CN111032279B - 用于相对于激光加工机的激光束定向和定位工件的装置 - Google Patents

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Abstract

涉及一种用于相对于激光加工机的激光束(3)定向和定位工件(4)的装置。装置具有装置基座(5)，接收要加工的工件(4)的工件定位装置(6)，以及具有至少三个轴线并且使工件定位装置(6)相对于装置基座(5)移动的移动装置(7)。移动装置(7)具有刚性本体(12)和第一旋转驱动器，第一旋转驱动器绕旋转轴B产生扭矩，并使刚性本体(12)相对于装置基座(5)绕旋转轴B旋转。刚性本体(12)配备有第一线性驱动器，线性驱动器使刚性本体(12)上的第一托架(13)沿轴线Xw移动。第一托架(13)配备有第二旋转驱动器(14)，第二旋转驱动器(14)绕着与旋转轴B不同的旋转轴C产生扭矩，并使工件定位装置(6)绕旋转轴C旋转。

Description

用于相对于激光加工机的激光束定向和定位工件的装置
本发明涉及一种用于相对于激光加工机的激光束定向和定位工件的装置。
利用短而密集的激光脉冲加工工件是已知的。高功率密度的激光辐射会导致工件表面的材料变热。根据功率密度，等离子可能会在工件表面形成。在此过程中，材料会从工件表面去除。这被称为激光烧蚀。
激光束和工件以限定的方式相对于彼此移动，以便以有针对性的方式在工件的限定部分内去除材料，并赋予工件表面特定的轮廓。该过程包括在工件上产生刀刃。它们也称为切削刃。
激光加工机配备有激光头，该激光头有针对性地将激光的脉冲激光束引导到工件上，并且在预定的脉冲轮廓内(如适用)将该激光束在工件的表面上移动。工件布置在用于定向和定位的装置中，在机床的情况下，该装置也称为夹紧装置。该装置配备有装置基座、工件定位装置和移动装置。装置基座布置在固定位置。装置基座可以是激光加工机的机器基座的一部分。工件定位装置拾取并紧紧夹紧工件，从而在加工工件时工件相对于工件定位装置的位置不会改变。移动装置确保了工件定位装置相对于装置基座的移动。由于激光加工机的激光头通常布置在相对于装置基座的固定位置，因此移动装置还确保一方面的激光头与另一方面的工件定位装置之间的相对运动。因此，被夹持在工件定位装置中的工件相对于由激光头产生的激光束移动。由移动装置触发的相对运动意味着，工件可以在其整个表面上加工，除非工件表面被工件定位装置覆盖。在加工过程中，工件的表面以各种角度靠着激光束定向。
用于布置和定向工件的已知装置具有带有多个轴的移动装置。该运动相应地表现出多个自由度。为了执行运动，移动装置配备有多个平移和旋转驱动器。具有六个轴的移动装置通常具有三个平移驱动器和三个旋转驱动器，平移驱动器沿轴线X、轴线Y和轴线Z产生线性驱动力，旋转驱动器分别绕 DX轴、DY轴和DZ轴产生扭矩。平移驱动器也称为线性驱动器。少于六个轴的移动装置具有相应较少的平移或旋转驱动器。为了使驱动器的运动相互协调，通过公共控制单元控制驱动器。驱动器通常由CNC控制。
如果加工例如用于制造钻头或铣床的细长工件，并且根据其应用范围，工件的轴向长度很大，达数分米，则移动装置必须使工件定位装置和被夹紧的工件移动的距离相当大。尤其是，各个平移驱动器和旋转驱动器会很远地移动分配给它们的托架、支架或其他从动部件。当距离很大时，通常需要很大的加速度。但是，较大的加速度是一个缺点，因为它需要驱动器产生较大的驱动力或扭矩。
本发明的任务是，提供一种用于布置和定向工件的装置，该装置能够使具有较大轴向长度的工件相对于激光束运动，从而工件可以基本上在其整个表面上进行加工，而无需相关驱动装置的大加速度和大驱动力或扭矩。
