ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к обрабатывающей головке для ввода лазерного луча в струю жидкости, содержащей оптический блок с по меньшей мере одним оптическим элементом для фокусировки лазерного луча и блок ввода с жидкостной камерой, ограниченной стенкой, причем в стенке размещено сопло с сопловым отверстием для формирования струи жидкости. В соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода фокусируемый оптическим блоком лазерный луч может направляться в направлении луча через жидкостную камеру блока ввода в сопловое отверстие и может вводиться в формируемую соплом, проходящую в направлении луча струю жидкости. При этом для снабжения жидкостной камеры жидкостью из оптического блока между оптическим блоком и блоком ввода образована жидкостная граница раздела (жидкостной канал).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны устройства лазерной обработки, в которых лазерный луч вводится в тонкую струю воды, чтобы направлять лазерный луч как в оптическом волноводе к месту обработки материала. Такие устройства лазерной обработки имеют то преимущество, что энергия лазера по длине струи воды сконцентрирована в поперечном сечении струи воды. Соответственно, фокальная точка лазерного луча не должна постоянно корректироваться при изменении расстояния до места обработки материала. Такие устройства имеют дополнительное преимущество, состоящее в том, что подлежащий обработке материал может непрерывно охлаждаться струей воды.
Для того, чтобы сформировать тонкую струю воды и иметь возможность вводить лазерный луч в эту струю воды, такие устройства лазерной обработки имеют обрабатывающую головку. Эта обрабатывающая головка может быть сконструирована и сформирована по-разному. Таким образом, она может быть встроена, например, в остальную часть устройства лазерной обработки так, что струя воды с введенным в нее лазерным лучом выходит как будто из стенки устройства лазерной обработки. В этом случае объект, подлежащий обработке, может перемещаться перед этой стенкой относительно обрабатывающей головки, чтобы струя воды с введенным лазерным лучом могла достигнуть подлежащих обработке мест объекта. Однако, также существует возможность того, что обрабатывающая головка образует свободный дистальный конец устройства лазерной обработки или размещена на свободном дистальном конце подвижного плеча устройства лазерной обработки. Это делает возможным то, что струя воды с введенным в неё лазерным лучом может перемещаться по обрабатываемому объекту, чтобы могли быть достигнуты места, которые необходимо обработать.
Независимо от того, как обрабатывающая головка точно сформирована, она, как правило, образована оптическим блоком и блоком ввода. При этом оптический блок содержит по меньшей мере один оптический элемент, такой как линза или группа линз, для фокусировки лазерного луча. Блок ввода, напротив, включает в себя сопло с сопловым отверстием для формирования струи жидкости. При этом оптический блок и блок ввода в обрабатывающей головке расположены относительно друг друга таким образом, что оптический блок может фокусировать лазерный луч в струю жидкости таким образом, что лазерный луч вводится в струю жидкости.
Пример такой обрабатывающей головки описан в документе ЕР 1833636 В1 фирмой Synova SA. Эта обрабатывающая головка содержит блок ввода для формирования струи жидкости с помощью жидкостного сопла. Кроме того, эта обрабатывающая головка содержит оптический блок, с помощью которого лазерный луч фокусируется в жидкостной канал жидкостного сопла для ввода лазерного луча в струю жидкости. Блок ввода содержит патрон, элемент окна и закрывающую часть. На верхней стороне патрона имеется конический проем для оптического блока. На нижнем конце этого конического проема патрон имеет выступ, на который опирается элемент окна на его верхней стороне. Закрывающая часть расположена на нижней стороне элемента окна и закрывает снизу тонкое дискообразное промежуточное пространство между элементом окна и закрывающей частью. Это промежуточное пространство служит в качестве подвода жидкости для жидкостного сопла, которое вставлено в углубление в верхней, обращенной к промежуточному пространству стороне закрывающей части. Это жидкостное сопло имеет центральный канал, который образует тонкую струю жидкости, в которую вводится лазерное излучение.
Недостатком таких обрабатывающих головок является то, что они перпендикулярно к струе жидкости имеют большую ширину. Кроме того, струя жидкости устойчива лишь на ограниченной длине. Затем упомянутая струя распадается на отдельные капли, которые на пути падения превращаются в слегка приплюснутые, приблизительно сферические капли. Поскольку только стабильная струя жидкости может служить в качестве световода для лазерного луча, доступное расстояние от жидкостного сопла до места обработки ограничено. Это приводит к тому, что с такими обрабатывающими головками можно без проблем обрабатывать по существу только плоские обрабатываемые детали. Однако, как только в рамках трехмерной обработки объектов потребуется обрабатывать труднодоступные места, такие обрабатывающие головки оказываются непригодными. В этом случае они, ввиду их ширины, сталкивались бы с обрабатываемым объектом, когда объект удерживается в достаточной степени близко к обрабатывающей головке, чтобы достичь обрабатываемого места стабильной струей жидкости с введенным лазерным лучом.
СУЩНОСТЬ ИЗБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение относящейся к вышеуказанной области техники обрабатывающей головки, которая обеспечивает трехмерную обработку объектов.
Решение задачи определяется признаками пункта 1 формулы изобретения. В соответствии с изобретением, в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода жидкостной канал, если смотреть в направлении луча, размещен перед последним в направлении луча оптическим элементом оптического блока.
Здесь термин ʺжидкостной каналʺ (жидкостная граница раздела) означает то место, в котором жидкость от оптического блока направляется к блоку ввода, чтобы снабжать жидкостную камеру жидкостью. Для этой цели оптический блок имеет отверстие, из которого жидкость для жидкостной камеры может выходить из оптического блока. Кроме того, блок ввода имеет отверстие, в которое может направляться жидкость для жидкостной камеры. Эти оба отверстия в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода расположены по отношению друг к другу таким образом, что выходящая из отверстия в оптическом блоке жидкость может протекать в отверстие в блоке ввода. Тем самым оба отверстия совместно с областью, необязательно замкнутой между оптическим блоком и блоком ввода и в которой жидкость, выходящая из отверстия в оптическом блоке, направляется к отверстию в блоке ввода, образуют жидкостной канал. При этом оба отверстия в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода прилегают непосредственно друг к другу. В этом случае два прилегающих одно к другому отверстия образуют жидкостной канал. Однако, оба отверстия могут быть также расположены с некоторым смещением в боковом направлении друг относительно друга. Независимо от расположения обоих отверстий, оптический блок и блок ввода могут также заключать область, в которой выходящая из отверстия в оптическом блоке жидкость направляется к отверстию в блоке ввода. Эта область может быть ограничена, например, одним или множеством уплотнений, расположенных между оптическим блоком и блоком ввода. В этом случае жидкостной канал простирается по этой области и обоим отверстиям.
Последний оптический элемент оптического блока, если смотреть в направлении луча, является последним оптическим элементом, через который лазерный луч направляется в оптическом блоке, прежде чем он выходит из оптического блока и вводится в блоке ввода в струю жидкости. Поэтому этот последний оптический элемент может быть, например, линзой или группой линз, с помощью которых лазерный луч может быть сфокусирован. Однако, последний оптический элемент, если смотреть в направлении луча, также может быть окном, которое закрывает оптический блок с внешней стороны и само по себе не имеет фокусирующих свойств. Независимо от конкретной формы выполнения последнего оптического элемента, если смотреть в направлении луча, жидкостной канал в соответствии с изобретением расположен, если смотреть в направлении луча, перед этим оптическим элементом, так что направляемый через оптический блок лазерный луч направляется сначала мимо жидкостного канала так, чтобы обойти его, или через жидкостной канал, прежде чем упомянутый лазерный луч пройдет последний оптический элемент оптического блока. При этом для соответствующего изобретению решения несущественно, может ли блок ввода соединяться непосредственно с оптическим блоком, или блок ввода может соединяться с оптическим блоком через промежуточный элемент. Также несущественно, как конкретно выполнены оптический блок и блок ввода. Так, оптический блок может, например, в виде отдельного блока присоединяться к устройству лазерной обработки. Тем самым, лазерный луч, генерируемый лазером, относящимся к устройству лазерной обработки, может направляться через оптический блок. Этот лазерный луч может фокусироваться оптическим блоком и вводиться в струю жидкости, которая формируется блоком ввода, присоединенным к оптическому блоку. Однако, оптический блок может также образовывать, например, концевую часть лучевой трубки устройства лазерной обработки, в которой направляется лазерный луч, генерируемый лазером, относящимся к устройству лазерной обработки. В этом случае лучевая трубка может являться частью устройства лазерной обработки и в своей концевой области переходить в оптический блок. При этом блок ввода может быть закреплен, например, снаружи в концевой области лучевой трубки, которая является частью оптического блока.
Соответствующее изобретению решение имеет то преимущество, что обрабатывающая головка может конструироваться с меньшими размерами. Кроме того, обрабатывающая головка в области, где струя жидкости с введенным лазерным лучом выходит из обрабатывающей головки, может выполняться более узкой. Тем самым труднодоступные для обрабатывающей головки места можно легче достигать устойчивой струей жидкости и введенным в нее лазерным лучом. Соответственно с учетом этого также облегчается трехмерная обработка объектов.
Предпочтительным образом, в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода жидкостной канал имеет поверхность жидкостного канала, которая ориентирована под углом к плоскости, ориентированной перпендикулярно к направлению луча. При этом поверхность жидкостного канала проходит через жидкостной канал и, тем самым, между окружающей отверстие в оптическом блоке поверхностью оптического блока и окружающей отверстие в блоке ввода поверхностью блока ввода. Поэтому, когда отверстие в оптическом блоке прилегает непосредственно к отверстию блока ввода, так что направляемая от оптического блока к блоку ввода жидкость для снабжения жидкостной камеры протекает непосредственно от отверстия в оптическом блоке в отверстие блока ввода, поверхность жидкостного канала определяется расположенной вокруг обоих отверстий областью прилегающих друг к другу поверхностей оптического блока и блока ввода и непрерывно простирается в той области, где соответствующие поверхности оптического блока и блока ввода, ввиду отверстий, отсутствуют. При этом несущественно, ограничены ли эти лежащие вокруг обоих отверстий области поверхностей жидкостным каналом, или они продолжаются чуть за пределы жидкостного канала. Напротив, если отверстие в оптическом блоке не прилегает непосредственно к отверстию блока ввода, и выходящая из отверстия в оптическом блоке жидкость для снабжения жидкостной камеры направляется через заключенную между оптическим блоком и блоком ввода область к отверстию в блоке ввода, то поверхность жидкостного канала проходит, таким образом, между окружающей отверстие в оптическом блоке областью поверхности оптического блока и окружающей отверстие в блоке ввода областью поверхности блока ввода. Когда расстояние между поверхностью оптического блока и поверхностью блока ввода в области вокруг отверстий постоянно, и когда, таким образом, обе поверхности в этой области проходят параллельно друг другу, поверхность жидкостного канала проходит параллельно поверхности оптического блока и параллельно поверхности блока ввода между этими обеими поверхностями и проходит непрерывно в той области, где соответствующие поверхности оптического блока и блока ввода, ввиду отверстий, отсутствуют. При этом несущественно, ограничены ли эти расположенные вокруг обоих отверстий области поверхностей жидкостным каналом, или они продолжаются чуть за пределы жидкостного канала. Напротив, когда поверхность оптического блока проходит под углом к поверхности блока ввода так, что измеряемое перпендикулярно к поверхностям расстояние между обеими поверхностями изменяется в пределах жидкостного канала, то поверхность жидкостного канала проходит между этими обеими поверхностями. При этом поверхность жидкостного канала образует одинаковый угол с поверхностью оптического блока и с поверхностью блока ввода и непрерывно простирается в той области, где соответствующие поверхности оптического блока и блока ввода, ввиду отверстий, отсутствуют. При этом несущественно, ограничены ли эти расположенные вокруг обоих отверстий области поверхностей жидкостным каналом, или они продолжаются чуть за пределы жидкостного канала.
Поскольку как расположенная вокруг отверстия в оптическом блоке область поверхности оптического блока, так и расположенная вокруг отверстия в блоке ввода область поверхности блока ввода может быть искривленной, то и поверхность жидкостного канала может быть искривленной. Так, например, блок ввода может иметь цилиндрическую область, на радиальной наружной поверхности которой расположено отверстие для снабжения жидкостной камеры жидкостью. Кроме того, оптический блок, например, может иметь проем с круглым поперечным сечением, в который может вдвигаться цилиндрическая область блока ввода для соединения блока ввода с оптическим блоком. В этом случае отверстие в оптическом блоке, из которого жидкость для жидкостной камеры может выходить из оптического блока, может быть расположено на внутренней стороне проема с круглым поперечным сечением. Поскольку жидкостной канал, таким образом, расположен на цилиндрической области блока ввода, поверхность жидкостного канала также повторяет форму цилиндрической области блока ввода. Таким образом, поверхность жидкостного канала в этом случае является искривленной.
