Система защиты для станка лазерной резки
PROTECTION SYSTEM FOR LASER CUTTING MACHINE

Перекрестная ссылка на родственные заявки
[0001] Настоящая заявка является частичным продолжением и испрашивает приоритет заявки на патент США № 15/403450, поданной 11 января 2017 года, которая в свою очередь испрашивает приоритет по предварительной заявке США № 62/277594, поданной 12 января 2016 г., обе из которых включены посредством ссылки в настоящий документ в полном объеме.
Область техники, к которой относится изобретение
[0002] Настоящее изобретение в целом относится к системе защиты и, в частности, к системе защиты для станка лазерной резки.
Уровень техники
[0003] Лазерная резка представляет собой технологию, в которой для резки материалов используют лазер, и обычно ее применяют для задач промышленного производства. Лазерная резка выполняется путем направления выходного излучения лазера высокой мощности чаще всего через оптические средства. Станок лазерной резки содержит режущую головку, генерирующую лазерный луч, который перемещается в обоих горизонтальных измерениях над заготовкой, загружаемой на стол. Сфокусированный лазерный луч направляют на заготовку, часть которой затем плавится, сгорает и испаряется. Таким образом, создается обрезанный край с высококачественной обработкой поверхности.
[0004] Лазеры, заключенные в станки лазерной резки, способны излучать высокоэнергетическое излучение и, таким образом, могут быть опасны для глаз и кожи оператора. Использование станка лазерной резки может также представлять целый ряд опасностей, включая токсичные газы, пары и вдыхаемые частицы. Кроме того, возможное случайное отражение лазерного излучения может обжечь сетчатку оператора, когда лазер первично пробивает заготовку насквозь. Таким образом, для безопасной работы станка необходимо присоединение к станку лазерной резки устройства защитного кожуха.
[0005] Большинство существующих защитных кожухов закрывают весь станок лазерной резки и таким образом образуют камеру. Это не только делает станок громоздким, но также требует установки на станок лазерной резки системы загрузки-выгрузки поддонов для загрузки и выгрузки заготовки в камеру. Такое решение увеличивает финансовые затраты, а также время работы станка лазерной резки.
[0006] Таким образом, в промышленности существует потребность в повышении эффективности системы защиты для станка лазерной резки, избегая при этом упомянутых выше недостатков известных устройств защитного кожуха.
Раскрытие сущности изобретения
[0007] С учетом вышеупомянутых проблем и потребностей, основная техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании системы защиты.
[0008] Другая техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании системы защиты для станка лазерной резки.
[0009] Другая техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании системы защиты для станка лазерной резки, которая позволит оператору станка лазерной резки непосредственно загружать и выгружать заготовку на стол и со стола, не дожидаясь выхода системы загрузки-выгрузки поддонов из обычного устройства защитного кожуха.
[0010] Другая техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании системы защиты для станка лазерной резки, которая обеспечивает возможность рулонной подачи заготовки непосредственно на стол при разумных финансовых затратах.
[0011] Другая техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании системы защиты станка лазерной резки, которая окружает только лазерную головку, и, таким образом, обеспечивает уменьшение общего объема станка лазерной резки.
[0012] Эти и другие технические проблемы, на решение которых направлено настоящее изобретение, и их предпочтительные варианты осуществления станут понятны при рассмотрении описания, формулы изобретения и чертежей.
Краткое описание чертежей
[0013] Настоящее изобретение станет более понятно после прочтения следующего описания неограничивающих вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
[0014] На фиг. 1 проиллюстрирована схема известного станка лазерной резки, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
[0015] На фиг. 2 проиллюстрирован изометрический вид сбоку системы защиты согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
[0016] Фиг. 3 представляет собой увеличенный вид системы защиты, показанной на фиг. 2, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
[0017] На фиг. 4 проиллюстрирована система защиты, показанная на фиг. 2 и 3, когда центральный защитный экран отсоединен от системы защиты, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
[0018] На фиг. 5 проиллюстрирован увеличенный вид в разрезе верхнего щеточного зла согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
[0019] На фиг. 6 проиллюстрирован изометрический вид сбоку верхнего щеточного узла согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
[0020] На фиг. 7 проиллюстрирован изометрический вид сбоку нижнего щеточного узла согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
[0021] На фиг. 8 проиллюстрирован увеличенный вид в разрезе нижнего щеточного узла согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
[0022] На фиг.  9 проиллюстрированы срезы верхнего и нижнего участков защитного кожуха согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
[0023] На фиг. 10 проиллюстрирован увеличенный нижний участок защитного кожуха согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
[0024] На фиг. 10А показано увеличенное подробное поперечное сечение участка 10А с фиг. 10.
