RU134099U1

RU134099U1 - LASER CUTTING HEAD

Info

Publication number: RU134099U1
Application number: RU2013134178/02U
Authority: RU
Inventors: Сергей Георгиевич Горный; Игорь Валентинович Поляков; Владимир Игоревич Юревич
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Лазерный Центр"
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2013-11-10

Abstract

1. Лазерная режущая головка, содержащая размещенную в корпусе фокусирующую линзу и узел сопла, установленный на корпусе с возможностью отсоединения от него, причем корпус имеет по меньшей мере один вход для подачи вспомогательного газа внутрь корпуса, отличающаяся тем, что корпус выполнен составным и включает две камеры, причем в первой камере корпуса установлена фокусирующая линза, выполненная с возможностью перемещения вдоль ее оптической оси и в направлениях, перпендикулярных оптической оси, а вторая камера корпуса содержит защитное окно с держателем, внутри которого с зазором установлен формирователь потока вспомогательного газа в виде полого вкладыша так, что один из его концов расположен вблизи защитного окна, а второй - вблизи входа для подачи вспомогательного газа.2. Лазерная режущая головка по п.1, отличающаяся тем, что первая камера корпуса выполнена герметичной.3. Лазерная режущая головка по п.1, отличающаяся тем, что первая камера корпуса снабжена входом для подачи газа, который расположен вблизи выходной поверхности фокусирующей линзы.4. Лазерная режущая головка по п.1, отличающаяся тем, что первая камера корпуса снабжена датчиком рассоединения первой и второй камер корпуса.1. A laser cutting head comprising a focusing lens located in the housing and a nozzle assembly mounted on the housing to detach from it, the housing having at least one input for supplying auxiliary gas inside the housing, characterized in that the housing is made integral and includes two a camera, and in the first chamber of the housing there is a focusing lens configured to move along its optical axis and in directions perpendicular to the optical axis, and the second housing chamber contains a protective a window with a holder, inside of which a shaper of the auxiliary gas flow is installed with a gap in the form of a hollow insert so that one of its ends is located near the protective window, and the second is near the inlet for supplying auxiliary gas. 2. The laser cutting head according to claim 1, characterized in that the first housing chamber is sealed. The laser cutting head according to claim 1, characterized in that the first housing chamber is provided with an input for supplying gas, which is located near the output surface of the focusing lens. The laser cutting head according to claim 1, characterized in that the first housing chamber is provided with a sensor for disconnecting the first and second housing chambers.

Description

Полезная модель относится к устройствам для обработки твердых материалов лазерным излучением и может применяться в системах лазерной резки металлов.The invention relates to devices for processing solid materials by laser radiation and can be used in laser cutting systems of metals.

Известна лазерная режущая головка (патент США №4618758, опубл. 21.10.1986, B23K 26/00), содержащая корпус, внутри которого расположена фокусирующая линза, а также выходное сопло, установленное на корпусе, и измерительный датчик для определения расстояния между фокусирующей линзой и обрабатываемой поверхностью металла. Корпус данного устройства выполнен из двух частей с возможностью вращения указанных частей вокруг двух перпендикулярных осей таким образом, что выход сопла может быть установлен в произвольное положение при сохранении расстояния между фокусирующей линзой и обрабатываемой поверхностью. Вращение частей корпуса друг относительно друга осуществляется сервомеханизмом, управление которым производится по сигналам с выхода измерительного датчика. Особенностью конструкции данной головки является то, что измерительный датчик выполнен в виде цилиндра. Этот цилиндр расположен внутри выходного отверстия сопла и установлен таким образом, что он находится в механическом контакте с обрабатываемой поверхностью, а между ним и стенками корпуса имеется зазор для выхода вспомогательного газа и возможности перемещения указанного цилиндра вдоль оси сопла.A known laser cutting head (US patent No. 4618758, publ. 21.10.1986, B23K 26/00), comprising a housing, inside which there is a focusing lens, and also an output nozzle mounted on the housing, and a measuring sensor for determining the distance between the focusing lens and the processed metal surface. The housing of this device is made of two parts with the possibility of rotation of these parts around two perpendicular axes so that the nozzle exit can be set to an arbitrary position while maintaining the distance between the focusing lens and the workpiece. The rotation of the housing parts relative to each other is carried out by a servo mechanism, which is controlled by signals from the output of the measuring sensor. A design feature of this head is that the measuring sensor is made in the form of a cylinder. This cylinder is located inside the nozzle outlet and is installed in such a way that it is in mechanical contact with the surface to be treated, and there is a gap between it and the walls of the housing for the auxiliary gas to escape and the possibility of moving the specified cylinder along the axis of the nozzle.

