CN201061845Y - 匣盒、在匣盒中使用的插件以及具有匣盒的激光加工头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种匣盒(10)，用于将透镜系统(16)保持在激光加工设备，特别是用于使用激光束来加工工件的激光加工头中，所述匣盒具有壳体(12)，所述壳体在两个对置的侧(18、20)上分别具有用于让通过激光加工设备导向的光路(L)穿过的孔(20、24)和用于透镜系统(16)的容纳空间(40)，以及具有用于透镜系统(16)的支承件(38)的插件(14)，所述插件可导入所述壳体(12)的容纳空间(40)中，以便将所述透镜系统(16)保持在光路(L)中，其中所述插件(14)在所述容纳空间(40)之外、在所述壳体(12)上被引导，使得所述支承件(38)自由滑动地支承在所述壳体(12)的容纳空间(40)内。

Description

匣盒、在匣盒中使用的插件以及具有匣盒的激光加工头

技术领域

本实用新型涉及一种匣盒，并且特别是涉及一种用于将透镜保持在激光加工头中的匣盒，在使用纤维激光器的情况下该激光加工头用于激光切割。

背景技术

近年来，在制造工业中激光束切割已发展成一种标准方法。估计在2003年在世界范围内已经有超过25,000台切割设备利用高激光辐射功率来切割金属和非金属。

以下，首先一般地解释激光束切割的原理。在被聚焦的激光束碰到工件的地方，激光束强烈地加热材料，使得材料熔化或蒸发。一旦激光束完全穿透工件，就可开始切割过程。激光束沿着零件轮廓移动并且不断地使材料熔化。熔液大部分被气流向下从接缝中吹走。以这样的方式，在零件与剩余格栅(Restgitter)之间出现窄的切割裂缝。切割裂缝极少宽于被聚焦的激光束本身。

激光束切割的两种标准方法，即气割与熔融切割之间是不同的。气割主要用于切割结构钢。为了气割，将氧气用作切割气体。用达到6巴的压力将氧气吹入接缝。在那里，被加热的金属与氧气反应，其中金属燃烧并且氧化。在此，化学反应释放出能量，该能量达到激光能量的五倍并且辅助激光束。气割允许高的切割速度和加工厚的板材。例如，允许切割的结构钢厚度超过30mm。然而，由于该方法使切割面覆盖有氧化物层，而漆和覆层在被氧化的表面上附着不好，所以必须去除氧化物层。此外，层的破裂会导致易受腐蚀。

在第二标准方法，即熔融切割中，氮气或者氩气用作切割气体。可加工所有可熔化的材料，优选为金属，然而也可加工陶瓷。在该方法中，利用在2巴与20巴之间的压力使切割气体穿过接缝。氩气和氮气一般不与切割裂缝中被熔化的金属反应，而是仅将金属向下吹出。同时，它们使切割边与空气屏蔽。作为切割气体，氮气可用于几乎所有金属。唯一的例外是钛，它不仅与氧气而且与氮气剧烈反应，因此利用氩气来切割钛。熔融切割具有显著的优点，即边缘没有留下氧化物并且不必再加工。然而，仅激光束的能量可用于切割，因此仅在薄的板材中切割速度才与气割中的速度相同。刺穿也变难，因此一些切割设备提供了这样的可能性，即用氧气刺穿并且接着用氮气继续切割。

激光束切割的一种特别的变型是高速切割。激光束-高速切割中的发展为激光开创了具有极大潜力的全新的使用可能性。因此，在切割典型的车身和壳体板(Gehaeuse-blechen)时，在此期间切割速度可为50m/min或更高。由此，在批量生产中激光切割也代替使用冲压工具的传统切割。

为了达到高切割速度，必需具有激光辐射功率范围在1kW与6kW之间的高激光辐射功率的激光。在此，激光辐射功率描述了以辐射形式每秒所发射的能量。另一重要的参数是激射光(Laserlicht)强度。该强度表示每单位面积的激光辐射功率。高的强度意味着快速地加热切割部位而仅仅很少的能量会流入周围的工件中。由此，可实现激光类的高切割速度和非常好的切割质量。

