ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБАТЫВАЮЩАЯ ГОЛОВКА
LASER MACHINING HEAD

[0001] Данная заявка испрашивает приоритет предыдущей предварительной заявки на патент США № 61/405112, поданной 20 октября 2010 года, и ее непредварительной версии; данная заявка также испрашивает приоритет предыдущей заявки на европейский патент № EP10188198, поданной 20 октября 2010 года; таким образом, заявка на европейский патент № EP10188198 и заявка на патент США № 61/405112 во всей своей полноте включены в состав данного документа посредством ссылки, в явном виде для всех намерений и целей, как если бы они были здесь изложены.
[0002] Изобретение относится к лазерной обрабатывающей головке для лазерной обрабатывающей установки, содержащей держатель для узла датчика, сформированный из электропроводящего материала, внешний изоляционный узел, изготовленный из электроизоляционного материала, предпочтительно изготовленный из пластика, для электрического экранирования, и внутренний изоляционный узел, вставленный во внешний изоляционный узел в качестве экрана для излучения.
[0003] Вследствие высокой плотности мощности для лазерных обрабатывающих установок на лазерную обрабатывающую головку одновременно накладывается множество требований.
[0004] Во-первых, внутренняя часть лазерной обрабатывающей головки непрерывно подвергается высокой нагрузке по излучению во время лазерной резки и должна быть защищена соответствующим образом. Кроме того, чтобы измерять расстояние между соплом лазерной обрабатывающей головки и деталью для машинной обработки, должен предоставляться механизм датчика, который также работает надежно в экстремальных условиях. Обычно это измерение расстояния осуществляется емкостным образом, другими словами, измеряется емкость, сформированная посредством лазерной обрабатывающей головки или узла датчика и посредством обрабатываемой детали. Это обычно осуществляется через измерение частоты результирующей резонансной схемы. Чтобы не получать ложные результаты, лазерная обрабатывающая головка должна быть внешне электрически изолирована.
[0005] В настоящее время, керамические узлы, в общем, используются для электрической изоляции режущего сопла от остальной части режущей головки и установки. Поскольку керамика легко ломается, в качестве альтернативы служит пластик.
[0006] Документ предшествующего уровня техники WO 2007073745 A1 раскрывает компоновку датчика для лазерной обрабатывающей установки. Для вышеуказанной электрической изоляции этот опубликованный документ предлагает формировать внешний кожух лазерной обрабатывающей головки из пластика, другими словами, из непроводящего материала.
[0007] Без принятия дополнительных мер, внутренняя часть кожуха или стенки лазерного канала постоянно подвергается интенсивному лазерному излучению. Поскольку пластик не обеспечивает достаточное сопротивление относительно излучения, повреждение в результате действия излучения приводит к быстрому старению пластика и требует постоянной замены лазерной обрабатывающей головки, что является и затратным, и трудоемким в обслуживании.
[0008] Чтобы обойти эту проблему, WO 2007073745 A1 предлагает использование внутреннего экранирования или дополнительного внутреннего изоляционного узла, изготовленного из непроводящего теплостойкого материала для защиты от лазерного излучения и/или тепла. Этот внутренний изоляционный узел вставляется в форме трубчатой секции во внешний изоляционный узел, изготовленный из пластика. Кварцевое стекло и керамика указываются в качестве подходящих материалов.
[0009] Внешний изоляционный узел, изготовленный из пластика, используется для электрического экранирования, а внутренний экранирующий узел, изготовленный из электрически непроводящего теплостойкого материала, используется для экранирования от лазерного излучения и/или тепла.
[0010] Тем не менее, используемые материалы не являются оптимальными относительно как их стойкости к излучению, так и механических характеристик. Постоянные высокотемпературные разности между включенным и выключенным состоянием означают, что эти материалы подвержены усталостному износу, дают трещины или полностью ломаются. Следовательно, преждевременная замена неизбежна.
