JP2019524453A - 導電性ノズルを絶縁して支持するための絶縁部品およびその絶縁部品を検出するためのセンサアセンブリを備えるレーザー加工ヘッド - Google Patents

Abstract

本発明は、導電性ノズルを絶縁して支持するための絶縁部品およびレーザー加工ヘッドに関し、このレーザー加工ヘッドはハウジング（１０）を備え、加工レーザービーム経路（１１）はハウジング（１０）を通って導かれており、加工レーザービーム経路（１１）は導電性ノズル（１７）を通って加工側に出ており、導電性ノズル（１７）は、ハウジング（１０）上に支持された絶縁部品（１８）上に支持されており、また静電容量式距離測定のために距離測定回路（２２）の発振回路（２４）に電気的に接続されている。ユーザに使い勝手の良い方法で安価な絶縁部品（１８）の有無を監視できるようにするために、本発明によれば、絶縁部品（１８）が強磁性体（２６）を含み、強磁性体（２６）を検出するためのセンサ（２７）がハウジング（１０）に設けられ、このセンサは、監視回路（２９）に接続されており、監視回路（２９）は、絶縁部品（１８）がないときに警告信号を出力するものとする。

Description

本発明は、導電性ノズル、特に切断ノズルチップを、レーザー加工ヘッドにおいて絶縁して支持するための絶縁部品、および当該絶縁部品を備えるレーザー加工ヘッド、特に一体型の静電容量式距離調整機能を有するレーザー加工ヘッドに関する。

レーザー加工に応じて最適な加工品質および最高の加工速度に達することを可能にするためには、ワークピースとレーザー加工ヘッドとの間の距離、特に切断ノズルとワークピースとの間の距離を一定に保つことが必要であるが、これは、ほんのわずかな偏差でさえ加工品質を低下させるからである。目標距離からの偏差は、バリの形成につながるか、または、特にレーザー切断に応じて、切断速度、切断面の粗さ深度、およびギャップ幅に悪影響を及ぼす。したがって、レーザー加工ヘッド、特にレーザー切断ヘッドは、ワークピースと切断ノズルとの間の距離を静電容量で測定するための静電容量式距離測定システムを備える。この距離測定システムはセンサ電極として導電性切断ノズルチップを有し、このノズルチップはワークピースと共に、発振回路に組み込まれた測定コンデンサを形成する。導電性切断ノズルチップをレーザー加工ヘッドのノズル本体に締結するためには、導電性ノズルチップを支持するのに役立つだけでなくノズル本体およびハウジングに対するノズルチップの電気絶縁のためにも役立つ部品が、頻繁に使用される。

既知の設計の絶縁部品は、セラミック材料、絶縁被覆を備えるまたはプラスチックリングによる絶縁体を備えるアルミニウムで作製されることが多い。

ユーザがこの絶縁部品を挿入するのを忘れて距離調整を開始すると、ノズルチップが、ワークピースと同様に接地され、ノズルチップとワークピースとの間にコンデンサを形成することができないので、レーザー加工ヘッドが移動してワークピースに接触して衝突する。

ノズルアセンブリの内部静電容量を監視することによって、絶縁部品がなくなったときに検出することができる方法が、独国特許第１０１２１６５５（Ｃ１）号から公知である。レーザー加工ヘッドとワークピースとの衝突は、対応する信号処理によって防止することができる。しかしながら、この方法では、ノズル支持体は、導電性ノズルチップと共に内部静電容量を形成するので絶縁体の有無について監視可能であることが必要である。

アクティブシールドの原理に従って機能する距離調整用の静電容量測定装置の場合、内部静電容量は、この測定方法によって除去されるため、監視には使用されない。

センサ電極とワークピースとの間の距離を静電容量で測定するための方法が、独国特許出願公開第１９９０６４４２（Ａ１）号から公知である。この方法の場合、センサ電極への測定線がアクティブシールドされ、ここでは、測定線を介して引き込まれた測定電圧が、インピーダンス変換器を介して測定線のシールドに印加される。測定静電容量に一致する内部静電容量または寄生容量は、このようにして大幅に低減することができる。しかし、内部静電容量または寄生容量を絶縁部品の有無を監視するために利用することもできない。

導電性ノズルチップを介して互いに接続される２本の線を絶縁部品内に設けることが、独国特許第４２０１６４０（Ｃ１）号から公知である。この接続の中断を評価して、絶縁部品があるかないかまたはセンサ要素がないかを判断することができる。しかしながら、この解決策は機械的に非常に複雑であり、したがって摩耗部品にとって不相応に高いコストを生じる。