此外，对可切割的板材厚度，激光辐射的功率也是决定性的，材料越厚，所需的激光器功率越高。强度取决于激光辐射功率的大小以及通过透镜的光学特征来改变。例如可以利用所使用的会聚透镜的短焦距、辐射中的均匀的强度分布、所使用的激射光的短波长或者在透镜上方的大辐射直径来实现具有高强度的小焦斑。

对于激光-高速度切割的另一重要参数是焦深(瑞利长度Rayleighlaenge)。焦深是光线在焦点后又快速地展开的量度。大的焦深允许定位焦点时更大的余地并且能够实现切割更大厚度的板材。焦深受到如焦距所受到的同样参数的影响。原则上，短焦距也意味着短焦深，反之亦然。

于是，短焦距的透镜产生了小焦斑和短焦深。由此，它能够在薄的材料中实现高切割速度和良好的切割质量。然而，工作间距由于短焦深而必须尽可能保持恒定。

由于这个原因，在基于小的焦深通过激光束进行高速切割时，由于加热或者设备，特别是所使用的透镜如准直透镜和会聚透镜的类似变化导致的焦点的可能的推移不利于保持待加工的薄工件的切割质量和切割速度的恒定。

所谓的纤维激光器特别适合于产生很小的焦深。纤维激光器是固体激光器的一种特别的形式。在此，在纤维激光器中玻璃纤维的掺杂的芯形成活性的介质。即，这涉及一种具有光波导特性的玻璃激光器。由纤维传导的激射光由于大的长度而受到很大的增强。纤维激光器例如以这样的方式来光泵浦，即从二极管激光器的辐射平行于纤维芯而耦合输入或者耦合输入到纤维芯中。纤维激光器在其端面上具有反射器，这些反射器构成谐振器并且因此能够实现受控的激光器运行。反射面由以UV光写入玻璃纤维中的折射率变化部分，即所谓的光纤布拉格光栅构成。因此，在光栅上没有形成附加的耦合损耗，其中该光栅仅有选择地反射所希望的波长。铒最经常用作对激光活性的纤维芯的掺杂元素，接着是镱和钕。激射光的波长几乎没有不同。它们约为1.06μm(钕)和1.03μm(镱)。纤维激光器的显著优点是，所发射的光波波长仅仅很少地被玻璃吸收，即所发射的激射光可以借助玻璃纤维从激光装置向所连接的激光加工头传导。

此外，纤维激光器具有kW范围内的突出的辐射质量，在4kW的输出功率的情况下，在此实现50μm的纤维直径。与CO2基模激光器最大达到3.4mm×mrad的辐射质量相比，这提供了小于2mm×mrad的辐射质量。在使用镱掺杂的4kW纤维激光器的情况下，可明显超过4kW CO2激光器的最大切割速度。在此，切割速度在1mm厚度的板材中，在不锈钢、铝合金或者结构钢中都为大约50m/min。此外，具有1kW激光器功率的纤维激光器对在3mm与5mm之间厚度的板材能够实现几乎与2.5kW到3kW的CO2激光器相同的切割速度。根据板材的厚度，该切割速度大约为2m/min与10m/min之间。

因此，具有1000W与4000W之间的激光器功率的纤维激光器特别适合于激光切割，并且特别适合于使用氮气的情况下的熔融切割方法。在合适地选择喷嘴参数的情况下，甚至在高切割速度时，也形成了具有很小粗糙高度的无毛边的切割边缘。

在镱掺杂的1kW纤维激光器中，纤维直径典型地为15μm且纤维长度为5m，在4kW纤维激光器中，纤维直径为50μm且纤维长度为20m。在1kW纤维激光器中，对工件的加工的通常的过程参数例如是：聚焦焦距(Fokusierbrennweite)为120mm，准直焦距为120mm，焦斑直径为15μm，在喷嘴直径为1.5mm时，喷嘴与工件之间的间距为1mm，其中在10巴的压力下将作为切割气体的氮气导送到工件上。

对于切割过程，激光加工头可越过工件，或者工件本身可以移动。然而，由于在实施高速激光切割过程时出现了很高的加速度，所以有意义的是使工件特别是待加工的板材在激光加工头下方运动。为此，存在调节台，其能够在2.5m×1.25m的工作范围内实现加速度为4g，具有定位精度小于3μm、可重复性1μm的供给率为300m/min。