То, что поверхность жидкостного канала ориентирована под углом к плоскости, ориентированной перпендикулярно направлению луча, означает, что в пределах жидкостного канала в каждой точке поверхности жидкостного канала нормаль к этой точке образует угол с направлением луча и, таким образом, упомянутая нормаль ориентирована не параллельно направлению луча. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что жидкостной канал простым способом может быть уплотнен, когда блок ввода для соединения с оптическим блоком выполнен подвижным противоположно направлению луча относительно оптического блока и, таким образом, может простым образом соединяться с оптическим блоком. Если при этом поверхность жидкостного канала ориентирована под углом к направлению перемещения блока ввода, то при соединении блока ввода с оптическим блоком отверстие в блоке ввода и отверстие в оптическом блоке перемещаются не в направлении нормали к области, лежащей вокруг отверстия в оптическом блоке, поверхности оптического блока и нормали к области, лежащей вокруг отверстия в блоке ввода, поверхности блока ввода, а совмещаются в боковом направлении друг к другу. Это обеспечивает более простое уплотнение жидкостного канала.
В предпочтительном варианте этого поверхность жидкостного канала проходит параллельно направлению луча. Это означает, что в пределах жидкостного канала в каждой точке поверхности жидкостного канала нормаль к этой точке лежит в плоскости, ориентированной перпендикулярно направлению луча. Это имеет преимущество, состоящее в том, что жидкостной канал может быть уплотнен простым способом, когда блок ввода для соединения с оптическим блоком выполнен подвижным противоположно направлению луча относительно оптического блока, и, таким образом, может простым способом соединяться с оптическим блоком, так как поверхность жидкостного канала при этом ориентирована параллельно направлению перемещения блока ввода, и, соответственно, отверстие в блоке ввода сдвигается вдоль лежащей вокруг этого отверстия области поверхности блока ввода перед отверстием в оптическом блоке. Для достижения этого преимущества, не имеет значения, является ли поверхность жидкостного канала в пределах жидкостного канала плоской или искривленной. Таким образом, блок ввода может иметь, например, цилиндрическую область, на радиальной наружной поверхности которой расположено отверстие для снабжения жидкостной камеры жидкостью, в то время как оптический блок имеет проем с круглым поперечным сечением, в который может вдвигаться цилиндрическая область блока ввода противоположно направлению луча для соединения блока ввода с оптическим блоком. В этом случае отверстие в оптическом блоке, из которого жидкость для жидкостной камеры может выходить из оптического блока, может быть расположено на внутренней стороне проема с круглым поперечным сечением. Таким образом, поверхность жидкостного канала в этом случае является искривленной. Однако, также существует, например, возможность того, что блок ввода имеет область с квадратным поперечным сечением, причем отверстие для снабжения жидкостной камеры жидкостью расположено на одной из четырех плоских внешних сторон этой области. При этом оптический блок также может иметь проем с квадратным поперечным сечением, в который может вдвигаться область блока ввода противоположно направлению луча для соединения блока ввода с оптическим блоком. В этом случае отверстие в оптическом блоке, из которого жидкость для жидкостной камеры может выходить из оптического блока, может быть расположено на внутренней стороне проема с квадратным поперечным сечением на одной из четырех плоских сторон. Таким образом, поверхность жидкостного канала в этом случае также является плоской.
В качестве альтернативы, однако, также возможно, что в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода жидкостной канал имеет поверхность жидкостного канала, которая по меньшей мере в одной области ориентирована параллельно к плоскости, ориентированной перпендикулярно к направлению луча.
Предпочтительно, блок ввода имеет по меньшей мере один жидкостной канал, который соединяет жидкостной канал с жидкостной камерой. Это имеет преимущество, состоящее в том, что жидкостная камера может простым способом снабжаться жидкостью за счет того, что передаваемая от оптического блока жидкость направляется в отверстие в блоке ввода, в которое может направляться жидкость для жидкостной камеры, чтобы оттуда через жидкостной канал направляться в жидкостную камеру.
В качестве альтернативы, однако, также возможно, что блок ввода не имеет жидкостного канала такого типа, поскольку жидкостная камера иным образом снабжается жидкостью. Это может быть в случае, например, когда отверстие в блоке ввода, через которое может направляться жидкость для жидкостной камеры, непосредственно соединено с жидкостной камерой. Подобная альтернатива имеет преимущество, состоящее в том, что обрабатывающая головка может быть сконструирована более компактной, в результате чего можно легче достигать труднодоступные места, и упрощается трехмерная обработка объектов.
Предпочтительно, блок ввода сужается в одном направлении, причем это направление в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода соответствует направлению луча. За счет этого уменьшается измеряемая поперечно направлению луча ширина обрабатывающей головки к тому месту обрабатывающей головки, в котором формируемая сопловым отверстием струя жидкости выходит из обрабатывающей головки. Благодаря этому, можно легче достигать труднодоступные места, что упрощает трехмерную обработку объектов.
В качестве альтернативы, однако, также возможно, что блок ввода не сужается в направлении, которое в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода соответствует направлению луча. Подобная альтернатива может иметь то преимущество, что обрабатывающая головка может быть сконструирована проще и, таким образом, может изготавливаться с меньшими затратами.
Если блок ввода сужается в одном направлении, причем это направление в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода соответствует направлению луча, сужение предпочтительно имеет форму боковой поверхности конуса. Это имеет то преимущество, что сужение, если смотреть в направлении луча, является постоянно равномерным. За счет этого обрабатывающая головка в соответствии с углом раскрыва конуса такого конусообразного сужения может легко наклоняться к обрабатываемой поверхности. Это облегчает доступность труднодоступных мест, тем самым, упрощая трехмерную обработку объектов.
В качестве альтернативы, однако, также возможно, что сужение имеет форму, отличную от боковой поверхности конуса.
Если блок ввода сужается в одном направлении в конусообразной форме, причем это направление в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода соответствует направлению луча, то сужение в конусообразной форме предпочтительно имеет угол раскрыва конуса, измеренный между вращательно симметричной центральной осью конусообразной формы и наружной поверхностью конусообразной формы, не более 60°, не более 45°, не более 30°, в частности, не более 20°. Это имеет преимущество, состоящее в том, что могут быть оптимальным образом достигнуты труднодостижимые места, что упрощает трехмерную обработку объектов.
В качестве альтернативы, однако, конусообразное сужение может также иметь угол раскрыва конуса более 20° или более 30°, или более 45°, или более 60°. Это имеет преимущество, состоящее в том, что упрощается конструкция блока ввода.
Предпочтительно, блок ввода имеет сопло выпуска газа для формирования газовой струи, окружающей струю жидкости. Это имеет преимущество, состоящее в том, что длина, на которой струя жидкости устойчива, становится больше. Поскольку лазерный луч остается введенным только в стабильную струю жидкости, за счет этого можно увеличить возможное расстояние от обрабатывающей головки до обрабатываемого места. Соответственно, за счет этого с помощью обрабатывающей головки можно легче обрабатывать труднодоступные места, что упрощает трехмерную обработку объектов.
В качестве альтернативы, блок ввода может не иметь сопла выпуска газа для формирования газовой струи, окружающей струю жидкости. Подобная альтернатива имеет то преимущество, что обрабатывающая головка может быть сконструирована проще и, соответственно, может изготавливаться с меньшими затратами. Кроме того, упрощается техническое обслуживание обрабатывающей головки.
Если блок ввода имеет сопло выпуска газа для формирования газовой струи, окружающей струю жидкости, то блок ввода предпочтительно имеет газовую напорную камеру, которая в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода, если смотреть в направлении луча, расположена после соплового отверстия. Такая газовая напорная камера имеет преимущество, состоящее в том, что упрощается формирование газовой струи, которая окружает струю жидкости и которая увеличивает длину, на которой струя жидкости стабильна.
В качестве альтернативы, однако, также возможно, что блок ввода не имеет такой газовой напорной камеры. Это имеет преимущество, состоящее в том, что блок ввода может быть сконструирован проще.
Если блок ввода имеет сопло выпуска газа для формирования газовой струи, окружающей струю жидкости, то в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода сопло выпуска газа предпочтительно расположено в направлении луча, если смотреть от соплового отверстия. При этом сопло выпуска газа, если смотреть от соплового отверстия, может располагаться в направлении луча непосредственно после соплового отверстия. Но также существует возможность, что, например, необязательно имеющаяся газовая напорная камера расположена между сопловым отверстием и соплом выпуска газа. В этом случае формируемая сопловым отверстием струя жидкости в направлении луча может проходить через газовую напорную камеру и выходить через сопло выпуска газа из блока ввода. Преимущество расположения сопла выпуска газа в направлении луча, если смотреть от соплового отверстия, состоит в том, что формируемая сопловым отверстием струя жидкости может выходить через сопло выпуска газа из блока ввода так, что соплом выпуска газа может быть сформирована газовая струя, оптимальным образом окружающая струю жидкости.
Однако, в качестве альтернативы, также существует возможность того, что сопло выпуска газа расположено иным образом.
Если блок ввода имеет сопло выпуска газа для формирования газовой струи, окружающей струю жидкости, то в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода для снабжения блока ввода газом для газовой струи между оптическим блоком и блоком ввода предпочтительно образуется газовый канал. Для этого оптический блок имеет отверстие, из которого газ для газовой струи может выходить из оптического блока. Кроме того, блок ввода имеет отверстие, в которое может направляться газ для газовой струи. Эти оба отверстия в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода расположены относительно друг друга таким образом, что газ, выходящий из отверстия в оптическом блоке, может протекать в отверстие в блоке ввода. Тем самым оба отверстия, совместно с областью, которая необязательно заключена между оптическим блоком и блоком ввода и в которой газ, выходящий из отверстия в оптическом блоке, направляется в отверстие в блоке ввода, образуют газовый канал. При этом оба отверстия в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода могут прилегать непосредственно друг к другу так, что они расположены напротив друг друга. В этом случае два прилегающих друг к другу отверстия образуют газовый канал. Однако, оба отверстия могут быть также расположены с некоторым смещением в боковом направлении друг относительно друга. Независимо от расположения обоих отверстий, оптический блок и блок ввода могут также заключать область, в которой газ, выходящий из отверстия в оптическом блоке, направляется в отверстие в блоке ввода. Эта область может быть ограничена, например, одним или несколькими уплотнениями, расположенными между оптическим блоком и блоком ввода. В этом случае газовый канал простирается по этой области и обоим отверстиям.
Преимуществом газового канала является то, что обрабатывающая головка может быть сконструирована компактно, поскольку блок ввода не должен иметь отдельный от соединения с оптическим блоком соединитель для снабжения газом для газовой струи. Это преимущество достигается независимо от того, направляется ли газ для газовой струи в газообразном состоянии или в сжиженной форме через газовый канал от оптического блока к блоку ввода.
В качестве альтернативы, однако, также возможно, что в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода для снабжения блока ввода газом для газовой струи, не образуется газовый канал между оптическим блоком и блоком ввода. Подобная альтернатива имеет то преимущество, что упрощается соединение блока ввода с оптическим блоком.
Если в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода между оптическим блоком и блоком ввода образуется газовый канал для снабжения блока ввода газом для газовой струи, то газовый канал, который, если смотреть в направлении луча, преимущественно расположен перед последним в направлении луча оптическим элементом оптического блока, если смотреть в направлении луча. За счет этого направляемый оптическим блоком лазерный луч направляется сначала мимо газового канала так, чтобы обходить последний, или через газовый канал, прежде чем упомянутый лазерный луч проходит через последний оптический элемент оптического блока. Это имеет преимущество, состоящее в потенциально меньшей конструкции. Кроме того, за счет этого обрабатывающая головка в той области, где струя жидкости с введенным в неё лазерным лучом и окруженная газовой струей выходит из обрабатывающей головки, может быть сконструирована более узкой. Тем самым труднодоступные места могут легче достигаться обрабатывающей головкой при стабильной струе жидкости с введенным в нее лазерным лучом. Соответственно, за счет этого облегчается трехмерная обработка объектов.
В качестве альтернативы, также существует возможность того, что газовый канал, если смотреть в направлении луча, расположен на той же высоте, что и последний в направлении луча оптический элемент оптического блока, или после последнего в направлении луча оптического элемента оптического блока, если смотреть в направлении луча.
Если блок ввода имеет сопло выпуска газа для формирования газовой струи, окружающей струю жидкости, и если в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода между оптическим блоком и блоком ввода образован газовый канал для снабжения блока ввода газом для газовой струи, то в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода газовый канал предпочтительно имеет поверхность газового канала, которая ориентирована под углом к плоскости, ориентированной перпендикулярно направлению луча. При этом несущественно, в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода, расположен ли газовый канал, если смотреть в направлении луча, перед, после или на той же высоте, что и последний оптический элемент оптического блока.
