ГОЛОВКА ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ И ЛАЗЕРНЫЙ РЕЗАК, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКУЮ ГОЛОВКУ
HEAD FOR LASER CUTTING AND LASER CUTTER CONTAINING SUCH HEAD

Область техники
Объектом изобретения является головка для лазерной резки, в частности, для лазерной резки металлических деталей, а также лазерный резак, содержащий такую головку.
Уровень техники
Головки для лазерной резки широко используются в лазерных резаках, использующие лазерный луч и сжатый газ для резки металлических деталей. Такая головка содержит оптическую систему, необходимую для фокусировки лазерного луча в требуемом месте на поверхности заготовки.
В полезной модели CN 202607091 U раскрывается наклонная лазерная режущая головка с регулируемой фокусировкой лазерного луча. В указанном узле линзы головки расположена отражающая линза с переменной кривизной, и она соединена с конусом линзы в режиме механической регулировки. Эта колеблющаяся лазерная режущая головка с регулировкой фокуса лазерного луча может быстро изменять фокус лазерного луча в зависимости от различных требований по лазерной обработке, а также автоматически наклонять головку для получения с высокой эффективностью высококачественной трапециевидной формы сварного шва.
В другой полезной модели CN 202028872 U раскрывается лазерная режущая головка выдвижного типа с регулировкой фокуса. Для такой лазерной режущей головки характерно, что в корпусе объектива установлено прижимное кольцо, объектив для регулировки фокуса помещен в небольшой отсек для объектива, и этот небольшой отсек расположен в центре лазерной головки.
В документе CN 102497952 B раскрывается лазерная режущая головка, которая содержит камеру с системой линз формирования изображения, установленной перед камерой на пути лазерного луча для наблюдения за обрабатываемой областью заготовки, с системой линз для фокусировки действующего лазерного луча на поверхности заготовки или на специально отведенной для этого области, а также с блоком анализатора, предназначенным для вычисления коррекции смещения путем регулировки установки системы линз формирования изображения в направлении оптической оси для смещения фокуса изображения с камеры.
В документе WO 2011004084 A1 раскрывается фокусирующая головка лазерного луча, содержащая основной корпус с полостью, предназначенной для приема картриджа с фокусирующей линзой. Система крепления содержит, по меньшей мере, один подвижный стопорный кулачок, который установлен в картридже, и, по меньшей мере, один первый толкатель кулачка, который установлен в основном корпусе. Кулачковый зажим может перемещаться между, по меньшей мере, одним монтажным положением, в котором подвижный кулачок механически соединяется, по меньшей мере, с первым толкателем кулачка для закрепления картриджа в углублении основного корпуса.
В документе CN 102039490 A раскрывается лазерная режущая головка, которая содержит основание, соединитель, фокусирующий зеркальный элемент, крышку конденсатора и сопло, а также содержит механизм защиты от ударов, механизм автофокусировки и кольцо водяного охлаждения. Фокусирующий зеркальный элемент содержит первое зеркальное углубление и второе зеркальное углубление, снабженные зеркальными основаниями выдвижного типа. Рабочая головка оснащена двойным зеркальным основанием, а 5-дюймовое фокусирующее зеркало или 7,5-дюймовое фокусирующее зеркало могут быть установлены вручную. Режущая головка имеет функцию автоматической фокусировки и может быть запрограммирована для регулировки фокуса. Все вышеупомянутые решения содержат подвижные элементы оптической системы внутри лазерной режущей головки. При перемещении подобные подвижные элементы вызывают износ контактирующих элементов и, как следствие, образование пыли или частиц протертого материала, которые со временем оседают на элементах оптической системы. Если элементы оптической системы являются взаимозаменяемыми, их замена может дополнительно вызвать попадание загрязнений снаружи в оптическую систему. Подобные загрязнения приводят к тому, что лазерный луч рассеивается или интерферирует относительно своей траектории, что очень сильно влияет на фокусировку лазерного луча в требуемом месте. Неспособность лазерного луча правильно сфокусироваться на поверхности заготовки снижает эффективную мощность, необходимую для резки заготовки, замедляет процесс резки и снижает ее качество, что проявляется в неровных кромках и/или подрезах или заусенцах на кромках заготовки. Самой большой проблемой, связанной с загрязнением или его следствием, является так называемое «расфокусирование», что означает перемещение лазерного луча. Вместо прохождения через оптическую систему без помех, лазерный луч поглощается загрязнением на оптике, что вызывает нагрев оптики, часто неравномерно. Это изменяет геометрию оптики и смещает фокус луча, а также ухудшает его параметры. Более того, нагрев оптики также приводит к образованию дополнительной нежелательной тепловой линзы или других отклонений над нагретой линзой, что означает, что нагретый газ над линзой также отрицательно влияет на качество луча. Чем выше мощность, тем более чувствительны линзы к загрязнениям, и тем больше влияние на процесс резки. Чистота оптики - самый важный параметр.