如上面已阐述的那样，薄的板材的高速激光切割与其它切割方法的不同在于，激光、特别是具有小焦深和高辐射质量的纤维激光器对准待加工的板材，由此由于焦点中的高辐射强度可以快速地切割板材。然而，在此出现这样的问题，即工件与激光加工头之间的间距必须精确地调节，因为在所使用的小的焦距和焦点直径的情况下，激光束又快速地扩展并且因此失去了对切割所必需的强度。

在此，过大的投影比例增大了焦点逆着辐射方向的移动。对此，解决方案是选择1∶1的投影比例，这意味着，纤维芯直径与切割裂缝宽度相应。然而，由于当前所广为使用的小的纤维芯直径，该投影比例不能这样简单地转换。

在准直透镜沾污的情况下，出现焦点逆着辐射方向移动。由于沾污，透镜在激光束的作用下被加热，由此出现透镜的热形变以及折射系数的变化。这两个作用致使焦距变小并且因此焦点逆着辐射方向移动。沾污的原因是，在插入纤维插头时污物接触准直透镜。在使用透镜盒的情况下，这能够以这样的方式来避免，即在安装纤维插头时简单地从光路中拉出透镜。

然而，由于会聚透镜轻微沾污也会出现焦点逆着辐射方向的移动。在此，沾污的原因为被沾污的切割气体(在环流的保护玻璃的情况下)、被沾污的用于透镜冷却的气体、不利的保护玻璃更换或者在安装过程中透镜的沾污。对该问题已公知的解决方案在于，不用气体冷却透镜或者使用保护玻璃抽屉。另一种可能的解决方案、即使用高纯的气体来冷却或者切割，由于高成本而仅仅有条件地适合于工业。

在使用用于透镜保持的匣盒的情况下，也会以这样的方式出现透镜的沾污，即在匣盒的壳体与用于透镜的保持件之间出现磨耗，即磨损颗粒，磨损颗粒会残留在匣盒里面并且沾污透镜，其中保持件在匣盒的壳体内的导轨中被引导。

实用新型内容

因此，本实用新型的目的在于，实现一种用于将透镜系统保持在激光加工头中的匣盒，在将插件拉出或者导入匣盒的壳体中时，该匣盒减小了透镜系统的沾污。

该目的通过根据权利要求1所述的匣盒来解决。在从属权利要求中阐述了本实用新型的一些有利的扩展方案和改进方案。

根据本实用新型，实现了一种用于将透镜系统保持在激光加工设备中、特别是用于使用激光束加工工件的激光加工头中的匣盒，该匣盒包括壳体和带有用于透镜系统的支承件的插件，壳体在两个相对的侧上分别具有一个用于让通过激光加工设备导向的光路穿过的孔和用于透镜系统的容纳空间，支承件可导入壳体的容纳空间中，以便将透镜系统保持在光路中，其中插件在容纳空间之外在壳体上被引导，使得在壳体的容纳空间内的支承件被自由滑动地安置。

因此根据本实用新型，用于保持透镜系统的匣盒具有可导入壳体中的插件，该插件具有用于透镜的支承件和至少一个导向件，其中支承件在插件被插入的状态中将透镜保持在光路中，导向件在外部在壳体上被导向，由此当插入或者拉出插件时，在壳体内不会形成磨耗或者其它沾污。由此，在壳体内也没有磨耗可以到达透镜上并沾污透镜。

对在壳体内插件的导向的结构上的转换，特别简单并且合乎目的的是，插件具有至少一个导向件，该导向件分别可与至少一个互补于插件的导向件的并且在设置在壳体外侧上的导向件形成配合。

在此，所述导向元件可以构造为在壳体的大致平行于光路分布的对置的壁中垂直于光路分布的槽，其中插件分别具有两个与插件的支承件相邻设置的导向板，这些导向板分别可在这些槽中引导。这具有这样的优点，即导向板在壳体的对置的壁中的槽内可将压力施加到壳体的壁上，以便这样施加夹紧作用。