[0025] На фиг. 11 проиллюстрирован чашеобразный щеточный узел, выведенный из соединения с нижней частью защитного кожуха, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
[0026] На фиг. 12 проиллюстрирован предохранительный переключатель согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
[0027] На фиг. 13 проиллюстрирован вид в разрезе в увеличенном масштабе нижнего защитного узла согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
[0028] На фиг. 14 проиллюстрирована нелинейная траектория согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; и
[0029] На фиг. 15 проиллюстрирован вид в перспективе узла головки лазера.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления
[0030] На фиг. 1 проиллюстрирован изометрический вид сбоку устройства для обработки заготовки, имеющего станок лазерной резки и его устройство 100 защитного кожуха. Режущий лазер (не показан) расположен внутри устройства 101 защитного кожуха. Система 102 загрузки-выгрузки поддонов расположена в тесном взаимодействии с устройством 101 защитного кожуха. Заготовка может быть загружена в систему 102 загрузки-выгрузки поддонов и выгружена из нее. Затем система 102 загрузки-выгрузки поддонов переносит загруженную заготовку, входит в устройство 101 защитного кожуха и выходит из него через дверцу 103 кожуха устройства защитного кожуха. В частности, для загрузки и выгрузки заготовки, подлежащей обработке посредством станка лазерной резки, на систему 102 загрузки-выгрузки поддонов, система 102 загрузки-выгрузки поддонов должна выйти из устройства 101 защитного кожуха.
[0031] Таким образом, становится очевидно, что известные кожухи лазеров требуют полного охвата или в значительной степени самого устройства обработки заготовки, что является как дорогостоящим, так и громоздким решением. Когда и заготовка и (предпочтительно, подвижная) плита, на которой она транспортируется, удерживаются внутри кожуха лазера, как и в известном устройстве, показанном на фиг. 1, из-за чрезмерного времени и затрат на настройку теряется эффективность, и, кроме того, практически невозможно получить доступ к заготовке и режущему лазеру без нештатной остановки и выключения аппарата в целом.
[0032] На фиг. 2 проиллюстрирован изометрический вид сбоку системы 10 защиты согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. В частности, на фиг. 2 проиллюстрирована система 10 защиты, как выполненная за одно целое с лазерной головкой 80, мост 90 для поддерживания лазерной головки и подлежащая обработке заготовка 91. Очевидно, что лазерная головка 80, мост 90 и заготовка 91 показаны на фиг. 2 только частично, так чтобы показать саму систему защиты и ее предпочтительное расположение относительно моста 90, лазерной головки 80 и заготовки 91.
[0033] Несмотря на то, что настоящее изобретение описано с привязкой к мосту 90 и лазерной головке 80, показанным на фиг. 2, для специалиста в данной области техники будет очевидно, что настоящая система 10 защиты может быть выполнена за одно целое с любой лазерной режущей головкой, независимо от ее конкретного типа, без отступления от основных аспектов настоящего изобретения.
[0034] Как наиболее явно показано на фиг. 2, система 10 защиты согласно настоящему изобретению подвижно установлена на мосту 90, с возможностью перемещения вдоль него. Сам мост 90 выполнен с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению перемещения системы 10 защиты, так чтобы разрезать заготовку 91 как требуется. Кроме того, система 10 защиты выполнена так, что лазерная режущая головка может быть установлена на исполнительном механизме с электроприводом внутри системы 10 защиты, что позволяет автоматически поднимать или опускать лазерную режущую головку для фокусировки лазерного луча или для адаптации к небольшим изменениям в толщине подлежащего разрезанию материала, без влияния на положение или направленную вниз силу защитного устройства щетки на подлежащем разрезанию материале. Этот закрытый исполнительный механизм с электроприводом снижает риск случайного воздействия лазерного излучения.