[0011] US 5128508 раскрывает блок сопла для лазерной режущей головки, имеющий приемник для изоляционного материала с проходом по центру через него. Приемник удерживает вставку из проводящего материала для крепления сопла. Сопло служит в качестве электрода, который соединяется через вставку и провод, идущий в приемнике, с установкой измерения и управления. Приемник для изоляционного материала не размещает дополнительный внутренний экран. Приемник удерживается относительно насадки режущей головки посредством муфты, которая может зацепляться с помощью резьбы на режущей головке. Между приемником и насадкой нет прямого механического соединения. Только косвенное соединение обеспечивается посредством муфты, позволяя снимать приемник с насадки. Можно отметить недостатки такой лазерной режущей головки касательно отсутствия дополнительного экранирования, закрывающего внутреннюю поверхность приемника. Нижняя часть насадки закрывает только верхнюю часть внутренней поверхности приемника и служит также в качестве паза для центрирования приемника на лазерной режущей головке. В случае если часть насадки повреждается посредством излучения, ее следует заменять. Тем не менее, поскольку насадка доступна только тогда, когда вынут приемник, и поскольку насадка не может сниматься с лазерной режущей головки, время и затраты на замену чрезвычайно существенные.
[0012] US 6822187 B1 раскрывает устройство для лазерной резки или сварки, причем устройство имеет лазерную головку и робот, при этом лазер присоединен к роботу. Тракт для лазерного луча до конечного попадания в сопло не имеет дополнительного внутреннего экрана для излучения. Срок службы такой головки сокращается, и замена узлов, поврежденных посредством излучения, очень дорогостоящая.
[0013] DE 4035404 A1 относится к металлическому соплу лазера для устройства машинной обработки. Чтобы электрически изолировать лазерную головку извне, обеспечивается внешний элемент из электроизоляционного материала. Тем не менее, недостаток этой системы заключается в том, что отсутствует изоляция электрода сопла относительно других узлов лазерной головки. Таким образом, могут возникать погрешности и искажения при измерении.
[0014] DE 4201640 C1 раскрывает сборочный блок, аналогичный US 5128508 A.
[0015] Настоящее изобретение направлено на преодоление этих недостатков посредством предоставления лазерной обрабатывающей головки, которая является стойкой к излучению, с одной стороны, а с другой стороны, обеспечивает точные и надежные измерения расстояния между обрабатываемой деталью и соплом лазерной обрабатывающей головки. Следовательно, лазерная обрабатывающая головка должна комбинировать следующие характеристики: износостойкость вследствие эффективного экранирования относительно излучения и надежное и безошибочное измерение расстояния до обрабатываемой детали. Кроме того, лазерная обрабатывающая головка не должна требовать обслуживания, должна быть недорогой и простой в сборке.
[0016] Эти цели достигаются с помощью лазерной обрабатывающей головки типа, упомянутого в начале, с внутренним изоляционным узлом, сформированным из металла и электрически изолированным от узла датчика.
[0017] Использование металла в качестве внутреннего экранирования по отношению к лазерному излучению обеспечивает надежную защиту внешнего изоляционного узла от повреждающего действия излучения. Одновременно тепло, преобразованное в лазерной обрабатывающей головке, эффективно и равномерно распределено вследствие превосходной удельной теплопроводности металлов, так что могут быть значительно минимизированы термические напряжения в лазерной обрабатывающей головке, обусловленные изменениями температуры.
[0018] Вследствие электрического отделения металлического внутреннего изоляционного узла от узла датчика, на измерение расстояния до обрабатываемой детали посредством определения емкости не оказывается отрицательное влияние. Тем не менее, сохраняется изоляция всего узла, поскольку металлический экранирующий узел размещается таким образом, что не возникает электрического контакта с фиксатором датчика. Следовательно, не ослабляется изоляционное действие внешнего пластикового узла.
[0019] Согласно изобретению лазерная обрабатывающая головка может быть изготовлена с намного меньшими затратами. Более конкретно, металлическая втулка, например, изготовленная из латуни, существенно дешевле керамики или кварцевого стекла. В отличие от последних материалов, металл является механически прочным, так что даже во время процесса изготовления необязательно соблюдать специальные меры безопасности.
[0020] В версии, лазерная обрабатывающая головка имеет верхний узел лазерной обрабатывающей головки, при этом внешний изоляционный узел, внутренний изоляционный узел и держатель формируются в качестве узла модульного элемента, который съемным образом соединяется с верхним узлом лазерной обрабатывающей головки. Соединение модульного элемента с верхним узлом лазерной обрабатывающей головки может достигаться посредством соединительного узла, предоставляемого в качестве соединителя. Внешний и внутренний изоляционные узлы и держатель формируют модульный элемент, который может легко и быстро заменяться, если существуют какие-либо повреждения на модульном элементе или некоторых его узлах. Цель состоит в том, чтобы сделать напряженный внутренний экран вместе с внешним изоляционным узлом сменным.