Недостатком конструкции описанной лазерной режущей головки является низкая надежность и точность измерительного датчика. Известно, что скорости резания при промышленных применениях устройства могут достигать нескольких метров в секунду. При таких скоростях исполнительный механизм регулировки зазора «сопло-поверхность металла» может не успевать «отслеживать» появление термодеформаций обрабатываемого материала (изгиб листа). В этих случаях сопло врезается в обрабатываемый лист металла и выходит из строя. Кроме того, в описанном устройстве задняя по ходу движения часть наконечника всегда движется по уже сформированному резу, кромки которого имеют заметную шероховатость, направленную вверх по ходу луча так, что датчик измеряет расстояние не от листа, а от верхней кромки сформированного реза, что в конечном счете ухудшает точность вертикального позиционирования сопла.The design disadvantage of the described laser cutting head is the low reliability and accuracy of the measuring sensor. It is known that cutting speeds in industrial applications of the device can reach several meters per second. At such speeds, the actuating mechanism for adjusting the “nozzle-metal surface” gap may not have time to “track” the occurrence of thermal deformations of the material being processed (bending of the sheet). In these cases, the nozzle crashes into the metal sheet being processed and fails. In addition, in the described device, the back part of the tip always moves along the already formed cut, the edges of which have a noticeable roughness directed upward along the beam so that the sensor measures the distance not from the sheet, but from the upper edge of the formed cut, which ultimately account impairs the accuracy of the vertical positioning of the nozzle.

Известно устройство для лазерной резки (патент США №4659900, опубл. 21.04.1987, B23K 26/00), включающее лазерную режущую головку, состоящую из модуля фокусирующей линзы и модуля сопла. Оба указанных модуля выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Известное устройство также включает блок управления и сервомеханизм для установки наперед заданного программой обработки взаимного расположения модулей друг относительно друга. В данном устройстве механического контакта между компонентами лазерной режущей головки и обрабатываемым материалом не происходит. Индуктивный датчик положения сопла определяет расстояние до обрабатываемой поверхности, а блок управления вырабатывает управляющие сигналы для сервомеханизма так, чтобы расстояние от фокусирующей линзы до опорной плоскости оставалось постоянным в процессе обработки. Положение опорной плоскости задается программным способом перед началом работы устройства.A device for laser cutting (US patent No. 4659900, publ. 04.21.1987, B23K 26/00), including a laser cutting head, consisting of a focusing lens module and a nozzle module. Both of these modules are arranged to move along the optical axis. The known device also includes a control unit and a servo mechanism for setting the relative position of the modules relative to each other in advance specified by the processing program. In this device, mechanical contact between the components of the laser cutting head and the processed material does not occur. An inductive nozzle position sensor determines the distance to the surface being machined, and the control unit generates control signals for the servo mechanism so that the distance from the focusing lens to the reference plane remains constant during processing. The position of the reference plane is set programmatically before starting the device.

Известно устройство для лазерной резки (патент США №8314361, опубл. 20.11.2012, B23K 26/38), включающее лазерную режущую головку, состоящую из последовательно установленных внутри единого корпуса, модуля фокусирующей линзы и модуля сопла. В данном устройстве перед лазерной режущей головкой установлен модуль коллиматора с отклоняющей оптикой. Между модулем коллиматора и режущей головкой расположена герметизированная камера, заполненная газом под избыточным давлением и включающая модуль очистки от загрязнений. Стенки указанной камеры закреплены на модуле коллиматора и корпусе режущей головки и обеспечивают при этом возможность изменения расстояния между ними.A device for laser cutting (US patent No. 8314361, publ. 20.11.2012, B23K 26/38), including a laser cutting head, consisting of sequentially installed inside a single housing, a focusing lens module and a nozzle module. In this device, a collimator module with deflecting optics is installed in front of the laser cutting head. Between the collimator module and the cutting head there is a sealed chamber filled with gas under excessive pressure and including a module for cleaning contaminants. The walls of this chamber are fixed on the collimator module and the cutting head housing and provide the possibility of changing the distance between them.

Известно устройство для лазерной резки (патент РФ №2386523, опубл. 20.04.2010, B23K 26/38), содержащее корпус с вертикальной осью вращения, установленный на нем корпус с горизонтальной осью вращения и оптическую фокусирующую головку. Упомянутая головка установлена на полом суппорте, выполненном в виде вертикально перемещающегося ползуна, установленного на механической системе позиционирования и перемещения. Корпус с вертикальной осью вращения и корпус с горизонтальной осью вращения имеют электроприводы, выполнены полыми и имеют поворотные призмы для транспортировки лазерного луча к оптической фокусирующей головке. Ползун выполнен с посадочным местом для установки коллиматора. Полый вал ползуна установлен соосно с коллиматором и несет на своем нижнем конце корпус с вертикальной осью вращения и ротор вертикального электропривода. Корпус с горизонтальной осью вращения установлен на полом валу, установленном в подшипниковых опорах промежуточного корпуса, установленного на вертикальном торце корпуса с вертикальной осью вращения, и несущим ротор горизонтального электропривода.A device for laser cutting (RF patent No. 2386523, publ. 04/20/2010, B23K 26/38), comprising a housing with a vertical axis of rotation, a housing with a horizontal axis of rotation and an optical focusing head mounted on it, is known. The mentioned head is mounted on a hollow caliper, made in the form of a vertically moving slider mounted on a mechanical positioning and moving system. The housing with a vertical axis of rotation and the housing with a horizontal axis of rotation have electric drives, are hollow and have rotary prisms for transporting the laser beam to the optical focusing head. The slider is made with a seat for installing a collimator. The hollow shaft of the slider is mounted coaxially with the collimator and carries at its lower end a housing with a vertical axis of rotation and a rotor of a vertical electric drive. A housing with a horizontal axis of rotation is mounted on a hollow shaft mounted in bearings of an intermediate housing mounted on a vertical end of the housing with a vertical axis of rotation and carrying a horizontal electric rotor.