Из публикации заявки на патент Японии JP 2015 193033 под названием «Лазерное оборудование, прибор реакторной установки на атомной электростанции с кипящим реактором, использующим указанное лазерное оборудование, и метод измельчения или дробления топливных отходов» известно лазерное оборудование, которое можно использовать в атмосферной среде и подводной среде, на которые воздействует пар или тому подобное, и может эффективно воздействовать удаленно. Согласно этой публикации лазерное оборудование включает в себя корпус лазерной головки, световод, соединенный с корпусом лазерной головки, первую коллиматорную линзу, расположенную внутри корпуса лазерной головки, корпус линзы, включающий в себя вторую коллиматорную линзу, предусмотренную на концевом участке корпуса лазерной головки, и телескопический элемент, имеющий механизм расширения/сжатия, и участок расширения/сжатия, предусмотренный на концевом участке корпуса головки лазера.
Публикация заявки на патент Японии JP S63 303692 под названием «Обрабатывающая головка для лазерной установки» описывает обработку лазерным лучом с помощью полого сопла, которое является свободно упругим в направлении прохождения лазерного луча и свободно сгибается в своем ортогональном направлении, позволяя проходить лазерному лучу через крепежную часть обрабатывающей линзы, чтобы исключить необходимость ее замены из-за прожигания. Обрабатывающая линза фиксируется прижимной гайкой и нажимным винтом и устанавливается в основной корпус. Лазерный луч, испускаемый лазерным излучателем, сужается обрабатывающей линзой и фокусируется на участке выхода из сопла во время испускания, воздуходувные мехи расширяются и сжимаются, что приводит к их отклонению, участок с защитным слоем перемещается и, лазерный луч, попадая на него, отражается несколько раз и выходит из наконечника сопла.
В другой публикации описания полезной модели Японии JP S59 101204 U, озаглавленной «Устройство для регулировки конденсора установки лазерной обработки», описывается устройство для регулировки конденсора, состоящее из канала и участка сужения луча, предназначенных для фокусирования лазерного луча, исходящего из световода, и облучения обрабатываемого материала. В указанном устройстве лазерной обработки, повышение плотности мощности лазерного излучения позволяет повысить эффективность и точность обработки, поэтому необходимо правильно настраивать фокус конденсора на образце и использовать конденсор с фокусным расстоянием, соответствующим толщине обрабатываемого материала. Кроме того, необходимо впрыскивать газ, такой как кислород, азот и тому подобное, из сопла, установленного на участке сужения луча, на обрабатываемый материал при высокой скорости потока, для повышения эффективности обработки и принудительного удаления расплавленной породы с поверхности обрабатываемого материала, имеющего чрезвычайно высокую отражательную способность, чтобы всегда воздействовать на свежеобнаженную обрабатываемую поверхность.