欧州特許第１９７７１９３（Ｂ１）号から、導電性ノズルをレーザー加工ヘッドにおいて絶縁支持するためのツーピース構造からなる絶縁体が、電気絶縁のための絶縁部分と、放射および／または熱に対する遮蔽のための遮蔽部分とからなること、またこの絶縁体が加工レーザービームのための中央貫通開口部を有することが公知である。この絶縁体のツーピースの実施形態は、製造の点でより単純で、したがって安価なレーザー加工ヘッド用絶縁体を提供することを可能にする。遮蔽部分は、ワークピースから反射されて戻ってくるレーザー放射の遮蔽に役立つものであり、耐熱性の非導電性材料からなる。

欧州特許出願公開第２４４４１８３（Ａ１）号には、導電性ノズルを支持するためのレーザー加工ヘッドの絶縁部について記載されている。この絶縁部は、外側絶縁部品と内側絶縁部品とを含み、これらは互いに同軸に配置され、加工レーザービームのための中央貫通開口部を有する。絶縁部内のコンタクトピンと導電性ノズルとの間に一種の金属界面を形成するセンサ部品の収容部が、外側絶縁部品の貫通開口部内に設けられている。内側絶縁部品は、単純な金属スリーブとして具現化することができ、真鍮、アルミニウム、銅またはステンレス鋼で構成することができる。この絶縁部は、第１の絶縁部品を用いて電気的絶縁を提供することを可能にし、第２の絶縁部品を用いて第１の絶縁部品を加工レーザービームからの熱衝撃から遮蔽することを可能にする。

したがって、本発明は、ノズルチップをレーザー加工ヘッドにおいて支持するための絶縁部品を提供するという目的に基づく。この絶縁部品の製造は安価であり、またレーザー加工ヘッドにおけるこの絶縁部品の有無をユーザの使い勝手の良い方法で監視することができる。本発明はさらに、絶縁部品の有無をユーザに使い勝手の良い方法で監視するのに適したレーザー加工ヘッドを作成するという目的に基づいている。

これらの目的は、それぞれ、請求項１に記載の絶縁部品、または請求項６に記載のレーザー加工ヘッドによって解決される。

本発明によれば、導電性ノズルをレーザー加工ヘッドのハウジングにおいてハウジングに対して絶縁して支持する絶縁部品は、強磁性材料片を含み、この強磁性材料片の存在はセンサによって検出することができる。この絶縁部品の実施形態は、絶縁部品の安価な製造だけでなく、ユーザに使い勝手の良い方法での絶縁部品の有無の監視もまたもたらすので、誤った距離調整によるレーザー加工ヘッドへの損傷の危険性を確実に排除することができる。

本発明の都合の良い実施形態の場合、電気絶縁体は、内部に強磁性体が埋め込まれたセラミック体であるものとする。この絶縁部品の実施形態によれば、強磁性体を埋め込むこと以外は、通常の絶縁部品の場合と同様に製造を行うことができるので、絶縁部品は特に安価に製造することができる。

本発明の別の実施形態では、絶縁部品は、プラスチック製の電気絶縁被覆物内に埋め込まれたリング状の強磁性体を含むものとする。

鉄などの強磁性材料を使用する代わりに、例えば、本発明のさらなる展開によれば、低いキュリー温度を有する合金、具体的には、ニッケル／コバルト／鉄系合金を使用することもできる。当該キュリー温度より低い温度の場合、絶縁部品の存在をこうした強磁性体によって検出することができる。レーザー加工ヘッドの温度、ひいては強磁性体の温度がそのキュリー温度を超えて上昇すると、強磁性体はもはやセンサによって感知することができず、センサは対応する警告信号をマシンコントローラに出力する。したがって、導電性ノズルの絶縁体の存在を簡単な方法で監視することができるだけでなく、レーザー加工ヘッドを過熱から保護することもできる。

本発明の都合の良い実施形態は、絶縁部品の強磁性体を検出するためのセンサがレーザー加工ヘッドのハウジングに設けられていること、距離測定回路の導電性ノズルが本発明による絶縁部品によってこのレーザー加工ヘッドにおいて支持されていること、このセンサが、絶縁部品がないときに警告信号を出力する監視回路に接続されていることを特徴とする。

本発明は、例えば、図面を用いて以下により詳細に説明される。

レーザー加工ヘッドの簡単な概略断面図である。 レーザー加工ヘッドのさらなる絶縁部品の簡単な概略断面図である。

図面の別々の図において、互いに対応する構成要素には同一の参照番号を付す。

図１に示すように、レーザー加工ヘッドはハウジング１０を有し、加工レーザービーム路１１がこのハウジング１０を通って導かれており、加工レーザービーム１４をワークピース１５に集束させるためのレンズアセンブリ１２がこの加工レーザービーム路１１内に設けられている。絶縁部品１８によってノズル本体１６に対して電気的に絶縁された電気絶縁ノズル１７が設けられているノズルヘッド１６が、ハウジング１０の加工側端部に取り付けられている。絶縁部品１８は、例えば、キャップナット１９によってノズル本体１６に締結されている。図２に特によく分かるように、絶縁部品１８，１８’は、その加工側端部に雌ねじ２０’が設けられた中央貫通開口部２０を有し、対応する相手ねじ２１を用いて導電性ノズル１７にねじ込まれている。