在本实用新型的另一种有利的扩展方案中，所述导向元件可以构造为在壳体的至少一个侧壁中垂直于光路分布的钻孔，可将插件的相邻于插件的支承件而设置的销插入这些钻孔中。本实用新型的该扩展方案具有这样的优点，即将销插入相应的钻孔中是特别稳定的，此外，这些钻孔也可以构造在壳体的非对置的壁上，以便在壳体中能够实现插件的稳定的保持。

此外，根据本实用新型设置有用于在本实用新型的匣盒中使用的插件，该插件具有用于容纳透镜系统的支承件、至少一个在侧面的长形的导向件和连接件，其中导向件与支承件相互间隔地设置，至少一个导向件和支承件从连接件向导入方向延伸，其中所述至少一个导向件可在匣盒的壳体外侧的壁中被引导。

为了简单的操纵和从壳体中简单地拉出插件，合乎目的的是，插件具有手柄段。此外，有利的是，插件此外还具有凸缘段，凸缘段在插件被插入的状态中封闭壳体的导入孔，以便避免由于颗粒侵入导入孔而沾污透镜系统。

此外，合乎目的的是，支承件具有用于容纳透镜保持件的容纳装置，透镜安装进容纳装置内。为了容易地将透镜保持件安装在插件中，在此有利的是，容纳装置包含内螺纹，内螺纹与透镜保持件的外螺纹形成配合。

根据本实用新型，此外设置有用于通过激光切割来加工工件的激光加工头，该激光加工头具有根据本实用新型的匣盒，该匣盒容纳激光加工头的透镜系统，透镜系统具有至少一个透镜。在此，特别合乎目的的是，至少一个透镜是用于从玻璃纤维中耦合输出激光束的准直透镜。然而，也可能的是，透镜系统包括用于将激光束聚焦到工件上的会聚透镜。

附图说明

以下参照附图详细地描述本实用新型。其中：

图1示出了根据本实用新型的匣盒的立体图，其中插件未完全导入壳体中；

图2示出了根据本实用新型的匣盒的立体截面图，其中插件完全导入壳体中并在壳体的导入槽的高度上穿过；

图3A示出了在沿着光路并垂直于插件的导入方向的平面中的根据本实用新型的匣盒的立体截面图；

图3B示出了在沿着光路并垂直于插件的导入方向的平面中的根据本实用新型的匣盒的平面截面图；

图4A示出了在沿着光路并在插件的导入方向上的平面中的立体截面图；以及

图4B示出了在沿着光路且在插件的导入方向上的平面中的根据本实用新型的匣盒的平面截面图。

具体实施方式

在附图的不同的图示中，同样的部件标有相同的参考标记。

在图1中示出了匣盒10，例如其在激光加工头中可用于容纳激光加工头的透镜系统。匣盒10包括壳体12和带有透镜系统16的插件14，透镜系统可引入壳体12中而进入光路中或者从该壳体中拉出。

如从图1至4B中可见，匣盒10的壳体12具有大致方形的结构，其中壳体12具有带围绕光路L(图3B和4B)设置的辐射输入孔20的辐射输入侧的盖18、带有辐射输出孔24的辐射输出侧的盖22以及第一侧壁26、第二侧壁28以及后壁30。壳体12在与后壁30对置的侧上具有前壁31，前壁具有用于容纳插件14的导入孔32。

在第一侧壁26和第二侧壁28上，在导入孔32的高度上设置有第一导入槽34和第二导入槽36，它们在第一侧壁26或者第二侧壁28中垂直于光路L并平行于插件14的导入方向E延伸入壳体12中，以便容纳互补的导向插件14的导向件，如以下还将详细描述。

如图1中立体图所示并且在图2至4B的截面图中详细示出，插件14具有支承件38，该支承件可以插入导入孔32中而进入壳体12的容纳空间40中并且支承透镜系统16。此外，插件14具有带有手柄段44和凸缘段46的连接件42，凸缘段46与支承件38相连并且可与支承件38构造为一体式。在此，手柄段44用于从匣盒10的壳体12中能容易并且精确地拉出插件14并且能再次插入壳体12中。在将插件14插入壳体12时，凸缘段46碰到前壁31并且在此封闭导入孔32。因此，通过确定相应的尺寸，一方面可以避免支承件38与壳体12的后壁30相碰，而另一方面除保留的辐射输入孔20和辐射输出孔24之外封闭容纳空间40。