В свою очередь, публикация описания заявки на патент Японии JP S62 158592 под названием «Механическая обработка лазерным лучом» направлена на устройство, которое обеспечивает точную настройку системы линз устройства наблюдения, которое контролирует обрабатываемую рабочую поверхность обрабатываемой заготовки. Устройство управления контролирует и останавливает приводы так, чтобы точка фокусировки лазерного луча совпадала с рабочей поверхностью обрабатываемой заготовки, а отражающий луч фокусировался в одной точке на лицевой поверхности с помощью второй собирающей линзы в постоянном положении. Затем устройство управления контролирует и останавливает приводы так, чтобы точка фокусировки лазерного луча находилась на некотором расстоянии от рабочей поверхности обрабатываемой заготовки. Наконец, лазерный луч испускается из лазерного генератора, и его оптический путь изменяется дихроичным зеркалом, и после фокусировки с помощью фокусирующей линзы он облучается в рабочей точке для выполнения резки, прокалывания и обрезки и тому подобного действия.
Кроме того, в публикации заявки на патент Китая CN 105345280 под названием «Лазерная режущая головка, используемая для робота для лазерной резки» описывается лазерная режущая головка, используемая для робота для лазерной резки. Лазерная режущая головка, используемая для робота для лазерной резки, содержит охлаждающее кольцо, кольцо первичной фокусировки, кольцо точной фокусировки и сопло, лазерная режущая головка дополнительно содержит жесткую втулку и буферную втулку, причем охлаждающее кольцо, кольцо первичной фокусировки, кольцо точной фокусировки и сопло расположены последовательно сверху вниз, а жесткая втулка и буферная втулка соединены упругими элементами. Охлаждающее кольцо расположено в буферной втулке. Кольцо первичной фокусировки и кольцо точной фокусировки расположены между жесткой втулкой и буферной втулкой. Сопло расположено в жесткой втулке. Сферические выступы расположены на наружной круговой поверхности охлаждающего кольца. Канавки, используемые для скольжения в них сферических выступов, сформированы во внутренней стенке буферной втулки.
Следовательно, настоящее изобретение направлено на создание лазерной режущей головки, которая ограничивает или устраняет указанные недостатки известных лазерных режущих головок, в частности лазерных режущих головок для металлических компонентов, а также лазерного резака, содержащего такую головку.
Раскрытие изобретения
Объектом изобретения является лазерная режущая головка, включающая корпус, источник лазерного излучения, расположенный на первом конце корпуса, сопло, установленное на другом конце корпуса, оптическую систему, установленную внутри корпуса между источником лазерного излучения и соплом таким образом, что во время работы лазерный луч проходит от источника лазерного излучения через оптическую систему, а затем через сопло. Лазерная режущая головка в соответствии с изобретением отличается тем, что корпус содержит, по меньшей мере, две части, которые могут перемещаться друг относительно друга таким образом, что благодаря взаимному смещению может быть изменено расположение источника лазерного излучения и/или сопла и/или оптической системы, следовательно, во время использования может меняться геометрия лазерного луча внутри корпуса для достижения требуемых параметров фокусировки лазерного луча на поверхности заготовки. Взаимное смещение, по меньшей мере, двух частей корпуса происходит вдоль и/или поперек оптической оси корпуса. Первая часть корпуса может быть интегрирована с источником лазерного света, а вторая часть корпуса может быть интегрирована с соплом, при этом, когда первая часть корпуса может перемещаться относительно второй части корпуса вдоль и/или поперек оптической оси головки, это обеспечивает, по меньшей мере, определенный диапазон перемещения первой части корпуса относительно второй части корпуса, необходимый для достижения требуемых параметров фокусировки лазерного луча на поверхности заготовки. Взаимное перемещение и точное позиционирование смежных частей корпуса осуществляется с помощью соединительных средств, перемещающихся друг относительно друга. Две, три или более частей корпуса могут перемещаться одновременно друг относительно друга. Точное перемещение смежных частей корпуса может быть обеспечено любым подходящим двигателем, таким как шаговый двигатель, регулируемый системой управления. Предпочтительно, по меньшей мере, первая часть корпуса соединена со второй частью корпуса посредством гибкого и полого экранирующего элемента в форме рукава или сильфона, имеющего герметичную внешнюю оболочку, и первым отверстием с первым краем, герметично соединенным с первой частью корпуса, напротив части, интегрированной с источником лазерного излучения, и вторым отверстием со вторым краем, герметично соединенным со второй частью корпуса, интегрированной с соплом. Таким образом, во время работы первая часть корпуса может перемещаться относительно второй части корпуса вдоль и/или поперек оптической оси головки с гарантированной герметичностью внутреннего пространства головки от