Эта поверхность газового канала проходит через газовый канал и, следовательно, между отверстием в оптическом блоке, из которого может выходить газ для газовой струи из оптического блока, и отверстием в блоке ввода, в которое может направляться газ для газовой струи, а также между окружающими эти отверстия поверхностями оптического блока и блока ввода. Поэтому, когда отверстие в оптическом блоке непосредственно прилегает к отверстию блока ввода так, что газ для обеспечения газовой струи, направляемый от оптического блока к блоку ввода, непосредственно протекает от отверстия в оптическом блоке в отверстие блока ввода, то поверхность газового канала определяется расположенной вокруг обоих отверстий областью прилегающих друг к другу поверхностей оптического блока и блока ввода и проходит непрерывно в области обоих отверстий, где соответствующие поверхности оптического блока и блока ввода, ввиду отверстий, отсутствуют. При этом не имеет значения, ограничены ли расположенные вокруг обоих отверстий поверхности газовым каналом, или они продолжаются чуть за пределы газового канала. Если отверстие в оптическом блоке, напротив, непосредственно не прилегает к отверстию блока ввода, и выходящий из отверстия в оптическом блоке газ для обеспечения газовой струи направляется через область, заключенную между оптическим блоком и блоком ввода, к отверстию в блоке ввода, то поверхность газового канала проходит между расположенной вокруг отверстия в оптическом блоке областью поверхности оптического блока и расположенной вокруг отверстия в блоке ввода областью поверхности блока ввода. Если расстояние между поверхностью оптического блока и поверхностью блока ввода в области вокруг отверстий является постоянным, и, таким образом, обе поверхности в этой области проходят параллельно друг к другу, то поверхность газового канала проходит параллельно поверхности оптического блока и параллельно поверхности блока ввода между этими обеими поверхностями и проходит непрерывно в области, где соответствующие поверхности оптического блока и блока ввода, ввиду отверстий, отсутствуют. При этом не имеет значения, ограничены ли расположенные вокруг обоих отверстий области поверхностей газовым каналом, или они продолжаются чуть за пределы газового канала. Если, напротив, поверхность оптического блока проходит под углом к поверхности блока ввода так, что измеряемое перпендикулярно поверхностям расстояние между обеими поверхностями изменяется в пределах газового канала, то поверхность газового канала проходит между этими обеими поверхностями. При этом поверхность газового канала образует одинаковый угол с поверхностью оптического блока и с поверхностью блока ввода и проходит непрерывно в области, где соответствующие поверхности оптического блока и блока ввода, ввиду отверстий, отсутствуют. При этом также не имеет значения, ограничены ли эти расположенные вокруг обоих отверстий области поверхностей газовым каналом, или упомянутые два отверстия продолжаются чуть за пределы газового канала.
Поскольку как расположенная вокруг отверстия в оптическом блоке область поверхности оптического блока, так и расположенная вокруг отверстия в блоке ввода область поверхности блока ввода может быть искривленной, то и поверхность газового канала может быть искривленной. Таким образом, например, блок ввода может иметь цилиндрическую область, на радиальной наружной поверхности которой расположено отверстие для обеспечения газовой струи газом. Кроме того, оптический блок, например, может иметь проем с круглым поперечным сечением, в который может вдвигаться цилиндрическая область блока ввода для соединения блока ввода с оптическим блоком. В этом случае отверстие в оптическом блоке, из которого газ для газовой струи может выходить из оптического блока, может быть расположено на внутренней стороне проема с круглым поперечным сечением. Поскольку газовый канал, таким образом, расположен на цилиндрической области блока ввода, то поверхность газового канала также повторяет форму цилиндрической области блока ввода. Таким образом, поверхность газового канала является в этом случае искривленной.
То, что поверхность газового канала ориентирована под углом к плоскости, ориентированной перпендикулярно направлению луча, означает, что в пределах газового канала в любой точке поверхности газового канала нормаль к этой точке образует угол с направлением луча и, таким образом, ориентирована не параллельно направлению луча. Это имеет преимущество, состоящее в том, что газовый канал может быть уплотнен простым способом, когда блок ввода для соединения с оптическим блоком выполнен подвижным противоположно направлению луча по отношению к оптическому блоку, и, таким образом, может соединяться с оптическим блоком простым образом. Причина этого заключается в том, что поверхность газового канала ориентирована под углом к направлению перемещения блока ввода, в результате чего при соединении блока ввода с оптическим блоком отверстие в блоке ввода и отверстие в оптическом блоке перемещаются не в направлении нормали к расположенной вокруг отверстия в оптическом блоке области поверхности оптического блока и нормали к расположенной вокруг отверстия в блоке ввода области поверхности блока ввода, а в боковом направлении по отношению друг к другу. За счет этого газовый канал может быть легче уплотнен.
Поверхность газового канала в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода предпочтительно проходит параллельно направлению луча. Это означает, что в пределах газового канала в любой точке поверхности газового канала, нормаль к этой точке ориентирована перпендикулярно к направлению луча. Это имеет преимущество, состоящее в том, что газовый канал может быть простым способом уплотнен, когда блок ввода для соединения с оптическим блоком может быть выполнен подвижным противоположно направлению луча и, тем самым, может простым способом соединяться с оптическим блоком, так как при этом поверхность газового канала ориентирована параллельно к направлению перемещения блока ввода, и, соответственно, отверстие в блоке ввода сдвигается вдоль расположенной вокруг этого отверстия области поверхности блока ввода перед отверстием в оптическом блоке. Для достижения этого преимущества, не имеет значения, является ли поверхность газового канала в пределах газового канала плоской или искривленной. Таким образом, блок ввода может иметь, например, цилиндрическую область, на радиальной наружной поверхности которой расположено отверстие для обеспечения газовой струи газом, в то время как оптический блок имеет проем с круглым поперечным сечением, в который может вдвигаться цилиндрическая область блока ввода противоположно направлению луча для соединения блока ввода с оптическим блоком. В этом случае отверстие в оптическом блоке, из которого газ для газовой струи может выходить из оптического блока, может быть расположено на внутренней стороне проема с круглым поперечным сечением. Таким образом, поверхность газового канала в этом случае является искривленной. Однако, также существует, например, возможность того, что блок ввода имеет область с квадратным поперечным сечением, причем отверстие для обеспечения газовой струи газом расположено на одной из четырех плоских внешних сторонах этой области. При этом оптический блок также может иметь проем с квадратным поперечным сечением, в который может вдвигаться область блока ввода противоположно направлению луча для соединения блока ввода с оптическим блоком. В этом случае отверстие в оптическом блоке, из которого газ для газовой струи может выходить из оптического блока, может быть расположено на внутренней стороне проема с квадратным поперечным сечением на одной из четырех плоских сторон. Тем самым, поверхность газового канала в этом случае также является плоской.
В качестве альтернативы, однако, также возможно, что в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода газовый канал содержит поверхность газового канала, которая по меньшей мере в одной области ориентирована параллельно к плоскости, ориентированной перпендикулярно к направлению луча.
Предпочтительно, блок ввода имеет по меньшей мере один газовый канал, который соединяет газовый канал с соплом выпуска газа. Это имеет преимущество, состоящее в том, что сопло выпуска газа может простым способом снабжаться газом за счет того, что газ, переданный от оптического блока, может направляться в отверстие в блоке ввода, в который может направляться газ для газовой струи, чтобы посредством газового канала направляться к соплу выпуска газа. При этом не имеет значения, направляется ли газ сначала от газового канала к необязательно имеющейся газовой напорной камере и затем к соплу выпуска газа, или газ непосредственно направляется к соплу выпуска газа.
В качестве альтернативы, однако, также возможно, что блок ввода не имеет подобного газового канала, так как сопло выпуска газа снабжается газом иным образом. Это, например, может иметь место в случае, если отверстие в блоке ввода, через которое может направляться газ для газовой струи, непосредственно соединено с соплом выпуска газа или с необязательно имеющейся газовой напорной камерой. Подобная альтернатива имеет то преимущество, что обрабатывающая головка может конструироваться более компактной, в результате чего обрабатывающая головка может легче достигать труднодоступные места, и упрощается трехмерная обработка объектов.
Если блок ввода содержит сопло выпуска газа, то блок ввода предпочтительно имеет сменный блок наконечника головки, в котором находится сопло выпуска газа. Это имеет преимущество, состоящее в том, что блок наконечника головки с соплом выпуска газа может заменяться простым способом, когда сопло выпуска газа проявляет признаки износа, и поэтому формируемая им газовая струя неоптимальным образом окружает струю жидкости.
В качестве альтернативы, однако, существует также возможность, что блок ввода не имеет такого наконечника головки с соплом выпуска газа.
Если блок ввода имеет сопло выпуска газа и блок наконечника головки, причем сопло выпуска газа расположено в блоке наконечника головки, то блок наконечника головки предпочтительно имеет коническую внешнюю форму. Поскольку блок наконечника головки расположен на конце обрабатывающей головки, это имеет преимущество, состоящее в том, что наконечник обрабатывающей головки, из которого выходят струя жидкости и газовая струя, является более узким. За счет этого можно с помощью обрабатывающей головки проще достигать труднодоступные места, что облегчает трехмерную обработку объектов.
В качестве предпочтительного варианта этого, блок наконечника головки сужается к тому месту, где струя жидкости и газовая струя выходят из обрабатывающей головки. Это также имеет преимущество, состоящее в том, что обрабатывающая головка в области этого места является более узкой, за счет чего труднодоступные места могут проще достигаться с помощью обрабатывающей головки. Соответственно, за счет этого упрощается трехмерная обработка объектов.
В качестве альтернативы, однако, существует также возможность, что блок наконечника головки не имеет конической внешней формы и не сужается к тому месту, где струя жидкости и газовая струя выходят из обрабатывающей головки.
Независимо от того, имеет ли блок ввода сопло выпуска газа и необязательно сменный блок наконечника головки, сопло с сопловым отверстием для формирования струи жидкости предпочтительно расположено в сменном сопловом блоке. При этом сменный сопловой блок может быть вставлен в стенку блока ввода, ограничивающую жидкостную камеру, или образовывать стенку блока ввода, ограничивающую жидкостную камеру. Сменный сопловой блок имеет преимущество, состоящее в том, что сопло может быть заменено простым способом, когда сопло проявляет признаки износа и поэтому струя жидкости, формируемая сопловым отверстием, стабильна на меньшей длине или вообще не стабильна.
В качестве альтернативы, однако, также возможно, что блок ввода не включает в себя сменный сопловой блок, в котором расположено сопло с сопловым отверстием для формирования струи жидкости.
Предпочтительно, блок ввода имеет полость, которая открыта с одной стороны, и в которую выступает оптический блок в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода. Это имеет преимущество, состоящее в том, что блок ввода может простым способом соединяться с оптическим блоком. Кроме того, это имеет то преимущество, что последний в направлении луча оптический элемент оптического блока в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода может находиться в этой полости и может быть соответственно защищен блоком ввода с внешней стороны. При этом последний в направлении луча оптический элемент оптического блока по-прежнему является легко доступным, когда блок ввода отделяется от оптического блока.
В качестве альтернативы, однако, также возможно, что блок ввода не имеет подобной открытой с одной стороны полости.
Независимо от того, содержит ли блок ввода полость, которая открыта с одной стороны и в которую выступает оптический блок в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода, оптический блок предпочтительно образует втулку и окружает блок ввода на жидкостном канале. Тем самым, жидкостной канал расположен на внутренней стороне втулки. Это приводит к тому, что отверстие, из которого из оптического блока может выходить жидкость для жидкостной камеры, находится на внутренней стороне втулки. Соответственно, отверстие, из которого из оптического блока может выходить жидкость для жидкостной камеры, лучше защищено, когда блок ввода не соединен с оптическим блоком. Кроме того, втулка имеет то преимущество, что соединение блока ввода с оптическим блоком осуществляется с лучшей направленностью.
В качестве альтернативы, однако, также возможно, что оптический блок не образует втулку, или что оптический блок не окружает блок ввода на жидкостном канале.
Предпочтительно, жидкостная камера на одной стороне закрыта элементом, прозрачным для лазерного света лазерного луча, причем в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода прозрачный элемент расположен в направлении луча перед жидкостной камерой. Это имеет то преимущество, что фокусируемый оптическим блоком лазерный луч может направляться через прозрачный элемент в жидкостную камеру, так что облегчается ввод лазерного луча в струю жидкости.
В качестве альтернативы, также имеется возможность того, что жидкостная камера не закрыта с одной стороны элементом, прозрачным для лазерного света лазерного луча.
Сопловое отверстие предпочтительно имеет диаметр в диапазоне от 20 мкм до 150 мкм. Это имеет преимущество, состоящее в том, что сопло может быть изготовлено экономичным образом, и при этом сопловое отверстие имеет малый диаметр. Сопловое отверстие особенно предпочтительно имеет диаметр в диапазоне от 40 мкм до 80 мкм. Это имеет то преимущество, что с помощью соплового отверстия может быть сформирована струя жидкости, имеющая диаметр, при котором лазерный луч может быть введен оптимальным образом. В еще одном предпочтительном варианте сопловое отверстие имеет диаметр меньше 40 мкм, особенно предпочтительно меньше 30 мкм или меньше 20 мкм. Это имеет преимущество, состоящее в том, что может быть сформирована струя жидкости с очень малым диаметром, за счет чего обеспечивается возможность более тонкой и более точной обработки объектов.
В качестве альтернативы, однако, существует также возможность того, что сопловое отверстие имеет диаметр больше 80 мкм или больше 150 мкм, соответственно.
Предпочтительно, лазерный луч может фокусироваться оптическим блоком в фокальной точке, которая имеет диаметр, составляющий не более двух третей, особенно предпочтительно не более половины диаметра соплового отверстия. Это означает, что в фокальной точке по меньшей мере 95% энергии лазерного луча проходит через перпендикулярную к направлению луча плоскость в пределах круга, диаметр которого составляет предпочтительно не более двух третей, особенно предпочтительно не более половины диаметра соплового отверстия. В предпочтительном варианте по меньшей мере 98% энергии лазерного луча проходит через плоскость в пределах этого круга. Это имеет преимущество, состоящее в том, что лазерный луч может оптимально вводиться в формируемую сопловым отверстием струю жидкости.