[0035] Система 10 защиты включает в себя раму 11, верхний защитный узел 40, центральный защитный экран 20 и нижний защитный узел 60, образующие таким образом камеру, в которой расположена лазерная головка 80, так чтобы предотвратить выход отраженного лазерного излучения, когда лазерная головка 80 режет заготовку 91.
[0036] Как очевидно, и в резком контрасте с кожухом устройства, показанного на фиг. 1, важным аспектом настоящего изобретения является то, что только сама лазерная головка 80 окружена верхним, центральным и нижним узлами 40, 20 и 60 соответственно. Таким образом, система защиты/кожух согласно настоящему изобретению не распространяется на устройство в целом и кожухи не охватывают подвижную плиту, на которой расположена заготовка.
[0037] Со ссылкой на фиг. 3 и 4 в комбинации более подробно проиллюстрирован центральный узел 20 защитного экрана системы 10 защиты. Световой экран 23 предпочтительно представляет собой полупрозрачный экран защиты от лазерного излучения, так чтобы обеспечить оператору станка лазерной резки возможность видеть внутреннее пространство камеры системы 10 защиты, предотвращая при этом выход отраженного лазерного излучения из камеры. Световой экран включает в себя планетарную уплотняющую прокладку 24. Световой экран 23 съемным образом прикреплен к раме 11 посредством четырех переключателей 22 блокировки, встроенных в раму 11. В альтернативных вариантах осуществления центральный узел 20 защитного экрана установлен на петлях или вертикальных направляющих, которые находятся во взаимодействии с защелками, планетарной уплотняющей прокладкой 24 и предохранительными переключателями 22 блокировки, так чтобы обеспечить доступ, с возможностью его блокировки, к лазерной головке для технического обслуживания, предотвращая при этом воздействие лазера на оператора.
[0038] В частности, согласно настоящему изобретению предусмотрено, что световой экран 23 предпочтительно представляет собой окно безопасности инфракрасного волоконного лазера Laservision P5P10 для блокировки различных световых лучей в пределах множества спектров, хотя может быть использовано другое подходящее экранирование, без отступления от основных аспектов настоящего изобретения.
[0039] Следует отметить, что световой экран 23 должен быть прикреплен к раме 11, при этом переключатели 22 блокировки должны находиться в контакте со световым экраном 23, так чтобы лазерная головка 80 начала функционировать. Действительно, предусмотрено несколько предохранительных переключателей, выполненных за одно целое со световым экраном 23, все из которых должны быть приведены в действие, так чтобы обеспечить возможность функционирования лазерной головки 80.
[0040] Как показано, на фиг. 3 проиллюстрирован центральный защитный экран 20 в закрытом положении. Световой экран 23 закреплен на раме 11 посредством четырех (предохранительных) переключателей 22 блокировки. Переключатели блокировки находятся в положении блокировки и, таким образом, обеспечивают возможность начала функционирования лазерной головки 80. На фиг. 4, напротив, проиллюстрирован центральный защитный экран 20 в открытом положении. Световой экран 23 снят с рамы 11. Переключатели блокировки приведены в положение разблокировки после отсоединения светового экрана 23 от рамы 11. Таким образом, лазерная головка 80 не может начать функционировать, пока световой экран 23 не будет снова закреплен на раме11.
[0041] Рама 11 предпочтительно сварена так, чтобы обеспечить непрерывный корпус, предотвращая таким образом выход излучения во время функционирования лазерной головки 80.
[0042] На фиг. 5 и 6, в комбинации, проиллюстрирован вид в разрезе верхнего защитного узла 40. В одном предпочтительном варианте осуществления верхний защитный узел 40 включает в себя верхнюю опорную крышку 41, имеющую отверстие, и по меньшей мере щеточный узел 44, выполненный с возможностью закрытия отверстия верхней опорной крышки 41. Щеточный узел соединен с верхней опорной крышкой 41 посредством кронштейна 42.
