CN1981976B - 激光加工设备及运行控制这样一个激光加工设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工设备，它具有激光加工头(1)，其中该激光加工头包括：壳体(2)；喷嘴(3)，该喷嘴具有一个带有用于激光束(5′)的射出口(15)的中央的贯穿通道(14)及一个加工气体通道(16)；聚焦镜组(6)，该聚焦镜组使激光束(5′)穿过中央的贯穿通道(14)及射出口(15)聚焦在一个设置在壳体(2)之外的工作焦点上；该激光加工设备还具有：加工气体输送装置，传感器电极(3)，用于电容式地测量喷嘴(3)与工件(7)之间的距离，及与所述传感器电极(3)相连接的、用于电容式的距离调节的装置(25，34)。此外，本发明还涉及运行控制这样一个激光加工设备的方法。

Description

激光加工设备及运行控制这样一个激光加工设备的方法

技术领域

本发明涉及一种用于借助激光束加工工件的、具有激光加工头的激光加工设备以及一种用于运行控制这类激光加工设备的方法。

背景技术

在借助激光束同时使用加工气体、即保护气体或切割气体或类似物的情况下加工工件时，为了调节焦点位置，通常以电容式的方式来检测工件与激光加工头之间的距离，在该激光加工头中存在一个镜组、例如一个用于聚焦激光束的反射镜或透镜镜组。在这个技术中，可以在激光加工头的喷嘴的喷嘴体的尖部上使用一个例如由传导的金属、例如铜制作的传感器电极作为一个电容器的电极，以便检测相对于作为该电容器的第二电极使用的工件的距离变化来作为电容变化。在此，喷嘴一方面用来保护聚焦镜组免受污染，另一方面用来将加工气体输送到激光束与工件之间的相互作用区域，为此，该喷嘴具有一个或多个相应的加工气体通道。

在实际中，传感器电极的可靠的触电接通通常是个问题，因为激光加工头上的热负荷及振动导致传感器电极与喷嘴体之间的连接的松动。在激光加工头上，传感器电极经常只与通到求值电子装置的连接机构触电接通。此时通常用陶瓷部件使传感器电极相对于激光加工头绝缘。在实施这种电容式的距离测量时，激光加工头的其余部分至少对于较高频率的、为了测量所使用的交流电压处于接地电位。如果传感器电极与求值电子装置的电连接被中断，则由该求值电子装置测得一个过小的电容，于是该求值电子装置试图又增大电容，其方式是，它使激光加工头在朝工件的方向上运动。因此存在激光加工头与工件可能相碰撞的危险，这可造成激光加工头或机械传动轴的显著的损坏。

由DE 42 01 640 C1公开了一个装置，当传感器电极松动时，该装置识别这个状态并产生一个警告信号。为此目的，给原来的电容测量信号叠加一个直流电压，由此产生一个流经传感器电极的直流电流。该直流电流的中断被考虑作为传感器电极松动或脱离的标志。然而在这种监测方式中要求传感器电极与两个导线相连接，这在实际中意味着显著的结构上的额外花费且在喷嘴体的一定的结构形式中是不可能的。

由JP 05-84589公开一个用于激光加工头的喷嘴装置，在这个装置中，一个切割喷嘴在排出侧具有一个锥形地逐渐收缩的区段。围绕着一个内喷嘴体设置有一个外喷嘴套管，该外喷嘴套管的排出口具有一个比该内喷嘴体中的激光贯穿通道的排出口的直径大的直径。在内喷嘴体与外喷嘴体之间，或者设置有一个锥形的环形缝隙通道，或者设置有多个围绕所述激光贯穿通道而设置的加工或切割气体通道。不仅该环形缝隙通道而且所述各个通道在此在内喷嘴体的排出口外部都通入到外喷嘴体的排出口中。