该任务通过装置来解决。所述装置的特征在于，所述移动装置配备有具有旋转轴B的第一旋转驱动器，具有相对于所述旋转轴B 基本上呈径向的线性轴线Xw的第一线性驱动器，以及具有与旋转轴B不同的旋转轴C的第二旋转驱动器。所述移动装置具有刚性本体。所述第一旋转驱动器以其扭矩驱动所述刚性本体相对于装置基座绕所述旋转轴B旋转，由此，所述刚性本体从所述旋转轴B径向向外突出。所述第一线性驱动器布置在所述刚性本体上。所述第一线性驱动器沿相对于旋转轴B径向延伸的轴线 Xw产生线性驱动力，从而使第一托架沿轴线Xw在刚性本体的表面上移动。所述第二旋转驱动器布置在所述第一托架上。所述第二旋转驱动器以其扭矩驱动所述工件定位装置绕所述旋转轴C相对于所述装置基座旋转。
所述工件定位装置拾取细长工件的一端并将其夹紧。为此，所述工件定位装置具有沿线性工件安装轴延伸的细长工件支架。所述工件定位装置优选地被布置在所述第二旋转驱动器上，使得所述工件安装轴与所述旋转轴C同轴线地延伸。如果工件的工件纵轴线与工件定位装置中的工件安装轴同轴地布置，则第二旋转驱动器可确保工件绕其纵轴线旋转。
所述第一线性驱动器使得布置在所述工件定位装置中的工件能够移位。所述移位优选地在待加工工件的表面的方向上。因此，所述线性轴线Xw可以例如平行于所述旋转轴C延伸。在这种情况下，被夹持在工件定位装置中的工件可以沿着其纵轴线移动。这同样适用于轴向伸长率高达数分米的工件。以这种方式，仅通过沿着线性轴线Xw并围绕旋转轴C的运动就可以使工件的整个表面相对于激光束定向，从而可以用激光加工整个表面。围绕旋转轴B的旋转还确保了工件相对于激光束以各种角度定向。
因此，根据本发明的装置实现了工件的定向，其中在各个加工步骤之间不必覆盖很大的距离。对于通过第一旋转驱动器移动的刚性本体，通过第一线性驱动器移动的第一托架，以及通过第二旋转驱动器移动的定位装置，也是如此。分配给第一线性驱动器和第二旋转驱动器的组件的调节路径很短。因此，根据本发明的装置不需要很大的加速度，也不需要很大的力或扭矩。
根据本发明的有利实施方式，轴C在垂直于轴B的平面上延伸。
根据本发明的另一有利实施方式，轴C平行于轴线Xw。
根据本发明的另一有利的实施方式，所述刚性本体具有细长的形式并且沿着纵轴线延伸。所述刚性本体安装在所述第一旋转驱动器上，使得其纵轴线在径向方向上相对于所述旋转轴B延伸。
根据本发明的另一有利的实施方式，所述刚性本体采取杠杆的形式。特别优选单臂杠杆作为所述杠杆。其优选地沿所述第一托架的线性位移路径延伸，并在其移动中支撑所述托架。所述杠杆可以采取细长臂的形式。
根据本发明的另一有利实施方式，所述刚性本体平行于所述线性轴线Xw 配备有导轨，所述第一托架沿所述导轨引导。所述导轨确保所述第一托架沿所述线性轴线Xw的移动受到支撑。
根据本发明的另一有利实施方式，所述移动装置具有第二线性驱动器，所述第二线性驱动器沿线性轴线Z产生驱动力并使所述第二托架相对于所述机器基座沿轴线Z移动。第一旋转驱动器优选地直接或间接地布置在第二托架上，使得第一旋转驱动器、第一线性驱动器、第二旋转驱动器和定位装置的组合可沿着轴线Z相对于装置基座并因此相对于激光束移位。轴线Z优选平行于激光加工机的激光束的光束轴延伸。第二线性驱动器可以布置在机器基座上。但是，也可以将第二线性电动机布置在第二托架上。第二线性驱动器也可以采用线性电动机的形式，其中定子连接到装置基座，转子连接到第二托架。