Основным недостатком описанных устройств является низкая эксплуатационная эффективность, обусловленная недостаточной защитой поверхности фокусирующей линзы от продуктов разлета лазерной резки обрабатываемого материала. В процессе обработки некоторая часть продуктов разрушения обрабатываемого материала имеют достаточную кинетическую энергию для распространения навстречу лазерному лучу и потоку режущего газа на значительные расстояния. Указанные продукты оседают на последней по ходу луча оптической поверхности, обращенной к зоне обработки. Лазерное излучение распространяется через линзу и частично поглощается микрочастицами загрязнений, осажденных на поверхности линзы, что приводит к дополнительному нагреву линзы, превышающему нагрев от собственного поглощения. В результате этого изменяется фокусное расстояние оптической системы, включающей линзу и защитное стекло. В связи с тем, что у большинства оптических материалов, применяющихся в оптических системах лазерных технологических установок, температурный коэффициент показателя преломления имеет положительный знак, фокусное расстояние уменьшается, величина уменьшения может достигать 10%, размер пучка в зоне резки увеличивается, и качество резки ухудшается. В процессе эксплуатации для обеспечения высокого качества лазерной обработки необходимо периодически заменять загрязненные линзы новыми, осуществлять регулировку их положения относительно оптической оси. На это затрачивается время, в течение которого эксплуатация лазерной головки приостанавливается. Последующая очистка загрязненной поверхности фокусирующей линзы также требует затрат, что в целом приводит к снижению экономической эффективности использования известных лазерных головок.The main disadvantage of the described devices is the low operational efficiency due to insufficient protection of the surface of the focusing lens from the products of the expansion of laser cutting of the processed material. During processing, some of the destruction products of the material being processed have sufficient kinetic energy to propagate towards the laser beam and the cutting gas flow over considerable distances. These products settle on the last optical beam facing the treatment zone. Laser radiation propagates through the lens and is partially absorbed by the microparticles of contaminants deposited on the surface of the lens, which leads to additional heating of the lens, exceeding the heating from its own absorption. As a result, the focal length of the optical system, including the lens and the protective glass, changes. Due to the fact that in most optical materials used in optical systems of laser technological systems, the temperature coefficient of refractive index has a positive sign, the focal length decreases, the reduction can reach 10%, the beam size in the cutting zone increases, and the quality of cutting deteriorates. During operation, to ensure high quality laser processing, it is necessary to periodically replace contaminated lenses with new ones, and adjust their position relative to the optical axis. This takes time, during which the operation of the laser head is suspended. Subsequent cleaning of the contaminated surface of the focusing lens also requires cost, which generally leads to a decrease in the economic efficiency of using known laser heads.

Известны лазерные режущие головки, в которых для замены загрязненных в процессе работы фокусирующих линз или изнашивающихся сопел (см. патент США №7619180, опубл. 17.11.2009, B23K 20/00) применяют револьверные узлы, что существенно облегчает и ускоряет сервисное обслуживание устройств, однако усложняет и удорожает конструкцию.Laser cutting heads are known in which revolving units are used to replace focusing lenses that are contaminated during operation or wear nozzles (see US Pat. No. 7,619,180, published November 17, 2009, B23K 20/00), which greatly simplifies and speeds up the servicing of devices, however, complicates and increases the cost of construction.

В известных лазерных режущих головках, применяемых в промышленных установках (например, модель LH1575, фирма Hypertherm, http://www.hypertherm.comили модель BIMO, фирма Highyag, www.highyag.de), используют картриджный принцип установки фокусирующей линзы. При этом промежутки времени, связанные с ее заменой при эксплуатации, оказываются существенно уменьшенными. Дополнительно в модели BIMO для защиты линзы от загрязнений используют менее дорогие по сравнению с линзой защитные окна, установленные в держателях в пространственном промежутке между фокусирующей линзой и соплом. Такая защита имеет и преимущества и недостатки: с одной стороны практически полностью исключается возможность загрязнения линзы, а с другой - интервалы времени между заменами защитных окон сокращаются, а их расход может быть значительным, что требует дополнительной оценки экономической эффективности применяемого технического решения. Картриджная система замены элементов лазерной головки не предполагает герметизацию ее внутреннего объема, что может быть дополнительной причиной попадания загрязнений на рабочие оптические поверхности фокусирующей линзы. При использовании картриджной системы оператор лазерной установки не имеет возможность проводить настройку положения линзы после ее замены, что может быть дополнительным ограничением для практического применения.Known laser cutting heads used in industrial applications (for example, LH1575, Hypertherm, http://www.hypertherm.com, or BIMO, Highyag, www.highyag.de) use the cartridge principle of installing a focusing lens. Moreover, the time intervals associated with its replacement during operation, are significantly reduced. In addition, the BIMO model uses less expensive protective windows compared to the lens to protect the lens from dirt, which are installed in the holders in the space between the focusing lens and the nozzle. Such protection has advantages and disadvantages: on the one hand, the possibility of lens contamination is almost completely eliminated, and on the other, the time intervals between replacing the protective windows are reduced, and their consumption can be significant, which requires an additional assessment of the economic efficiency of the applied technical solution. The cartridge system for replacing elements of the laser head does not imply sealing its internal volume, which may be an additional reason for contaminants to get onto the working optical surfaces of the focusing lens. When using a cartridge system, the laser operator does not have the ability to adjust the position of the lens after replacing it, which may be an additional limitation for practical use.