在激光加工头运行中，切割气体不仅通过激光贯穿通道而且通过切割气体通道被导到激光束与工件之间的相互作用区域的范围中。

由EP 0 741 627 B1公开了另一个用于激光束切割的喷嘴装置，该喷嘴装置具有一个与经聚焦的激光束相匹配的、包围该激光束的、具有一个用于激光束的穿通孔的、截锥状的喷嘴体。该喷嘴体由一个喷嘴套管同心地包围并且与这个喷嘴套管形成一个环形缝隙。该喷嘴套管具有一个与气体源相连接的环形缝隙的、与该穿通孔同轴心的、用于切割气体束的射出孔。在此，该射出孔在工件侧设置在穿通孔前并且设置有一个比该穿通孔的直径大的直径。不仅在冲量方面而且在质量方面应这样地实现尽可能小的流动损失，即射出孔的射出横截面大致与环形缝隙过渡到射出孔的过渡横截面相同。

发明内容

本发明的任务是：提供开始所述类型的另一个激光加工设备以及用于运行控制该激光加工设备的方法，其中尤其可保证简单且可靠地监测用于电容式的距离测量的传感器电极的功能正常性，该传感器电极安装在带有加工气体输送机构的喷嘴上。

本发明的任务通过激光加工设备以及用于运行控制该激光加工设备的方法来解决。本发明的优选构型及进一步构型从下述技术方案中得到。

根据本发明的激光加工设备具有

-一个激光加工头，该激光加工头包括：

-一个壳体，用于激光束的工作光路穿过该壳体；

-一个在激光束的射出区域中被设置在该壳体上的喷嘴，该喷嘴具有一个带有用于激光束的射出口的中央的贯穿通道及一个加工气体通道，该加工气体通道的排出口与该贯穿通道的射出口同轴心；

-以及一个聚焦镜组，该聚焦镜组使激光束穿过中央的贯穿通道及射出口聚焦在一个设置在壳体之外的工作焦点上；

-该激光加工设备还具有：一个加工气体输送装置，用于将加工气体输送通过所述加工气体通道到激光束与工件之间的相互作用区域，

-一个被保持在壳体上的导电的传感器电极，用于电容式地测量喷嘴与工件之间的距离，

该激光加工设备具有一个与该传感器电极相连接的距离调节装置，用于监测传感器电极的功能正常性。

该距离调节装置在此优选包括一个用于存储一个所期望的最小的测量电容的电子存储器、一个用于使加工工件时所测得的当前的电容与所存储的最小的电容进行比较的比较电路及一个与该比较电路的输出端相连接的指令信号发生器，该指令信号发生器在该当前的电容小于所存储的电容时产生一个指令信号。

根据本发明，用于运行控制这样一个激光加工设备的方法包括以下步骤：

-将传感器电极安装在激光加工头上，

-将激光加工头相对于工件以这样一个距离定位，该距离对应于一个所期望的最小的测量电容，

-测量这个最小的电容并将测量值存储在一个存储器中，

-将一个在加工工件时所测得的当前的电容与所存储的最小的电容进行比较，

-当该当前的电容小于所存储的最小的电容时，产生一个指令信号。

有利的是，用于电容式的距离调节的装置构造成电子电路，该电子电路可以在一个校准运行方式与一个通常运行方式之间转换。

有利的是，该电子电路被这样地构造，使得该电子电路

-在校准运行方式中在接收到一个校准信号时存储一个可预给定的最小的电容测量值，及

-在通常运行方式——在该通常运行方式中激光加工头以一个相对于工件的预定的距离被操作——中，将一个当前所测得的电容与所存储的电容测量值相比较并且在该当前的电容测量值小于所存储的电容测量值时产生一个指令信号。