侧向于支承件38，从连接件42沿着导入方向E延伸出两个长形的导向件，它们在所示的实施例中构造为第一侧面的导向板48和第二导向板50(图3A和3B)。在此，第一和第二导向板48和50构造为互补于第一和第二导向槽34和36，使得导向板48和50在支承件38被插入的状态中完全嵌入导向槽34或者36中，并且与侧壁26或者28平齐地封闭。在图1至4B中所示的实施例中，第一和第二导向板48和50具有矩形的横截面。然而，可以考虑多种横截面，前提是所述的导向槽具有互补于导向板的横截面。因此，例如可考虑，导向槽34和36为半圆形或者梯形而延伸进第一和第二侧壁26和28中，其中第一和第二导向板48和50同样构造为半圆形或者梯形，以便在插件14被导入的状态中与侧壁26和28平齐地封闭。

在此，为了至少一个导向板接合在导向槽中，在壳体12的后壁30附近将锁定元件(未示出)设置在导向板上和/或设置在导向槽中，以便插件14可解除地锁定在壳体12中。在此，锁定元件可以构造为倒钩，然而该倒钩也可以仅由在导向板中的朝向侧壁的凸起与在所述的导向槽中的相应凹槽一起构成。在此，锁定元件可以设置在壳体12的两侧上或者仅设置一侧上。

对于使用锁定元件，有利地，导向槽34或者36的横截面能够实现使导向板48和50与导向槽34和36分离。这意味着，导向板仅通过连接件42来保持并且因此可以起到压向导向槽内的侧壁的弹性元件的作用。

然而，也可根据导向槽设置导向板的横截面，在该横截面中导向板48和50形状配合地保持在导向槽34和36内，由此在导入方向E上仅能实现滑动运动。因此，例如导向板48和50的梯形的横截面和相应的导向槽34或者36是可设想的，其中导向槽的开口面小于其底面。因此，导向板48和50在导入方向上可插入导向槽34和36中，由此保证了更好地保持插件14。

最后可设想的是，导向槽34和36完全被侧壁26和28遮盖，例如沿着导入方向E并垂直于光路L在侧壁26或者28上钻孔的情况。在此，插件14的长形的导向件48和50也可以构造为插入孔中的圆形的销。

在所示的实施例中，导向槽34和36以及导向板48或50延伸经过壳体12的整个侧壁26或28。然而，插件14的导向板也可以仅部分地在导向槽中延伸或者导向槽并未延伸经过整个侧面。此外，在侧壁中钻孔的情况下，钻孔也可以通过辐射输入侧的或者辐射输出侧的盖18或者22的位于辐射孔旁边的部分延伸。在这样的情况下，导向槽或者导向孔不必设置在对置的侧上。

通过将导向板48和50导入导向槽34和36，可将支承件38插入壳体12的容纳空间40中，使得不仅在导入时而且在被插入的状态中，支承件38都不碰到壳体12的容纳空间40的内壁，即自由滑动地安置。因此，在插入或者拉出插件14时，在壳体12的内壁上没有形成摩擦的磨损或者磨耗，而是可能仅仅在导向槽34和36内出现。因此，可避免由于磨耗而沾污透镜系统16。

如在图1至4B中所示，透镜系统16安装在透镜保持件52中。如图3A至4B中更确切地示出的那样，透镜系统16可以具有透镜，其中在激光加工头内的、用于从玻璃纤维耦合输出激光束以转发给会聚透镜的准直透镜是特别优选的。在此，透镜系统16的透镜被容纳在优选地具有环形横截面的透镜保持件52内，并且通过第一和第二定位环54和56来锁定。透镜保持件52又被容纳在插件14的支承件38中，其中透镜保持件52可粘接至支承件38中或者可借助外螺纹(未示出)旋进支承件38的内螺纹(未示出)中。