Наиболее близкой по технической сущности и принятой за прототип является лазерная режущая головка (патент США №7759602, опубл. 29.07.2010, B23K 26/00), включающая корпус с отверстием для ввода вспомогательного газа и расположенной внутри корпуса фокусирующей линзой, а также узел сопла, установленный с возможностью перемещения относительно корпуса с помощью привода. В данном устройстве отверстие для ввода вспомогательного газа расположено в непосредственной близости от фокусирующей линзы. Поток вспомогательного газа, вводимый внутрь корпуса головки, с одной стороны блокирует поток частиц загрязнений, разлетающихся из зоны обработки материала в направлении фокусирующей линзы, а с другой - обеспечивает эффективное охлаждение линзы, т.к. некоторые из загрязняющих частиц все же успевают долететь до поверхности линзы, и поглощение излучения на осажденных загрязняющих частицах может вызвать ее нежелательный дополнительный нагрев.The closest in technical essence and adopted for the prototype is a laser cutting head (US patent No. 7759602, publ. 07/29/2010, B23K 26/00), including a housing with a hole for introducing auxiliary gas and a focusing lens located inside the housing, as well as the nozzle assembly installed with the possibility of movement relative to the housing using the drive. In this device, the aperture for introducing auxiliary gas is located in the immediate vicinity of the focusing lens. The auxiliary gas flow introduced into the head housing blocks, on the one hand, the flow of contaminant particles flying from the material processing zone towards the focusing lens, and on the other hand, provides effective cooling of the lens, since some of the contaminants still have time to reach the surface of the lens, and the absorption of radiation on the deposited contaminants may cause it to unwanted additional heating.

Основным недостатком прототипа является сложность конструкции и низкая эксплуатационная эффективность, определяемая высокой трудоемкостью замены фокусирующей линзы из-за загрязнения ее поверхностей в результате работы устройства, предполагающей практически полную разборку лазерной головки.The main disadvantage of the prototype is the design complexity and low operational efficiency, determined by the high complexity of replacing the focusing lens due to contamination of its surfaces as a result of the operation of the device, which involves almost complete disassembly of the laser head.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является упрощение конструкции и улучшение защиты фокусирующей линзы лазерной режущей головки от продуктов лазерной обработки.The technical result of the claimed utility model is to simplify the design and improve the protection of the focusing lens of the laser cutting head from laser processing products.

Сущность полезной модели заключается в том, что в лазерной режущей головке, включающей размещенную в корпусе фокусирующую линзу, а также узел сопла, установленный на корпусе с возможностью отсоединения от него, корпус имеет по меньшей мере один вход для подачи вспомогательного газа внутрь корпуса, выполнен составным и включает две камеры, причем установленная в первой камере фокусирующая линза выполнена с возможностью перемещения вдоль ее оптической оси и в направлениях перпендикулярных оптической оси, а вторая камера включает защитное окно с держателем, внутри которого с зазором установлен формирователь потока вспомогательного газа в виде полого вкладыша так, что один из его концов расположен вблизи защитного окна, а второй - вблизи входа для подачи вспомогательного газа.The essence of the utility model is that in the laser cutting head, including a focusing lens located in the housing, as well as the nozzle assembly mounted on the housing with the ability to disconnect from it, the housing has at least one input for supplying auxiliary gas inside the housing, made integral and includes two cameras, the focusing lens installed in the first camera being movable along its optical axis and in the directions perpendicular to the optical axis, and the second camera includes a protective window holder, inside of which is mounted with clearance shaper auxiliary gas flow in the form of a hollow insert such that one of its ends is located close to the protective window and the other - near the inlet for feeding the auxiliary gas.

Кроме того, первая камера корпуса может быть выполнена герметичной.In addition, the first housing chamber may be sealed.

Кроме того, первая камера корпуса может быть снабжена входом для подачи вспомогательного газа на выходную поверхность фокусирующей линзы.In addition, the first housing chamber may be provided with an inlet for supplying auxiliary gas to the output surface of the focusing lens.