例えば銅からなる導電性ノズル１７は、破線２３で概略的に示唆されているように、静電容量式距離測定回路２２の発振回路２４に電気的に接続されている。導電性ノズル１７は、ワークピース１５と共に、静電容量式距離測定回路２２の発振回路２４に一体化されたコンデンサを形成し、このコンデンサの静電容量は、レーザー加工ヘッドとワークピース１５との間の距離、ひいては導電性ノズル１７とワークピース１５との間の距離と共に変化する。静電容量式距離測定は当業者には知られており、例えば上述の先行技術刊行物に記載されている。したがって、距離測定をより詳細に説明する必要はない。

本発明の第１の例示的な実施形態によれば、絶縁部品１８は、内部に強磁性体２６が埋め込まれているリング状セラミック体２５を有する。強磁性体２６を検出するためのセンサ２７が、強磁性体２６に対向する位置でノズル本体１６内に配置されている。センサ２７は線２８を介して監視回路２９に接続されており、監視回路２９は、絶縁部品１８がないときに、警告信号をマシンコントローラ（図示せず）に出力して、距離調整を阻止する。

代替例において、絶縁部品１８’は、基本的にリング状セラミック体２５の形状を有する、プラスチック被覆物または被覆材料３７内に埋め込まれた強磁性体３６を有することもできる。絶縁被覆物の代わりに、詳細には示されていないが、プラスチックリングを、レーザー加工ヘッドのノズル本体１６およびハウジング１０に対する導電性ノズル１７の必要な絶縁を実現するように設けることもできる。

鉄などの強磁性材料の代わりに、例えば、低キュリー温度を有する合金、具体的には、ニッケル／コバルト／鉄（ＮｉＣｏＦｅ）系合金を設けることもできる。キュリー温度未満では強磁性であるがキュリー温度を超えると強磁性特性を失うさらなる金属添加物および非金属添加物を有するこうしたＮｉＣｏＦｅ系合金は、先行技術において知られている。この特性により、キュリー温度を超えると強磁性体２６，３６を検出することができなくなり、監視回路２９が対応する警告信号をマシンコントローラに出力し、マシンコントローラがその後ワークピースの進行中の加工を中断するので、適合するキュリー温度を有する適切に選択された合金を用いてレーザー加工ヘッドを過熱から保護することができる。

本発明によれば、導電性ノズル１７とノズル本体１６との間、または導電性ノズル１７とハウジング１０との間の絶縁部１８の有無は、絶縁部品に埋め込まれた強磁性体２６，３６を検出することによって簡単な方法で監視することができ、静電容量式距離測定の不具合によるレーザー加工ヘッドとワークピースとの間の衝突を確実に排除することができる。

Claims (6)

1. 導電性ノズル（１７）をレーザー加工ヘッドにおいて絶縁して支持するための絶縁部品であって、
   加工レーザービーム路（１１）のための中央貫通開口部（２０）を有するリング状の電気絶縁体（２５）と、
   強磁性体（２６）と、
   を有する、絶縁部品。
2. 前記電気絶縁体（２５）は、内部に前記強磁性体（２６）が埋め込まれたセラミック体である、請求項１に記載の絶縁部品。
3. 導電性ノズル（１７）をレーザー加工ヘッドにおいて絶縁して支持するための絶縁部品であって、
   加工レーザービーム路（１１）のための中央貫通開口部（２０）を有するリング状の強磁性体（３６）を有し、
   前記強磁性体（３６）は、電気絶縁プラスチック（３７）に埋め込まれている、
   絶縁部品。
4. 前記強磁性体（２６，３６）は、低キュリー温度を有する合金からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の絶縁部品。
5. 前記低キュリー温度を有する合金は、ニッケル／コバルト／鉄（ＮｉＣｏＦｅ）系合金である、請求項４に記載の絶縁部品。
6. ハウジング（１０）を備えるレーザー加工ヘッドであって、
   加工レーザービーム経路（１１）が、前記ハウジング（１０）を通って導かれており、
   前記加工レーザービーム経路（１１）が、導電性ノズル（１７）を通って加工側に出ており、
   前記導電性ノズル（１７）が、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の絶縁部品（１８，１８’）上に支持されており、
   前記絶縁部品（１８，１８’）が、前記ハウジング（１０）上に支持されており、
   前記導電性ノズル（１７）が、静電容量式距離測定のために距離測定回路（２２）の発振回路（２４）に電気的に接続されており、
   前記絶縁部品（１８，１８’）の強磁性体（２６，３６）を検出するためのセンサ（２７）が、前記ハウジング（１０）に設けられており、
   前記センサが、絶縁部品（１８）がないときに警告信号を出力する監視回路（２９）に接続されている、レーザー加工ヘッド。
   

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