[0043] Щеточный узел 44 включает в себя одну пару щеткодержателей 45, которые соединены с кронштейном 42, и пару щеток 46, каждая из которых содержит множество щетин щетки. Один конец щетки 46 размещен в щеткодержателе 45 в гнезде для щетки. Две щетки в паре расположены в противоположном направлении на одном и том же вертикальном уровне, так чтобы обеспечить возможность расположения других концов двух щеток напротив друг друга и в контакте друг с другом. Таким образом, щеточный узел 44 предотвращает выход отраженного лазерного излучения из камеры из верхнего защитного узла 40, при этом обеспечивает возможность прохождения любого электрического кабеля, светового кабеля или силового кабеля, соединенного с лазерной головкой 80, через верхний защитный узел 40 и вхождения в камеру. Таким образом, кабели могут свободно перемещаться вверх и/или вниз, не заполняя верхний защитный узел 40.
[0044] Следует отметить, что в предпочтительном варианте осуществления три слоя щеточного узла 44 расположены вертикально и соединены с кронштейном 42. Однако может быть использовано любое количество слоев для оптимизации защитного эффекта верхнего защитного узла 40.
[0045] Верхний защитный узел 40 соединен с рамой 11 посредством двух (предохранительных) переключателей 48 блокировки. Два переключателя 48 блокировки находятся в положении блокировки и обеспечивают возможность начала функционирования лазера 80, когда верхний защитный узел 40 надлежащим образом закреплен на раме. Однако, если верхний защитный узел 40 снят, два переключателя 48 блокировки переходят в положение разблокировки и, таким образом, предотвращают запуск лазерной головки 80. В другом варианте осуществления верхний защитный узел 40 может включать в себя сплошную сборку с компонентами, проходящими через стенки защитной сборки посредством разъемов и заглушек перегородки, так чтобы повысить безопасность и/или обеспечить более герметичную камеру, которая может более эффективно вентилироваться в случае неприятных или токсичных паров, образующихся в процессе резки.
[0046] На фиг. 7 и 8 в комбинации проиллюстрирован нижний защитный узел 60. Нижний защитный узел 60 включает в себя нижнюю крышку 61, имеющую отверстие для обеспечения возможности прохождения через него лазерной головки 80 и приложения лазерного излучения к заготовке 91 посредством блока 82 наконечника для приложения лазерного излучения. Нижний защитный узел 60 дополнительно включает в себя нижний чашеобразный щеточный узел 65. Нижний чашеобразный узел 65 расположен в положении относительно отверстия на нижней крышке 61, так чтобы обеспечить функционирование лазерной головки 80 на заготовке 91.
[0047] Нижний чашеобразный щеточный узел 65 включает в себя кольцеобразное основание 62, соединенное с нижней крышкой 61 посредством двух переключателей 69 блокировки. Отверстие в центре кольцеобразного основания 62 совпадает с отверстием на нижней крышке, так чтобы обеспечить возможность прохождения через него лазерной головки. Кольцеобразное основание 62 имеет по меньшей мере одно гнездо кольцеобразной формы для размещения ряда щеток 66, расположенных в такой же кольцеобразной форме, окружающей центральное отверстие на кольцеобразном основании 62. Щетки 66 прикреплены к кольцеобразному основанию 62 одним концом и проходят вниз с другого конца щеток 66, находящегося в прямом контакте с заготовкой 91, таким образом обеспечивая закрытие камеры системы 10 защиты, когда лазерная головка 80 выполняет функцию резки на заготовке 91.
[0048] Как будет более подробно обсуждаться позднее, щетки 66 включают в себя твердую резиновую мембрану 67 (122), встроенную между щетинками 68. Еще одним важным аспектом настоящего изобретения является то, что благодаря конкретному использованию щеток 66 и тому, как эти щетинки/щетки могут быть сжаты до определенной степени, то есть слегка изогнуты, когда они находятся в контакте с заготовкой, система 10 защиты согласно настоящему изобретению эффективно предотвращает выход отраженного лазерного излучения из камеры, когда заготовка 91 время от времени перемещается в вертикальном направлении в процессе лазерной резки заготовки 91.
