CN113226630A - 用于切割物品并形成过滤管的激光切割系统 - Google Patents

Abstract

一种用于切割诸如管之类的物品的激光切割系统及其使用方法。例如，该激光切割系统可以在每个物品或管中切割出狭槽、孔和/或孔隙以形成过滤管。该系统包括用于传送来自激光源的激光束的传送系统、至少一个反射镜、聚焦物镜、气体源和传送喷嘴。第一工作台在纵向方向上保持每个物品，并且可以在朝向物品传送气体和激光束期间使物品绕轴向旋转，并且使物品相对于传送喷嘴沿纵向移动。在该系统中提供第二工作台，以用于使传送喷嘴相对于由第一工作台保持的物品移动。控制器控制激光束和气体源的致动以及第一工作台和第二工作台的移动。

Description

用于切割物品并形成过滤管的激光切割系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年9月28日提交的美国临时专利申请No.62/738,853的优先权，在此通过引用将该专利申请整体明确地并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及一种用于切割物品的激光切割系统。

背景技术

过滤是一种重要的方法，该方法通常用于从流体(气体或液体)中分离固体，以用于从油气加工工业甚至到食品加工工业的各种工业。在大多数依赖于过滤的工业过程中，过滤介质的更换是非常频繁的，从而导致显著的成本增加和使用过的过滤介质的固体废物的处理或回收问题的出现。

目前可用于工业应用的过滤介质是多样的。由过滤管形成的过滤元件和组件已经在许多不同的工业中成功地用于从液体中过滤固体。

形成过滤管使得管本身和它们的孔没有缺陷对于过滤过程的精度而言是至关重要的。

发明内容

本公开的一个方面是提供一种用于切割诸如管之类的物品以形成过滤元件的激光切割系统。激光切割系统被构造成在每个物品或管中切割出多个狭槽、孔和/或孔隙。该系统包括用于传送激光束的传送系统。该传送系统包括被构造成提供激光束的激光源、至少一个反射镜、聚焦物镜、气体源和传送喷嘴。该传送喷嘴被构造成将来自该气体源的气体和来自该激光源的激光束朝向该物品传送，以便沿着该物品以预定图案在该物品中切割出多个狭槽、孔、和/或孔隙。在系统中提供第一工作台，以用于在纵向方向上保持待由激光束切割的每个物品。第一工作台被构造成：(a)在朝向物品传送气体和激光束期间使物品绕轴向旋转，并且还被构造成：(b)在激光束被传送至物品时使物品相对于传送喷嘴沿纵向移动。在该系统中提供第二工作台，以用于使传送喷嘴相对于由第一工作台保持的物品移动。控制器控制激光束和气体源的致动以及第一工作台和第二工作台的移动。

另一方面提供一种用于使用上述激光切割系统在诸如管之类的物品中切割出多个狭槽、孔和/或孔隙的方法。该方法包括：将物品放置在第一工作台中；使用第二工作台使传送喷嘴相对于物品移动；以及控制控制器以朝向物品传送激光束和气体，从而沿着该物品以预定图案在该物品中切割出多个狭槽、孔和/或孔隙。在激光束的传送期间，控制器控制物品的移动，使得使用第一工作台使物品连续地绕轴向旋转并沿纵向移动。

从以下详细描述、附图和所附权利要求书中，本公开的其它特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本文的实施例的用于在物品或管中切割出狭槽、孔和/或孔隙的激光切割系统的示意图。

图2是图1的激光切割系统的一部分在运行和切割物品时的详细的成角度的视图。

图3是可以在图1的激光切割系统中提供的气动连接的示意图。

图4示出根据实施例的可以在物品或管中切割出的图案的示例。

图5示出根据实施例的在物品或管中切割出的狭槽、孔或孔隙的示例性布局的详细视图。

图6和图7示出根据替代实施例的用于在物品或管中切割的图案的替代示例。

图8是根据实施例的图1的激光切割系统的部分的详细视图。

图9A是根据实施例的设置在框架上的激光切割系统的等距视图。

图9B是图9A的激光切割系统的部分的详细视图。

图10是根据实施例的被构造成与图1的激光切割系统一起使用的真空装置的示意图。

图11和图12示出根据实施例的可以与图1的激光切割系统一起使用的示例性熔渣捕集器装置的示意图。

具体实施方式

本文公开的激光切割系统100或设备及其使用方法被设计成用于切割物品或对物品开槽。在以下实施例中，激光切割系统100被描述为切割管以形成过滤管，即这样的管，该管具有微狭槽、微孔或微孔隙(在本文中也分别简称为“狭槽”、“孔”和“孔隙”)并且被构造为当通过这些管过滤这种材料时从流体中过滤出固体。特别地，本文所述的系统或设备用于在预制管的壁中钻出微狭槽/孔隙。尽管如此，所公开的激光切割系统100可以用于切割若干类型的物品，并且不应限于简单地在这种物品中切割出管和/或切割出狭槽、孔和/或孔隙。

除了系统本身之外，本公开描述一种使用该系统切割物品或管的方法。在一个实施例中，通过使激光脉冲与同步的旋转和线性工作台运动同步而在物件或管中切割出狭槽图案。

图1是激光切割系统100的示意图，也称为“系统100”。系统100包括用于传送激光束的传送系统102。传送系统102包括被构造成提供激光束106的激光源104、至少一个反射镜、聚焦物镜108、气体源110和传送喷嘴112(或激光头)。

激光源104可以安装到机架114并且包括激光输出联接器116，该激光输出联接器包括用于将激光从激光源104引导到传送喷嘴112的铠装光纤电缆。在一个实施例中，激光源104是70瓦的准连续波(QCW)光纤IR激光器。在一个实施例中，电缆可用于将传送喷嘴112连接到500瓦的光纤IR激光(1070nm)源。在另一实施例中，激光源104是1000瓦光纤IR激光器。在又一实施例中，可以使用两个或更多个激光源104。用于切割的激光器类型不受限制。例如，激光源104可以是光纤激光器或诸如超快激光器(即，皮秒脉冲激光器)或绿光激光器之类的另一激光器类型。在一个实施例中，用于激光源104的激光器类型可以基于所切割的材料的类型和/或期望的激光功率。