根据本发明的另一有利实施方式，移动装置具有布置在第二托架上的第三线性驱动器，该驱动器沿线性轴线Y产生驱动力并使第三托架相对于第二托架沿轴线Y移动，从而轴线Y与轴线Z不同。因此，第三托架也沿轴线Y 相对于装置基座移动。第三线性驱动器可以布置在第二托架上。可替代地，第三线性驱动器可以布置在第三托架上。第三线性驱动器也可以采用线性电机的形式，其中定子连接到第二托架，转子连接到第三托架，反之亦然。
根据本发明的另一有利实施方式，移动装置具有布置在第三托架上的第四线性驱动器，该驱动器沿线性轴线X产生驱动力并使第四托架相对于第三托架沿轴线X移动，从而轴线X不同于轴线Z和轴线Y。第一旋转驱动器优选地布置在第四托架上，使得第一旋转驱动器、第一线性驱动器、第二旋转驱动器和定位装置的组合可沿着轴线Z、轴线Y和轴线X相对于装置基座并因此相对于激光束移位。在这种情况下，移动装置的运动表现出四个平移自由度和两个旋转自由度。该运动沿四个线性轴线Z、Y、X和Xw以及两个旋转轴B和C进行。第四线性驱动器可以布置在第三托架上。替代地，第四线性驱动器可以布置在第四托架上。第四线性驱动器也可以采用线性电动机的形式，其中定子连接到第三托架，转子连接到第四托架，反之亦然。
根据本发明的另一有利的实施方式，轴线X、轴线Y和轴线Z彼此垂直。
根据本发明的另一有利实施方式，第一旋转驱动器布置在第四托架上。
根据本发明的另一有利实施方式，轴B基本上平行于轴线X、轴线Y或轴线Z。
根据本发明的另一有利实施方式，所有轴的驱动器均由CNC控制。该控制确保所有驱动器彼此协调并且通过驱动器的运动使工件相对于激光束3精确地以预定的时间顺序定向，以便在工件的表面上产生期望的轮廓。
本发明的其他优点和有利的实施形式可以从下面的说明、附图和权利要求中获得。
附图说明
附图示出了根据本发明的装置的模型实施方式，其在下面描述。在附图中：
图1是用于定向和定位的装置的透视图，其中刚性本体垂直向下定向，并且第一托架位于其离旋转轴B最远的位置；
图2是根据图1的装置的透视图，其中第一托架布置在比图1更靠近旋转轴B的位置；
图3是根据图1的装置在从正面看时在根据图1的移动装置的位置的视图；
图4是根据图1的装置在从正面看时在根据图2的移动装置的位置的视图；
图5是根据图1的装置在从侧面看时在根据图1的移动装置的位置的视图；
图6是根据图1的装置在从侧面看时在根据图2的移动装置的位置的视图；
图7是根据图1的装置的侧面视图，其中刚性本体从图1中的位置顺时针旋转大约45°，第一托架位于其距旋转轴B最远的位置；
图8是根据图1的装置的侧面视图，其中刚性本体从图1的位置顺时针旋转大约45°，并且第一托架布置在比图7更靠近旋转轴B的位置；
图9是根据图1的装置的侧面视图，其中刚性本体从图1中的位置逆时针旋转大约45°，第一托架位于其距旋转轴B最远的位置；
图10是根据图1的装置的侧面视图，其中刚性本体从图1的位置沿逆时针方向旋转45°，第一架位布置在比图7更靠近旋转轴B的位置；
图11是从上方观察时处于根据图1的移动装置的位置中的根据图1的装置。
具体实施方式
在图1至图11中，示出了用于相对于激光束3定向和定位工件4的装置1。激光束由未进一步示出的激光加工机的激光头2引导到工件4的表面上。定向和定位装置1具有以固定方式布置的装置基座5、拾取并夹紧工件 4的工件定位装置6，以及移动装置7。移动装置使工件定位装置6相对于装置基座5绕着两个旋转轴B和C并能够沿着四个线性轴线Xw、X、Y和Z移动。在图中未示出的第二线性驱动器使第二托架8相对于装置基座沿Z轴线前后移动。图中未示出的第三线性驱动器使第三托架9相对于第二托架8沿Y轴线前后移动。图中未示出的第四线性驱动器使第四托架10相对于第三托架9沿X轴线前后移动。在第四托架10上布置有第一旋转驱动器11，第一旋转驱动器11绕着平行于Y轴线并垂直于X轴线和Z轴线的B轴线产生扭矩。