[0049] В одном предпочтительном варианте осуществления два ряда щеток расположены и размещены в двух отдельных концентрических кольцеобразных гнездах, расположенных на кольцеобразном основании. Однако, следует отметить, что может быть размещено любое количество рядов щеток и соответствующих приемных кольцеобразных гнезд, так чтобы оптимизировать защитный эффект нижнего защитного узла 60.
[0050] Кольцеобразное основание 62 соединено с нижней крышкой 61 посредством двух шарниров и двух предохранительных переключателей 69 блокировки. Два переключателя 69 блокировки находятся в положении блокировки и обеспечивают возможность начала функционирования лазерной головки 80, когда нижний чашеобразный щеточный узел 65 надлежащим образом прикреплен к нижней крышке 61. Однако, если нижний чашеобразный щеточный узел 65 снят, два переключателя 69 блокировки переводятся в положение разблокировки и, таким образом, предотвращают запуск лазерной головки 80.
[0051] Безопасное функционирование лазерной головки 80 дополнительно улучшается путем размещения датчика (не показан) в области основания 62 для обнаружения, расположена ли заготовка рядом с лазерной головкой 80. Если датчик не обнаруживает заготовку в области вблизи лазерной головки 80, функционирование лазерной головки 80 будет предотвращено. Предпочтительно функционирование лазерной головки 80 будет предотвращено, если датчик не обнаружит заготовку в пределах приблизительно 1 мм ниже лазерной головки 80, хотя очевидно, что вместо этого могут использоваться другие расстояния, без отступления от основных аспектов настоящего изобретения.
[0052] На фиг. 9 проиллюстрирован срез верхнего и нижнего участков защитного кожуха 10. Как показано на фиг. 9, световой экран 23 и рама 11 взаимодействуют и имеют размеры и расположены так, что образуется перекрытие 100/102, между приподнятым краем рамы 11 и световым экраном 23, таким образом обеспечивая предотвращение выхода излишнего излучения от лазерной головки 80 из защитного кожуха 10.
[0053] На фиг. 10 показан увеличенный нижний участок защитного кожуха 10, а также вид в разрезе одного из пары подпружиненных устройств 108 смещения щетки. Как показано на фиг. 10, нижний чашеобразный щеточный узел 65 включает в себя верхнюю монтажную пластину 110, которая сама съемным образом прикреплена к монтажной пластине 112 основания, которая функционально прикреплена к паре подпружиненных устройств 108 смещения щетки.
[0054] Как очевидно, подпружиненные устройства 108 смещения щетки предпочтительно включают в себя поворотный шаровой шарнир 114 и смещающую пружину/элемент 116. Таким образом, устройство 108 смещения служит для обеспечения возможности свободного наклона чашеобразного щеточного узла 65 и встроенных щетинок, остающихся при этом постоянно смещенными вниз в контакте с заготовкой, расположенной ниже, таким образом, обеспечивая их расположение и удерживание в плотном контакте с заготовкой, независимо от различий или неровностей в контуре и/или наклоне заготовки. Шаровой шарнир 114 может содержать конструкцию с магнитным соединением для обеспечения возможности аккуратного отделения устройства 108 смещения щетки, без необратимого повреждения узла защитного устройства в случае сильного удара. Наличие двух предохранительных устройств 69 блокировки обеспечит деактивацию лазера в случае удара и последующего отделения шарового шарнира 114.