В качестве альтернативы, однако, также возможно, что лазерный луч с помощью оптического блока может фокусироваться в фокальную точку, диаметр которой больше половины или больше двух третей диаметра соплового отверстия.
Устройство жидкоструйной лазерной обработки предпочтительно включает в себя соответствующую изобретению обрабатывающую головку. Но также существует возможность того, что обрабатывающая головка изготавливается, распространяется и хранится отдельно от устройства жидкоструйной лазерной обработки.
Если устройство жидкоструйной лазерной обработки включает в себя соответствующую изобретению обрабатывающую головку, то оно также предпочтительно содержит лазер для генерирования лазерного луча, который может фокусироваться оптическим блоком с упомянутым по меньшей мере одним оптическим элементом и который в соединенном с оптическим блоком состоянии блока ввода может направляться с помощью оптического блока в направлении луча через жидкостную камеру блока ввода в сопловое отверстие и может вводиться в струю жидкости, формируемую соплом в направлении луча. Но также существует возможность того, что устройство жидкоструйной лазерной обработки не включает в себя такой лазер, а имеет только вход для лазерного луча, формируемого отдельным лазером. При этом вход может быть выполнен по-разному, в зависимости от требований. Таким образом, упомянутый порт может включать в себя окно, линзу или зеркало, например, для направления лазерного луча в устройство жидкоструйной лазерной обработки, где лазерный луч может направляться к обрабатывающей головке. Однако, вход также может представлять собой место ввода для присоединения оптического световода, чтобы лазерный луч, направляемый от отдельного лазера с помощью оптического световода к устройству жидкоструйной лазерной обработки, направлять в устройство жидкоструйной лазерной обработки, где лазерный луч может далее направляться к обрабатывающей головке.
Независимо от того, включает ли в себя устройство жидкоструйной лазерной обработки лазер или лазерный луч генерируется отдельным лазером и подается в устройство жидкоструйной лазерной обработки через вход, устройство жидкоструйной лазерной обработки предпочтительно имеет коллимационный блок. Это имеет преимущество, состоящее в том, что лазерный луч может оптимально коллимироваться, прежде чем он в обрабатывающей головке будет введен в струю жидкости.
В качестве альтернативы, однако, существует также возможность, что устройство жидкоструйной лазерной обработки не содержит коллимационного блока.
Если устройство жидкоструйной лазерной обработки включает в себя коллимационный блок, то предпочтительно отдельные оптические элементы коллимационного блока или весь коллимационный блок являются/является подвижными(подвижным) как в направлении луча, так и противоположно направлению луча. При этом термин ʺнаправление лучаʺ здесь означает направление, в котором лазерный луч ориентирован в области коллимационного блока. Если лазерный луч между коллимационным блоком и оптическим блоком обрабатывающей головки отклоняется, например, с помощью зеркала, то направление луча в области коллимационного блока также может отклоняться от направления луча в пределах обрабатывающей головки. Независимо от этого, подвижность отдельных элементов коллимационного блока или всего коллимационного блока в направлении луча и противоположно направлению луча имеет преимущество, состоящее в том, что лазерный луч в обрабатывающей головке может оптимально вводиться в струю жидкости, причем оптический блок обрабатывающей головки не имеет подвижных оптических элементов или имеет по меньшей мере немного подвижных оптических элементов. Это позволяет конструировать обрабатывающую головку проще, с меньшими габаритами и более компактно, так что обрабатывающая головка может быть изготовлена с меньшими затратами. Кроме того, более компактная обрабатывающая головка облегчает трехмерную обработку объектов.
В качестве альтернативы, также возможно, что ни один оптический элемент коллимационного блока не является подвижным ни в направлении луча, ни противоположно направлению луча или что коллимационный блок не является подвижным ни в направлении луча, ни противоположно направлению луча.
В принципе, устройство жидкоструйной лазерной обработки, которое включает в себя соответствующую изобретению обрабатывающую головку, может быть выполнено любым образом. Однако, предпочтительно, если оно представляет собой устройство жидкоструйной лазерной обработки в соответствии с описанным ниже вторым изобретением.
Задачей второго изобретения является создание устройства жидкоструйной лазерной обработки, которое упрощает ввод лазерного луча в струю жидкости. Кроме того, задачей второго изобретения является обеспечение способа для фокусировки лазерного луча в сопловое отверстие сопла в подобном устройстве жидкоструйной лазерной обработки. При этом данный способ должен также упрощать ввод лазерного луча в струю жидкости.
Решение задачи определяется следующими признаками. Согласно второму изобретению, устройство жидкоструйной лазерной обработки включает в себя обрабатывающую головку для ввода лазерного луча в струю жидкости, причем обрабатывающая головка содержит сопло с сопловым отверстием для формирования струи жидкости, и лазерный луч может фокусироваться во вход соплового отверстия устройством фокусировки для ввода лазерного луча в струю жидкости. При этом устройство жидкоструйной лазерной обработки включает в себя датчик двумерного изображения для получения изображения области сопла вокруг входа соплового отверстия. Кроме того, лазерный луч на входе соплового отверстия может быть расфокусирован, так что лазерный свет лазерного луча отражается от области сопла вокруг входа в сопловое отверстие к датчику изображения таким образом, что датчиком изображения может быть получено изображение области сопла вокруг входа соплового отверстия, на котором может распознаваться вход соплового отверстия. Предпочтительно, устройство жидкоструйной лазерной обработки включает в себя лазер для генерации лазерного луча. В также предпочтительном варианте устройство жидкоструйной лазерной обработки не содержит такого лазера, а имеет вход для лазерного луча, генерируемого отдельным лазером. При этом вход может быть выполнен различным образом, в зависимости от требований. Он может включать в себя окно, линзу или зеркало, например, чтобы направлять лазерный луч в устройство жидкоструйной лазерной обработки, где лазерный луч может направляться далее к обрабатывающей головке. Однако, вход также может представлять собой место ввода для присоединения оптического световода, чтобы лазерный луч, направляемый от отдельного лазера с помощью оптического световода к устройству лазерной обработки, направлять в устройство жидкоструйной лазерной обработки, где лазерный луч может далее направляться к обрабатывающей головке.
Соответствующий изобретению способ фокусировки лазерного луча в сопловое отверстие сопла в подобном устройстве жидкоструйной лазерной обработки для ввода лазерного луча в сформированную сопловым отверстием струю жидкости включает в себя первый этап, на котором лазерный луч расфокусируется на входе соплового отверстия так, что лазерный свет лазерного луча от области сопла вокруг входа соплового отверстия отражается к датчику двумерного изображения. При этом датчиком изображения может быть получено изображение области сопла вокруг входа соплового отверстия, на котором может распознаваться вход соплового отверстия. То, что лазерный свет лазерного луча ʺотражаетсяʺ от области сопла вокруг входа соплового отверстия к датчику двумерного изображения, в этой связи должно пониматься в широком значении. Область сопла вокруг входа соплового отверстия может быть выполнена так, чтобы быть, например, отражающей в смысле отражающего зеркала, отражая большую долю лазерного света. Однако, область сопла вокруг входа соплового отверстия также может быть выполнена, например, очень слабо отражающей или диффузно рассеивающей. Достаточно, если по меньшей мере малая доля лазерного света лазерного луча отражается от области сопла вокруг входа соплового отверстия к двумерному датчику изображения. Поэтому достаточно, если область сопла вокруг входа соплового отверстия в достаточной степени подсвечивается расфокусированным лазерным лучом так, что достаточно лазерного света лазерного луча от подсвеченной области сопла вокруг входа соплового отверстия возвращается назад к датчику изображения, так что можно распознать вход соплового отверстия в изображении области сопла вокруг входа соплового отверстия. Доля возвращенного или отраженного лазерного света может быть большой или очень малой, соответственно, при условии, что вход соплового отверстия можно распознать на изображении области сопла вокруг входа соплового отверстия.
Предпочтительно, обрабатывающая головка этого устройства жидкоструйной лазерной обработки и устройства жидкоструйной лазерной обработки, используемого в этом способе, представляет собой обрабатывающую головку в соответствии с ранее описанным первым изобретением. Таким образом, достигаются преимущества первого изобретения, а также преимущества, упомянутые для второго изобретения. Однако, обрабатывающая головка может быть также выполнена любым другим способом, при условии, что она имеет сопло с сопловым отверстием для формирования струи жидкости и служит цели ввода лазерного луча в струю жидкости. В этом случае достигаются преимущества, упомянутые для второго изобретения.
Кроме того, устройство фокусировки, с помощью которого лазерный луч может быть сфокусирован на вход соплового отверстия, может быть выполнено любым образом и может включать в себя множество элементов. Так, оно может содержать, например, оптический блок, который имеется в ранее описанной обрабатывающей головке. Однако оно также может включать в себя оптический блок совершенно другой конструкции. Кроме того, оно может, например, включать в себя коллимационный блок, который служит для коллимации лазерного луча в параллельный или почти параллельный луч, который может быть сфокусирован с помощью блока оптики на вход соплового отверстия.
Для второго изобретения является несущественным, каким образом лазерный луч может быть расфокусирован на входе соплового отверстия. Важно только то, что лазерный луч может быть расфокусирован таким образом, что лазерный свет расфокусированного лазерного луча отражается от области сопла вокруг входа соплового отверстия к датчику изображения. Таким образом, устройство жидкоструйной лазерной обработки может, например, включать в себя вводимый в путь пучка и выводимый из пути пучка лазерного луча подвижный оптический элемент, который при размещении на пути пучка диффузно рассеивает лазерный луч так, чтобы расфокусировать лазерный луч на входе соплового отверстия. При этом оптический элемент может диффузно пропускать или диффузно отражать лазерный луч. Однако, также существует возможность того, что устройство жидкоструйной лазерной обработки не имеет такого оптического элемента, который диффузно рассеивает, но фокальная точка лазерного луча, если смотреть в направлении луча, может фокусироваться устройством фокусировки в направлении луча в положение перед или позади входа соплового отверстия таким образом, что лазерный свет лазерного луча является расфокусированным из области сопла вокруг входа соплового отверстия и отражается от этой области к датчику изображения таким образом, что датчиком изображения может быть получено изображение области сопла вокруг входа соплового отверстия, на котором может распознаваться вход соплового отверстия.
Изображение, которое может быть получено датчиком изображения, может представлять собой одно изображение или последовательность изображений, как в фильме. Соответственно, имеются различные возможности выполнения датчика изображения. Он может, например, обеспечить съемку (запись) отдельных изображений или съемку последовательности изображений, или съемку фильмов. Например, датчик изображения может представлять собой ПЗС-камеру или камеру другого типа. Независимо от типа конструкции датчика изображения, предпочтительно, когда датчик изображения является чувствительным для отраженного областью сопла вокруг входа соплового отверстия лазерного света лазерного луча. Это облегчает распознавание входа соплового отверстия в изображении, поскольку сопловое отверстие, в отличие от окружающей области сопла, не отражает лазерный свет лазерного луча. Соответственно поэтому сопловое отверстие на изображении представляется как темнота или как не подсвеченная область.
Независимо от того, каким точно образом выполнен датчик изображения, решение согласно второму изобретению имеет то преимущество, что способ и устройство жидкоструйной лазерной обработки не требуют никакого дополнительного источника света, которым может подсвечиваться область сопла вокруг входа соплового отверстия, чтобы с помощью датчика изображения было получено (записано) изображение области сопла вокруг входа соплового отверстия. Соответственно, с помощью этого решения обеспечивается упрощение как устройства жидкоструйной лазерной обработки, так и способа фокусировки лазерного луча в сопловом отверстии сопла.
Устройство жидкоструйной лазерной обработки предпочтительно включает в себя первое зеркало для отклонения лазерного луча и второе зеркало для отклонения лазерного луча, причем приводимое в движение первым двигателем первое зеркало выполнено с возможностью поворота только вокруг первой оси и приводимое в движение вторым двигателем второе зеркало выполнено с возможностью поворота только вокруг второй оси, причем первая ось ориентирована относительно второй оси таким образом, что при поворотном перемещении первого зеркала вокруг первой оси лазерный луч может перемещаться вдоль первой прямой линии в области сопла вокруг входа соплового отверстия, в то время как при поворотном перемещении второго зеркала вокруг второй оси лазерный луч может перемещаться вдоль второй прямой линии в области сопла вокруг входа соплового отверстия, причем первая и вторая прямые линии расположены под углом друг к другу и поэтому пересекаются. При этом прямые линии могут быть полностью прямыми или иметь незначительные изгибы. Эти изгибы могут, например, быть обусловлены искажениями в оптике, с помощью которой лазерный луч фокусируется в фокальной точке. Независимо от этого, оба зеркала с их управляемыми поворотными перемещениями имеют то преимущество, что они упрощают контролируемое перемещение фокальной точки лазерного луча по области сопла вокруг входа соплового отверстия и по входу соплового отверстия.