在图中未示出的第一旋转驱动器11的驱动轴不可旋转地连接到具有单臂杠杆形式的刚性本体12。刚性本体12从旋转轴B径向向外突出。驱动轴将第一旋转驱动器11的扭矩传递到刚性本体12，从而确保了刚性本体12 绕旋转轴B旋转。刚性本体12上布置有未在图中示出的第一线性驱动器，该第一线性驱动器沿线性轴线Xw产生线性驱动力并使第一托架13沿Xw轴线前后移动。Xw轴线在相对于旋转轴B的径向方向上延伸。Xw轴线在垂直于旋转轴B的平面上延伸。第二旋转驱动器14布置在第一托架13上。第二旋转驱动器14围绕旋转轴C产生转矩。旋转轴C平行于线性轴线Xw。旋转轴线在垂直于旋转轴B的平面上延伸。第二旋转驱动器使工件定位装置6旋转，从而使容纳在工件定位装置6中的工件4绕旋转轴C旋转。
激光束3定向为使其光束轴线平行于线性轴线Z。第二托架沿轴线Z的移动因此使得工件定位装置6朝着激光头2或远离激光头2移动。工件4到激光头2的距离可以通过第二线性驱动器和第二托架8的移动来调节。
工件4可以是细长的。工件4被容纳在工件定位装置6中，使得工件4 的纵轴线与旋转轴C同轴线地延伸。第二旋转驱动器14因此确保工件4围绕其自身的纵轴线旋转。
在图1、3和5中，移动装置7定向为使得刚性主体12垂直向下指向，并且第一托架13位于其距离旋转轴B最远的位置。在此位置，工件4可以在其背离工件定位装置6的端部上被加工。
在图2、4和6中，移动装置7定向为使得刚性主体12垂直向下指向，并且与根据图1、3和5的位置相比，第一托架13的位置更靠近旋转轴B。在第一托架的这个位置，工件4可以在其面向工件定位装置6的一端进行激光加工。
从一方面在图1、3和5以及另一方面在图2、4和6中表示的两个位置的比较可以看出，第一托架13沿着线性轴线Xw覆盖的位移路径基本上对应于沿着工件4的纵轴线的距离，在该距离上要用激光束3加工工件表面。从根据图11的俯视图以及图1至图6的装置1的图示中还可以明显看出，工件4围绕旋转轴C的旋转以及沿线性轴线Xw的平移可以使工件4的表面在沿轴线Xw的位移路径预先定义的距离上对准激光束3，从而可以加工工件4 的整个表面。
图7至图10表示刚性本体12的各个位置，其中图7和图8示出了与图 1至图6相比逆时针旋转了45度角的刚性本体12。图9和图10示出了与图 1至6相比顺时针方向旋转了45度的刚性本体12。在图7和9中，第一托架13的位置与旋转轴B的距离最大。但是，在图8和图10中，第一托架13 的位置更靠近旋转轴B。这些图示表明，工件4的表面和激光束3之间的角度可以通过刚性本体12围绕旋转轴B的旋转进行调整。
在图1至图6中，刚性本体12平行于线性轴线X定向。在该位置，线性轴线Xw和线性轴线Z彼此平行。在该位置，不仅可以通过沿轴线Xw的平移而且还可以通过沿轴线X的一定距离的平移，使工件4平行于工件纵轴线对准激光束。但是，根据图7至10的刚性本体12的位置表明，如果工件4 围绕旋转轴B旋转，则不再可能单独通过轴线X平行于纵轴线对工件进行一定距离的调整。在此，沿线性轴线Xw的平移大大简化了操作。
图11从上方示出了具有激光头2、激光束3和工件4的装置1。该图示表明，可以执行第三托架9沿线性轴线Y的移动，以确定激光束3在工件的边缘是否以相对于工件纵轴线的基本切向位置或中心和径向位置或在它们之间的位置与工件4的表面相遇。
通过共同的控制装置来控制驱动器，使得工件4相对于激光束3有针对性地运动，从而通过激光烧蚀产生预定的表面轮廓。该控制装置是CNC控制装置。该控制装置未在图中显示。
本发明的所有特征可以单独地或以任意组合地对本发明具有实质性。
附图标记
1 用于定位和定向工件的装置
2 激光头
3 激光束