有利的是，该电子电路具有一个用于产生校准信号的开关。

有利的是，所述贯穿通道在激光束方向上在加工气体输送通道通入口前具有一个直径小于射出口的直径的节流区段。

因此，本发明基于这样的构思：在对于一个带有加工气体输送部分的激光加工头进行电容式的距离调节时，将传感器电极与激光加工头之间的杂散电容

部分考虑作为传感器电极与求值电子装置之间的功能正常的连接的标志。为此，激光加工头运动到一个位置上，在这个位置上例如激光加工头与工件之间存在最大可能的距离。但是该距离也可以是这样的距离，该距离是在激光加工头在两个加工区域之间移动时所占据的距离或大于这个距离。然后在当前的位置上或在当前的距离下测量传感器电极与工件之间的电容，并且将这个测量值存储在求值电子装置中作为最小的电容测量值。这个最小的电容测量值只有当由于传感器电极的失落(Verlust)而失去它的接触时，或者当传感器电极松动并由此使传感器电极与激光加工头之间的距离增大时，才会被低于。通过各当前所测量的电容与事先所存储的最小的电容的比较，则可为设置在上级的机器控制装置产生例如一个警告信号并且通过该警告信号来停止加工过程，由此避免激光加工头的损坏。

上述错误状态可以在传感器电极从激光加工头脱离的情况下，不仅在通过切割、焊接等来加工工件时，而且当激光加工头在从一个加工区域到另一个加工区域的两个加工过程之间在恒定的、较大的距离的情况下移动时，都可以被识别。传感器电极的脱离总是导致一个这样小的当前的测量电容，使得这个测量电容总是小于预先存储的最小的测量电容。与此相比，传感器电极在激光加工头上松动然而仍然与求值电子装置存在接触的状态则只可在相应的加工区域之间的被控制的操作区域中被探测到，因为一个这样的状态在其中传感器电极与工件之间的距离非常小的加工区域中会自动通过求值电子装置在这样的意义上进行调节，使得传感器电极与工件之间的距离保持恒定。

激光加工设备的有利的进一步构型的特征在于，加工气体通道由一个同轴心地包围所述中央的贯穿通道的环形缝隙构成。本发明的另一个符合目的的构型的特征在于，加工气体通道由用于激光束的所述中央的贯穿通道或由激光束的排出区域构成，并且在喷嘴中设置有至少一个在进入侧与加工气体输送装置的加工气体源相连接的加工气体输送通道，该加工气体输送通道在射出口前的区域中通入该中央的贯穿通道中。优选设置多个加工气体输送通道，这些加工气体输送通道在圆周方向上均匀地围绕该中央的贯穿通道设置并且位于一个锥的壳面上，该锥的轴线与激光光路的光轴叠合。为了进一步简化并改善加工气体输送，可以在贯穿通道中这样地设置一个节流区段，使得被导入到贯穿通道的排出区域中的加工气体实际上仅通过其射出口流出，而不逆着激光束方向回流。

由于激光加工头的喷嘴的这个构型可实现：加工气体、即切割气体或保护气体既可用低的过压又可用高的过压来被输送，而不会干扰电容式的距离测量或传感器电极的监测。

通过本发明还可实现：无通过加工气体输送干扰地可靠地探测到上述的错误状态，即使由于部件的参数差异而使得传感器电极与激光加工头之间的电容各个之间存在波动。此外，如果当前所测得的电容低于比较值，则数字的信号处理可以为各个激光加工头校准一个比较状态并识别错误状态。