Кроме того, первая камера корпуса может быть снабжена датчиком рассоединения первой и второй камер корпуса.In addition, the first casing chamber may be provided with a sensor for disconnecting the first and second casing chambers.

Сущность полезной модели поясняется чертежами. На Фиг. 1 чертежей представлен общий вид заявляемой лазерной режущей головки. На Фиг. 2 показана головка для лазерной резки в разрезе.The essence of the utility model is illustrated by drawings. In FIG. 1 of the drawings presents a General view of the inventive laser cutting head. In FIG. 2 shows a cutaway laser cutting head.

На Фиг. 1 заявляемого устройства изображены первая камера корпуса 1, вторая камера корпуса 2, узел сопла 3, вход 4 для подачи вспомогательного газа внутрь второй камеры корпуса 2, механизм управления положением фокусирующей линзы вдоль ее оптической оси 5 и механизмы управления положением фокусирующей линзы в направлениях перпендикулярных оптической оси 6, а также датчик положения 7 узла сопла 3 относительно обрабатываемой поверхности.In FIG. 1 of the claimed device shows the first camera of the housing 1, the second camera of the housing 2, the nozzle assembly 3, an input 4 for supplying auxiliary gas inside the second chamber of the housing 2, a mechanism for controlling the position of the focusing lens along its optical axis 5 and mechanisms for controlling the position of the focusing lens in the directions perpendicular to the optical axis 6, as well as the position sensor 7 of the nozzle node 3 relative to the work surface.

На Фиг. 2 дополнительно показаны расположенная внутри первой камеры корпуса 1 фокусирующая линза 8 в держателе 9, который закреплен в подвижной направляющей 10, сопряженной с механизмами управления положением фокусирующей линзы 5 и 6, защитное окно 11 с держателем 12, расположенное внутри второй камеры корпуса 2, формирователь потока вспомогательного газа 13, зазор 14 между формирователем потока вспомогательного газа 13 и стенкой держателя 12 защитного окна 11, фланец крепления 15 камер корпуса 1 и 2 друг к другу, вход 16 для подачи чистого охлаждающего газа внутрь первой камеры корпуса 1 по каналам 17 на выходную поверхность фокусирующей линзы 8 и далее через полость 18 по каналу 19 на узел сопла 3., вход 20 для подачи технического охлаждающего газа на узел сопла 3, керамический блок 21 элемента датчика положения узла сопла 3, установленный с помощью в накидной гайки 22 с отверстиями.In FIG. 2 further shows a focusing lens 8 located inside the first chamber housing 1 in the holder 9, which is fixed in a movable guide 10 coupled to the focusing lens position control mechanisms 5 and 6, a protective window 11 with a holder 12 located inside the second chamber 2 housing, a flow former auxiliary gas 13, the gap 14 between the shaper of the flow of auxiliary gas 13 and the wall of the holder 12 of the protective window 11, the flange of the mounting 15 of the chambers of the housing 1 and 2 to each other, the input 16 for supplying clean cooling gas ext morning of the first camera of the housing 1 through the channels 17 to the output surface of the focusing lens 8 and then through the cavity 18 through the channel 19 to the nozzle assembly 3., an input 20 for supplying technical cooling gas to the nozzle assembly 3, the ceramic block 21 of the position sensor element of the nozzle assembly 3, mounted with a nut 22 with holes.

Для достижения заявленного технического результата и преодоления имеющихся технических недостатков прототипа необходимо прежде всего сформулировать понятие «эксплуатационная эффективность». Под этим термином будем понимать отношение времени эффективной работы устройства к полному времени его эксплуатации. Очевидно, что описанные в прототипе процессы загрязнения элементов конструкции лазерной режущей головки в процессе работы приводят к ухудшению ее технических параметров. При наступлении момента выхода параметров за границы допустимых пределов условия технической эксплуатации изделия предусматривают остановку его работы и замену определенных узлов на свежие. Время, затрачиваемое на замену узлов, естественным образом вычитается из рабочего времени устройства и должно быть минимизировано. Кроме этого, необходимо обеспечить минимальную стоимость реновации оптических деталей, загрязненных продуктами обработки материалов, в перспективе обеспечив использование одноразовых элементов. В настоящее время рассчитывать на возможность использования одноразовых фокусирующих линз в лазерных режущих головках несколько преждевременно, однако, применение одноразовых защитных окон уже вполне оправдано. Для того, чтобы существенно увеличить интервалы времени между заменами оптических элементов в конструкции заявляемой лазерной режущей головки предусмотрен ряд технических решений, объединенных единым замыслом.To achieve the claimed technical result and to overcome the existing technical disadvantages of the prototype, it is necessary first of all to formulate the concept of "operational efficiency". By this term we mean the ratio of the time of effective operation of the device to the total time of its operation. It is obvious that the processes of contamination of the structural elements of the laser cutting head described in the prototype during operation lead to a deterioration in its technical parameters. When the moment the parameters go beyond the permissible limits, the conditions for the technical operation of the product include stopping its operation and replacing certain components with fresh ones. The time spent on replacing components is naturally subtracted from the device’s working time and should be minimized. In addition, it is necessary to ensure the minimum cost of renovation of optical parts contaminated with material processing products, in the future ensuring the use of disposable elements. At present, it is somewhat premature to count on the possibility of using disposable focusing lenses in laser cutting heads, however, the use of disposable protective windows is already justified. In order to significantly increase the time intervals between replacements of optical elements in the design of the inventive laser cutting head, a number of technical solutions are provided, united by a single concept.