在系统100中提供至少一个反射镜以引导和反射激光束106。在图1的所示实施例中，两个反射镜M1和M2在系统100中被示出并且被安装在激光束106的路径中。增加第二反射镜进一步有助于光束对准。反射镜M1和M2都被构造用于铜管可旋转的动态底座(未示出)旋转。例如，可以使用控制器118旋转反射镜M1和M2或调整反射镜M1和M2的角度，以重新定向激光束106。如图1所示，激光束106可以从联接器116指向第一反射镜M1。光束106从反射镜M1反射(例如，仅作为示例在此示出为沿水平方向)，然后从第二反射镜M2反射(例如，仅作为示例，在此示出为沿竖直方向向下朝向传送喷嘴112引导)。在一个实施例中，超过95％的光束能量被第二反射镜M2反射并朝向传送喷嘴112。在一个实施例中，来自激光束的能量中的一些或部分能量可以穿过反射镜M2并被可选的监测装置132(稍后描述)吸收。根据实施例，大约1％到大约5％的能量穿过反射镜M2。在另一个实施例中，来自激光束的能量的大约4％穿过反射镜到达监测装置132。

聚焦物镜108可以是缩小透镜，该缩小透镜接收从第二反射镜M2反射的激光束并将该激光束引导到传送喷嘴112。根据实施例，透镜108可以在30mm至300mm的范围内。在另一实施例中，透镜108可以在50mm至80mm的范围内。在又一实施例中，50mm的物镜、75mm的物镜或80mm的物镜可用作透镜108。

传送喷嘴112是气体辅助喷嘴，其设计成将激光束106和压缩/加压气体从气体源110朝向被切割的物品或管的表面(例如，以便沿着管以预定图案在该管中切割出多个狭槽、孔和/或孔隙)传送和/或引导。引导加压气体与激光一起通过喷嘴112允许加压气体去推动和移动从物品切下的任何材料。例如，在切割金属(例如，不锈钢)管的情况下，来自传送喷嘴112的激光光束被管135的金属吸收，并且金属因此液化。该熔融金属可以由从传送喷嘴112输出的气体吹入管135的内部，或者吹入管周围的周围环境。

在实施例中，从气体源110传送的气体是清洁的或净化的零级空气，该零级空气是干燥的(例如，具有-40摄氏度左右的露点以及小于0.1ppm的碳氢化合物)并且可压缩以用于在高压下传送。气体源110可以是例如经由软管或管道连接到空气喷嘴(未示出)的空气罐，该空气喷嘴向传送喷嘴的进给侧进给。图2示出一个实施例，该实施例示出气体管线111，该气体管线111被引导并连接到系统的与传送喷嘴112相邻的部分，以便将气体从气体源110(未示出)传送到该部分。虽然净化空气是用于激光器的理想气体，但也可以使用其它气体。例如，在另一实施例中，来自气体源110的气体是氧气和氮气的混合物。在又一个实施例中，气体是纯氮气(N2)或纯氧气(O2)。除了将气体(空气)进给到传送喷嘴112之外，气体源110还可将气体/空气供应到系统100的其它部分。接下来参考图3描述关于气体传送和流量的其它细节。

可选地，压缩机(未示出)可以设置在与气体源110和/或系统的其它部分相关联的系统中，包括但不限于与系统相关联的气动部分。

如前所述，根据实施例，传送喷嘴112可以位于用于切割或开槽的物品或管的上方。在一个实施例中，传送喷嘴112可以安装到运动工作台120或Z工作台上，该运动工作台或Z工作台被构造成用于竖直运动，即向上和向下运动，如箭头Z所示。将传送喷嘴112安装到竖直运动工作台120允许对切割头高度的调节和相对于被切割的物品或管135的表面的喷嘴偏移。根据实施例，物品被定位成在传送喷嘴112下方在水平方向上纵向延伸。竖直的运动工作台120可以相对于物品或管的水平延伸的表面在竖直方向上垂直移动。在实施例中，运动工作台120包括马达(未示出)和制动系统(未示出)，以用于例如当将管/物品放置在系统中时，相对于正被切割的管的表面将工作台移动和锁定就位。根据一个实施例，制动系统或锁可以被设计成当马达有故障或以其他方式未被供电时防止Z工作台120上的有效载荷向下漂移。工作台120的移动和锁定可以由控制器118控制。在另一实施例中，可以使用可手动调节的Z工作台120。

在实施例中，聚焦物镜108也可以直接或间接地安装到Z工作台120。因此，Z工作台也可以使聚焦物镜108在管135的上方上下移动。

物品或管可以经由物品工作台122被保持和控制，在一个实施例中，物品工作台可以是线性工作台和旋转工作台的组合。如上所述，在实施例中，管135可以被保持成使得其在传送喷嘴112下方沿水平方向(例如，在X方向上，沿轴线A-A)纵向延伸。物品工作台122可包括旋转工作台124或U工作台，旋转工作台124或U工作台安装在线性运动工作台126或X工作台的顶部。这种构造允许同时对管位置进行两个轴线上的控制，即对管的旋转和平移进行控制。U工作台124被构造成在从传送喷嘴112传送气体和激光束期间使物品绕轴向旋转，即，使物品围绕或绕轴线A-A旋转，如图1所示，同时X工作台126可以被构造成使物品相对于传送喷嘴112沿纵向平移或移动。也就是说，X工作台126可以被构造成使管在X方向上沿着从一端到另一端的轴线A-A相对于喷嘴112水平地移动。根据本文的实施例，物品或管在X方向上的纵向移动可以进一步由夹持器机构(下文参照图8和图9描述)辅助。在实施例中，U工作台124包括一体的气夹125(在图1和图3中示意性地示出，在图10中示出)，以使物品或管绕轴向旋转，以及保持和释放管。

系统100还包括运动放大器和/或伺服驱动器(未示出)，以沿着所有三个轴线驱动和控制物品工作台122的工作台124、126以及运动工作台120。在实施例中，直接驱动马达(direct drive motor)及集成编码器可以与工作台一起使用以大大减少及/或消除任何反冲问题。在实施例中，线性工作台126具有大约2000mm/s的最大速度，并且旋转工作台124具有大约600rpm的最大速度。