附图说明

下面参照附图对本发明详细地举例说明。附图表示：

图1一个激光加工头的侧视图；

图2用于激光加工头的喷嘴的截面图；

图3用于激光加工头的喷嘴的另一个构型的截面图；

图4激光加工头的电容的一个等效电路图；

图5用于激光加工头的一个振荡器电路；

图6一个具有求值电子装置的激光加工设备的电气部分的框图；及

图7求值电子装置的详细的结构。

具体实施方式

图1示出了一个如在根据本发明的激光加工设备中使用的激光加工头1。该激光加工头1具有一个壳体2，该壳体在它的下端部上承载一个喷嘴3。壳体2及喷嘴3可以例如借助一个滚花螺钉4被彼此拉紧。一个用于激光束5′的工作光路5穿过壳体2及喷嘴3，该激光束借助一个设置在壳体2中的透镜装置6来聚焦。激光束5′的焦点在激光加工头1的外部基本上位于工件7的表面上，该工件借助于经聚焦的激光束5′被加工。以这种方式可以实施切割或焊接过程及类似的过程。在喷嘴体3的下端部上设置有一个由导电的材料构成的传感器电极8，该传感器电极由一种传导的材料、特别是由金属、例如铜制作。这个传感器电极8由一个陶瓷部件9保持，该陶瓷部件本身通过一个滚花螺钉10相对于喷嘴3的下边缘被拉紧。通过该陶瓷部件9使上述传感器电极8相对于喷嘴3或壳体2电绝缘。该传感器电极8由此构成一个电容器的一个电极，该电容器的另一个电极是处在接地电位的工件7。由导电的材料构成的且彼此相接触的壳体2及喷嘴3同样处于接地电位。

传感器电极8与一个安装在壳体2上的LC振荡器11电连接。为此，传感器电极8与一个保持在陶瓷部件9中的接触销12形成电接触，该接触销本身通过一个在喷嘴体3的内部延伸的、电绝缘的、优选被屏蔽的电缆并继续通过一个同轴电缆13同LC振荡器11形成连接。

如图2中极其简化地示意出的，喷嘴3在此具有：一个中央的贯穿通道14，后者具有一个用于激光束5′的射出口15；以及一个加工气体通道16，后者由一个环形缝隙构成并具有一个相应的环状的排出口17，该排出口同轴心于通道14的射出口15。加工气体通道16在进入侧与一个环形通道18形成连接，该环形通道可以通过一个接头19及一个仅示意出的加工气体输送导管20同一个加工气体源21相连接，以便将加工气体、即切割气体或保护气体或类似物输送给激光束5′与工件7之间的相互作用区域。

替代一个分开的加工气体通道，如图3中所示地也可以是，由用于激光束的中央的贯穿通道14的输出区域构成加工气体通道16。在这种情况下，加工气体通道的排出口与贯穿通道14的射出口15是同一个。

如图3中所进一步示出的，一个在进入侧以未详细示出的方式与加工气体输送装置的加工气体源21相连接的加工气体输送通道22通入到加工气体通道16、即通入贯穿通道14的输出区域中。尽管中央的贯穿通道14直至它的射出口在此完全可以具有一个均匀的圆柱形的或锥形地逐渐收缩的截面，然而仍然优选贯穿通道14在激光束方向上在一个或多个加工气体输送通道22的通入口前具有一个其直径小于射出口15的直径的节流区段23。

尽管原则上可以考虑设置仅一个唯一的加工气体输送通道22，以便使加工气体穿过加工气体通道16、也就是穿过中央的贯穿通道14的排出区域吹到工件与激光束之间的相互作用区域中，然而仍优选设置多个在喷嘴3的周围均匀分布的加工气体输送通道，这些加工气体输送通道位于在一个相应的锥形壳面中。

在加工工件7时通常必须恒定地保持激光加工头1或喷嘴3与工件7之间的距离，也就是必须恒定地保持传感器电极8与工件7、即对应电极之间的距离。为此，通过给传感器电极8施加一个高频电压来产生一个距离测量信号S(参见图5)，其频率取决于由电极7及8所形成的测量电容器的电容。距离测量信号S通过一个同轴电缆24传递给用于电容式的距离调节的装置的一个求值电子装置25并且实际上形成一个实际值。将这个实际值与一个预定的给定值比较，然后一个调节装置将所测得的实际值调节到该给定值上，以便保持电极7与8之间的、对应于该给定值的距离。用于调节激光加工头1相对于工件7的高度位置的相应的调节装置在图1中出于清楚起见而未被示出。