В конструкции заявляемой полезной модели реализован многокамерный принцип. Корпус предлагаемой лазерной режущей головки включает первую камеру 1 с фокусирующей линзой 8, которая предпочтительно может быть выполнена герметичной, вторую камеру 2 с держателем 12 защитного окна 11, входом 4 для подачи вспомогательного газа и формирователем потока вспомогательного газа 13, а также узел сопла 3 и фланец крепления 15 камер корпуса 1 и 2 друг к другу. Такая конструкция обеспечивает, во-первых, возможность быстрого рассоединения частей корпуса лазерной головки при регламентных работах по замене загрязненных оптических деталей и последующую быструю сборку. При этом смену/установку первой камеры корпуса 1 с фокусирующей линзой 8 можно производить значительно реже, чем в прототипе благодаря наличию второй камеры 2 с защитным окном 11. Поскольку замена фокусирующей линзы 8 производится реже, то уменьшается время простоя оборудования, требуемое на настройку положения фокусирующей линзы 8 относительно оси узла сопла 3. Во-вторых, предлагаемая конструкция второй камеры 2 предусматривает новый принцип использования вспомогательного газа, подаваемого внутрь камеры 2 через вход 4. В отличие от прототипа в заявляемом устройстве вход 4 для подачи вспомогательного газа в камеру 2 расположен не вблизи оптического элемента, а, напротив, на отдалении от него. Для того, чтобы поток вспомогательного газа попал на поверхность защитного окна 11, равномерно охладил его и надежно изолировал от частиц загрязнений, разлетающихся из обрасти лазерной резки в направлении противоположном направлению распространения излучения, в полости камеры 2 установлен формирователь потока вспомогательного газа 13, причем зазор 14 между стенками этого формирователя 13 и держателя 12 защитного окна 11 составляет несколько десятков микрон.The design of the claimed utility model implements a multi-chamber principle. The housing of the proposed laser cutting head includes a first chamber 1 with a focusing lens 8, which can preferably be sealed, a second chamber 2 with a holder 12 of the protective window 11, an inlet 4 for supplying auxiliary gas and an auxiliary gas flow former 13, and also a nozzle assembly 3 and flange of fastening 15 chambers of the housing 1 and 2 to each other. This design provides, firstly, the ability to quickly disconnect the parts of the laser head housing during routine maintenance to replace contaminated optical parts and subsequent quick assembly. In this case, the change / installation of the first camera of the housing 1 with a focusing lens 8 can be done much less frequently than in the prototype due to the presence of the second camera 2 with a protective window 11. Since the replacement of the focusing lens 8 is less frequent, the downtime required to adjust the focusing position is reduced lenses 8 relative to the axis of the nozzle assembly 3. Secondly, the proposed design of the second chamber 2 provides a new principle for using auxiliary gas supplied into the chamber 2 through the inlet 4. In contrast to the prototype and in the inventive device, the input 4 for supplying auxiliary gas to the chamber 2 is not located near the optical element, but, on the contrary, at a distance from it. In order for the auxiliary gas stream to reach the surface of the protective window 11, uniformly cool it and reliably isolate it from particles of contaminants flying from the laser cutting area in the opposite direction to the radiation propagation direction, an auxiliary gas flow former 13 is installed in the cavity of the chamber 2, and the gap 14 between the walls of this shaper 13 and the holder 12 of the protective window 11 is several tens of microns.

При замене защитного окна 11 и регламентном рассоединении камер корпуса 1 и 2 внешняя поверхность фокусирующей линзы 8 оказывается открытой внешним воздействиям. Ввиду того, что замена защитного окна 11 производится непосредственно на рабочем месте в производственном помещении, в котором осуществляется лазерная обработка материалов, и соблюдение чистоты воздуха не всегда можно обеспечить должным образом, следует предусмотреть технические меры, направленные на предотвращение оседания пыли на внешней поверхности фокусирующей линзы 8. Для этого первая камера корпуса 1 может быть дополнительно снабжена входом для подачи чистого вспомогательного газа. Этот чистый газ может подаваться непосредственно на внешнюю поверхность фокусирующей линзы 8 в течение времени регламентных работ, т.е. пока камеры корпуса 1 и 2 рассоединены. Для автоматического включения и выключения подачи чистого вспомогательного газа в первую камеру корпуса 1 первая камера корпуса 1 может быть снабжена датчиком рассоединения первой и второй камер корпуса.When replacing the protective window 11 and the routine disconnection of the cameras of the housing 1 and 2, the outer surface of the focusing lens 8 is exposed to external influences. Due to the fact that the replacement of the protective window 11 is carried out directly at the workplace in the production room where the laser processing of materials is carried out, and air purity cannot always be ensured properly, technical measures should be taken to prevent dust from settling on the outer surface of the focusing lens 8. For this, the first chamber of the housing 1 may be further provided with an inlet for supplying pure auxiliary gas. This pure gas can be supplied directly to the outer surface of the focusing lens 8 during routine maintenance, i.e. while the cameras of the housing 1 and 2 are disconnected. To automatically turn on and off the supply of clean auxiliary gas to the first chamber of the housing 1, the first chamber of the housing 1 can be equipped with a sensor for disconnecting the first and second cameras of the housing.

