Головка для лазерной резки, предназначенная для металлорежущего станка - RU2653892C2
Код документа: RU2653892C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к устройствам лазерной резки для станков и, в частности, к головке для лазерной резки, предназначенной для использования в системе резки волоконно-оптическим лазером на станке для резки/штамповки листового металла.
Лазерные системы для резки, гравировки и сварки деталей хорошо известны из уровня техники и широко применяются в станках для обработки металлических листов и пластин.
Лазерное устройство с помощью процесса индуцированного излучения испускает когерентный монохромный свет, сконцентрированный в прямолинейный луч, отличающийся чрезвычайно высокой световой эффективностью (яркостью). Возможность концентрирования большого количества энергии в очень малой точке позволяет лазерным устройствам резать, гравировать и сваривать металлы. Резание металлического материала, как правило, осуществляется путем испарения и, в частности, расплавления. В последнем случае лазерный луч плавит малую точку металла, и расплавленный металл (окалина) удаляется при помощи выхлопа или струи газа.
Для создания светового луча, подходящего для резки металла, можно использовать различные типы источников лазерного излучения. Обычно используют газовые (двуокись углерода, окись углерода, СО2) и твердотельные (на диодах, на легированном стекле, волоконные) лазеры.
Вследствие того, что для резки листового металла, в частности, толстого листового металла требуется большое количество энергии, размеры и масса устройства лазерного излучения, применяемого в соответствующих станках, не позволяют расположить такое устройство на станке. Лазерный луч фокусируется на заготовках посредством головки для лазерной резки или фокусирующей головки, соединенной с устройством лазерного излучения оптической цепью (в СО2-лазерах) или передающего волокна (оптического волокна, например, в диодных лазерах на алюмоиттриевом гранате). Благодаря небольшим размерам и массе головки станок способен, по существу, перемещать головку для лазерной резки с высокой точностью и скоростью, чтобы резать обрабатываемую деталь.
В так называемых режущих системах на волоконно-оптических лазерах, в которых оптоволоконный кабель используется для транспортировки лазерного луча к режущей головке, головка обычно содержит оптический коллиматор, сводящий пучок света, выходящий из оптоволокна, в фокусирующий блок, способный фокусировать коллимированный лазерный луч на заготовке, подлежащей резке.
Сфокусированный лазерный луч выходит из фокусирующей головки через режущее сопло, концентрирующее выброс или струю газа, используемого для удаления образованной при плавлении металла окалины, и снижает вероятность попадания окалины на фокусирующий блок. Фокусирующий блок позволяет концентрировать лазерный луч, то есть позиционировать точку фокусировки или фокус лазера в заданной точке на поверхности заготовки, подлежащей резке, или непосредственно под этой поверхностью.
Правильное позиционирование точки фокусировки необходимо для концентрации полной мощности лазерного луча и правильного резания материала.
Фокусирующий узел обычно содержит фокусирующую линзу, установленную на направляющей или каретке держателя линзы, выполненной с возможностью перемещения вдоль направления регулировки, параллельного направлению лазерного луча, с возможностью фокусировки последнего. Точнее, направляющую держателя линзы перемещают посредством соответствующего исполнительного механизма, управляемого в соответствии с расстоянием между режущей головкой и поверхностью заготовки, причем указанное расстояние измеряют соответствующим датчиком, установленным на режущей головке. Поверхность заготовки (например, большой лист металла), по существу, как правило, является неровной, неплоской, изогнутой.
Фокусирующая линза и относительная направляющая держателя линзы размещены внутри герметично закрытого контейнера или корпуса, предотвращающего проникновение загрязнений и посторонних элементов, способных загрязнить линзу и, тем самым, изменить ее оптические характеристики.
Для охлаждения режущей головки и, в частности, фокусирующей линзы предназначены системы охлаждения. Небольшая часть энергии лазерного луча, проходящего через линзу, по существу, поглощается и преобразуется в тепло по различным причинам, главным образом из-за неполной прозрачности оптики (покрытия и подложки). Тепло, генерируемое при длительном использовании, вызывает повышение температуры головки в целом и, в частности, фокусирующей линзы. Такое повышение температуры приводит к изменению коэффициента преломления линзы и, тем самым, к смещению фокуса. Это явление, которое обычно называют «тепловым сдвигом фокуса», не позволяет режущей системе сфокусировать лазерный луч в требуемой оптимальной точке поверхности заготовки и вызывает последующее ухудшение характеристик резания вплоть до полной невозможности резания.
Кроме того, повышение температуры может повредить защитный слой, обычно наносимый на поверхности линз, и, таким образом, вызвать дальнейшее изменение оптических свойств линз.
Для решения этой проблемы разработаны системы охлаждения, вводящие газ (обычно азот) с контролируемой температурой в фокусирующую головку таким образом, чтобы газ обтекал фокусирующую линзу, охлаждая ее.
Наружное охлаждение корпуса, содержащего фокусирующий блок, по существу, недостаточно для адекватного охлаждения фокусирующей линзы.