现在在下面描述具有待连接的玻璃纤维的激光加工头的启动准备，玻璃纤维与纤维激光器相连，其中在连接玻璃纤维时由于根据本实用新型的匣盒而可避免沾污准直透镜。

首先，在插入纤维插头之前不仅移除准直透镜而且移除会聚透镜，它们都可以保持在根据本实用新型的匣盒中。接着，用盖封闭加工头的孔。随后，插入纤维插头并又移除盖，再将插件插入匣盒的壳体中。因此，可以在激光加工头外简单地控制准直透镜，由此必要时也能够实现简单地清洁或者简单地更换准直透镜。此外，在每次插入光缆之前还可从准直器中移除准直透镜，由此在插入光缆时没有污物落到透镜上。最后，由于在壳体的外壁上导向插件和在容纳空间内自由滑动地安置支承件，在辐射导向路径内没有形成磨损颗粒，由此避免了沾污以及准直透镜的焦距偏移和与其相关的在工件上的焦斑的焦距偏移，由此在激光切割时实现了不变的切割质量。

Claims (11)

1.一种匣盒(10)，用于将透镜系统(16)保持在激光加工设备，特别是用于使用激光束来加工工件的激光加工头中，其具有：

壳体(12)，其在两个对置的侧(18、20)上分别具有用于让通过所述激光加工设备导向的光路(L)穿过的孔(20、24)和用于所述透镜系统(16)的容纳空间(40)，以及

插件(14)，其具有用于所述透镜系统(16)的支承件(38)，所述插件可导入所述壳体(12)的容纳空间(40)中，以便将所述透镜系统(16)保持在所述光路(L)中，

其特征在于，所述插件(14)在所述容纳空间(40)之外、在所述壳体(12)上被引导，使得所述支承件(38)自由滑动地支承在所述壳体(12)的容纳空间(40)内。

2.根据权利要求1所述的匣盒(10)，其特征在于，所述插件(14)具有至少一个导向件，所述导向件可分别与至少一个互补于所述插件(14)的导向件并且设置在所述壳体(12)的外侧上的导向元件形成配合。

3.根据权利要求2所述的匣盒(10)，其特征在于，所述导向元件构造为在所述壳体(12)的大致平行于所述光路(L)分布的对置的壁中垂直于所述光路(L)分布的槽(34、36)，所述插件(14)的两个相邻于所述插件(14)的支承件(38)设置的导向板(48、50)可分别导入所述槽中。

4.根据权利要求2所述的匣盒(10)，其特征在于，所述导向元件构造为在所述壳体(12)的至少一个壁中垂直于所述光路(L)分布的钻孔，所述插件(14)的相邻于所述插件(14)的支承件(38)设置的销能够插入所述钻孔中。

5.一种用于在根据上述权利要求中任一项所述的匣盒(10)中使用的插件(14)，具有：

用于容纳透镜系统(16)的支承件(38)；

至少一个在侧面的长形的导向件(48、50)，其与所述支承件(38)间隔地设置，以及

连接件(42)，所述至少一个导向件(48、50)和所述支承件(38)从所述连接件朝导入方向(E)延伸，其特征在于，所述至少一个导向件(48、50)可导入所述匣盒(10)壳体(12)的外侧的壁中。

6.根据权利要求5所述的插件(14)，其特征在于，所述插件(14)的连接件(42)具有手柄段(44)和凸缘段(46)，其中所述凸缘段(46)在所述插件(14)被插入的状态中封闭所述壳体(12)的导入孔(32)。

7.根据权利要求5或6所述的插件(14)，其特征在于，所述支承件(38)具有用于容纳透镜保持件(52)的容纳装置，所述透镜系统(16)的透镜被安装进所述容纳装置内。

8.根据权利要求7所述的插件(14)，其特征在于，所述容纳装置包括内螺纹，所述内螺纹与所述透镜保持件(52)的外螺纹形成配合。

9.一种具有根据权利要求1-4中任一项所述的匣盒(10)的激光加工头，用于通过激光切割来加工工件，其特征在于，所述匣盒容纳所述激光加工头的透镜系统(16)，所述透镜系统具有至少一个透镜。

10.根据权利要求9所述的激光加工头，其特征在于，所述至少一个透镜是用于将从玻璃纤维射出的激光束准直的准直透镜。

11.根据权利要求9所述的激光加工头，其特征在于，所述透镜系统(16)包括用于将激光束聚焦到所述工件上的会聚透镜。

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