Конструкция заявляемого устройства предполагает также охлаждение всех основных элементов головки, а именно фокусирующей линзы 8, защитного окна 11 и элемента датчика положения узла сопла 3. Для этого в конструкции лазерной режущей головки организовано три потока газа, причем так, чтобы исключить образование застойных зон у охлаждаемых (защищаемых элементов). Охлаждение фокусирующей линзы 8 осуществляют исключительно чистым газом (градация zero air, zero gas). Охлаждение узла сопла 3 может осуществляться любым техническим газом. Так как два указанных потока имеют общий выход, то во избежание попадания технического газа в полость корпуса 18 его давление должно быть меньше, чем давление в канале охлаждения фокусирующей линзы 8 при любых расходах газов в этих потоках. При отсутствии необходимости охлаждения фокусирующей линзы 8 каналы, связывающие оба потока, перекрывают, при этом требования к давлению в потоке охлаждения узла сопла 3 и его датчика положения снимаются. Охлаждение фокусирующей линзы 8 осуществляют следующим образом. Корпус держателя 9 фокусирующей линзы 8 имеет по меньшей мере два канала 17 для подачи чистого охлаждающего газа на выходную поверхность фокусирующей линзы 8. Фокусирующая линза 8 установлена в держателе 9 таким образом, что поток чистого охлаждающего газа равномерно поступает на цилиндрическую образующую фокусирующей линзы 8 и далее направляется вдоль ее выходной поверхности. Затем поток газа попадает на входную поверхность защитного окна 11 и выводится в полость 18 первой камеры корпуса 1. Объем полости 18 желательно минимизировать. Ее площадь определяется диаметром оптики, используемой в головке, а высота равна диапазону регулировки положения фокусирующей линзы 8 по вертикальной оси устройства. Указанная конструкция позволяет обеспечить эффективный обдув поверхностей фокусирующей линзы 8 и защитного окна 11, избегая образования застойных зон.The design of the claimed device also involves cooling of all the main elements of the head, namely the focusing lens 8, the protective window 11 and the position sensor element of the nozzle assembly 3. For this, three gas flows are organized in the design of the laser cutting head, so as to prevent the formation of stagnant zones in the cooled (protected items). The cooling of the focusing lens 8 is carried out exclusively with pure gas (gradation of zero air, zero gas). The cooling of the nozzle assembly 3 can be carried out by any technical gas. Since the two indicated streams have a common outlet, in order to avoid ingress of technical gas into the cavity of the housing 18, its pressure should be less than the pressure in the cooling channel of the focusing lens 8 at any gas flow in these streams. In the absence of the need to cool the focusing lens 8, the channels connecting both flows overlap, while the pressure requirements in the cooling flow of the nozzle assembly 3 and its position sensor are removed. The cooling of the focusing lens 8 is as follows. The body of the holder 9 of the focusing lens 8 has at least two channels 17 for supplying clean cooling gas to the output surface of the focusing lens 8. The focusing lens 8 is installed in the holder 9 so that the flow of clean cooling gas flows uniformly to the cylindrical generatrix of the focusing lens 8 and further goes along its exit surface. Then the gas stream enters the input surface of the protective window 11 and is discharged into the cavity 18 of the first chamber of the housing 1. It is desirable to minimize the volume of the cavity 18. Its area is determined by the diameter of the optics used in the head, and the height is equal to the range of adjustment of the position of the focusing lens 8 along the vertical axis of the device. This design allows for efficient blowing of the surfaces of the focusing lens 8 and the protective window 11, avoiding the formation of stagnant zones.