接下来将描述可以与系统的工作台和/或框架相关联的附加特征，例如轴承和导轨。

控制器118控制系统100的各个部分，包括例如控制来自激光源104和气体源110的激光束的致动以及物品工作台122和运动工作台120的移动。在本说明书中，还可能提及控制器118的其它功能(例如，控制冷却剂)。例如，控制器可以设置成具有用户接口元件的处理器或个人计算机(PC)的形式。计算机可以是通用计算机或专用计算机。为了实现如本文所述的各个部分及其功能，可以使用计算机硬件和软件平台。计算机可以包括一个或多个处理器形式的中央处理单元，以用于执行程序指令。控制器118可以包括已编程的或保存在其中的运动控制程序，运动控制程序被设计成引导激光束106以在使管135移动(例如，旋转和水平移动)时切割管135，使得例如在管的表面中切割出预定图案的狭槽、孔和/或孔隙。在实施例中，从激光源104传送的光束106的脉冲经由控制器118使用脉冲同步输出特征来控制，该脉冲同步输出特征是运动控制程序的一部分，运动控制程序在线性(X)轴和旋转(U)轴上以固定的行进量触发激光脉冲。例如，在一个实施例中，行进的每微米一个激光脉冲可从激光源104输出。可以在计算机或控制器中连同通信总线提供有形的非暂时性介质形式的数据存储器，例如存储器(RAM或ROM)。这里公开的用于切割的方法可以存储在与控制器118相关联的存储介质上。有形的非暂时性存储类型的介质包括任何存储器或全部存储器，或用于本文描述的系统部件或其相关联的模块的计算机、处理器等的其它存储器，该相关联的模块可以提供用于软件编程的存储器。

在实施例中，卡盘(未示出)和对准部件(未示出)可以设置在传送喷嘴112附近。例如，卡盘可以安装在传送喷嘴附近，并且可以设计成当管或物品被进给并且旋转以在其中激光切割出狭槽、孔和/或孔隙时有助于保持管或物品的表面。对准部件可以邻近传送喷嘴112设置，并且可以被构造成例如抵靠卡盘放置和保持物品。在一个实施例中，对准部件可包括柱塞，该柱塞经由弹簧而被弹性加载，并且可设计成竖直向上地推动管，以将管保持就位以便切割。在另一个实施例中，使用滚珠轴承来处理管/材料的通过激光切割的长度。滚珠轴承为较高的生产速度提供更平滑的处理。在一个实施例中，对准部件包括可以被设置成支撑管的一组或多组滚珠轴承。在一个实施例中，提供一组上滚珠轴承和一组下滚珠轴承170。图8示出这样的示例。在一个实施例中，一组上滚珠可以是不可移动的并且设置在卡盘或类似的支撑表面(例如轴承支撑托架176，下面将参考图9A和图9B进行描述)上，而一组下滚珠包括全向传动滚珠。在实施例中，一组下滚珠可被构造为相对于管移动，并且在一个实施例中由气缸致动以上下移动，并且朝向和远离管的表面移动以允许容易地装载和卸载管。此外，气缸的使用可以经由压缩空气调节器或压缩机(未示出)提供可调节的夹紧力。一旦通过控制器118的运动程序致动下部滚珠以将管朝向气动卡盘125移动，则上部钢滚珠可以提供硬停止(例如，没有间隙)，从而提供管相对于传送喷嘴112的更精确的竖直定位。对准部件和/或轴承可以设置在框架和/或物品工作台122上，以有助于围绕轴线A-A在X方向和U方向上以及相对于传送喷嘴112保持和引导管135。

在实施例中，为了进一步调整和聚焦激光束以切割物品，如图1示意性所示，传送系统102可以可选地包括中继透镜128和相机130。透镜128和相机130可以位于反射镜M2上方并与传送喷嘴112竖直对准。在实施例中，中继透镜128和相机130可以是同轴视频显微镜的一部分。相机130被构造成拍摄传送喷嘴112的图像，以确定传送喷嘴112的放置，并因此确定激光束相对于管的放置。在实施例中，相机130是CCD摄像机。中继透镜128被构造成为相机130聚焦传送喷嘴的图像。中继透镜128可以是被设计成透镜或透镜组，该透镜或透镜组用于视频显微镜并且反转图像以及延长显微镜的光学长度。

在一个实施例中，近红外(NIR)中性密度滤光器(未示出)可以被添加到视频显微镜以阻挡一些或任何散射的NIR光。使用这种滤光器可以在狭槽切割过程中提供更好的成像。

可选地，系统100可以包括监测装置132，监测装置132用于测量来自激光束的用于切割物品或管的能量的比率。如上所述，在实施例中，来自激光束的一些或部分能量可穿过反射镜M2并被监测装置132吸收。在一个实施例中，监测装置是热电堆功率监视器或激光传感器。热电堆功率监视器可以被设计成测量由激光器产生的热量，或者，替换地，测量由激光器产生的光的量。监测装置132可设置在其自身的壳体中，并相对于第二反射镜M2放置或安装在系统100中，以便接收一部分激光束。

根据实施例，也可以可选地提供包括冷却剂源134(在图1中示意性地示出)和冷却剂传送喷嘴136(在图1和图10中示意性地示出)的冷却剂容纳单元作为激光切割系统100的一部分。来自冷却剂源134的冷却剂可以用于冷却由激光器切割的管(或物品)的材料或表面或部分。冷却剂还防止熔融金属再沉积在管或物品的外侧上。例如，在一个实施例中，冷却剂传送喷嘴136可以定位成在切割或开槽期间将冷却剂传送或输出到管的表面(例如，参见图1的示意图)。冷却剂传送喷嘴136可例如邻近传送喷嘴112定位。在实施例中，冷却剂传送喷嘴136的出口可以相对于被切割的管或物品的表面定位，例如使得冷却剂被放置在管或物品的表面上。