图4示出了根据图1的激光加工头中的电容情况。在右边可以看到处于电极7与8之间的测量电容C_meβ，而其它的寄生电容C1、C2及C3与该测量电容并联并且用C_p标示。寄生电容C1实际上由电缆电容形成，而电容C2是传感器电极8与喷嘴3之间的电容，其中电介质由空气和/或加工气体形成。寄生电容C3同样处于传感器电极8与喷嘴体3之间，而电介质现在由陶瓷部件9形成。接触销12在根据图4的电路图中处在电容C1与C2之间。

施加在传感器电极8上的距离测量信号S是LC振荡器11的输出信号，属于该LC振荡器的有：一个线圈26，所述测量电容器7、8，一个体现寄生电容C_p的电容器，一个控制部件27、28、29，及一个输出放大器30。更准确地说，这里作为输出信号，人们感兴趣的是距离测量信号S的频率，该距离测量信号通过一个电容器31过滤，作为高频信号通过同轴电缆24的内导体并通过另一个未示出的高通滤波器输送给位于求值电子装置25中的一个频率计数器22。由频率计数器22所计数的频率被导送给一个微处理器33，该微处理器将这个频率看作实际值，该频率也可以是被温度校正了的。

根据图5的LC振荡器11在所述控制部件中包括一个第一晶体管27、一个第二晶体管28及一个电阻29。该第一晶体管27的集电极引线接地，而它的基极引线与线圈26及测量电容器7、8的第一电极8耦合。这个基极引线也连到输出放大器30的输入端上。线圈26及测量电容器的其它的接头也接地，即第二电极7及工件也接地。此外，该控制部件包括一个第二晶体管28，该第二晶体管的基极引线接地，并且该第二晶体管的集电极引线也与输出放大器30的输入端连接。这两个晶体管27及28的发射极引线直接彼此连接，其中发射极电阻29通过一个共用的连接点分别与晶体管27、28的发射极引线耦合。发射极电阻29的另一个接头含有负电位。输出放大器30的输出端通过电容器31通到一个接头，同轴电缆24与该接头连接。

图5中所示的LC振荡器作为差分放大器来实现。因为第一晶体管27的基极电位与第二晶体管28的集电极电位同相，人们可以通过直接连接产生正反馈(Mitkopplung)。环路增益与这些晶体管的互导(Steilheit)成比例。它可以通过改变发射极电流而在其它范围中产生。在LC振荡器的输出端上获得距离测量信号S，该距离测量信号的频率由依赖于距离的电容C_meβ以及通过寄生电容_Cp确定。为了LC振荡器的直流电压供给，可以设置一个在求值电子装置25中未示出的直流电压源，该直流电压源通过同轴电缆24给LC振荡器传输直流电压。

图6及图7各示出了一个激光加工设备的框图，并且相对图5围绕一个机器控制装置34进行了补充，该机器控制装置与求值电子装置25相连接。该机器控制装置34在现在的情况下具有一个开关35，在该开关动作时，该机器控制装置34通过一个导线36向求值电子装置25的微处理器33传递一个校准信号。在接收到该校准信号时可以在一个与微处理器33相连接的电子存储器37中存储一个最小的电容测量值(相应于频率计数器32的频率计数值)，它作为参考用来判断：是否传感器电极8在喷嘴体3上松动，但仍然与接触销12处于接触；或者是否它已经不再与接触销12接触并且基本上已经从激光加工头1脱离。为此，将一个在激光加工设备的通常运行方式中所测得的电容值在频率计数器32的输出端上与存储器37中所存储的计数值进行比较。如果在此确定：当前所测量的电容小于存储器37中所存储的最小电容，则在一个对此承担比较电路的功能及执行这个比较的微处理器33中产生一个指令信号，该指令信号通过一个导线38被传回给机器控制装置34，以便在那里作为警告信号例如来停止激光加工设备，也就是关闭激光束、停止加工气体输送及停止激光加工头相对于工件的运动或将激光加工头移到远离工件的停机位置中。

Claims (9)