В его предпочтительном варианте первая и вторая прямые линии расположены по существу взаимно перпендикулярно. Это имеет преимущество, состоящее в том, что обеспечивается возможность оптимально контролируемого перемещения фокальной точки лазерного луча по области сопла вокруг входа соплового отверстия и по входу соплового отверстия.
В его предпочтительном варианте устройство жидкоструйной лазерной обработки включает в себя первое зеркало для отклонения лазерного луча и второе зеркало для отклонения лазерного луча, причем приводимое в движение первым двигателем первое зеркало выполнено с возможностью поворота только вокруг первой оси, а приводимое в движение вторым двигателем второе зеркало выполнено с возможностью поворота только вокруг второй оси, причем первая ось и вторая ось расположены по существу взаимно перпендикулярно. Это имеет также то преимущество, что упомянутые оси упрощают контролируемое перемещение фокальной точки лазерного луча по области сопла вокруг входа соплового отверстия и по входу соплового отверстия.
В качестве его альтернативы, однако, существует также возможность того, что устройство жидкоструйной лазерной обработки не включает в себя какие-либо первое и второе зеркала, а что фокальная точка лазерного луча может перемещаться по области сопла вокруг входа соплового отверстия и по входу соплового отверстия иным образом. Так, например, устройство жидкоструйной лазерной обработки также может включать в себя зеркало для отклонения лазерного луча, которое, приводимое в движение одним или двумя двигателя, выполнено с возможностью поворота вокруг первой оси и вокруг второй оси, причем первая ось ориентирована таким образом относительно второй оси, что при поворотном перемещении зеркала вокруг первой оси лазерный луч может перемещаться вдоль первой прямой линии по области сопла вокруг входа соплового отверстия, в то время как при поворотном перемещении зеркала вокруг второй оси лазерный луч может перемещаться вдоль второй прямой линии по области сопла вокруг входа соплового отверстия, причем первая и вторая прямые линии расположены под углом друг к другу и поэтому пересекаются.
Предпочтительно, устройство фокусировки включает в себя коллимационный блок для коллимации лазерного луча в параллельный или почти параллельный луч и оптический блок для фокусировки параллельного или почти параллельного луча в фокальную точку. Это имеет преимущество, состоящее в том, что может быть достигнута оптимальная фокусировка лазерного луча.
В качестве альтернативы к этому, однако, существует также возможность того, что устройство фокусировки не содержит какого-либо коллимационного блока для коллимации лазерного луча в параллельный или почти параллельный луч. Таким образом, устройство фокусировки может содержать, например, только оптический блок для фокусировки лазерного луча. Однако, оно может также включать в себя оптический блок для фокусировки лазерного луча и один или множество других оптических элементов. Такая альтернатива имеет преимущество, состоящее в упрощении конструкции устройства жидкоструйной лазерной обработки.
Если устройство фокусировки включает в себя коллимационный блок для коллимации лазерного луча в параллельный или почти параллельный луч и оптический блок для фокусировки параллельного или почти параллельного луча в фокальную точку, то предпочтительно весь коллимационный блок или предпочтительно отдельные оптические элементы коллимационного блока являются подвижными, чтобы изменять коллимацию лазерного луча и тем самым изменять расстояние от фокальной точки лазерного луча до оптического блока.
В его предпочтительном варианте весь коллимационный блок или отдельные оптические элементы коллимационного блока являются подвижными как в направлении луча, так и противоположно направлению луча, чтобы изменять коллимацию лазерного луча и тем самым изменять расстояние от фокальной точки лазерного луча до оптического блока.
В одном дополнительном предпочтительном варианте коллимация лазерного луча регулируется иным образом. Так, коллимационный блок может включать в себя, например, по меньшей мере одну деформируемую линзу, чтобы изменять коллимацию лазерного луча и тем самым изменять расстояние от фокальной точки лазерного луча до оптического блока.
В трех вышеописанных вариантах изменение коллимации означает, что форма лазерного луча после коллимационного блока изменяется посредством коллимационного блока. Так, лазерный луч между коллимационным блоком и оптическим блоком может коллимироваться, например, идеальным образом, так что световые лучи лазерного луча проходят точно параллельно друг другу. Однако, лазерный луч между блоком фокусировки и оптическим блоком может быть не идеально коллимированным, так что световые лучи лазерного луча проходят слегка сходящимися или слегка расходящимися относительно друг от друга. При изменении коллимации лазерного луча этот профиль параллельности, сходимости или расходимости световых лучей лазерного луча между коллимационным блоком и оптическим блоком изменяется. За счет этого изменения при неподвижном, статическом оптическом блоке расстояние от фокальной точки лазерного луча до оптического блока изменяется и может точно регулироваться. При этом может использоваться неподвижный, статический оптический блок. Он может конструироваться более компактным, чем оптический блок с подвижными элементами для повторной регулировки расстояния от фокальной точки лазерного луча до оптического блока. Поэтому такой неподвижный статический оптический блок может быть размещен ближе к входу соплового отверстия. Тем самым лазерный луч может фокусироваться в фокальной точке с меньшим диаметром, измеряемым поперечно к направлению луча. Соответственно, изменение коллимации лазерного луча имеет то преимущество, что лазерный луч может вводиться в струю жидкости с меньшим поперечным сечением. Меньшее поперечное сечение струи жидкости, в свою очередь, обеспечивает более точную обработку обрабатываемых объектов.
В качестве альтернативы, однако, также возможно, что коллимация лазерного луча не изменяется с помощью коллимационного блока.
Если коллимация лазерного луча может изменяться с помощью коллимационного блока, чтобы изменять расстояние от фокальной точки лазерного луча до оптического блока, то фокальная точка лазерного луча предпочтительно может позиционироваться на входе соплового отверстия, чтобы фокусировать лазерный луч на вход соплового отверстия для ввода в струю жидкости. Кроме того, фокальная точка лазерного луча предпочтительно может позиционироваться дальше от оптического блока, чем от входа соплового отверстия, чтобы расфокусировать лазерный луч от входа соплового отверстия так, что лазерный свет лазерного луча отражается от области сопла вокруг входа соплового отверстия к датчику изображения, чтобы с помощью датчика изображения могло быть получено изображение области сопла вокруг входа соплового отверстия, в котором может распознаваться вход соплового отверстия. Это имеет преимущество, состоящее в том, что лазерный луч простым способом может вводиться в струю жидкости и может быть простым способом расфокусирован, чтобы с помощью датчика изображения получать изображение области сопла вокруг входа соплового отверстия.
В качестве альтернативы, однако, также возможно, что фокальная точка лазерного луча может позиционироваться не посредством изменения коллимации лазерного луча на входе соплового отверстия, а еще дальше от оптического блока, чем от входа соплового отверстия. Так, фокальная точка лазерного луча может позиционироваться, например, путем изменения коллимации лазерного луча на входе соплового отверстия и ближе к оптическому блоку, чем к входу соплового отверстия. Кроме того, существует также возможность того, что весь оптический блок или отдельные оптические элементы оптического блока являются подвижными, чтобы позиционировать фокальную точку лазерного луча на входе соплового отверстия, а также дальше от оптического блока, чем от входа соплового отверстия, или ближе к оптическому элементу, чем ко входу соплового отверстия.
Способ фокусировки лазерного луча в сопловом отверстии сопла устройства жидкоструйной лазерной обработки предпочтительно включает в себя второй этап, на котором маркируют сопловое отверстие на изображении, полученном датчиком изображения с использованием маркировки, которая может переноситься на другое изображение, полученное датчиком изображения, для установления на этом другом изображении положения соплового отверстия. При этом маркировка может быть маской, переносимой виртуально или физически на другое изображение. Маркировка также может быть задана координатами положения соплового отверстия в изображении, полученном датчиком изображения, на основании которых положение соплового отверстия может быть определено на другом изображении, полученном датчиком изображения. Если датчик изображения представляет собой ПЗС-камеру, то маркировка может быть информацией о пикселях камеры, в отношении области, на которой сопловое отверстие находится на изображении. Независимо от конкретной формы маркировки, это имеет преимущество, состоящее в том, что в изображении, в котором сопловое отверстие не может быть распознано, положение соплового отверстия может быть обозначено посредством маркировки. Соответственно, это дает возможность определять положение соплового отверстия в изображении, которое было получено датчиком изображения в тот момент времени, когда лазерный луч не был расфокусирован от входа соплового отверстия. Если лазерный луч при получении этого изображения был сфокусирован в точку в области сопла вокруг входа соплового отверстия, то при этом можно также определить, где фокальная точка лазерного луча позиционировалась в момент времени получения изображения относительно входа соплового отверстия.
В качестве альтернативы, однако, также возможно, что способ не включает в себя такой второй этап.
Если способ включает в себя второй этап, на котором маркируют сопловое отверстие в изображении, полученном с помощью датчика изображения, маркировкой, которая может быть перенесена на другое изображение датчика изображения для определения положения соплового отверстия на этом другом изображении, маркировка предпочтительно дополняется двумя прямыми линиями, пересекающимися под прямым углом, точка пересечения которых расположена в центре соплового отверстия. Это имеет то преимущество, что при переносе маркировки на другое изображение можно проще установить, где фокальная точка лазерного луча была позиционирована при получении этого другого изображения относительно входа соплового отверстия.
В его предпочтительном варианте маркировка дополняется одной или множеством других линий, которые упрощают установление позиционирования на другом изображении фокальной точки лазерного луча относительно входа соплового отверстия.
В качестве альтернативы, однако, также возможно, что маркировка не дополняется дополнительными линиями.
Предпочтительно, способ включает в себя дополнительный этап, на котором лазерный луч фокусируется в положение в области сопла вокруг входа соплового отверстия, и с помощью датчика изображения получают другое изображение области сопла вокруг входа соплового отверстия. Предпочтительным образом, при этом мощность лазерного луча снижается, чтобы область сопла вокруг входа соплового отверстия не повредить лазерным лучом. Если, напротив, материал сопла вокруг входа соплового отверстия не повреждается сфокусированным лазерным лучом с полной мощностью, то лазерный луч может фокусироваться также с полной мощностью в положение в области сопла вокруг входа. Независимо от мощности лазерного луча, этот этап имеет то преимущество, что путем получения одного или множества дополнительных изображений с помощью датчика изображения может проверяться, насколько хорошо лазерный луч сфокусирован на области сопла вокруг входа соплового отверстия. Путем необязательного повторения этого этапа становится возможным устанавливать фокальную точку на ту же плоскость, что и область сопла вокруг входа соплового отверстия. Этот этап также имеет то преимущество, что может определяться, как фокальная точка лазерного луча позиционирована относительно входа соплового отверстия. Кроме того, если известно, как фокальная точка может перемещаться на конкретное расстояние и в конкретном направлении по области сопла вокруг входа соплового отверстия, то тем самым фокальная точка лазерного луча может позиционироваться на входе соплового отверстия для ввода лазерного луча в струю жидкости.
В качестве альтернативы, однако, также возможно, что способ не включает в себя подобный этап.
Если способ включает в себя второй этап, на котором маркируют сопловое отверстие в изображении, полученном с помощью датчика изображения, маркировкой, которая может переноситься на другое изображение, полученное датчиком изображения, для определения положения соплового отверстия на этом другом изображении, и маркировка дополняется двумя пересекающимися под прямым углом прямыми линиями, точка пересечения которых расположена в центре соплового отверстия, и способ включает в себя дополнительный этап, на котором лазерный луч фокусируется в положение в области сопла вокруг входа соплового отверстия, и с помощью датчика изображения получают дополнительное изображение области сопла вокруг входа соплового отверстия, то способ включает в себя предпочтительно следующие три дополнительных этапа. Сначала фокальная точка лазерного луча позиционируется на первой из линий, пересекающихся под прямым углом, и применяемые для этого первые параметры позиционирования сохраняются. После этого, фокальная точка лазерного луча позиционируется на второй из пересекающихся под прямым углом линий, и применяемые для этого вторые параметры позиционирования сохраняются. После этого, фокальная точка лазерного луча позиционируется на основе сохраненных первых и вторых параметров позиционирования на входе соплового отверстия. В случае этих трех этапов позиционирование фокальной точки можно в каждом случае проверять посредством получения одного или множества дополнительных изображений с помощью датчика изображения. Преимуществом этих трех этапов является то, что фокальная точка лазерного луча простым способом может оптимально позиционироваться на входе соплового отверстия для ввода лазерного луча в струю жидкости.
В качестве альтернативы, однако, также возможно, что способ не содержит таких трех этапов.
Если применяемое устройство лазерной обработки включает в себя первое зеркало для отклонения лазерного луча и второе зеркало для отклонения лазерного луча, причем приводимое в движение первым двигателем первое зеркало выполнено с возможностью поворота только вокруг первой оси, а приводимое в движение вторым двигателем второе зеркало выполнено с возможностью поворота только вокруг второй оси, то одна из пересекающихся под прямым углом линий предпочтительно соответствует траектории движения, вдоль которой может перемещаться фокальная точка лазерного луча при повороте первого зеркала вокруг первой оси, в то время как другая из пересекающихся под прямым углом линий соответствует траектории движения, вдоль которой может перемещаться фокальная точка лазерного луча при повороте второго зеркала вокруг второй оси. В этом случае первые и вторые параметры позиционирования предпочтительно представляют собой углы поворота или ориентацию, соответственно, первого и второго зеркала вокруг первой и второй оси, соответственно.