在另一个实施例中，例如图10所示，冷却剂传送喷嘴136的出口可以相对于真空装置或空气喷嘴选择性地定位。冷却剂可以与空气结合以形成混合物，该混合物在例如切割或开槽期间被注入到管的内表面中。这可以有助于使管的被切割的表面冷却，以及有助于移动和去除在加工/切割期间在管内积聚的任何熔渣材料。

在一个实施例中，冷却剂传送喷嘴134被构造成从其出口喷射冷却剂。在另一个实施例中，冷却剂传送喷嘴134被构造成以流的形式释放冷却剂。在一个实施例中，冷却剂是水。可以改变空气与水或空气与冷却剂的比率。例如，零到百分之百的水可以与空气结合以注入到管中，如图10所示。

冷却剂(例如，水)可以被收集并容纳在冷却剂容纳区域中。此外，在切割期间可能从管移除的任何熔渣材料可以在该区域中被积聚和收集，或经由真空源178(其将在下文描述)被积聚和收集。在一个实施例中，冷却剂可以在闭环构造中被过滤和再循环以便再使用。在另一个实施例中，冷却剂以开环构造提供。空气/气体和冷却剂/水处理流使得能够在物品中进行更一致的激光切割。这样，可以监测气体流。

图3是示出与气体源110的连接的气动示意图，包括将气体传送到旋转工作台124的气夹125、冷却剂传送喷嘴136和传送喷嘴112(这里标记为气体辅助喷嘴)，以及与其相关联的多个监测装置或感测装置。气体可以是压缩气体或加压气体，例如净化空气，其在期望的压力(例如150psig)下从气体源110和压缩机供应。在实施例中，nDrive放大器可以连接到螺线管阀146、152，这些螺线管阀控制压缩空气到传送喷嘴112、喷嘴136和气夹125的传送。如图3示意性地示出的，气体可以从气源110传送到压缩机(未示出)和/或调节器(未示出)，并传送到与气夹125连接的螺线管阀146。一个或多个过滤器调节器148可以设置在阀146和气夹125之间，以调节供应到气夹125的气体的量。在实施例中，辅助气体制备系统(未示出)包括水分离器、多个空气过滤器和脱水膜。辅助气体制备系统可以用于产生传送喷嘴112中的辅助气体所需的清洁干燥空气。螺线管阀152也可以用于调节流向喷嘴112和136的气流。来自电源的数字输出装置150和154分别连接到螺线管阀146和152，以驱动螺线管。可以提供压力开关(未示出)并且将压力开关连接到一个或两个螺线管146、152，以有助于控制压力并且在压力下降时保护激光器。然后，空气/气体被传送到传送喷嘴112。在实施例中，传送喷嘴112具有0-60标准立方英尺/小时(SCFH)的流量计158和与流量计相关联的0-100磅/平方英寸(psig)的压力计160。相对于绝对压力，在psig末尾处的“g”表示“表压”，或高于大气压的压力。通过将来自气体源110的压缩空气和来自冷却剂源134的冷却剂(水)混合可产生经由冷却剂传送喷嘴136的出口的喷雾或输出。因此，在提供大约150pisg压力的压缩空气的情况下，0-30scfh的流量计156可以用于测量流向喷嘴136的流量。在实施例中，限流器162可以与和喷嘴112、136相关联的流量计156、158结合使用，以便进一步限制或计量流到那里的压缩气体/空气的流量。对流向冷却剂传送喷嘴136的冷却剂流的测量可由IV滴注室(未示出)提供。

图1的系统100的一般操作如下。将管或物品放置在物品工作台122中或物品工作台122上。根据需要，通过运动工作台120使传送喷嘴112相对于管的表面移动，并且锁定工作台120。在控制器118的运动程序内触发激光器。控制器118还通过喷嘴112与激光一起传送来自气体源110的气体，从而沿着管以预定的图案在该管中切割出狭槽、孔和/或孔隙。在激光束的传送期间，控制器118控制物品的移动，使得利用物品工作台122使物品围绕纵向轴线(A-A)连续地旋转并且沿着纵向轴线(A-A)连线性地或沿纵向移动，即，在U方向和X方向上移动。

根据实施例，用于在物品或管中以预定图案切割出狭槽的方法包括以螺旋运动图案或方案切割出狭槽。图4示出根据实施例的可以在物品或管中切割出的狭槽图案500和502的示例。在一个实施例中，例如这里所示，狭槽以相对于管的轴向方向成90度角(即，在X方向上相对于轴线A-A成90度)被切割出。如上所述，随着激光器在物品或管的表面中或穿过物品或管的表面进行脉冲和切割，通过旋转(螺旋)物品或管而连续地使物品或管移动并且使物品或管相对于传送源102/激光器线性或沿纵向移动(例如，沿一个方向移动)，可以在管周围以一个连续的螺旋切割出狭槽。管在纵向方向或X方向上的移动通常是沿着轴线A-A的一个方向。例如，参考图9A中所示的说明性实施例，管135相对于传送源102的纵向移动是从左到右。类似地，管的同时发生的轴向移动或旋转移动或U方向也可以是沿一个方向，即，围绕轴线A-A顺时针或逆时针的方向。不管旋转移动和纵向移动的方向如何，当激光器被脉冲和引导以便以预限定或预确定的图案(由控制器控制)切割出狭槽、孔和/或孔隙时，管在这些方向上同时且连续地移动，从而导致用于切割的前述“螺旋运动”。

图4的狭槽图案500和502是使用上述螺旋运动方案可以在管或物品中切割出的图案的二维表示。狭槽图案500示出一个示例，其中狭槽可以以轴向平行的行提供，每行之间具有纵向间隔。在图案502中，可以在物品中切割出狭槽，使得所得图案包括彼此偏移的相邻行和狭槽。图5示出图案502中的这些行的一部分的详细视图。切割出的每行504、506和508的狭槽包括在纵向方向上具有长度L的狭槽。在同一行中的每个狭槽之间设有纵向间距S。相邻的行在轴向方向上彼此间隔开距离D，例如，行506与行504间隔开距离D，行508与行506间隔开距离D，等等。另外，相邻的行彼此轴向偏移，即，行506相对于行504偏移，并且行508相对于行506偏移。在一个实施例中，交替的行、如行504和行508可以是类似的。相邻行的偏移可以变化。在一个实施例中，第二行(例如，行506)在轴向方向上从第一行(例如，行504)偏移大约百分之五十(50％)。在另一实施例中，相邻的行可以偏移大约百分之二十五(25％)。如图案502所示，在成组或成集合的狭槽之间也可以设置加强区域。这种加强区域通过使管纵向移动使得在一组狭槽之间存在间距而形成。