[0021] В версии, внутренний изоляционный узел, по меньшей мере, в значительной степени охватывается внешним изоляционным узлом. Это обеспечивает компактный и малогабаритный сборочный блок.
[0022] В версии, держатель, по меньшей мере, частично охватывается внешним изоляционным узлом. Внутреннее экранирование выполняется посредством верхнего внутреннего изоляционного узла и нижнего держателя, так что, по меньшей мере, практически вся внутренняя поверхность внешнего изоляционного узла закрывается посредством этих металлических узлов.
[0023] В версии, по меньшей мере, часть внешнего изоляционного узла, которая охватывает внутренний изоляционный узел, имеет цилиндрическую внешнюю поверхность. Такая форма улучшает характеристики с точки зрения экономии пространства, а крепление упрощает механизм прикрепления к верхнему узлу лазерной обрабатывающей головки.
[0024] В версии, внешний изоляционный узел имеет, по меньшей мере, практически цилиндрическую внешнюю поверхность, которая дополнительно повышает компактность и экономию пространства.
[0025] В версии, лазерная обрабатывающая головка отличается неподвижным механическим соединением между внутренним изоляционным узлом и внешним изоляционным узлом, при этом предпочтительно внутренний изоляционный узел запрессовывается, или адгезивно сцепляется, или отливается во внешнем изоляционном узле. Таким образом, внутренний и внешний изоляционный узел образуют компактный элемент. За счет такого прямого соединения между внутренним изоляционным узлом и внешним изоляционным узлом не требуется дополнительных средств муфты для того, чтобы соединять эти узлы.
[0026] Дополнительные конфигурации изобретения указываются на чертежах и в зависимых пунктах формулы изобретения.
[0027] Список ссылок является частью раскрытия сущности.
Изобретение поясняется подробнее в символической форме и в качестве примера на основе прилагаемых чертежей. Чертежи описываются с всесторонней связью между собой. Идентичные ссылки с номерами обозначают идентичные компоненты, в то время как ссылки с номерами с различными индексами указывают функционально идентичные или аналогичные компоненты.
[0028] На чертежах:
Фиг.1 показывает изоляционную секцию лазерной обрабатывающей головки согласно изобретению,
Фиг.2 показывает лазерную обрабатывающую головку с верхним узлом лазерной обрабатывающей головки и неподвижную изоляционную секцию с режущим соплом,
Фиг.3 показывает лазерную обрабатывающую установку.
[0029] Фиг.1 показывает изоляционную секцию согласно изобретению лазерной обрабатывающей головки 1 для использования в лазерной обрабатывающей установке (видна на фиг.3). Изоляционная секция лазерной обрабатывающей головки 1, состоящая из внешнего изоляционного узла 4 и внутреннего изоляционного узла 5, удерживает держатель 2 для узла 3 датчика. Предпочтительно, узел 3 датчика формирует один общий компонент вместе с соплом 13 лазерной обрабатывающей головки (видна на фиг.2). В этом случае, сопло 13 лазерной обрабатывающей головки аналогично сконструировано из металла, и держатель 2 образует тип металлической области контакта между контактным штифтом 6 и узлом 3 датчика. Держатель 2 находится во внешнем изоляционном узле 4 с цилиндрическим или коническим внутренним отверстием и удерживается посредством него.
[0030] Компонент, который комбинирует узел 3 датчика и сопло 13 лазерной обрабатывающей головки, удерживается посредством держателя 2 в примерном варианте осуществления, показанном со вставкой проводящей промежуточной детали 10. Держатель 2 тем самым также следует понимать в смысле "фиксатора". Закрепление сопла 13 лазерной обрабатывающей головки или узла 3 датчика в держателе 2 в силу этого также может осуществляться посредством вставки одной или множества промежуточных деталей 10.
[0031] В рабочем режиме узел 3 датчика формирует полюса емкости, второй полюс которой является деталью 11 для машинной обработки (как можно видеть из фиг.3). Определение емкости известно по сути в предшествующем уровне техники и описывается, например, в WO 2007073745 A1, который имеет эквивалентную публикацию US20080264914A1, раскрытия сущности которых содержатся по ссылке в настоящем описании.