4 工件
5 装置基座
6 定位装置
7 移动装置
8 第二托架
9 第三托架
10 第四托架
11 第一旋转驱动器
12 刚性本体
13 第一托架
14 第二旋转驱动器

Claims (12)

1.一种用于相对于激光加工机的激光束定向和定位工件(4)的装置，所述装置包括：
装置基座(5)；
工件定位装置(6)，所述工件定位装置(6)能够接收要加工的工件(4)；
移动装置(7)，所述移动装置(7)具有至少三个轴线并且能够使所述工件定位装置(6)能够相对于所述装置基座(5)移动；
所述移动装置(7)具有刚性本体(12)和第一旋转驱动器，所述第一旋转驱动器能够绕旋转轴B产生扭矩并能够驱动所述刚性本体(12)相对于所述装置基座(5)绕旋转轴B旋转，借此所述刚性本体(12)从旋转轴B径向向外突出；
所述刚性本体(12)上设置有第一线性驱动器，所述第一线性驱动器沿相对于旋转轴B径向延伸的轴线Xw产生线性驱动力，从而使第一托架(13)在所述刚性本体(12)上沿轴线Xw移动；
所述第一托架(13)上设置有第二旋转驱动器(14)，所述第二旋转驱动器(14)能够绕着与旋转轴B不同的旋转轴C产生扭矩，并驱动所述工件定位装置(6)绕旋转轴C旋转。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，旋转轴C在垂直于旋转轴B的平面上延伸。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，旋转轴C平行于轴线Xw。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述刚性本体(12)采取杠杆的形式。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述刚性本体(12)配备有导轨，所述第一托架(13)沿所述导轨引导。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述移动装置(7)具有第二线性驱动器，所述第二线性驱动器沿线性轴线Z产生驱动力并使第二托架(8)相对于所述装置基座(5)沿轴线Z移动。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述移动装置(7)具有第三线性驱动器，第三线性驱动器沿线性轴线Y产生驱动力并使第三托架(9)相对于第二托架(8)沿轴线Y移动，轴线Y与轴线Z不同。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述移动装置(7)具有第四线性驱动器，第四线性驱动器沿线性轴线X产生驱动力并使第四托架(10)相对于第三托架沿轴线X移动，轴线X不同于轴线Z和轴线Y。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，轴线X、轴线Y和轴线Z彼此垂直。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，第一旋转驱动器(11)设置在第四托架(10)上。
11.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，旋转轴B基本上平行于轴线X、轴线Y或轴线Z。
12.根据以上权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于，所有轴线上的驱动器由CNC控制。
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