Тем не менее, системы охлаждения с использованием потока газа имеют недостаток, заключающийся в необходимости использования дорогостоящих газов, очищенных от примесей. Загрязнения или посторонние частицы/элементы, содержащиеся в газе, могут оседать на фокусирующей линзе, не только изменяя коэффициент преломления оптики, но и поглощая энергию лазерного луча и, следовательно, уменьшая мощность, доступную для резания.
Кроме того, такие системы довольно сложны и дорогостоящи в производстве, а также требуют периодического технического обслуживания.
В патентном документе JP 2012091191 раскрыто устройство лазерной обработки, содержащее источник лазерного излучения с лазером, испускающим лазерный луч, лазерную головку, оснащенную гальваносканерами для направления лазерного луча, испускаемого источником лазерного излучения, к обрабатываемой детали, а также оптоволоконный кабель для передачи лазерного луча от источника лазерного излучения к лазерной головке. Оптоволоконный кабель содержит соединитель, съемным образом установленный на лазерную головку. Соединитель оснащен расширителем луча, в состав которого входит диффузионная линза, рассеивающая лазерный луч, испускаемый оптоволоконным кабелем, и собирающая линза, преобразующая лазерный луч, выходящий из диффузионной линзы, в пучок параллельных лучей.
Патентный документ USA 20080030823 раскрывает способ и устройство фокусировки лазерного луча, выходящего из лазерного генератора через линзу, и облучения объекта. Устройство содержит зеркала, предназначенные для отражения лазерного луча, выходящего из лазерного генератора, и конденсаторную линзу, предназначенную для фокусировки лазерного луча и облучения объекта. Поскольку фокусное расстояние конденсаторной линзы может изменяться вследствие изменения температуры в случае возобновления облучения лазерным лучом после прекращения облучения, тубус линзы, содержащий конденсаторную линзу, нагревается или охлаждается с помощью устройства контроля температуры, оснащенного элементом Пельтье.
Патентный документ USA 6198579 раскрывает объектив с оптическими элементами, в частности линзами, предназначенный для устройства проекционного экспонирования, используемого в полупроводниковой микролитографии. Объектив оснащен охлаждающим устройством, предназначенным для коррекции искажений изображения, обусловленных эффектами нагрева оптических элементов, в частности не вращательно-симметричным распределением температуры в оптических элементах. Охлаждающее устройство содержит множество элементов Пельтье, расположенных, по меньшей мере, на одном из оптических элементов, которые распределены по его периметру, и приводящихся в действие электрическими сигналами для воздействия на распределение температуры в оптическом элементе.
Целью настоящего изобретения является усовершенствование существующих головок для лазерной резки, устанавливаемых на металлорежущие станки и, в частности, режущих головок для систем резки волоконно-оптическим лазером.
Кроме того, целью изобретения является разработка головки для лазерной резки, оснащенной системой охлаждения, способной обеспечить эффективное и оптимальное охлаждение фокусирующих средств.
Кроме того, целью изобретения является разработка головки для лазерной резки, оснащенной системой охлаждения, отличающейся простой и экономичной конструкцией, а также эффективной и надежной работой.
Кроме того, целью изобретения является разработка головки для лазерной резки, позволяющей поддерживать фокус лазерного луча в фиксированном положении даже после продолжительной и интенсивной эксплуатации.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предложена головка для лазерной резки с признаками, раскрытыми в пункте 1 формулы изобретения.
Головка для лазерной резки в соответствии с этим аспектом изобретения может приводиться в действие устройством лазерного излучения посредством оптических средств передачи и выполнена с возможностью соединения с металлорежущим станком. Головка для лазерной резки содержит коллиматор, предназначенный для коллимирования лазерного луча, испускаемого устройством лазерного излучения, фокусирующие средства, предназначенные для фокусировки коллимированного лазерного луча, выходящего из коллиматора, и корпус, предназначенный для установки и заключения в нем фокусирующих средств, в том числе фокусирующей линзы и держателя фокусирующей линзы, предназначенного для крепления линзы и ее перемещения вдоль направления регулировки с целью изменения фокальной точки испускаемого лазерного луча. Головка для лазерной резки содержит охлаждающее устройство, соединенное с корпусом снаружи и оснащенное одним или более элементами Пельтье и устройством рассеивания тепла, а также теплопроводящие соединительные средства, предназначенные для соединения держателя с охлаждающим устройством для обеспечения жесткой связи указанного держателя с указанным охлаждающим устройством и для отведения за счет теплопроводности от держателя и фокусирующей линзы тепла, генерируемого лазерным лучом при прохождении через фокусирующую линзу. Держатель и теплопроводящие соединительные элементы изготовлены из теплопроводящего материала, предпочтительно материала с высокой теплопроводностью.
Кроме того, головка для лазерной резки содержит подвижный элемент, который поддерживает теплопроводящие соединительные элементы и охлаждающее устройство, и который соединен с возможностью смещения с наружной стенкой корпуса и может перемещаться вдоль направления регулировки с целью перемещения держателя и фокусирующих средств для регулировки фокальной точки лазерного луча.