окружающего между источником лазерного излучения и первым оптическим элементом со стороны источника лазерного излучения. Во внутреннем пространстве головки отсутствуют движущиеся части, которые при трении друг о друга могли бы образовывать частицы пыли. Упомянутые сильфоны не создают трения и не образуют пыль. Кроме того, упомянутый сильфон также является гибким в поперечном направлении относительно оптической оси головки и обеспечивает перемещение смежных частей корпуса в поперечном направлении относительно оптической оси головки. Когда части корпуса движутся относительно друг друга, гибкий и полый экранирующий элемент деформируется, например, выгибаясь больше или меньше в направлении, перпендикулярном оптической оси головки. Такая конструкция головки гарантирует отсутствие движущихся частей внутри головки, что гарантирует отсутствие трения между элементами и отсутствие частиц пыли в герметичном внутреннем пространстве головки между источником лазерного излучения и первым оптическим элементом со стороны источника лазерного излучения. Гибкий полый экранирующий элемент может быть изготовлен из любого эластичного материала, который не образует инородные частицы при деформации, такого как пластик или резина. Гибкий полый экранирующий элемент также может быть выполнен в виде сильфона, подобного гармошке. В таком случае, компоненты сильфона могут быть выполнены по существу жесткими, соединенными гибкими муфтами для обеспечения герметичности. Такие конструкции сильфона известны и не нуждаются в дополнительном объяснении. Оптическая система может состоять из одного или нескольких оптических элементов в форме оптической линзы, то есть корпуса с, по меньшей мере, одной изогнутой граничной поверхностью, изготовленной из прозрачного материала, предназначенного для фокусировки или рассеивания светового луча посредством преломления на границе среды, и установленной центрально и перпендикулярно оптической оси головки в пределах одной и/или нескольких частей корпуса. Предпочтительно, по меньшей мере, два элемента оптической системы устанавливаются каждый в отдельную часть корпуса. Предпочтительно, оптические элементы плотно устанавливаются на внутренней поверхности соответствующей части корпуса. Предпочтительно, по меньшей мере, вторая часть корпуса также содержит разъем для присоединения трубки со сжатым газом, например, кислородом, аргоном или азотом и, по меньшей мере, одно отверстие в оболочке второй части корпуса, плотно соединенным с указанным разъемом, расположенным так, что во время работы поток сжатого газа предотвращает осаждение пыли на поверхности первого оптического элемента или защитного стекла со стороны сопла, а затем газ выходит через сопло наружу головки в направлении ее оптической оси. Головка может содержать 3, 4 или более частей корпуса, соединенных сильфоном, как описано выше, и перемещающихся друг относительно друга вдоль продольной и поперечной оси головки, так, что во время работы поток сжатого газа подводится прямо или непрямо, например, после отражения от внутренней поверхности второй части корпуса к поверхности первого оптического элемента со стороны сопла, а затем газ выходит через сопло наружу головки в направлении ее оптической оси. Первый элемент оптической системы может представлять собой прозрачную крышку. Предпочтительно, указанная прозрачная крышка может быть изготовлена из стекла, например кварцевого или свинцового, и могут быть взаимозаменяемыми. Предпочтительно, сопло выполнено съемным и может быть разъемно соединено со второй частью корпуса с возможностью центрирования или перемещения перпендикулярно оптической оси головки и/или вдоль ее оптической оси. Во время работы сопло может автоматически заменяться соплом с другими параметрами, в частности с другими размерами отверстия сопла и/или с другой длиной сопла вдоль оптической оси головки. Сопло может быть автоматически заменено так, чтобы оно соединялось со второй частью корпуса головки с помощью быстросъемной муфты, и оно может быть заменено после перемещения головки в место вне рабочей зоны или в рабочую зону, где определенным образом расположены в своих слотах сопла с другими параметрами. При необходимости, головка, перемещаемая системой управления, может автоматически оставить используемое сопло в свободном слоте и подобрать сопло с другими параметрами. Предпочтительно, головка содержит фиксаторы, необходимые для ее крепления к лазерному резаку для перемещения и позиционирования головки вдоль оси системы отсчета. Головка перемещается и позиционируется механической системой, управляемой численно программируемой системой управления с панелью пользователя для ввода данных. Такие механические системы известны и не будут здесь дополнительно описаны. Сопло центрируется относительно оптической оси головки путем фиксации, по меньшей мере, сопла относительно оси системы отсчета и перемещения относительно оси системы отсчета, по меньшей мере, той части корпуса, к которой сопло прикреплено с возможностью скольжения и/или перемещения источника лазерного излучения относительно оптической системы и/или сопла.