[0055] Очевидно, что чашеобразный щеточный узел будет подвергаться износу во время использования и, как таковой, представляет собой расходную деталь, которая должна время от времени проверяться и меняться. В свою очередь, на фиг. 11 проиллюстрирован чашеобразный щеточный узел, выведенный из соединения с нижней частью защитного кожуха. Как дополнительно показано на фиг. 12, предохранительный переключатель 120 может быть выполнен за одно целое с защитным кожухом для обнаружения наличия чашеобразного щеточного узла 65. Предохранительный переключатель 120 предпочтительно представляет собой прижимной переключатель предельного типа или кодированный переключатель радиочастотной идентификации (RFID) и является достаточно чувствительным, чтобы определить, когда чашеобразный щеточный узел 65 не введен в зацепление, неправильно установлен или становится неплотно закрепленным, хотя для этого могут быть использованы датчики и переключатели других типов, без отхода от основных аспектов настоящего изобретения. Если предохранительный переключатель 120 не обнаруживает наличие и правильную установку чашеобразного щеточного узла 65, функционирование лазерной головки 80 будет предотвращено.
[0056] Как обсуждалось ранее, защитный кожух согласно настоящему изобретению включает в себя множество признаков, которые делают возможной безопасную работу лазерной головки 80. На фиг. 13 проиллюстрирован вид в разрезе в увеличенном масштабе нижнего защитного узла 60. Как показано на фиг. 13, и в предпочтительном варианте осуществления чашеобразный щеточный узел 65 включает в себя две концентрически выровненные щетки/кольца 66 щеток, каждое из которых включает в себя твердую резиновую мембрану 122, встроенную в каждое из концентрически выровненных колец 66 щеток.
[0057] Очевидно, что сами щетки 66 выполнены из материала, такого как, но не ограничиваясь этим, резина, которая одновременно является упруго эластичной, а также способна сохранять структурную целостность даже в условиях высоких температур. Внутренний, предпочтительно тканевый, вкладыш 124 расположен между щетками 66 и лазерной головкой 80, так чтобы защитить щетки от повреждений, вызванных функционированием лазерной головки 80. На фиг. 14 показана нелинейная траектория 126, согласно которой должно следовать излучение, исходящее от лазерной головки 80, так чтобы выйти из защитного кожуха согласно настоящему изобретению.
[0058] Как обсуждалось ранее, одним важным аспектом настоящего изобретения является то, что лазерная головка 80 является гораздо более доступной, чем известные устройства, и эта дополнительная функциональная возможность показана на фиг. 15. Как показано на фиг. 15, световой экран 23 подвижно установлен на линейных направляющих 128, которые обеспечивают возможность перемещения светового экрана 23 вверх или вниз (в поднятое или опущенное положение) для быстрой регулировки, например, фокусировки режущего луча или подобного. Поэтому для определения того, находится ли и когда световой экран находится в опущенном положении, используют пару датчиков 130 близости, и допускают функционирование лазерной головки 80 только в том случае, если датчики 130 подтверждают, что световой экран находится в надлежащем защитном (опущенном) положении.
[0059] Как понятно из обзорных чертежей 1-15 и связанных с ними обсуждений, согласно настоящему изобретению разработано устройство лазерной резки для обработки заготовок, предпочтительно металлических заготовок. Однако, в отличие от известных устройств, в настоящем изобретении используется защитный кожух только вокруг лазерной головки, в результате чего большая часть устройства остается открыта для проверки и обработки при необходимости. Кроме того, в настоящем изобретении используется ряд встроенных предохранительных переключателей, любой из которых может привести к прекращению или препятствию функционированию лазерной головки, если любой из этих предохранительных переключателей указывает на небезопасную ситуацию. Эти предохранительные переключатели, конечно, могут быть выполнены за одно целое с кнопкой остановки станка, предпочтительно в последовательном подключении, так чтобы сделать функционирование лазерной головки 80 максимально безопасным.
[0060] Хотя это изобретение было показано и описано относительно его подробных вариантов осуществления, для специалистов в данной области техники будет очевидно, что могут быть внесены различные изменения и эквиваленты могут быть заменены их элементами, без выхода за пределы объема правовой охраны изобретения. Кроме того, могут быть выполнены модификации для адаптации конкретной ситуации или материала к идеям изобретения, без выхода за пределы его основного объема правовой охраны. Таким образом, предполагается, что изобретение не ограничивается конкретными вариантами осуществления, раскрытыми в вышеизложенном подробном описании, но изобретение будет включать в себя все варианты осуществления, попадающие в объем правовой охраны, определяемый этим документом.