Теплопроводящие соединительные средства содержат первый соединительный элемент и второй соединительный элемент, изготовленные из теплопроводящего материала, причем первый соединительный элемент имеет первый конец, прикрепленный к держателю и удерживающий его, и второй конец, прикрепленный ко второму соединительному элементу, соединенному с холодной стороны элемента Пельтье. Горячая сторона элемента Пельтье соединена с элементом рассеивания тепла.
Во время работы головки для лазерной резки тепло, выделяемое в фокусирующей линзе при прохождении лазерного луча, передается через держатель и теплопроводящие соединительные средства к элементу Пельтье, который соответствующим образом приводится в действие, управляется постоянным током или ШИМ (широтно-импульсной модуляцией) и передает это тепло на элемент рассеивания тепла. Элемент Пельтье за счет отведения тепла позволяет контролировать температуру фокусирующей линзы и, в частности, предотвратить ее перегрев, который привел бы к изменению коэффициента преломления линзы и, тем самым, к неконтролируемому смещению фокальной плоскости.
Следует отметить, что теплопроводящие соединительные средства и подвижный элемент позволяют контролировать температуру фокусирующей линзы (с помощью элемента Пельтье) и перемещать держатель и фокусирующую линзу (вместе с охлаждающим устройством) вдоль направления регулировки с целью регулировки фокальной точки лазерного луча.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложена головка для лазерной резки с признаками, раскрытыми в пункте 13 формулы изобретения.
Головка для лазерной резки в соответствии с этим аспектом изобретения может приводится в действие от устройства лазерного излучения посредством оптических средств передачи и может быть соединена с металлорежущим станком. Головка для лазерной резки содержит коллиматор, предназначенный для коллимирования лазерного луча, испускаемого устройством лазерного излучения, фокусирующие средства, предназначенные для фокусировки коллимированного лазерного луча, выходящего из коллиматора, и корпус, предназначенный для установки и заключения в нем фокусирующих средств, в том числе фокусирующей линзы и держателя фокусирующей линзы, предназначенного для крепления линзы и ее перемещения вдоль направления регулировки с целью изменения фокальной точки испускаемого лазерного луча. Головка для лазерной резки содержит охлаждающее устройство, закрепленное на корпусе снаружи и оснащенное одним или более элементами Пельтье, элемент рассеивания тепла и теплопроводящие соединительные средства, предназначенные для соединения держателя с охлаждающим устройством с целью отведения за счет теплопроводности от держателя и фокусирующей линзы тепла, генерируемого лазерным лучом при прохождении через фокусирующую линзу. Для этого держатель и теплопроводящие соединительные средства изготавливают из теплопроводящего материала, предпочтительно, материала с высокой теплопроводностью.
Теплопроводящие соединительные средства содержат по меньшей мере один гибкий теплопроводящий элемент, соединенный с холодной стороной элемента Пельтье, в то время как элемент рассеивания тепла соединен с горячей стороной элемента Пельтье.
Во время эксплуатации головки для лазерной резки тепло, выделяющееся в фокусирующей линзе при прохождении лазерного луча, передается через держатель и теплопроводящие соединительные средства к элементу Пельтье, который соответствующим образом приводится действие и управляется постоянным током или ШИМ (широтно-импульсной модуляцией) и передает это тепло элементу рассеивания тепла. Элемент Пельтье, работающий как тепловой насос, за счет рассеивания тепла позволяет регулировать температуру фокусирующей линзы и, в частности, предотвращать ее перегрев, который привел бы к изменению коэффициента преломления линзы и, тем самым, к неконтролируемому смещению фокальной плоскости.
Следует отметить, что гибкость теплопроводящих соединительных элементов позволяет эффективно охлаждать держатель и фокусирующие линзы во время эксплуатации посредством элемента Пельтье, сохраняя возможность свободного перемещения вдоль направления, регулировки внутри корпуса с целью регулировки фокальной точки лазерного луча.
Термический КПД системы охлаждения головки для лазерной резки, раскрытой в настоящем описании (охлаждающее устройство, теплопроводящие соединительные средства и держатель) сопоставим с термическим КПД известных газовых систем охлаждения, отводящих тепло от линзы за счет конвекции.
Благодаря оригинальной системе охлаждения головка для лазерной резки согласно настоящему изобретению, предотвращает явление «теплового сдвига фокуса» фокусирующей линзы во время даже продолжительной и интенсивной эксплуатации, позволяя фокусировать лазерный луч в требуемой оптимальной точке на поверхности заготовки, что обеспечивает эффективное и точное резание. Кроме того, контроль и регулировка температуры предотвращают повреждение защитного поверхностного слоя фокусирующей линзы.