图6和图7示出在物品或管中切割出狭槽、孔和/或孔隙的替代方法。在一个实施例中，如图6所示，该方法包括运动方案，该运动方案包括切割出单一长度的狭槽，然后将管旋转(沿U方向)到下一个径向位置以在管上切割出狭槽、切割该狭槽，并且重复。通常，该方案需要管在每次旋转之间沿着轴线A-A平移(即，来回)移动。也就是说，切割出狭槽，使管纵向(在X方向上)移动然后旋转(或反之，即，使管旋转然后纵向移动)，并且切割出下一个狭槽，然后使管纵向移动然后旋转，等等。

在另一个实施例中，该方法包括运动方案，该运动方案包括在旋转之前在切割出每行的多个狭槽的同时沿纵向方向的单个移动。例如，如图7所示，管可以在纵向方向上(在X方向上)移动而不旋转，使得传送系统102的激光切割出第一行狭槽。然后，在第一行完成之后，管可以旋转(在U方向上)到下一个径向位置并且保持在该旋转位置。然后，通过使管纵向移动可以在管中切割出第二行狭槽，然后再次使管旋转，以便重复该过程直到所有行都被切割出。

在一个实施例中，狭槽可以被切割成使得它们的长度L相对于管的轴线A-A成零度角延伸。在另一实施例中，例如图5所示，不管切割方案如何，狭槽可以相对于管的轴线A-A以90度被切割出。在另一个实施例中，例如图6和图7所示，无论运动或切割方案如何，狭槽可以相对于管的轴线A-A成45度角被切割出，即，使得狭槽的长度相对于轴线A-A以45度角定位。当然，这些角度和位置仅是说明性的，而不旨在限制。应当理解，可以实现用于切割出和/或定位狭槽的长度L的其它角度，例如30度、60度、75度等。

通过参考图8至图10提供的描述，关于工作台、激光器和管的相对运动的进一步理解可以更加明显。

在实施例中，系统100可以被设计成在管的表面中并穿过管的表面切割出狭槽、孔和/或孔隙，以形成过滤管。可以通过系统100加工和切割的管的类型和尺寸不受限制。例如，被切割的管的外径(OD)和/或内径(ID)可以变化。在实施例中，管可以具有9.5mm的直径(OD)。在另一个实施例中，管可以具有25.4mm的直径(OD)。此外，通过系统100切割的管的壁厚不需要受到限制。系统100可以对具有例如0.25mm壁厚、0.3mm壁厚和/或0.4mm壁厚的管进行切割或开槽。被开槽的管的长度可以变化，例如1.1米长、1.64米(1640mm)长等。

在管中切割出的狭槽、孔和/或孔隙的尺寸(例如，宽度和长度)不旨在限制。在实施例中，系统100可用于切割出具有在大约10微米至大约50微米的范围内的宽度的狭槽、孔和/或孔隙。在另一个实施例中，狭槽、孔和/或孔隙可具有在大约30微米至大约50微米的范围内的宽度。这样的范围仅是示例，并且不应以任何方式限制切割的尺寸。

根据实施例，在激光切割之后，管的总孔隙率可以在大约百分之十五到大约百分之二十之间。

在实施例中，管由具有完全退火的不锈钢(SS)材料制成。在一个实施例中，管由321级SS制成。在另一个实施例中，管由304级SS制成。

在实施例中，机器可以被设计成在小于1小时内生产1至1.64米长的具有15％的目标孔隙率的微狭槽管。在一个实施例中，系统100被构造成切割管，使得管具有在大约1％至大约50％(包括端值)之间的孔隙率范围、在大约0.1mm至大约10mm(包括端值)的范围内的狭槽/孔/孔隙长度以及在大约1微米至大约1000微米(包括端值)的范围内的狭槽/孔/孔隙宽度。在另一个实施例中，由系统100切割的管的孔隙率范围可在大约5％至大约25％之间，其中狭槽长度在大约0.5mm至大约3.0mm之间，并且狭槽宽度在大约10微米至大约100微米之间。管可以包括具有大约30微米至大约50微米宽和大约1毫米长的近似尺寸的微狭槽、孔和/或孔隙。在系统中待切割和加工的管的长度可以变化。

狭槽的长度、角度和位置可以被预先计算，并转换成伺服编码器计数。这些编码器计数用于构建用于激光发射的阵列掩码。在运动期间，当激光器在编码器排除区域内时，掩码阵列用于停止激光发射。相反，当激光器不在那些区域中时，允许激光器点火/发射。当激光器在点火区域内时，根据所需的切割工艺，激光器或者被调制或者被CW调制。为了确保在点火顺序的开始和结束时一致的切割，不再留下用于加速和减速的点火区域。

再参考图8示出的系统100的部分，在一个实施例中，稳定器管、切割喷嘴盖或护罩164可以可选地设置在围绕传送喷嘴112的尖端的区域中，例如，以便收集在开槽或切割期间释放的任何水或冷却剂和熔渣材料，并且覆盖碎屑和并将碎屑偏转远离其它硬件。护罩164可以阻挡开槽/切割过程中产生的全部或大部分碎屑，并且基本上防止碎屑进入引导滚珠轴承、工作台124和126的路径，并且防止碎屑围绕保持管的部分，进一步保护它们免于损坏。图8示出从传送系统102的一部分竖直向下延伸的圆柱形式的护罩164的一个实施例。该圆柱可以围绕传送喷嘴112定位。此外，护罩164可包括一个或多个切口部分166，切口部分166被构造成容纳被切割的管135或物品的形状。在图8的示例性示出的实施例中，两个切口部分166设置在护罩164的圆柱中，以容纳管135的纵向长度或范围。在实施例中，每个切口部分166可以是弯曲的并且尺寸被设置成使得它在其中容纳管135的外表面的曲率，以便邻近管135的表面布置或布置在管135的表面上。