[0032] Контактный штифт 6 проходит через внешний изоляционный узел 4 под углом сбоку и находится в электрическом контакте с держателем 2, который, в свою очередь, находится в электрическом контакте с компонентом 3, 13 из сопла/узла датчика. Следовательно, контактный штифт 6 используется для замыкания контактов узла 3 датчика для формирования емкости, причем его размер зависит от расстояния до обрабатываемой детали.
[0033] В верхней области изоляционной секции лазерной обрабатывающей головки 1 внутренний изоляционный узел 5 в форме втулки, изготовленной из металлического материала, вставляется во внешний изоляционный узел 4. Пространство, охватываемое посредством внутреннего изоляционного узла 5, представляет собой лазерный канал. Внутренний изоляционный узел 5 эффективно электрически изолирован относительно узла 3 датчика. В показанном примерном варианте осуществления, воздушный зазор 7 обеспечивается в качестве эффективной электрической изоляции с этой целью между внутренним изоляционным узлом 5 и держателем 2 для сопла лазерной обрабатывающей головки или узла 3 датчика.
[0034] Альтернативно, кольцевая перегородка, выступающая внутрь из внешнего изоляционного узла 4, также может разносить внутренний изоляционный узел 5 от электропроводящего держателя 2, или может быть вставлено дополнительное непроводящее кольцо.
[0035] Лазерная обрабатывающая головка 1, в частности, внешний и внутренний изоляционный узел 4, 5 и лазерный канал, сконструированы в цилиндрической или конической форме, по меньшей мере, в секциях. Следовательно, внутренний изоляционный узел 5 может быть сконструирован как простая металлическая втулка. В альтернативных конструкциях, втулка также может быть сконструирована в конической, клиновидной или аналогичной форме.
[0036] Металлический внутренний изоляционный узел 5 может запрессовываться, адгезивно сцепляться или отливаться во внешнем изоляционном узле 4, так что имеется неподвижное механическое соединение. В частности, предпочтительными металлами для внутреннего изоляционного узла 5 являются латунь, алюминий, медь и высококачественная сталь.
[0037] Фиг.2 показывает лазерную обрабатывающую головку 1 со вставным или вворачиваемым соплом 13 лазерной обрабатывающей головки. Изоляционная секция, сформированная из изоляционных узлов 4 и 5, разъемно соединяется с верхним узлом 8 лазерной обрабатывающей головки. С этой целью, соединительный узел 8a обеспечивается в качестве соединителя. Верхний узел 8 лазерной обрабатывающей головки и соединительный узел 8a, например, могут быть изготовлены из металла. Как можно видеть из фиг.2, электрическая изоляция соединительного узла 8a относительно держателя 2, относительно промежуточной детали 10 или относительно узла 3 датчика достигается в результате вследствие внешнего изоляционного узла 4.
[0038] Изоляционная секция, проиллюстрированная на фиг.1, размещается между верхним узлом 8 лазерной обрабатывающей головки и держателем 2 (фиг.2) и соединяет эти два компонента. Функция изоляционной секции заключается в электрической изоляции узла 3 датчика от остальной части лазерной обрабатывающей головки 1, в проиллюстрированном примере, от верхнего узла 8 лазерной обрабатывающей головки. Эта функция достигается внешним изоляционным узлом 4. В качестве изоляции от излучения, внутренний изоляционный узел 5 защищает внешний изоляционный узел 4 от излучения и тепла.
[0039] Оптический блок 9 для формирования лазерных лучей во внутренней части верхнего узла 8 лазерной обрабатывающей головки обеспечивает соответствующую адаптацию лазерного луча к требованиям обрабатываемой детали.
[0040] Фиг.3 показывает лазерную обрабатывающую установку со станиной 12 для обрабатываемой детали и расположенной на ней деталью 11 для машинной обработки. Обрабатываемая деталь 11 формирует емкость вместе с узлом 3 датчика на кончике лазерной обрабатывающей головки 1. Эта емкость измеряется посредством устройства 14 управления/оценки.
[0041] Список ссылок с номерами
1 - лазерная обрабатывающая головка
2 - держатель для узла датчика
3 - узел датчика
4 - внешний изоляционный узел
5 - внутренний изоляционный узел
6 - контактный штифт
7 - воздушный зазор
8 - верхний узел лазерной обрабатывающей головки
8a - соединительный узел
9 - оптический блок для формирования лазерных лучей
10 - промежуточная деталь
11 - обрабатываемая деталь
12 - станина для обрабатываемой детали
13 - сопло лазерной обрабатывающей головки
14 - устройство управления/оценки