С целью улучшения понимания и реализации настоящего изобретения даны ссылки на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие варианты исполнения настоящего изобретения, не имеющие ограничительного характера, на которых изображено:
на фиг. 1 - вид в аксонометрии первого варианта исполнения головки для лазерной резки, описываемой изобретением;
на фиг. 2 - вид головки для лазерной резки, показанной на фиг. 1, со снятым охлаждающим устройством с целью более наглядной демонстрации фокусирующих средств;
на фиг. 3 - головка, показанная на фиг. 1, в разобранном виде;
на фиг. 4 - вид в аксонометрии охлаждающего устройства, соединенного с фокусирующими средствами и держателем головки для лазерной резки, показанной на фиг. 1;
на фиг. 5 - вид спереди на охлаждающее устройство, фокусирующие средства и держатель, изображенные на фиг. 4;
на фиг. 6 - вид сбоку на охлаждающее устройство, фокусирующие средства и держатель, изображенные на фиг. 4;
на фиг. 7 - вид сверху на охлаждающее устройство, фокусирующие средства и держатель, изображенные на фиг. 4;
на фиг. 8 - вид в аксонометрии варианта исполнения охлаждающего устройства для головки для лазерной резки согласно изобретению, соединенного с фокусирующим устройством и держателем;
на фиг. 9 - вид спереди на охлаждающее устройство, фокусирующие средства и держатель, изображенные на фиг. 8;
на фиг. 10 - вид сбоку на охлаждающее устройство, фокусирующие средства и держатель, изображенные на фиг. 8;
на фиг. 11 - вид сверху на охлаждающее устройство, фокусирующие средства и держатель, изображенные на фиг. 8;
на фиг. 12 - вид в аксонометрии второго варианта исполнения головки для лазерной резки согласно изобретению;
на фиг. 13 - изображение головки для лазерной резки, показанной на фиг. 12, в разобранном виде;
на фиг. 14 - еще одно изображение головки для лазерной резки, показанной на фиг. 12, в разобранном виде;
на фиг. 15 - вид в аксонометрии варианта исполнения головки для лазерной резки, показанной на фиг. 12;
на фиг. 16 - вид головки для лазерной резки, показанной на фиг. 15, в разобранном виде;
на фиг. 17 - вид в аксонометрии охлаждающего устройства, соединенного с фокусирующими средствами и держателем головки для лазерной резки, показанной на фиг. 15.
на фиг. 18 - вид сверху варианта охлаждающего устройства, соединенного с фокусирующим устройством и держателем головки для лазерной резки, показанной на фиг. 15.
На фиг. 1-7 головка 1 для лазерной резки изображена в соответствии с первым вариантом исполнения изобретения, согласно которому она выполнена с возможностью приведения в действие устройством лазерного излучения, известного из уровня техники и не показанного на чертежах, посредством оптических средств передачи, и с возможностью соединения с металлорежущим станком. В частности, источник лазерного излучения представляет собой источник излучения, вызванного твердотельным лазером, а оптические средства передачи содержат оптоволоконный кабель, подходящий для передачи лазерного луча, генерируемого источником излучения, к головке 1 для лазерной резки.
Головка 1 для лазерной резки содержит коллиматор 2, предназначенный для коллимирования лазерного луча, испускаемого источником лазерного излучения, фокусирующие средства 5, предназначенные для фокусировки коллимированного лазерного луча, выходящего из коллиматора 2, и корпус 4, предназначенный для установки и заключения в нем фокусирующих средств 5.
Кроме того, головка 1 для лазерной резки содержит режущее сопло 18, которое прикреплено к корпусу 4 кольцевой гайкой 19 с оптической центровкой, и через которое выходит сфокусированный лазерный луч. Режущее сопло 18 концентрирует выброс или струю газа для удаления окалины, образующейся при расплавлении заготовки, и одновременно снижает вероятность проникновения этой окалины вовнутрь корпуса 4 и фокусирующих средств 5.
Коллиматор 2 известен из уровня техники и содержит набор линз и зеркало, способные сводить воедино и коллимировать лазерный луч, выходящий из оптоволокна, в прямолинейный лазерный луч, направленный к фокусирующему устройству 5.
Фокусирующие средства содержат, по меньшей мере, одну фокусирующую линзу 5.
Кроме того, головка 1 для лазерной резки содержит держатель 6, предназначенный для установки и удержания фокусирующей линзы 5 и подвижный вдоль направления X регулировки внутри корпуса 4, что позволяет регулировать фокальную точку или фокус лазерного луча, выходящего из фокусирующей линзы 5.
Держатель содержит опорный элемент 6, действующий, по существу, наподобие каретки или ползунка фокусирующей линзы 5 и расположенный внутри полости 21 корпуса 4, причем он имеет возможность перемещения вдоль направлений X регулировки посредством приводного устройства 9.
Приводное устройство 9 содержит, например, линейный электропривод или шариковый винт, управляемый ротационным электродвигателем и соединенный с относительным ходовым винтом, соединенным с опорным элементом 6. Приводное устройство 9 закреплено на корпусе 4 и соединено с опорным элементом 6 через отверстие, выполненное в боковой стенке 4b корпуса 4.
Опорный элемент 6 содержит гнездо 7, подходящее для установки и фиксации фокусирующей линзы 5.