任何收集的冷却剂和/或熔渣材料可根据需要定期地从护罩164和/或管135的内部移除。替代地，可以不提供护罩164。

根据实施例，管135可以在X方向和U方向上围绕轴线A-A由一个或多个空气轴承(未示出)引导，该空气轴承可以与旋转工作台124对准并且位于传送喷嘴112的任一侧上。在另一个实施例中，如上所述和图8所示，包括一组或多组滚珠轴承170(例如，上组和下组)的对准部件可以邻近传送喷嘴112设置以支撑管。同样如前所述，在一个实施例中，当管被放置在系统100中并且通过激光源104切割管时，可以提供衬套和/或滚珠轴承以支撑一定长度的管。例如，图8和图9A至图9B所示的一组或多组滚珠轴承可以设置在框架和/或物品工作台122上，以有助于在X方向和U方向上围绕轴线A-A保持和引导管135。更具体地，在如图9A所示的实施例中，激光切割系统100可以定位在安装到框架174的工作平台表面172上。沿着工作平台表面172间隔开的可以是多个管轴承支撑托架176，多个管轴承支撑托架176从工作平台表面172的水平表面向上竖直延伸。每个轴承支撑托架176可以包括以一角度设置的一组全向传动滚珠170，以支撑管的表面并在激光头附近引导管。在实施例中，至少一些托架176包括朝向彼此成角度的滚珠。在另一个实施例中，滚珠170可基本上竖直地定位以从下方支撑管的表面。在一个实例中，可以提供馈入及馈出托架176以在管延伸超出物品工作台122的地方支撑管。

轴承支承托架176用作导轨，该导轨用于在激光切割系统100以脉冲速率传送以便在管135的表面中切割出狭槽、孔和孔隙时引导管在纵向方向上(在X方向上)的移动以及围绕轴线A-A(在U方向上)的旋转运动。一旦管延伸超出管加工区域(即，与工作台相邻且在激光源的传送喷嘴下方/超出激光源的传送喷嘴的区域)，这些导轨/托架176还支撑管的重量和长度。因为管的弯曲可能影响管相对于传送喷嘴112的位置，这可能导致管的表面移动到激光束的焦点外，所以提供这种导轨可以进一步有助于减少误差，从而增加切割和狭槽的质量。

在一个实施例中，传送滚珠170可以被密封，并且因此不易受来自任何熔渣的损坏的影响。

图8另外示出可以与激光系统100一起使用的像机器人的机械夹持器机构182。夹持器机构182可以由控制器118控制，并设计成保持或夹持管135、使管135移动，和/或在一些情况下在管135的旋转期间用作引导件。夹持器机构182可包括两个指状部分184，例如，上指状部分和下指状部分，每个指状部分中具有用于容纳管(或物品)的切口部分186。例如，切口部分186可以是圆形的或倒圆的，以容纳管135的外表面。如本领域技术人员通常理解的，这种夹持器机构设计成使得其指状部分184在打开位置(图8和图9B中所示)和关闭位置(其中指状部分184朝向彼此移动得更近以围绕物品夹持，或者在这种情况下围绕管夹持)之间相对于彼此移动。因此，这里不描述这些细节。如图9A和图9B所示，夹持器机构182可通过托架188安装到工作平台172。

夹持器机构182被设计成与旋转工作台124(以及可选地，线性工作台126)的气夹125一起工作，以在管135被激光源104使用运动方案切割时使管线性地移动和旋转。在实施例中，在通过激光源104进行脉冲/切割期间，在气夹125/旋转工作台124使管绕轴线A-A沿U方向旋转的同时，夹持器机构182被设计成使管沿X方向沿纵向移动。

由于传送喷嘴112被设计成用于吹气，并因此将切下的和/或熔融的材料从管135移动到例如管135本身的内壁中，因此一些熔渣可在其中积聚。为了防止这种熔渣在管壁的内侧上积聚，在一个实施例中，可以提供用于向管135的端部提供真空力的真空源178或鼓风机。例如，如图10所示，在一个实施例中，真空源178可以设置在系统的馈出侧上。在另一个实施例中，如图9所示，真空源178设置在系统的馈入侧(即，与工作台相同的一侧)。当激光器切割管时，真空的施加可有助于从切割区域和管中去除熔渣和/或冷却剂和/或空气-冷却剂的混合物。真空装置可以包括自清洁过滤器，该自清洁过滤器允许开槽机器的连续运行而不必在每个管之后更换过滤器。自清洁过滤器还可有助于解决与产生的一定体积的熔渣所引起的相关堵塞的问题。

在另一实施例中，在系统100中提供加压鼓风机端口和真空抽吸端口。例如，如图10所示，压缩空气或加压空气可在第一端处经由鼓风机端口引入到管中，并且可在相反端处经由真空抽吸端口提供来自源178的真空力。

在一个实施例中，浸没分离器可用作熔渣运送过程的一部分。这种浸没分离器可以使用液体(例如水)在熔渣进入鼓风机或真空装置之前从流(空气、水或它们的混合物)中分离和去除熔渣。

再参考图9A，示出根据实施例的使用与系统的馈入侧上的真空箱179连接的真空源178以用于从切割区域移除熔渣的示例。更具体地，在该说明性示例中，真空箱179设置在传送系统102和工作平台表面172的左侧上。真空箱179经由连接器192和软管190连接到真空源178。真空装置在该侧上的定位允许通过后侧或尚未被切割的侧从管中抽出熔渣。该真空箱178还有助于在切割操作期间在管的整个长度上保持真空，这将有助于在切割时更有效地去除熔渣。熔渣从切割喷嘴112运送、穿过管135(的内部)、穿过真空箱179、穿过软管190出来并到达真空装置178。