В качестве альтернативы, однако, существует также возможность, что пересекающиеся линии не соответствуют этим траекториям движения.
Из приведенного ниже подробного описания и полной патентной формулы изобретения следуют дополнительные предпочтительные варианты осуществления и комбинации признаков изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Чертежи, используемые для объяснения примера выполнения, показывают следующее:
Фиг. 1 - схематичное представление поперечного сечения соответствующей изобретению обрабатывающей головки вдоль центральной оси обрабатывающей головки,
Фиг. 2 - схематичное представление в разобранном виде поперечного сечения обрабатывающей головки,
Фиг. 3 - схематичное представление поперечного сечения соплового блока,
Фиг. 4 - схематичное представление поперечного сечения соответствующего изобретению устройства жидкоструйной лазерной обработки с обрабатывающей головкой; и
Фиг. 5а-f - схематичные представления полученных (записанных) ПЗС-камерой изображений для иллюстрации соответствующего изобретению способа фокусировки лазерного луча в сопловом отверстии сопла устройства жидкоструйной лазерной обработки для ввода лазерного луча в струю жидкости, сформированную сопловым отверстием.
В принципе, на чертежах идентичные элементы снабжены одинаковыми ссылочными позициями.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 показывает схематичное представление поперечного сечения соответствующей изобретению обрабатывающей головки 1 вдоль центральной оси обрабатывающей головки 1. Эта центральная ось проходит на фиг. 1 в плоскости представления сверху вниз.
Обрабатывающая головка 1 относится к устройству жидкоструйной лазерной обработки (не показанному здесь более подробно). Это устройство жидкоструйной лазерной обработки содержит лазер, который может генерировать лазерный луч, или вход, через который в устройство жидкоструйной лазерной обработки может вводиться лазерный луч, генерируемый отдельным лазером. В обоих случаях лазерный луч 100 направляется в устройстве жидкоструйной лазерной обработки к обрабатывающей головке 1 для ввода в струю 200 жидкости.
В представлении в поперечном сечении на фиг. 1 лазерный луч 100 показан пунктирными линиями. Он проходит сверху вниз вдоль центральной оси обрабатывающей головки 1 в обрабатывающую головку 1 и вводится в обрабатывающей головке 1 в струю 200 жидкости, которая выходит из обрабатывающей головки 1 вдоль центральной оси обрабатывающей головки 1 в вершине обрабатывающей головки 1. Поэтому на фиг. 1 направление луча также проходит в плоскости представления сверху вниз.
Обрабатывающая головка 1 содержит оптический блок 2 и блок 3 ввода. Оптический блок 2 имеет передний конец, который в показанном представлении расположен по сравнению с остальным оптическим блоком 2 внизу. Внешняя оболочка этого переднего конца имеет форму боковой поверхности цилиндра (цилиндрическую форму), причем вращательно симметричная ось цилиндрической формы проходит вдоль центральной оси обрабатывающей головки 1 или вдоль центральной оси оптического блока 2. Внутри в переднем конце оптического блока 2 находится объектив 20, который включает в себя четыре линзы 21.1, 21.2, 21.3, 21.4. Последняя, если смотреть в направлении луча, линза 21.4 образует концевую часть переднего конца оптического блока 2. Таким образом, эта последняя, если смотреть в направлении луча, линза 21.4 является последним, если смотреть в направлении луча, оптическим элементом оптического блока 2.
Цилиндрическая форма переднего конца оптического блока 2 по существу сформирована передней областью лучевой трубки 22, в которой лазерный луч 100, приходящий из остальной части устройства лазерной обработки, со струей жидкости направляется в обрабатывающую головку 1. Объектив 20 расположен на переднем конце этой лучевой трубки 22 и служит для фокусировки лазерного луча 100 в фокальной точке перед оптическим блоком 2. Диаметр этой фокальной точки находится в диапазоне от 25 мкм до 40 мкм.
Блок 3 ввода включает в себя основной корпус 36, прозрачный элемент 30, сменный сопловой блок 33 и сменный блок 35 наконечника головки. В смонтированном состоянии обрабатывающей головки 1 блок 3 ввода, как показано на фиг. 1, соединен с оптическим блоком 2. В этом случае упомянутый блок 3 ввода своим основным корпусом 36 охватывает передний конец оптического блока 2 с объективом 20 и доходит противоположно направлению луча назад до положения за объективом 20. Чтобы сделать это возможным, основной корпус 36 имеет на одной стороне открытую полость с круглым поперечным сечением. На дне этой полости имеется прозрачный для лазерного света лазерного луча 100 элемент 30, чтобы лазерный луч 100, который выходит из оптического блока 2 через последнюю в направлении луча линзу 21.4 объектива 20, мог пройти в блок 3 ввода. Сбоку полость замыкается трубчатой стенкой 31 с круглым поперечным сечением. Противоположная полости наружная сторона стенки 31 также имеет круговое поперечное сечение. В противоположность внутренней стороне, диаметр поперечного сечения наружной стороны не везде одинаков. Только в области конца стенки 31, которая обращена в смонтированном состоянии обрабатывающей головки 1 к оптическому блоку 2, диаметр поперечного сечения наружной стороны является постоянным. Поэтому внешняя сторона конца стенки 31 в этой области имеет цилиндрическую форму. Если смотреть от обращенного к оптическому блоку 2 конца стенки 31, диаметр поперечного сечения наружной стенки 31 после этой цилиндрической области сначала увеличивается, чтобы затем конически сужаться к вершине.
Оптический блок 2 имеет на проксимальном конце своего переднего конца кольцеобразный паз, окружающий передний конец. При этом наружный край этого паза образует втулку 23. Когда блок 3 ввода соединен с оптическим блоком 2, то открытая сторона полости в основном корпусе 36 блока 3 ввода ориентирована противоположно направлению луча, и основной корпус 36 над передним концом оптического блока 2 отбортован, так что передний конец оптического блока 2 находится в полости основного корпуса 36. Область конца стенки 31 основного корпуса 36, которая обращена в смонтированном состоянии обрабатывающей головки 1 к оптическому блоку 2, находится при этом в пазу и окружается втулкой 23.
Втулка 23 оптического блока 2 имеет наружную сторону, которая конически сужается в направлении луча. На переднем конце втулки 23, эта наружная сторона переходит в конически сужающуюся область наружной стороны стенки 31 основного корпуса 36. Таким образом, втулка 23 и основной корпус 36 вместе образуют конус, который сужается в направлении луча. Измеренный между вращательно симметричной центральной осью конуса и наружной поверхностью конуса угол раскрыва этого конуса равен 23°. Этот угол раскрыва конуса также может быть меньше или больше. Он может составлять, например, 20° или менее. В зависимости от варианта выполнения, он также может составлять 30°, 45°, 60° или больше 60°.
Как уже упоминалось, на дне открытой с одной стороны полости основного корпуса 36 расположен элемент 30, прозрачный для лазерного света лазерного луча 100. Этот прозрачный элемент 30 имеет форму диска и ориентирован своими обеими основными плоскостями перпендикулярно к центральной оси обрабатывающей головки 1 и центральной оси блока 3 ввода. Одна из основных плоскостей прозрачного элемента 30 образует большую часть дна открытой с одной стороны полости основного корпуса 36. Другая основная плоскость прозрачного элемента 30, напротив, замыкает размещенную в основном корпусе 36 жидкостную камеру 32 по отношению к полости. Эта жидкостная камера 32 также является дискообразной и ориентирована своими обеими основными плоскостями перпендикулярно к центральной оси блока 3 ввода. Сменный сопловой блок 33 замыкает жидкостную камеру 32 на стороне, противолежащей прозрачному элементу 30. Этот сменный сопловой блок 33 образует сопло для формирования струи 200 жидкости. Упомянутый сопловой блок 33 является цилиндрическим в своей основной форме и имеет плоские основные плоскости на своих обоих концах, расположенных на его вращательно симметричной оси. На одном из этих обоих концов концентрично с цилиндрической основной формой расположено кольцо, диаметр которого, измеренный перпендикулярно к вращательно симметричной оси, больше диаметра остальной цилиндрической основной формы. Поэтому, когда сопловой блок 33 используется в основном корпусе 36 блока 3 ввода, это кольцо образует упор 34 и обеспечивает возможность позиционирования соплового блока 33 в основном корпусе 36 должным образом. Ввиду этого упора 34, сопловой блок 33 по существу имеет колпачковую форму.
В основной плоскости соплового блока 33, противолежащей упору 34, сопловой блок 33 имеет сопловое отверстие 37, которое имеет диаметр 70 мкм и которое проходит вдоль вращательно симметричной оси соплового блока 33. В смонтированном состоянии обрабатывающей головки 1, эта основная плоскость соплового блока 33 обращена к жидкостной камере 32, и вращательно симметричная ось соплового блока 33 проходит вдоль центральной оси обрабатывающей головки 1 или вдоль центральной оси блока 3 ввода. Таким образом, сопловое отверстие 37 проходит в смонтированном состоянии обрабатывающей головки 1 вдоль центральной оси обрабатывающей головки 1. При этом сопловое отверстие 37 не проходит через весь сопловой блок 33, а плавно переходит, если смотреть в направлении луча, в конически расширяющийся проем 38, который доходит через сопловой блок 33 до основной плоскости соплового блока 33, которая имеет упор 34. Это позволяет сопловому блоку 33 посредством соплового отверстия 37 с помощью жидкости из жидкостной камеры 32 формировать струю 200 жидкости, которая направлена вдоль центральной оси обрабатывающей головки 1 и, таким образом, выходит из соплового блока 33 в направлении луча через конически расширяющийся проем 38. В данном случае жидкость, используемая при этом, является водой. Тем не менее, вместо воды также может использоваться другая жидкость.
Как уже упоминалось выше, при работе обрабатывающей головки 1, лазерный луч 100 фокусируется объективом 20 оптического блока 2 в фокальной точке перед оптическим блоком 2. При этом фокальная точка позиционирована таким образом, что она лежит в начальной области соплового отверстия 37. Тем самым лазерный луч 100 фокусируется в формируемой сопловым отверстием 37 струе 200 жидкости, и вводится в струю 200 жидкости, где он остается введенным ввиду полного отражения на поверхности струи 200 жидкости.
Для снабжения жидкостью жидкостной камеры 40 и, таким образом, также струи 200 жидкости, оптический блок 2 имеет жидкостной канал 51, соединенный с источником жидкости (здесь не показан). Этот жидкостной канал 51 ведет к внутренней стороне втулки 23 оптического блока 2, где он заканчивается в отверстии. В смонтированном состоянии обрабатывающей головки 1 это отверстие жидкостного канала 51 в оптическом блоке 2 прилегает к отверстию в конце блока 3 ввода, который обращен к оптическому блоку 2. Это отверстие в блоке 3 ввода образует вход в другой жидкостной канал 42, который ведет через основной корпус 36 блока 3 ввода к жидкостной камере 32. Тем самым оба прилегающих друг к другу отверстия в оптическом блоке 2 и блоке 3 ввода образуют жидкостной канал 50, через который жидкостная камера 32 от оптического блока 2 снабжается жидкостью. Соответственно, струя 200 жидкости может снабжаться жидкостью через жидкостной канал 50.
На жидкостном канале 50 через отверстие в оптическом блоке 2 выводится жидкость, которая направляется в отверстие в блоке 3 ввода. При этом отверстие в оптическом блоке 2 расположено на внутренней стороне втулки 23, которая имеет форму внутренней стороны цилиндрической поверхности. Вращательно симметричная ось этой цилиндрической поверхности совпадает с центральной осью оптического блока 2 и, таким образом, с центральной осью обрабатывающей головки 1. Тем самым, эта цилиндрическая поверхность в смонтированном состоянии обрабатывающей головки 1 ориентирована параллельно направлению луча. Отверстие в блоке 3 ввода, напротив, расположено на наружной стороне конца блока 3 ввода, который обращен к оптическому блоку 2. Эта наружная сторона имеет форму наружной стороны цилиндрической поверхности, вращательно симметричная ось которой соответствует центральной оси блока 3 ввода. Таким образом, эта цилиндрическая поверхность также ориентирована параллельно направлению луча, если обрабатывающая головка 1 смонтирована.
Поверхность жидкостного канала для жидкостного канала 50 определяется теми областями цилиндрических поверхностей, которые расположены вокруг связанного с жидкостным каналом 50 отверстия в оптическом блоке 2 и связанного с жидкостным каналом 50 отверстия в блоке 3 ввода. При этом поверхность жидкостного канала простирается от расположенных вокруг отверстий областей цилиндрических поверхностей непрерывно по области отверстий. Поэтому поверхность жидкостного канала расположена на цилиндрической поверхности, ось вращательной симметрии которой соответствует центральной оси блока 3 ввода. При этом поверхность жидкостного канала ограничена, однако, областью отверстий, так как жидкостной канал 50 ограничен этой областью. При этом поверхность жидкостного канала ориентирована параллельно направлению луча.
Поскольку жидкостной канал 50 в смонтированном состоянии обрабатывающей головки 1 и если смотреть в направлении луча, находится на одном уровне с втулкой 23 оптического блока 2, лазерный луч 100 проходит жидкостной канал 50, прежде чем он проходит через объектив 20 оптического блока 2. Соответственно, жидкостной канал 50 находится, если смотреть в направлении луча, перед последней в направлении луча линзой 21.4 объектива 20.