Для охлаждения узла сопла 3 и вывода потока газа, охлаждающего фокусирующую линзу 8, в элементах конструкции лазерной головки выполнены отверстия так, что при сборке они образуют единый канал 19 с выходом на керамический блок 21 элемента датчика положения узла сопла 3. Посадочное отверстие в накидной гайке 22, фиксирующей керамический блок 21 на основании, имеет несколько дополнительных выборок в виде сегментов. Кроме организации потока газа охлаждения элементов узда сопла 3 через эти сегменты также выводится поток газа охлаждения фокусирующей линзы 8. Заявляемая полезная модель работает следующим образом: Перед началом лазерной резки устанавливают необходимое расстояние от сопла 3 до поверхности обрабатываемого материала и выбирают тип и давление вспомогательного газа (воздух, кислород или азот) в зависимости от вида металла и его толщины и требуемых параметров резки (скорость и шероховатость реза). На вход 4 второй камеры корпуса 2 лазерной режущей головки под давлением подают поток вспомогательного газа, который распространяется по зазору 14 между стенкой держателя 12 защитного окна 11 и формирователем потока вспомогательного газа 13 и достигает периферии защитного окна 11. Затем этот газ отражается от защитного окна 11 и направляется внутри полости формирователя потока вспомогательного газа 13 к выходному срезу сопла 3. Лазерное излучение включается с задержкой относительно момента подачи вспомогательного газа, которая необходима для установления его стационарного истечения из сопла 3. Величина задержки зависит от типа вспомогательного газа, его давления и объема полости формирователя потока 13. Лазерное излучение проходит через фокусирующую линзу 8 и далее через прозрачное защитное окно 11, через узел сопла 3 на поверхность обрабатываемого металла. Для охлаждения фокусирующей линзы 8 при работе устройства, а также во время проведения регламентных работ при рассоединении камер корпуса лазерной режущей головки на вход 16 первой камеры корпуса 1 лазерной режущей головки под давлением подают поток чистого охлаждающего газа, который распространяется по каналам 17, достигает выходной поверхности фокусирующей линзы 8, охлаждает ее, затем достигает входной поверхности защитного окна 11, охлаждает его, затем выводится в полость 18 и далее по каналу 19 направляется для охлаждения элементов узла сопла 3. Типичное время тепловой реакции фокусирующей линзы 8 и керамического блока 21 элемента датчика положения узла сопла 3 составляет единицы секунд. Соответственно, при работе устройства в режиме резки момент подачи потоков газа охлаждения этих элементов выбирают с учетом этого условия.To cool the nozzle assembly 3 and to discharge the gas flow cooling the focusing lens 8, holes are made in the laser head structural elements so that upon assembly they form a single channel 19 with an output to the ceramic block 21 of the position sensor element of the nozzle assembly 3. The mounting hole in the union nut 22, fixing the ceramic block 21 on the base, has several additional samples in the form of segments. In addition to organizing the flow of cooling gas for the elements of the bridle of the nozzle 3 through these segments, the cooling gas flow of the focusing lens 8 is also output. The inventive utility model works as follows: Before starting laser cutting, set the required distance from the nozzle 3 to the surface of the processed material and select the type and pressure of auxiliary gas ( air, oxygen or nitrogen) depending on the type of metal and its thickness and the required cutting parameters (cutting speed and roughness). An auxiliary gas stream is supplied to the input 4 of the second chamber of the housing 2 of the laser cutting head under pressure, which propagates through the gap 14 between the wall of the holder 12 of the protective window 11 and the former of the flow of auxiliary gas 13 and reaches the periphery of the protective window 11. Then this gas is reflected from the protective window 11 and is directed inside the cavity of the shaper of the auxiliary gas flow 13 to the output cut of the nozzle 3. Laser radiation is switched on with a delay relative to the moment of supply of the auxiliary gas, which is necessary for establishing its stationary outflow from the nozzle 3. The magnitude of the delay depends on the type of auxiliary gas, its pressure and the volume of the cavity of the flow former 13. Laser radiation passes through the focusing lens 8 and then through the transparent protective window 11, through the nozzle assembly 3 to the surface of the metal being processed. To cool the focusing lens 8 during operation of the device, as well as during routine maintenance when disconnecting the chambers of the laser cutting head housing, a stream of pure cooling gas is supplied under pressure to the inlet 16 of the first camera housing of the laser cutting head 1, which propagates through the channels 17, reaches the output surface focusing lens 8, cools it, then reaches the input surface of the protective window 11, cools it, then is discharged into the cavity 18 and then goes through the channel 19 to cool the elements of the unit with opla 3. A typical thermal reaction time of the focusing lens 8 and the ceramic block 21 of the position sensor element of the nozzle assembly 3 is one second. Accordingly, when the device is operating in cutting mode, the moment of supply of the cooling gas flows of these elements is selected taking into account this condition.

Claims

1. A laser cutting head comprising a focusing lens located in the housing and a nozzle assembly mounted on the housing to detach from it, the housing having at least one input for supplying auxiliary gas inside the housing, characterized in that the housing is made integral and includes two a camera, and in the first chamber of the housing there is a focusing lens configured to move along its optical axis and in directions perpendicular to the optical axis, and the second housing chamber contains a protective a window with a holder, inside which with a gap a shaper of the auxiliary gas flow is installed in the form of a hollow insert so that one of its ends is located near the protective window, and the second is near the inlet for supplying auxiliary gas.

2. The laser cutting head according to claim 1, characterized in that the first housing chamber is sealed.

3. The laser cutting head according to claim 1, characterized in that the first camera body is equipped with an inlet for supplying gas, which is located near the output surface of the focusing lens.

4. The laser cutting head according to claim 1, characterized in that the first camera body is equipped with a sensor for disconnecting the first and second camera bodies.