真空箱179是真空密封装置，其包括真空密封的内腔室以及在其出口和旋转工作台124/气夹125之间的适配器180。例如，适配器180可以设置为大于管135并围绕管135的管的形式。当管在切割期间移动和旋转时，适配器180保持箱的腔室和管135之间的真空密封。适配器180可以被构造成例如与管135一起移动穿过真空箱179的腔室。例如，当准备用于切割的管135时，管135的大部分长度可以穿过适配器180插入并且插入到真空箱179的腔室中。一旦设定(例如，运动工作台120和传送系统102的设定和锁定)，真空源178可以被激活以向管135的内部提供真空密封和真空。当物品工作台122在X方向上纵向移动时，适配器180和管135也可以纵向移动到腔外。适配器180的移动可以由其长度限定，并且管135可以继续在X方向上移动离开腔室和适配器。真空箱179及其内腔室可具有在激光源104的传送喷嘴112后面延伸的长度(例如，超过1米)，以例如允许容置和容纳待开槽的管的大部分长度(即便不是全部长度)。在一个实施例中，箱179的长度大约是管135的长度的尺寸的两倍。

一个或多个传感器可以与真空箱179相关联。例如，在一个实施例中，真空箱179具有与其相关联的压力传感器(未示出)，以给出反馈并允许操作者和/或系统/控制器知道真空箱内的压力。

软管190的与箱179连接的连接尺寸或直径可以基于沿管向下流动的期望的空气的量，并且不旨在限制。根据实施例，真空装置178与真空箱179之间的软管连接尺寸或直径可在约30mm至约80mm的范围内，包括端值。

其它装置可以与激光系统100一起使用。例如，在一个实施例中，可在激光系统100中提供熔渣捕集器装置，例如熔渣捕集器装置与鼓风机或真空装置178一起使用。图11和图12示出根据实施例的可与图1的激光切割系统一起使用的示例性熔渣捕集器装置。图11示出一种概念，其中物理偏转器被添加到被激光切割的管(135)的内部。所添加的偏转器可物理地阻挡熔渣或使熔渣偏转，并减轻熔渣再沉积问题。在一些情况下，偏转器可在熔渣流进入管的内部时使熔渣流改变方向或减慢熔渣流的速度。在图11中，偏转器以45度角设置，使得撞击偏转器的任何熔渣可偏转大约90度，以与穿过并离开管的空气流成一线，使得熔渣也被抽吸并经由真空源178被带出管。图12示出用于捕集熔渣流(而不是使熔偏转)的替代构造。在这种构造中，管形式的内部熔渣捕集器被插入到正被激光切割的管(135)中。该捕集器具有捕集区域，该捕集区域用于捕集由激光切割产生的熔渣。空气喷嘴(鼓风机或真空装置178)可流动到内部熔渣捕集器的内部以将任何熔渣向下推动到熔渣捕集器管中并进入到穿过和离开两个管的空气流/气流中。

在另一实施例中，火花捕集装置可邻近管135设置或插入到管135中以收集任何切下的金属。在熔渣干扰切割过程之前，可监测并周期性地处理收集在火花捕集装置中的熔渣沉积物。

在实施例中，激光切割系统100可以是包括机械臂的生产系统的一部分，该机械臂被构造成使用于加工的管在包括激光切割系统100在内的多个子系统之间移动。在一个实施例中，每个子系统被设计成在大约一个小时或更短时间内完成其功能，而不会阻碍开槽子系统/激光切割系统100的生产。在实施例中，每个管都经过预检查，在预检查中，在用系统100进行激光切割之前检查未加工的和未切割的管。激光切割系统100被构造成经由机械臂接收已经通过预检查的每个管，所述机械臂将所述管从检查系统移动到激光切割系统100。

在一个实施例中，生产系统是在同一天提交的、题为“用于形成包括子系统的过滤管的生产系统和使用该生产系统的方法(PRODUCTION SYSTEM FOR FORMING FILTRATIONTUBES INCLUDING SUBSYSTEMS AND METHOD OF USING SAME)”的共同待决的美国专利申请No.62/738,919(代理人卷号/文献No.036635-0458822)中描述的系统，并且该美国专利申请转让给本文中的同一受让人，在此通过引用将该美国专利申请的整体并入本文。

如上所述，通过本文所公开的系统100切割或开槽的物品或管可用于形成过滤管。例如，这种过滤管可以用作组装或布置成捆包或其它构造以满足许多工业的特定过滤要求的过滤束和/或组件的一部分。通常，这种组件可用于在一个方向上从液体中过滤固体，并且在必要时，在相反方向上反洗，以去除孔中嵌入的颗粒或滤饼，从而清洁这种过滤介质。

虽然在上述说明性实施例中已经清楚本公开的原理，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以对在本公开的实践中使用的结构、装置、比例、元件、材料和部件进行各种修改。例如，即使在本文中未明确提及，本领域技术人员也将理解，控制器118可以用于控制激光系统100的任何数量的部件(例如，激光器的脉冲、气夹125、工作台120、工作台122、伦德108、伦德128、气体源/空气源/水源等)。

因此，可以看出，本公开的特征已经完全和有效地实现。然而，应认识到，出于说明本公开的功能及结构原理的目的，已示出及描述了前述优选的具体实施例，并且在不脱离这些原理的情况下可对实施例进行改变。因此，本公开包括包含在所附权利要求的精神和范围内的所有修改。

Claims (19)

1.一种用于切割物品的激光切割系统，所述激光切割系统被构造成在每个物品中切割出多个狭槽、孔和/或孔隙，所述系统包括：

传送系统，所述传送系统用于传送激光束，所述传送系统包括被构造成提供激光束的激光源、至少一个反射镜、聚焦物镜、气体源和传送喷嘴；

所述传送喷嘴，所述传送喷嘴被构造成将来自所述气体源的气体和来自所述激光源的所述激光束朝向所述物品传送，以便沿着所述物品以预定图案在所述物品中切割出所述多个狭槽、孔和/或孔隙；

第一工作台，所述第一工作台用于在纵向方向上保持待由所述激光束切割的每个物品，并且被构造成(a)在朝向所述物品传送所述气体和所述激光束期间使所述物品绕轴向旋转，并且还被构造成(b)在所述激光束被传送至所述物品时使所述物品相对于所述传送喷嘴沿纵向移动；