Блок 35 наконечника головки блока 3 ввода имеет по существу коническую внешнюю форму. Он также имеет в своей внутренней части проем 39, который проходит вдоль его продольной оси через блок 35 наконечника головки и также имеет коническую форму. При сборке обрабатывающей головки 1 блок 35 наконечника головки монтируется на основном корпусе 36 блока 3 ввода. В этом случае он проходит со своей продольной осью вдоль центральной оси обрабатывающей головки 1 и образует своей конической наружной формой вершину конуса, образованного втулкой 23 и основным корпусом 36. При этом в своей внутренней части конический проем 39 ориентирован таким образом, что он сужается по направлению к вершине наружной формы.
В смонтированном состоянии обрабатывающей головки 1 блок 35 наконечника головки своим обращенным к основному корпусу 36 блока 3 ввода удерживает сопловой блок 33 в его положении в основном корпусе 36 блока 3 ввода. При этом обращенная к сопловому блоку 33 сторона проема 39 в блоке 35 наконечника головки находится непосредственно на конически расширяющемся проеме 38 в сопловом блоке 33. В результате проем 38 в сопловом блоке 33 и проем 39 в блоке 35 наконечника головки образуют полость в обрабатывающей головке 1, которая в плоскости сечения вдоль центральной оси обрабатывающей головки 1 имеет по существу ромбовидное поперечное сечение. Это полость образует газовую напорную камеру 40. При работе обрабатывающей головки 1 струя 200 жидкости, формируемая сопловым отверстием 37, проходит через эту газовую напорную камеру 40 и выходит из обрабатывающей головки 1 через суженную сторону конусообразного проема 39 в блоке 35 наконечника головки. Но при этом струя 200 жидкости не касается края суженной стороны проема 39, но оставляет небольшой зазор вокруг. Через этот зазор может выходить газ из газовой напорной камеры для формирования газовой струи, окружающей струю 200 жидкости. Поэтому суженная сторона конусообразного проема 39 в блоке 35 наконечника головки образует сопло 62 выпуска газа. Сформированная этим соплом 62 выпуска газа, окружающая струю 200 жидкости газовая струя служит для стабилизации струи 200 жидкости таким образом, что она стабильна на большем расстоянии от блока 35 наконечника головки и только после этого становится неустойчивой и распадается на отдельные капли. Тем самым обеспечивается то, что лазерный луч 100 на большем расстоянии остается введенным в струю 200 жидкости.
Для того чтобы снабжать газовую напорную камеру 40 газом, оптический блок 2 содержит газовый канал 61, соединенный с не показанным здесь источником газа. Этот газовый канал 61 ведет к внутренней стороне втулки 23 оптического блока 2, где он заканчивается в отверстии. В смонтированном состоянии обрабатывающей головки 1 это отверстие газового канала 61 в оптическом блоке 2 прилегает к отверстию в конце блока 3 ввода, который обращен к оптическому блоку 2. Это отверстие в блоке 3 ввода образует вход в другой газовый канал 41, который ведет через основной корпус 36 блока 3 ввода и блок 35 наконечника головки к проему 39 в блоке 35 наконечника головки. Тем самым оба прилегающих друг к другу отверстия в оптическом блоке 2 и блоке 3 ввода образуют газовый канал 60, через который газовая напорная камера 40 может обеспечиваться газом от оптического блока 2.
Поверхность газового канала для газового канала 60 определяется теми областями цилиндрических поверхностей, которые расположены вокруг принадлежащего газовому каналу 60 отверстия в оптическом блоке 2 и принадлежащего газовому каналу 60 отверстия в блоке 3 ввода. При этом поверхность газового канала простирается от этих окружающих областей цилиндрических поверхностей непрерывно по области отверстий. Поэтому поверхность газового канала лежит также на цилиндрической поверхности, вращательно симметричная ось которой соответствует центральной оси блока 3 ввода. При этом поверхность газового канала ограничена, однако, областью отверстий, так как газовый канал 60 ограничен этой областью. При этом поверхность газового канала ориентирована параллельно направлению луча.
Поскольку газовый канал 60 в смонтированном состоянии обрабатывающей головки 1 и если смотреть в направлении луча находится на одном уровне с втулкой 23 оптического блока 2, лазерный луч 100 проходит газовый канал 60, прежде чем он проходит через объектив 20 оптического блока 2. Соответственно, газовый канал 60 находится, как жидкостной канал 50, если смотреть в направлении луча, перед последней в направлении луча линзой 21.4 объектива 20. Такое расположение газового канала 60 и жидкостного канала 50 обеспечивает конструкцию обрабатывающей головки 1, в которой внешняя форма оптического блока 2 и блока 3 ввода сужается, если смотреть в направлении луча. Это позволяет наклонять обрабатывающую головку 1 по отношению к обрабатываемому объекту и при этом достигать объект стабильной областью струи 200 жидкости без столкновения обрабатывающей головки 1 с объектом. Соответственно, за счет такого расположения облегчается трехмерная обработка объектов. Кроме того, расположение объектива 20, если смотреть в направлении луча, после жидкостного канала 50 и газового канала 60 на переднем конце оптического блока 2 обеспечивает то, что фокусировка лазерного луча 100 осуществляется лишь на небольшом расстоянии перед сопловым отверстием 37. За счет этого объектив может иметь короткое фокусное расстояние и тем не менее может фокусировать лазерный луч в фокальной точке во входной области соплового отверстия 37. Это позволяет фокусировать лазерный луч 100 в фокальной точке с небольшим диаметром. Соответственно, эта конструкция обрабатывающей головки 1 обеспечивает то, что лазерный луч 100 может вводиться в струю 200 жидкости с небольшим диаметром.
Даже если жидкостной канал 50 и газовый канал 60 в направлении пучка находятся перед последней линзой 21.4 объектива 20, газовый канал 60, если смотреть в направлении луча 60, расположен не на том же уровне, что и жидкостной канал 50, но находится, если смотреть в направлении луча, несколько после жидкостного канала 50. Тем самым обеспечивается возможность того, что газовый канал 60 и жидкостной канал 50 могут быть отделены друг от друга посредством уплотнения. Для этого цилиндрическая область конца блока 3 ввода, который в смонтированном состоянии обрабатывающей головки 1 обращен к оптическому блоку 2, имеет три концентрически окружающих уплотнительных кольца (не показаны на фиг. 1). Первое из этих уплотнительных колец проходит, если смотреть в направлении луча, перед жидкостным каналом 50, в то время как второе из этих уплотнительных колец проходит между жидкостным каналом 50 и газовым каналом 60, а третье из уплотнительных колец расположено, если смотреть в направлении луча, после газового канала 60. Тем самым жидкостной канал 50 и газовый канал 60 взаимно разделены таким образом, что никакая жидкость не может попадать от жидкостного канала 50 к газовому каналу 60, и никакой газ не может проходить от газового канала 60 к жидкостному каналу 50. Кроме того, тем самым жидкостной канал 50 и газовый канал 60 также уплотнены наружу, так что ни жидкость, ни газ не могут вытекать между оптическим блоком 2 и блоком 3 ввода.
Фиг. 2 показывает, подобно фиг. 1, схематичное изображение поперечного сечения обрабатывающей головки 1 вдоль центральной оси обрабатывающей головки 1. В отличие от фиг. 1, однако, фиг. 2 показывает представление в разобранном виде. Таким образом, можно видеть оптический блок 2 с втулкой 23 и передним концом с объективом 20 в качестве отдельного элемента обрабатывающей головки 1. Кроме того, также можно видеть основной корпус 36 блока 3 ввода и прозрачный элемент 30, сопловой блок 33 и блок 35 наконечника головки в качестве отдельных элементов.
Фиг. 3 показывает схематичное представление поперечного сечения соплового блока 33. За счет увеличенного по сравнению с фиг. 1 и 2 представления, на фиг. 3 можно видеть детали соплового блока 33. Так, можно видеть, что сопловое отверстие 37 расположено во вставке 70, которая вставлена в соответствующей основной поверхности соплового блока 33. Эта вставка 70 имеет цилиндрическую форму. В одной из ее обеих плоских основных плоскостей расположено сопловое отверстие 37, которое вдоль вращательно симметричной оси вставки 70 переходит в конически расширяющийся проем 71 во вставке 70. Когда вставка 70, как показано здесь, вставлена в остальную часть соплового блока 33, конический проем 71 вставки 70 переходит в коническое отверстие 38 соплового блока 33.
Первое изобретение не ограничено примером выполнения, показанным на фиг. 1-3. Возможны различные вариации этого примера выполнения. Так, например, наружная форма обрабатывающей головки может отличаться от конической. Кроме того, как оптический блок, так и блок ввода могут иметь другую форму. Кроме того, жидкостной канал и газовый канал могут быть расположены в другом месте и сформированы иначе. Они могут, например, быть расположены на самом внешнем конце обращенного к оптическому блоку блока ввода. Кроме того, поверхности канала также могут быть ориентированы, например, под углом к направлению луча или лежать в плоскости, ориентированной перпендикулярно направлению луча.
Кроме того, ход жидкостного канала и газового канала внутри оптического блока и внутри блока ввода может проходить иным образом. Например, существует возможность того, что газовый канал ведет не от основного корпуса блока ввода через блок наконечника головки, а через сопловой блок или непосредственно от основного корпуса блока ввода к газовой напорной камере. Также существует возможность того, что блок ввода не имеет сменного блока наконечника головки.
Независимо от этих вариантов обрабатывающая головка также может обходиться без газовой напорной камеры. В этом случае газовый канал может, например, непосредственно соединяться с соплом выпуска газа. Но также существует возможность того, что обрабатывающая головка может даже не формировать газовую струю, окружающую струю жидкости. В этом случае не требуется ни газового канала, газового канала, газовой напорной камеры, ни сопла выпуска газа.
Кроме того, существует возможность того, что сопловой блок выполнен иным образом. Например, он может иметь другую форму. Но он также может быть выполнен монолитным и, таким образом, без вставки. Кроме того, также существует возможность того, что сопловое отверстие имеет диаметр иной, чем 70 мкм. Таким образом, сопловое отверстие может, например, иметь диаметр в диапазоне от 20 мкм до 150 мкм. Этот диаметр также может быть 20 мкм или меньше или 150 мкм или больше. Точно так же, диаметр фокальной точки лазерного луча 100 может отклоняться от диапазона, составляющего от 25 мкм до 40 мкм.
Фиг. 4 показывает схематичное представление поперечного сечения устройства 300 жидкоструйной лазерной обработки согласно второму изобретению. Показанное поперечное сечение проходит вдоль пути пучка лазерного луча 100. Соответственно, путь пучка лазерного луча 100 проходит по существу в плоскости представления. При этом устройство 300 жидкоструйной лазерной обработки показано ориентированным таким образом, что верх и низ в представлении соответствуют верху и низу в устройстве 300 жидкоструйной лазерной обработки.
Устройство 300 жидкоструйной лазерной обработки содержит лучевую трубку 301, которая окружает путь пучка лазерного луча 100. Эта лучевая трубка 301 имеет три плеча 302.1, 302.2, 302.3, которые соединены разветвителем. Свободный конец первого плеча 302.1 лучевой трубки 301 образован обрабатывающей головкой 1 согласно первому изобретению. В данном случае речь идет об обрабатывающей головке 1, подробно описанной со ссылками на фиг. 1-3. На фиг. 4 обрабатывающая головка 1 представлена, напротив, сильно упрощенно, без соблюдения корректных пропорций представленных элементов. Свободный конец второго плеча 302.2 лучевой трубки 301 образует затвор пути пучка лазерного луча 100. На внутренней стороне этого затвора в качестве датчика изображения расположена ПЗС-камера 303, которая чувствительна к свету с длиной волны лазерного луча 100. Свободный конец третьего плеча 302.3 лучевой трубки 301 хотя тоже закрыт, но имеет вход 304. Через этот вход 304 лазерный луч 100, генерируемый лазером, отдельным от устройства 300 жидкоструйной лазерной обработки, подводится в устройство 300 лазерной обработки со струей жидкости посредством не показанного здесь стекловолокна или посредством не показанного здесь волновода. В модификации этого варианта осуществления устройство 300 жидкоструйной лазерной обработки может также включать в себя вместо входа 304 собственный лазер для генерирования лазерного луча 100.
Свободный конец третьего плеча 302.3 указывает вверх, так что вход 304 открыт вверх. Поэтому лазерный луч 100 поступает сверху вниз через вход 304 в устройство 300 жидкоструйной лазерной обработки. Поэтому направление луча для лазерного луча 100 проходит внутри этого свободного конца третьего плеча 302.3 сверху вниз. Здесь лазерный луч 100 проходит через коллимационный блок 305, который коллимирует лазерный луч 100. Для изменения коллимации лазерного луча 100 коллимационный блок 305 может перемещаться в направлении луча или противоположно направлению луча. Таким образом, лазерный луч 100 после коллимационного блока 305 может быть идеально коллимированным при соответствующем позиционировании коллимационного блока 305, так что световые лучи лазерного луча 100 после коллимационного блока 305 проходят точно параллельно друг другу. Однако, коллимационный блок 305 также может позиционироваться иным образом так, что лазерный луч 100 после коллимационного блока 305 не является идеально коллимированным, а световые лучи лазерного луча 100 проходят слегка сходящимися или слегка расходящимися относительно друг друга. Таким образом, параллельность, сходимость или расходимость световых лучей лазерного луча 100 после коллимационного блока 205 может устанавливаться путем соответствующего позиционирования коллимационного блока 305 в лучевой трубке, как это требуется.