Кроме того, головка 1 для лазерной резки содержит охлаждающее устройство 10, прикрепленное к корпусу 4 снаружи, и теплопроводящие соединительные средства 11, предназначенные для соединения опорного элемента 6 с охлаждающим устройством 10 с целью отведения за счет теплопроводности от опорного элемента 6 и фокусирующей линзы 5 тепла, генерируемого лазерным лучом, проходящим через указанную фокусирующую линзу 5. Для этого опорный элемент 6 изготавливают из теплопроводящего материала, предпочтительно, материала с высокой теплопроводностью, в частности алюминиевого сплава или латуни, что позволит отводить тепло от фокусирующей линзы 5.
Теплопроводящие соединительные средства 11 содержат по меньшей мере один гибкий теплопроводящий элемент, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, например плетеную медную ленту и/или ленту с графитовым покрытием.
В варианте исполнения, показанном на чертежах, гибкий теплопроводящий элемент 11 содержит основную часть 11а, которая прикреплена к охлаждающему устройству 10, и от которой отходят две удлиненные части 11b, прикрепленные к противоположным сторонам опорного элемента 6.
В варианте исполнения, который не проиллюстрирован, гибкий теплопроводящий элемент 11 может содержать одну удлиненную часть 11b, дополняющую основную часть 11а.
Следует отметить, что гибкость теплопроводящего элемента 11 никоим образом не препятствует движению опорного элемента 6 в направлении X регулировки во время эксплуатации головки 1 для лазерной резки, в то время как теплопроводящий материал теплопроводящего элемента 11 обеспечивает оптимальный отвод тепла от фокусирующей линзы 5.
Охлаждающее устройство 10 содержит по меньшей мере один элемент 12 Пельтье и элемент 13 рассеивания тепла.
Гибкое теплопроводящее устройство 11 соединено с холодной стороной 12а элемента 12 Пельтье, в то время как элемент 13 рассеивания тепла соединен с горячей стороной 12b элемента 12 Пельтье.
Элемент Пельтье представляет собой термоэлектрическое устройство, действующее наподобие твердотельного теплового насоса и, как правило, выглядящее как тонкая пластина: одна из двух сторон или поверхностей пластины' поглощает тепло, в то время как другая излучает тепло. Направление, в котором передается тепло, зависит от направления постоянного тока, приложенного к концам этой пластины. Точнее говоря, элемент Пельтье состоит из множества последовательно расположенных переходов Пельтье, образующих тонкую пластину. Переход состоит из двух легированных полупроводников, одного полупроводника n-типа и одного полупроводника р-типа, соединенных между собой двумя противоположными листами меди, образующими внешние поверхности или стороны пластины. Приложение постоянного электрического тока противоположного напряжения к полупроводниковым материалам позволяет охлаждать одну сторону или поверхность пластины и в то же время нагревать противоположную сторону, реализуя тем самым передачу тепловой энергии между двумя сторонами пластины. Инвертирование напряжения электрического тока, приложенного к полупроводниковым материалам, позволяет изменить направление передачи тепловой энергии.
Элемент 12 Пельтье, используемый в охлаждающем устройстве 10, известен из уровня техники.
Головка 1 для лазерной резки содержит крышку 16, выполненную из теплопроводящего материала, предпочтительно материала с высокой теплопроводностью, в частности алюминиевого сплава или латуни, и предназначенную для закрывания отверстия 17 в корпусе 4, обеспечивающего доступ к полости 21, в которой перемещается опорный элемент 6 и фокусирующая линза 5.
В варианте исполнения, показанном на фиг. 3, холодная сторона 12а элемента 12 Пельтье прикреплена к наружной стенке крышки 16, а гибкий теплопроводящий элемент 11 прикреплен к внутренней стенке крышки 16.
В альтернативном варианте гибкий теплопроводящий элемент 11 может быть прикреплен непосредственно к холодной стороне 12а элемента Пельтье через соответствующее отверстие, выполненное в крышке 16 (фиг. 4-7).
В другом альтернативном варианте холодная сторона 12а элемента 12 Пельтье может быть прикреплена к наружной стенке 4а, например передней стенке корпуса 4, а гибкий теплопроводящий элемент 11 может быть непосредственно прикреплен к холодной стороне 12а через соответствующее отверстие, выполненное в корпусе 4 и открывающее доступ к полости 21.
В варианте исполнения режущей головки, не показанном на чертежах, охлаждающее устройство 10 содержит множество элементов 12 Пельтье, расположенных последовательно и/или параллельно.
Элемент 13 рассеивания тепла содержит корпус, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, в частности алюминиевого сплава, и содержит множество охлаждающих каналов 14, обеспечивающих прохождение воздуха, в частности, за счет конвекции, с целью охлаждения корпуса. В представленном варианте исполнения элемент 13 рассеивания тепла имеет форму параллелепипеда и содержит множество охлаждающих каналов 14, расположенных бок о бок и ориентированных в продольном направлении, например, параллельно направлению X регулировки.
