口22的这种定位确保了光学系统8的冷却，并且防止了从喷嘴6侧观察的第一光学元件8的表面上的杂质沉积。喷嘴6被制成可移除地并且紧密地且可拆卸地与第二本体部分11联接，并且可以相对于头1的光轴12居中，在操作期间，使激光束9在工件27表面上的正确聚焦，并且允许穿过工件27的气流参数最佳，关于喷嘴6的开口24的直径和喷嘴6的尖端距工件27的距离28，如图3所示，可以由具有其他参数的喷嘴6自动替换，特别是喷嘴6的开口24的其他尺寸和喷嘴6的沿着头1的光轴12的另一长度29。图4示出了可更换喷嘴6的透视图，并且示出了喷嘴6的连结部30。头1包括固定件25，如图5中示意性所示，其对于头1附接到激光切割器26以移动和定位头1是必须的。
图5示意性地示出了激光切割器26的透视图，其中头1在图1-4中示出并且如上所述。图5、图6和图7分别示意性地示出了激光切割器的俯视图、正视图和侧视图(从头1侧观察)，示出了用箭头表示的头1(或激光切割器导向件)的可能移动方向。例如，头1可以定位成使激光束以一定角度被引导到工件表面27。
工业应用
利用上述头1，与现有技术的激光切割器相比，激光切割器26提供了更快和更精确的切割工件27的工艺，并且工件27具有更光滑和更清洁的切割表面，从而不需要进一步的工件加工。与现有技术的激光切割器相比，根据本发明的方案的优点还在于更窄的切割间隙和更小的热传递区域。

Claims (13)

1.一种激光切割头(1)，其包括：本体(2)；激光光源(3)，所述激光光源(3)位于所述本体(5)的第一端(4)；喷嘴(6)，所述喷嘴(6)位于所述本体(5)的另一端(7)；光学系统(8)，所述光学系统(8)位于所述本体(5)的内部，所述激光光源(3)和所述喷嘴(6)之间，使得在操作期间激光束(9)从所述激光光源(3)穿过光学系统(8)然后穿过喷嘴(6)，其特征在于，所述本体(2)包括相对于彼此可滑动的所述本体(2)的至少两个部分(10，11)，从而利用该相互移动，所述激光光源(3)和/或所述喷嘴(6)和/或所述光学系统(8)的位置可以以这样的方式改变：使用时，可以改变所述本体(2)内部的激光束(9)的几何形状，以实现激光束(9)在工件(27)的表面上的所需聚焦。
2.根据权利要求1所述的头(1)，其特征在于，至少两个本体部分(10，11)能够沿着所述本体(2)的光轴和/或穿过所述本体(2)的光轴相互移位。
3.根据权利要求1或2所述的头(1)，其特征在于，所述本体的第一部分(10)与所述激光光源(3)集成，并且所述本体的第二部分(11)与所述喷嘴(6)集成，其中所述本体(5)的第一部分(10)相对于所述本体(5)的第二部分(11)沿着和/或穿过所述头(1)的光轴(12)滑动，以便提供所述本体(5)的第一部分(10)的移动范围来实现激光束(9)在工件(27)上的所需聚焦。
4.根据前述权利要求中任一项所述的头部(1)，其特征在于，所述本体(5)的至少第一部分(10)通过柔性且中空的遮蔽构件(13)连接到所述本体(5)的第二部分(11)，所述遮蔽构件(13)具有：紧密密封的外护套(12)和第一开口(15)，所述第一开口(15)具有密封到所述本体(5)的第一部分(10)的第一边缘(16)，与所述激光光源(3)集成的部分相对；和第二开口(17)，所述第二开口(17)具有第二边缘(18)，所述第二边缘(18)密封到与所述喷嘴(6)集成的所述本体(5)的第二部分(11)上，从而在操作期间，所述本体(5)的第一部分(10)能够相对于所述本体(5)的第二部分(11)沿着和/或穿过所述头(1)的光轴(12)移动，从所述激光光源侧观察，保证从所述激光光源(3)和所述光学系统(8)的第一元件之间的所述头(1)的内部空间(19)的周围的密封。
5.根据权利要求4所述的头(1)，其特征在于，中空柔性遮蔽构件(13)以柔性波纹管(13)的形式制成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的头部(1)，其特征在于，所述光学系统(8)的至少两个元件分别位于所述本体(5)的单独部分(10，11)中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的头(1)，其特征在于，所述本体(5)的第二部分(11)还包括连接器(20)，所述连接器(20)用于连接压缩气体导管(21)和所述第二本体部分(11)中的至少一个开口(22)，所述至少一个开口(22)紧密密封到所述连接器(20)，在操作期间，压缩气体流防止杂质沉积在所述光学系统(8)所述第一元件(23)的表面或保护玻璃上，从所述喷嘴(6)侧观察，然后朝向所述头(1)的光轴(12)方向通过所述喷嘴(6)排出到所述头(1)外部。
8.根据前述权利要求中任一项所述的头部(1)，其特征在于，所述喷嘴(6)制成可更换的。
9.根据权利要求8所述的头(1)，其特征在于，所述喷嘴(6)可拆卸地连接到所述本体的第二部分(11)，并且可以垂直于所述头(1)的光轴(12)和/或沿着头(1)的光轴居中或移动，并且当操作时，它可以用具有其他参数的喷嘴(6)自动地替换，特别是具有所述喷嘴(6)的开口(24)的其他尺寸和沿着头(1)的光轴(12)的其他喷嘴长度(25)的喷嘴。
10.根据前述权利要求中任一项所述的头(1)，其特征在于，所述头(1)包括其附接到激光切割器所需的固定件(25)，用于沿着(X，Y，Z)参考系统轴移动和定位所述头(1)。
11.根据权利要求9所述的头(1)，其特征在于，通过至少相对于(X，Y，Z)参考系统轴固定所述喷嘴(6)，并且相对于至少所述喷嘴(6)可滑动地连接到的所述本体(2)的部分的(X，Y，Z)参考系轴移动和/或相对于所述光学系统(8)和/或所述喷嘴(6)移动所述激光光源(3)，所述喷嘴(6)相对于所述头(1)的光轴(12)可居中。
12.一种激光切割器(26)，其包括根据前述权利要求中任一项所述的激光切割头(1)。
13.根据权利要求9所述的头(1)，其特征在于，通过相对于所述(X，Y，Z)参考系统轴固定所述喷嘴(6)，并且相对于所述喷嘴(6)可滑动地连接到的本体(2)的部分或本体(5)的另一部分的(X，Y，Z)参考系统轴线移动，借助于负责所述头(1)在一个或多个X，Y，Z轴上的移动的激光切割器(26)的一个或多个驱动，所述喷嘴(6)相对于所述头(1)的光轴(12)可居中。
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