Сущность изобретения также заключается в лазерном резаке, содержащем лазерную режущую головку с вышеописанными характеристиками. Лазерные резаки как таковые известны из уровня техники и не требуют более точного описания. Предпочтительно, сопло центрировано относительно оптической оси головки посредством фиксации сопла по отношению к оси системы отсчета и перемещается относительно оси системы отсчета той части корпуса, к которой сопло прикреплено с возможностью скольжения, или другой части корпуса, посредством одного или нескольких приводов лазерного резака, отвечающих за перемещение головки по одной или нескольким осям системы отсчета.
Краткое описание рисунков
Изобретение более подробно поясняется на примере и на чертеже, где:
На фиг. 1 схематично показан вид в перспективе лазерной режущей головки,
На фиг. 2 схематично показан продольный разрез лазерной режущей головки, показывающий путь прохождения лазерного луча через оптическую систему в положении без фокусировки лазерного луча на поверхности заготовки,
На фиг. 3 схематично показан фрагмент продольного разреза сопла лазерной режущей головки, показывающий путь прохождения лазерного луча через оптическую систему в положении фокусировки лазерного луча на поверхности заготовки,
На фиг. 4 схематично показан вид в перспективе сменного сопла, показывающий его соединение,
На фиг. 5 схематично показан вид сверху лазерного резака, содержащего головку в соответствии с изобретением,
На фиг. 6 схематично показан вид спереди лазерного резака, содержащего головку согласно изобретению,
На фиг. 7 схематично показан вид сбоку лазерного резака, содержащего головку согласно изобретению,
Способы осуществления изобретения
На фиг. 1 и фиг. 2 показаны соответственно вид в перспективе и поперечное сечение лазерной режущей головки 1, содержащей источник лазерного излучения 3, соединенный с оптическим волокном 2 и расположенный на первом конце 4 корпуса 5, сопло 6, расположенное на другом конце 7 корпуса 5, оптическую систему 8 внутри корпуса 5 между источником лазерного излучения 3 и соплом 6, таким образом во время работы лазерный луч 9 проходит от источника лазерного излучения 3 через оптическую систему 8 и затем через сопло 6. Корпус 5 содержит первую часть 10 корпуса 5, интегрированную с источником лазерного излучения 3, и вторую часть 11 корпуса 5, интегрированную с оптической системой 8 и соплом 6. Первая часть 10 корпуса 5 перемещается относительно второй части 11 корпуса 5 вдоль и поперек оптической оси 12 головки 1 для обеспечения диапазона перемещения первой части 10 корпуса 5 относительно второй части 11 корпуса 5, необходимого для контроля фокусировки лазерного луча 9 на поверхности заготовки 27. Первая часть 10 корпуса 5 соединена со второй частью 11 корпуса 5 посредством полого гибкого экранирующего элемента 13 в форме сильфона. Сильфон 13 имеет герметичную внешнюю оболочку 14 и первое отверстие 15 с первым краем 16, герметично соединенным с первой частью 10 корпуса 5, напротив части, интегрированной с источником лазерного излучения 3, и второе отверстие 17 со вторым краем 18, прикрепленный ко второй части 11 корпуса 5, интегрированной с оптической системой 8 и соплом 6. Таким образом, во время работы первая часть 10 корпуса 5 может перемещаться относительно второй части 11 корпуса 5 вдоль и поперек оптической оси 12 головки 1 с гарантией плотного уплотнения внутреннего пространства 19 головки 1 от окружающего между источником лазерного излучения 3 и первым оптическим элементом 8 со стороны источника лазерного излучения 3, и гарантией, что при работе не будет движущихся частей во