第二工作台，所述第二工作台用于使所述传送喷嘴相对于由所述第一工作台保持的所述物品移动；以及

控制器，所述控制器用于控制所述激光束和所述气体源的致动以及所述第一工作台和所述第二工作台的移动。

2.根据权利要求1所述的激光切割系统，其中，所述物品是管，所述激光切割系统被构造成在每个管的壁中并且穿过每个管的壁切割出多个狭槽、孔和/或孔隙，以形成被构造成从流体中过滤固体的过滤管。

3.根据权利要求1所述的激光切割系统，其中，所述第一工作台包括第一子工作台和第二子工作台，所述第一子工作台被构造成使所述物品绕轴向旋转，并且所述第二子工作台被构造成使所述物品沿纵向移动，其中，所述第一工作台被定位在所述第二子工作台的顶部。

4.根据权利要求1所述的激光切割系统，其中，所述传送系统包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜两者均被构造成借助于能够旋转的安装件旋转以用于引导所述激光束。

5.根据权利要求1所述的激光切割系统，还包括相机和中继透镜，其中，所述相机被构造成拍摄所述传送喷嘴的图像以确定所述传送喷嘴的放置，并且因此确定所述激光束相对于所述物品的放置，并且其中，所述中继透镜被构造成为所述相机聚焦所述传送喷嘴的所述图像。

6.根据权利要求1所述的激光切割系统，还包括监测装置，所述监测装置用于测量来自所述激光束的用于切割所述物品的能量的比率。

7.根据权利要求1所述的激光切割系统，还包括冷却剂容纳单元，所述冷却剂容纳单元包括冷却剂源和冷却剂传送喷嘴，所述冷却剂传送喷嘴被定位成邻近所述传送喷嘴，并且其中，所述冷却剂传送喷嘴被构造成在所述物品的切割期间朝向所述物品传送冷却剂。

8.根据权利要求1所述的激光切割系统，还包括用于引导所述物品在所述纵向方向上的移动的导轨和滚珠轴承。

9.根据权利要求1所述的激光切割系统，所述控制器被构造成控制所述第一工作台相对于所述激光束的移动，使得所述物品包括多行狭槽、孔和/或孔隙，并且其中，相邻行在切割之后彼此偏移。

10.一种用于使用激光切割系统在物品中切割出多个狭槽、孔和/或孔隙的方法，所述激光切割系统包括：传送系统，所述传送系统用于传送激光束，所述传送系统包括被构造成提供激光束的激光源、至少一个反射镜、聚焦物镜、气体源和传送喷嘴；所述传送喷嘴，所述传送喷嘴被构造成将来自所述气体源的气体和来自所述激光源的所述激光束朝向所述物品传送，以便沿着所述物品以预定图案在所述物品中切割出所述多个狭槽、孔和/或孔隙；第一工作台，所述第一工作台用于在纵向方向上保持待由所述激光束切割的每个物品，并且被构造成(a)在朝向所述物品传送所述气体和所述激光束期间使所述物品绕轴向旋转，并且被构造成(b)使所述物品相对于所述传送喷嘴沿纵向移动；第二工作台，所述第二工作台用于使所述传送喷嘴相对于由所述第一工作台保持的所述物品移动；以及控制器，所述控制器用于控制所述激光束和所述气体源的致动以及所述第一工作台和所述第二工作台的移动；其中，所述方法包括：

将所述物品放置在所述第一工作台中；

使用所述第二工作台使所述传送喷嘴相对于所述物品移动；以及

控制所述控制器以朝向所述物品传送所述激光束和所述气体，从而沿着所述物品以所述预定图案在所述物品中切割出所述多个狭槽、孔和/或孔隙，

其中，在所述激光束的传送期间，所述控制器控制所述物品的移动，使得使用所述第一工作台使所述物品连续地绕轴向旋转并沿纵向移动。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述激光束的传送期间所述物品的所述绕轴向旋转和所述沿纵向移动导致在所述物品中切割出狭槽、孔和/或孔隙的螺旋形切割图案。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述物品是管，并且其中，所述激光切割系统被构造成在每个管的壁中并且穿过每个管的壁切割出多个狭槽、孔和/或孔隙，以形成被构造成从流体中过滤固体的过滤管。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一工作台包括第一子工作台和第二子工作台，所述第一子工作台被构造成使所述物品绕轴向旋转，并且所述第二子工作台被构造成使所述物品沿纵向移动，其中，所述第一工作台被定位在所述第二子工作台的顶部。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述传送系统包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和所述第二反射镜两者均被构造成借助于能够旋转的安装件旋转以用于引导所述激光束，并且其中，所述方法还包括：使所述第一反射镜和/或所述第二反射镜中的至少一者围绕其能够旋转的安装件旋转以引导所述激光束。

15.根据权利要求10所述的方法，还包括相机和中继透镜，其中，所述相机被构造成拍摄所述传送喷嘴的图像以确定所述传送喷嘴的放置，并且因此确定所述激光束相对于所述物品的放置，并且其中，所述中继透镜被构造成为所述相机聚焦所述传送喷嘴的所述图像。

16.根据权利要求10所述的方法，还包括监测装置，所述监测装置用于测量来自所述激光束的用于切割所述物品的能量的比率，并且其中，所述方法还包括：测量在所述切割期间来自所述激光束的所述能量的比率，以及基于所测得的能量的比率使用所述控制器来控制所述激光束和/或来自所述气体源的所述气体。

17.根据权利要求10所述的方法，还包括冷却剂容纳单元，所述冷却剂容纳单元包括冷却剂源和冷却剂传送喷嘴，并且其中，所述方法还包括：在所述物品的切割期间经由所述冷却剂传送喷嘴朝向所述物品传送冷却剂。

18.根据权利要求10所述的方法，还包括导轨和滚珠轴承，所述导轨和滚珠轴承用于引导所述物品在所述纵向方向上的移动。

19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述控制器被构造成控制所述第一工作台相对于所述激光束的移动，使得所述物品包括多行狭槽、孔和/或孔隙，并且其中，相邻行在切割之后彼此偏移。

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