Горячая сторона 12b элемента Пельтье 12 прикреплена к задней стенке элемента 13 рассеивания тепла.
Для прикрепления теплопроводящих соединительных средств 11 к опорному элементу 6 и элементу 12 Пельтье можно использовать теплопроводящие клеи. Точнее говоря, теплопроводящие клеи используют для прикрепления теплопроводящих соединительных средств 11 к опорному элементу 6 и крышке 16 и/или к холодной стороне 12а элемента Пельтье, а также для прикрепления противоположных сторон 12а, 12b элемента Пельтье к крышке 16 и к элементу 13 рассеивания тепла.
На фиг. 8-11 изображен вариант исполнения охлаждающего устройства 10, содержащий впускные средства 15, предназначенные для введения охлаждающей среды вовнутрь указанных охлаждающих каналов 14 с целью увеличения теплообмена (принудительной конвекции), а также ускорения и повышения эффективности охлаждения горячей стороны 12b элемента Пельтье. Впускные средства 15 содержат, например, пару сопел, к которым подается сжатый воздух и которые могут вводить этот сжатый воздух в охлаждающие каналы 14. Переключающий элемент 20 позволяет направлять поток сжатого воздуха, выходящий из сопел 15, в охлаждающие каналы 14 таким образом, чтобы охлаждающая среда, то есть сжатый воздух, выходила из теплообменника 13 в сторону обрабатываемой детали.
Во время эксплуатации головки 1 для лазерной резки согласно изобретению, тепло, выделяющееся в фокусирующей линзе 5 при прохождении лазерного луча, выходящего из коллиматора 3 (тепло, генерируемое вследствие неполной прозрачности линзы), передается на опорный элемент 6, теплопроводящие соединительные средства 11 и холодную сторону 12а элемента 12 Пельтье. Таким образом, во время работы головки 1 для лазерной резки тепло передается от фокусирующей линзы 5 к элементу 12 Пельтье, который отводит тепло на элемент 13 рассеивания тепла (прикрепленный к горячей стороне 12b указанного элемента 12 Пельтье).
Следует отметить, что во время работы головки 1 для лазерной резки фокусирующая линза 5 передает тепло к опорному элементу 6, передающему тепло гибкому теплопроводящему элементу 11. Отводом тепла управляет элемент 12 Пельтье, работающий в качестве теплового насоса, что позволяет регулировать температуру фокусирующей линзы 5 и, в частности, предотвращать перегрев линзы 5 с последующим изменением коэффициента преломления линзы и, следовательно, смещением фокальной плоскости.
Регулируя интенсивность и напряжение постоянного электрического тока, питающего элемент 12 Пельтье, можно точно и надежно регулировать температуру фокусирующей линзы 5 во время работы.
Благодаря специальной системе охлаждения даже после долгой и интенсивной эксплуатации головки 1 для лазерной резки согласно изобретению можно избежать термического смещения фокуса фокусирующей линзы 5 и, следовательно, фокусировать лазерный луч в требуемой оптимальной точке на поверхности заготовки, обеспечивая точность и эффективность резания.
Контроль и регулирование температуры позволяет избежать повреждения защитного поверхностного слоя фокусирующей линзы 5.
Следует отметить, что гибкость теплопроводящих соединительных элементов позволяет эффективно охлаждать опорный элемент и фокусирующую линзу элементом Пельтье во время их перемещения вдоль направления регулировки внутри корпуса с целью регулировки фокальной точки лазерного луча.
Термический КПД системы охлаждения головки для лазерной резки, раскрытой в настоящем изобретении (охлаждающее устройство, теплопроводящие соединительные средства и держатель) сопоставим с термическим КПД известных газовых систем охлаждения, отводящих тепло от линзы за счет конвекции.
На фиг. 12-14 изображена головка 1 для лазерной резки в соответствии со вторым вариантом исполнения изобретения, приводимая в действие источником лазерного излучения посредством оптических средств передачи и выполненная с возможностью соединения с металлорежущим станком.
Головка 1 для лазерной резки содержит коллиматор 2, предназначенный для коллимирования лазерного луча, испускаемого источником лазерного излучения, фокусирующие средства 5, предназначенные для фокусировки коллимированного лазерного луча, выходящего из коллиматора 2, и корпус 4, предназначенный для установки и заключения в нем фокусирующих средств 5.
Кроме того, головка 1 для лазерной резки содержит режущее сопло 18, которое прикреплено к корпусу 4, например кольцевой гайкой 19, и через которое выходит сфокусированный лазерный луч.
Коллиматор 2 известен из уровня техники и содержит набор линз, способный сводить воедино и коллимировать лазерный луч, выходящий из оптических средств передачи, в прямолинейный лазерный луч. Может быть предусмотрено зеркало, отклоняющее лазерный луч в направлении фокусирующих средств 5, содержащих по меньшей мере одну фокусирующую линзу 5.
Головка 1 для лазерной резки содержит держатель 6, выполненный с возможностью установки и удержания указанной фокусирующей линзы 5 в полости 21 указанного корпуса 4 и с возможностью перемещения вдоль направления X регулировки с целью изменения фокальной точки или фокуса указанного лазерного луча, выходящего из указанных фокусирующих средств 5.