1.激光加工设备，它具有

-一个激光加工头(1)，用于借助激光束(5′)加工工件(7)，其中该激光加工头(1)包括：

-一个壳体(2)，用于激光束(5′)的工作光路(5)穿过该壳体；

-一个在激光束(5′)的射出区域中被设置在壳体(2)上的喷嘴(3)，该喷嘴具有一个带有用于激光束(5′)的射出口(15)的中央的贯穿通道(14)及一个加工气体通道(16)，该加工气体通道的排出口(17)与该贯穿通道(14)的射出口(15)同轴心；所述贯穿通道(14)的输出区域构成一个加工气体通道(16)，在喷嘴(3)中设置有多个在进入侧与加工气体输送装置的加工气体源(21)相连接的加工气体输送通道(22)，这些加工气体输送通道在圆周方向上均匀地围绕中央的贯穿通道(14)设置，以及所述加工气体输送通道在射出口(15)前的区域中通入到所述中央的贯穿通道(14)中，使得加工气体可通过所述加工气体通道(16)输送到激光束(5′)与工件(7)之间的相互作用区域；

-以及一个聚焦镜组(6)，该聚焦镜组使激光束(5′)穿过中央的贯穿通道(14)及射出口(15)聚焦在一个设置在壳体(2)之外的工作焦点上；

-一个被保持在壳体(2)上的导电的传感器电极(3)，用于电容式地测量喷嘴(3)与工件(7)之间的距离，及

-一个与所述传感器电极(3)相连接的、用于电容式的距离调节的装置(25，34)。

2.根据权利要求1的激光加工设备，其特征在于：用于电容式的距离调节的装置具有：

-一个电子存储器(37)，用于存储一个所期望的最小的测量电容(C_min)，

-一个比较电路(33)，用于将加工工件时所测得的一个当前的电容(C_meβ)与所存储的最小的电容(C_min)进行比较，以及

-一个与该比较电路(33)连接的指令信号发生器(33)，用于当所述当前的电容(C_meβ)小于所存储的最小的电容(C_min)时产生一个指令信号。

3.根据权利要求1或2的激光加工设备，其特征在于：用于电容式的距离调节的装置构造成电子电路(25，34)，该电子电路可以在一个校准运行方式与一个通常运行方式之间转换。

4.根据权利要求3的激光加工设备，其特征在于：该电子电路(25，34)被这样地构造，使得该电子电路

-在校准运行方式中在接收到一个校准信号时存储一个可预给定的最小的电容测量值(C_min)，及

-在通常运行方式中，即在该通常运行方式中激光加工头(1)以一个相对于工件(7)的预定的距离被操作，将一个当前所测得的电容(C_meβ)与所存储的电容测量值(C_min)相比较并且在该当前的电容测量值(C_meβ)小于所存储的电容测量值(C_min)时产生一个指令信号。

5.根据权利要求4的激光加工设备，其特征在于：电子电路(25，34)具有一个用于产生校准信号的开关(35)。

6.根据权利要求1的激光加工设备，其特征在于：该贯穿通道(14)在激光束方向上在加工气体输送通道(22)通入口前具有一个直径小于射出口(15)的直径的节流区段(23)。

7.用于运行控制根据上述权利要求中一项的激光加工设备的方法，具有以下步骤：

-将传感器电极(8)安装在激光加工头(1)上，

-将激光加工头(1)相对于工件(7)以这样一个距离定位，该距离对应于一个所期望的最小的测量电容(C_min)，

-测量这个最小的电容(C_min)并将测量值存储在一个存储器(37)中，

-将一个在加工工件(7)时所测得的当前的电容(C_meβ)与所存储的最小的电容(C_min)进行比较，及

-当该当前的电容(C_meβ)小于所存储的最小的电容(C_min)时，产生一个指令信号。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于：所述的距离是激光加工头(1)在两个加工区域之间移动时所占据的距离。

9.根据权利要求7的方法，其特征在于：所述的距离是一个这样的距离，该距离大于在激光加工头(1)在两个加工区域之间移动时所占据的距离。

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