внутреннем пространстве 19 головки 1. Источник лазерного излучения 3 выполнен в виде так называемого «торца световода», к которому лазерное излучение подается с внешней стороны головки 1 по оптическому волокну 2. Все элементы оптической системы 8 неподвижны относительно друг друга и относительно второй части 11 корпуса 5. Кроме того, вторая часть 11 корпуса 5 содержит разъем 20 для присоединения трубки со сжатым газом 21 и отверстие 22 во второй части 11 корпуса 5, герметично связанное с указанным разъемом 20. Отверстие 22 расположено таким образом, что во время работы поток сжатого газа направляется на поверхность первого элемента 23 оптической системы 8 со стороны сопла 6, а затем выходит через сопло 6 наружу в направлении оптической оси 12 головки 1. Такое расположение отверстия 22 обеспечивает охлаждение оптической системы 8 и предотвращает осаждение пыли на поверхности первого оптического элемента 8 со стороны сопла 6. Сопло 6 выполнено съемным и может быть разъемно соединено со второй частью 11 корпуса с возможностью центрирования относительно оптической оси 12 головки 1, а при работе - для обеспечения надлежащей фокусировки лазерного луча 9 на поверхности заготовки 27 и для обеспечения оптимальных параметров потока газа, направляющегося к заготовке 27. Касаемо диаметра отверстия 24 сопла 6 и расстояния 28 от края сопла 6 до заготовки 27, показанного на фиг. 3, возможна автоматическая замена сопла 6 с другими параметрами, в частности с другими размерами отверстия 24 сопла 6 и другой длины 29 сопла 6 вдоль оптической оси 12 головки 1. На фиг. 4 показан вид в перспективе сменного сопла 6, на котором изображено соединение 30 сопла 6. Головка 1 содержит фиксаторы 25, схематично показанные на фиг. 5, необходимые для ее крепления к лазерному резаку 26 и перемещения и позиционирования головки 1.
На фиг.5 схематично показан вид в перспективе лазерного резака 26 с головкой 1, изображенной на фиг.1-4 и описанной выше. Фиг. 5, фиг. 6 и фиг. 7 схематично показывают соответственно вид сверху, вид спереди и вид сбоку лазерного резака (со стороны головки 1) с указанными возможными направлениями движения головки 1 (или направляющими лазерного резака), обозначенные стрелками. Головка 1 может быть, например, расположена таким образом, чтобы лазерный луч направлялся на поверхность заготовки 27 под определенным углом.
Промышленная применимость
Благодаря вышеописанной головке 1, лазерный резак 26 обеспечивает более быстрый и точный процесс резки заготовки 27 с более гладкой и чистой поверхностью, обработанной резкой, по сравнению с лазерными резаками предшествующего уровня техники, тем самым не требуется дополнительная обработка заготовки. Преимущество решения согласно изобретению также состоит в более узком зазоре и меньшей зоне теплопередачи по сравнению с известными лазерными резаками.
Список ссылок
1 - лазерная режущая головка
2 - оптическое волокно
3 - источник лазерного излучения
4 - первый конец корпуса
5 - корпус
6 - сопло
7 - второй конец корпуса
8 - оптическая система
9 - лазерный луч
10 - первая часть корпуса
11 - вторая часть корпуса
12 - оптическая ось головки
13 - экранирующий элемент, экранирующая втулка, экранирующий сильфон
14 - внешняя оболочка
15 - первое отверстие
16 - первый край
17 - второе отверстие
18 - второй край
19 - внутреннее пространство головки
20 - разъем
21 - трубка со сжатым газом
22 - отверстие
23 - первый элемент оптической системы
24 - отверстие сопла
25 - фиксаторы
26 - лазерный резак
27 - заготовка
28 - расстояние от края сопла до заготовки
29 - длина сопла вдоль оптической оси головки
30 - соединение сопла.