Полость 21 имеет отверстие 17 для обеспечения доступа.
Держатель содержит опорный элемент 6, имеющий гнездо 7, подходящее для установки и удержания фокусирующей линзы 5.
Кроме того, головка 1 для лазерной резки содержит охлаждающее устройство 10, закрепленное на корпусе 4 снаружи и оснащенное по меньшей мере одним элементом 12 Пельтье и элементом 13 рассеивания тепла, а также теплопроводящие соединительные средства 31, предназначенные для соединения опорного элемента 6 с охлаждающим устройством 10 с целью создания жесткой связи между указанным опорным элементом 6 и указанным охлаждающим устройством 10 и отведения за счет теплопроводности от опорного элемента 6 и фокусирующей линзы 5 тепла, генерируемого проходящим через фокусирующую линзу 5 лазерным лучом. Для этого опорный элемент 6 изготавливают из теплопроводящего материала, предпочтительно материала с высокой теплопроводностью, в частности алюминиевого сплава или латуни.
Элемент 12 Пельтье содержит холодную сторону 12а, соединенную с теплопроводящими соединительными средствами 31, 32, и горячую сторону 12b, соединенную с элементом 13 рассеивания тепла. Элемент 13 рассеивания тепла имеет корпус, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью, в частности алюминиевого сплава, и содержит множество охлаждающих каналов 14, обеспечивающих прохождение воздуха, в частности путем естественной или принудительной конвекции, с целью охлаждения корпуса.
Охлаждающее устройство 10 может также содержать множество элементов 12 Пельтье, расположенных параллельно и/или последовательно.
Головка 1 для лазерной резки содержит подвижный элемент 37, на который опирается теплопроводящий соединительный элемент 31 и/или охлаждающее устройство 10, и который подвижно соединен с наружной стенкой 4а, например, передней стенкой корпуса 4 и выполнен с возможностью перемещения вдоль направления X регулировки с целью перемещения опорного элемента 6 и фокусирующих средств 5.
Приводное устройство 9 закреплено на корпусе 4 и соединено с подвижным элементом 37 с целью перемещения последнего вдоль указанного направления X регулировки.
Теплопроводящие соединительные средства содержат первый соединительный элемент 31 и второй соединительный элемент 32, выполненные из теплопроводящего материала, предпочтительно, материала с высокой теплопроводностью, в частности алюминиевого сплава или латуни. Первый соединительный элемент 31 имеет первый конец, прикрепленный к опорному элементу 6 и удерживающий его, и второй конец, прикрепленный к второму соединительному элементу 32, причем последний соединен с элементом 12 Пельтье, в частности с его холодной стороной 12а.
Первый соединительный элемент 31 выполнен, по существу, в виде удлиненной скобы или рычага, соединенного со вторым соединительным элементом 32, например разъемно с помощью подходящих крепежных средств. Первый соединительный элемент 31 и второй соединительный элемент 32 могут быть выполнены как единое целое.
Второй соединительный элемент 32 имеет плоскую форму с внутренней поверхностью, к которой прикреплен первый соединительный элемент 31, и наружной поверхностью, соединенной с холодной стороной 12а элемента 12 Пельтье. Плоская форма и размеры второго соединительного элемента 32 обеспечивают эффективный и мощный теплообмен между теплопроводящими соединительными средствами 31, 32 (вместе с опорным элементом 6 и фокусирующей линзой 5) и элементом 12 Пельтье.
Для взаимной фиксации наружной поверхности второго соединительного элемента 32 и холодной стороны 12а элемента 12 Пельтье можно использовать теплопроводящие клеи.
Подвижный элемент 37 соединен со вторым соединительным элементом 32 таким образом, чтобы перемещать последний вместе с первым соединительным элементом 31, опорным элементом 6 с фокусирующей линзой 5 и охлаждающим устройством 10.
Альтернативно подвижный элемент 37 может непосредственно поддерживать охлаждающее устройство 10, а последнее может поддерживать опорный элемент 6 и фокусирующую линзу 5 посредством соединительных элементов 31, 32.
В представленном варианте осуществления подвижный элемент 37 содержит плоский элемент, с возможностью смещения соединенный с наружной стенкой 4а, то есть передней стенкой корпуса 4, и имеющий соответствующее отверстие 37а, открывающее доступ к полости 21 корпуса 4. Точнее говоря, отверстие 37а подвижного элемента 37 позволяет соединительным элементам 31, 32 жестко соединять охлаждающее устройство 10 с опорным элементом 6.
Подвижный элемент 37 содержит соединительный рычаг 38, соединенный с приводным устройством 9. Последнее закреплено на боковой стенке 4b корпуса 4 и содержит, например, линейный электропривод или шариковый винт, управляемый ротационным электрическим двигателем и соединенный с относительным ходовым винтом, закрепленным на соединительном рычаге 38.
Во время эксплуатации головки 1 для лазерной резки согласно изобретению тепло, выделяемое в фокусирующей линзе 5 при прохождении лазерного луча, выходящего из коллиматора 2 (тепло, обусловленное неполной прозрачностью линзы), передается на опорный элемент 6, теплопроводящие соединительные средства 31, 32 и далее на холодную сторону 12а элемента 12 Пельтье. Затем элемент 12 Пельтье передает тепло от фокусирующей линзы на элемент 13 рассеивания тепла, прикрепленный к горячей стороне 12b.
Следовательно, элемент 12 Пельтье позволяет контролировать температуру фокусирующей линзы 5 и, в частности, предотвращать перегрев фокусирующей линзы 5 с последующим изменением коэффициента преломления линзы и, тем самым, смещением фокальной плоскости. Регулировка интенсивности и напряжения постоянного тока или тока с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией), питающего элемент 12 Пельтье, позволяет точно и надежно регулировать температуру фокусирующей линзы 5.
Благодаря специальной системе охлаждения даже длительная и интенсивная эксплуатация головки 1 для лазерной резки согласно изобретению, не приведет к термическому смещению фокуса фокусирующей линзы 5. Следовательно, лазерный луч можно будет фокусировать в требуемой и оптимальной точке на поверхности заготовки, обеспечивая точность и эффективность резания.
Контроль и регулирование температуры могут помочь предотвратить повреждение защитного поверхностного слоя фокусирующей линзы 5.
Следует отметить, что теплопроводящие соединительные элементы и подвижный элемент позволяют контролировать температуру фокусирующей линзы (при помощи элемента Пельтье) и одновременно перемещать опорный элемент и фокусирующую линзу в направлении регулировки с целью регулировки фокальной точки лазерного луча.
Кроме того, соединительные элементы 31, 32 можно отсоединить от подвижного элемента 37, что позволит легко и быстро извлечь из головки 1 для лазерной резки охлаждающее устройство 10 и опорный элемент 6 с фокусирующей линзой 5 в целях технического обслуживания и/или контроля.
На фиг. 15-17 изображен вариант головки 1 для лазерной резки, отличающийся от второго варианта исполнения, показанного на фиг. 12-14 и раскрытого выше, для отличающихся теплопроводящих соединительных элементов 41, 42 и подвижного элемента 47.
В этом варианте второй соединительный элемент 42 теплопроводящих соединительных средств и подвижный элемент 47 взаимно прикреплены с образованием плоского элемента, внутренняя поверхность которого соединена с первым соединительным элементом 41 теплопроводящих соединительных средств, а наружная поверхность - с холодной стороной 12а элемента Пельтье. Второй соединительный элемент 42 и подвижный элемент 47 могут быть выполнены как единое целое из материала с высокой теплопроводностью.
Подвижный элемент 47 имеет соединительный рычаг 48, соединенный с приводным устройством 9.
На фиг. 18 показан еще один вариант головки 1 для лазерной резки согласно изобретению, в котором охлаждающее устройство 10 дополнительно содержит впускные средства 15, предназначенные для введения охлаждающей среды внутрь указанных охлаждающих каналов 14 элемента 13 рассеивания тепла с целью увеличения теплообмена (принудительной конвекции) и более быстрого и эффективного охлаждения горячей стороны 12b элемента Пельтье. Впускные средства 15 содержат, например, пару сопел, на которые подается сжатый воздух, и которые способны вводить указанный расширенный воздух в охлаждающие каналы 14. Переключающий элемент 20 позволяет направлять поток сжатого воздуха, выходящий из сопел 15, в охлаждающие каналы 14 таким образом, чтобы охлаждающая среда, то есть воздух, выходила из теплообменного элемента 13.
Реферат
Изобретение относится к головке (1) для лазерной резки листового материала для металлорежущего станка. Головка (1) содержит коллиматор (2), предназначенный для коллимирования лазерного луча, испускаемого устройством лазерного излучения, фокусирующие средства, предназначенные для фокусировки коллимированного лазерного луча, корпус (4), предназначенный для установки и расположения в нем фокусирующих средств, и держатель, предназначенный для установки и удержания фокусирующих средств в полости корпуса (4) и их перемещения вдоль направления (X) регулировки для изменения фокальной точки лазерного луча, выходящего из фокусирующих средств. Охлаждающее устройство (10) содержит по меньшей мере один элемент Пельтье и элемент рассеивания тепла. Держатель жестко соединен с охлаждающим устройством (10) посредством теплопроводящих соединительных средств, предназначенных для отведения за счет теплопроводности от держателя и фокусирующих средств тепла, генерируемого лазерным лучом при прохождении через фокусирующие средства. Теплопроводящие соединительные средства и/или охлаждающее устройство (10) опираются на подвижный элемент (37), соединенный с возможностью смещения с наружной стенкой (4а) корпуса (4), и выполнен с возможностью перемещения вдоль направления (X) регулировки для обеспечения перемещения держателя и фокусирующих средств. 3 н. и 25 з.п. ф-лы, 17 ил.