Если смотреть в направлении луча, третье плечо 302.3 лучевой трубки 301 после коллимационного блока 305 имеет прямоугольный изгиб, после чего лучевая трубка 301 проходит в горизонтальном направлении. В этом изгибе расположено первое зеркало 306, которое отражает лазерный луч 100 так, что лазерный луч 100 после первого зеркала 306 проходит на горизонтальном участке лучевой трубки 301. Первое зеркало 306, приводимое в движение не показанным здесь приводным двигателем, выполнено с возможностью поворота вокруг первой оси 307. Эта первая ось 307 ориентирована горизонтально и направлена вертикально от плоскости представления. Таким образом, первая ось 307 ориентирована под прямым углом к направлению луча для лазерного луча 100 перед и после первого зеркала 306. Следовательно, при установке ориентации первого зеркала 306 относительно первой оси 307 направление луча для лазерного луча 100 после первого зеркала 306 может ориентироваться точно горизонтально или с небольшим наклоном вверх или с небольшим наклоном вниз.
Горизонтально проходящий участок третьего плеча 302.3 лучевой трубки 301 проходит, начиная от изгиба в третьем плече 302.3, к разветвлению лучевой трубки 301. Исходя от разветвления, первое плечо 302.1 лучевой трубки 301 проходит вертикально вниз, и второе плечо 302.2 лучевой трубки 301 проходит вертикально вверх. В разветвлении размещено второе зеркало 308, которое отражает лазерный луч 100 так, что лазерный луч 100 после второго зеркала 308 распространяется в первом плече 302.1 лучевой трубки 301 вниз. Второе зеркало 308, приводимое в движение не показанным здесь приводным двигателем, выполнено с возможностью поворота вокруг второй оси 309. Эта вторая ось 309 лежит в плоскости представления и, следовательно, ориентирована под прямым углом к первой оси 307. Она направлена под углом 45° от положения наклонно снизу к положению наклонно вверх приблизительно в направлении свободного конца третьего плеча 302.3 лучевой трубки 301. При установке ориентации второго зеркала 308 относительно второй оси 309 может устанавливаться направление луча для лазерного луча 100 после второго зеркала 308. Это позволяет поддерживать направление луча для лазерного луча 100 после второго зеркала 308, в зависимости от требований, точно в плоскости представления или слегка наклонять от плоскости представления к наблюдателю или от наблюдателя.
В свободном конце проходящего вертикально вниз первого плеча 302.1 лучевой трубки 301 лазерный луч 100 фокусируется оптическим блоком 2 в обрабатывающей головке 1 в фокальную точку. Следовательно, при установке ориентации второго зеркала 308 относительно второй оси 309 может устанавливаться положение фокальной точки лазерного луча 100 в одном направлении перпендикулярно плоскости представления. Кроме того, при установке ориентации первого зеркала 306 относительно первой оси 307 может устанавливаться положение фокальной точки в направлении, перпендикулярном ориентации первого плеча 302.1 лучевой трубки 301, которое проходит параллельно к плоскости представления. Таким образом, оба зеркала 306, 308 обеспечивают возможность позиционирования лазерного луча 100 в обрабатывающей головке 1 в плоскости, перпендикулярной к ориентации первого плеча 302.1.
Поскольку оптический блок не содержит подвижных элементов, расстояние от фокальной точки лазерного луча 100 до оптического блока 2 зависит от коллимации лазерного луча 100 непосредственно перед оптическим блоком 2. Таким образом, позиционирование коллимационного блока 305 в третьем плече 302.3 обеспечивает возможность не только регулировки коллимации лазерного луча 100 после коллимационного блока 305, но и регулировки расстояния от фокальной точки лазерного луча 100 до оптического блока 2.
Когда фокальная точка лазерного луча 100, если смотреть в направлении луча, позиционируется заметно впереди или позади стенки сменного соплового блока 33 или сопла, которая обращена к оптическому блоку 2, то лазерный луч 100 расфокусируется на входе соплового отверстия 37 так, что лазерный свет лазерного луча 100 отражается от области сопла вокруг входа соплового отверстия 37. Этот отраженный свет возвращается через оптический блок 2 в первое плечо 302.2 лучевой трубки 301, где он падает на второе зеркало 308, которое пропускает отраженный свет по меньшей мере частично. Поэтому по меньшей мере часть отраженного света попадают во второе плечо 302.2 лучевой трубки 301, на свободном конце которого они попадают на ПЗС-камеру 303. Чтобы сделать это возможным, второе зеркало 308 может быть, например, полупрозрачным. Однако второе зеркало 308 может также, например, отражать свет одного направления поляризации и пропускать свет другого направления поляризации. В этом случае лазерный свет лазерного луча 100 может, например, уже поляризованным подаваться через вход 304 устройства 300 жидкоструйной лазерной обработки или может быть поляризован в третьем плече 302.1 лучевой трубки 301. При этом если поляризация лазерного света выбрана подходящим образом, лазерный луч 100 отражается от второго зеркала 308 к обрабатывающей головке 1. Кроме того, если в первом плече 302.1 лучевой трубки 301 встроена (не показанная здесь) пластина в четверть-лямбда, то свет лазерного луча 100, который отражается от второго зеркала 308 в первое плечо 302.1 лучевой трубки 301, а также отражается от области сопла вокруг входа соплового отверстия 37 вновь назад к второму зеркалу 308, проходит эту пластину в четверть-лямбда дважды. Тем самым, этот отраженный свет в первом плече 302.1 преобразуется по поляризации. Это приводит к тому, что упомянутый отраженный свет будет передаваться через второе зеркало 308 и может достигать ПЗС-камеры. Поэтому, при расфокусированном на входе соплового отверстия 37 лазере, если с помощью ПЗС-камеры 303 записывается изображение, то на этом изображении можно распознать вход соплового отверстия 37 как неподсвеченное пятно. Для того чтобы на этом изображении можно было четко распознать контур входа соплового отверстия 37, ПЗС-камера 303 может иметь соответствующий объектив, который может быть подвижным.
Напротив, когда фокальная точка лазерного луча 100, если смотреть в направлении луча, позиционирована в плоскости, определенной стенкой сменного соплового блока 33 или соплом, которая обращена к оптическому блоку 2, и в этой плоскости позиционирована на входе соплового отверстия 37, то лазерный луч 100 вводится в струю 200 жидкости, формируемую соплом. В настоящем примере варианта выполнения струя 200 жидкости представляет собой струю воды. Однако также можно использовать любую другую жидкость, кроме воды, для формирования струи 200 жидкости.
Соответствующий изобретению способ, с помощью которого фокальная точка лазерного луча 100 может быть позиционирована подобным образом, поясняется ниже.
Фиг. 5а-5f иллюстрируют вариант осуществления способа согласно второму изобретению для фокусировки лазерного луча 100 в сопловое отверстие 37 сопла устройства 300 жидкоструйной лазерной обработки для ввода лазерного луча 100 в струю 200 жидкости, формируемую сопловым отверстием 37.
В этом способе, на первом этапе лазерный луч 100 расфокусируется на входе соплового отверстия 37 за счет того, что коллимационный блок 305 позиционируется в третьем плече 302.3 лучевой трубки 301 таким образом, что фокальная точка, если смотреть в направлении луча, находится позади сопла. В то время как сопло подсвечивается расфокусированным лазерным лучом 100, с помощью ПЗС-камеры 303 записывается снимок области сопла вокруг входа соплового отверстия 37. Фиг. 5а показывает схематичное представление такого снимка, на котором вход соплового отверстия 37 можно распознать как неосвещенное темное пятно 337.
На втором этапе контур этого пятна 337 маркируется на изображении маркировкой 338. Как показано на фиг. 5b, эта маркировка 338 дополняется двумя пересекающимися под прямым углом в центре пятна 337 прямыми линиями 339.1, 339.2. При этом маркировка сохраняется в промежуточном запоминающем устройстве так, что она может переноситься на другие изображения ПЗС-камеры 303.
На третьем этапе лазерный луч 100 фокусируется при пониженной мощности лазера в положение в области сопла вокруг входа соплового отверстия 37 за счет того, что коллимационный блок 305 в третьем плече 302.3 лучевой трубки 301 позиционируется соответствующим образом. При этом в пошаговой процедуре фокусировка лазерного луча 100 проверяется посредством съемки с помощью ПЗС-камеры 303, пока фокальная точка 340 лазерного луча 100 на изображении не будет иметь минимальный размер. Такое изображение с оптимально сфокусированным лазерным лучом 100 схематично показано на фиг. 5с, причем маркировка 338, созданная на первых двух этапах способа, перенесена на это изображение. Для ясности представления здесь ярко подсвеченная фокальная точка 340 показана в виде темной точки.
После этого третьего этапа на четвертом этапе фокальная точка 340 лазерного луча 100 позиционируется на первой из обеих пересекающихся линий 339.1 маркировки 338. Поскольку перемещение фокальной точки 340 вдоль второй из обеих пересекающихся линий 339.2 достигается за счет поворотного перемещения второго зеркала 308 вокруг второй оси 309, для этого достаточна установка подходящей ориентации второго зеркала 308. Этот четвертый этап может выполняться итеративно, при этом посредством съемки изображения с помощью ПЗС-камеры 303 и переноса маркировки 338 в это изображение проверяется, действительно ли фокальная точка 304 лазерного луча 100 позиционирована на первой линии 339.1 маркировки 338. Затем ориентация второго зеркала 308 относительно второй оси 309 сохраняется в качестве первого параметра позиционирования.
На пятом этапе фокальная точка 340 лазерного луча 100 позиционируется на второй из обеих пересекающихся линий 339.2 маркировки 338. Поскольку перемещение фокальной точки 340 вдоль первой из обеих пересекающихся линий 339.1 достигается за счет поворотного движения первого зеркала 306 вокруг первой оси 307, для этого достаточно установки подходящей ориентации первого зеркала 306. Для того чтобы посредством съемки изображений с помощью ПЗС-камеры 303 и переноса маркировки 338 в эти изображения иметь возможность проверять, позиционирована ли фокальная точка 340 корректным образом на второй линии 339.2, в начале пятого этапа второе зеркало 308 несколько поворачивается вокруг второй оси 309 так, что фокальная точка 340 лазерного луча 100 при перемещении первого зеркала 306 вокруг первой оси 307 всегда перемещается рядом с входом соплового отверстия 37. Как только фокальная точка 340, как показано на фиг. 5е, позиционирована на второй линии 339.2 маркировки 338, ориентация первого зеркала 306 вокруг первой оси 307 сохраняется в качестве второго параметра позиционирования.
На шестом этапе способа второе зеркало 308 ориентируется в соответствии с первым параметром позиционирования относительно второй оси 309, и первое зеркало 306 ориентируется в соответствии с вторым параметром позиционирования относительно первой оси 307. Таким образом, фокальная точка 340 лазерного луча 100 позиционируется на входе соплового отверстия 37, и лазерный луч 100 вводится в струю 200 жидкости, формируемую сопловым отверстием 37. Поскольку при подобном позиционировании фокальной точки 340 лазерного луча 100 никакой свет лазерного луча 100 не отражается от области сопла вокруг соплового отверстия к ПЗС-камере 303, фокальная точка 304 не может быть распознано на записанном ПЗС-камерой 303 изображении. Соответственно, фокальная точка 340 лазерного луча 100 показана на фиг. 5f только в виде пунктирной линии в центре маркировки 338.
Чтобы обеспечить возможность выполнения этого способа, устройство 300 жидкоструйной лазерной обработки может включать в себя запоминающее устройство для хранения первого и второго параметров позиционирования и промежуточное запоминающее устройство для хранения маркировки. Кроме того, устройство 300 жидкоструйной лазерной обработки может включать в себя блок управления для управления позиционированием коллимационного блока 305 в третьем плече 302.3 лучевой трубки 301 и для управления ориентацией первого и второго зеркала 306, 308 относительно первой или второй оси 307, 309. Однако, также существует возможность, что запоминающее устройство, промежуточное запоминающее устройство или блок управления выполнены отдельно от устройства 300 жидкоструйной лазерной обработки. Таким образом, запоминающее устройство, промежуточное запоминающее устройство и блок управления могут быть образованы, например, компьютером, к которому подключено устройство 300 жидкоструйной лазерной обработки.
Второе изобретение не ограничивается устройством 300 жидкоструйной лазерной обработки и способом, описанным со ссылками на фиг. 5a-5f. Таким образом, устройство 300 жидкоструйной лазерной обработки может, например, иметь другую обрабатывающую головку. Также лучевая трубка и плечи лучевой трубки могут быть выполнены иным образом. Например, лучевая трубка может не иметь разветвления, так что она также не имеет плеч, отходящих от разветвления. Кроме того, оба зеркала могут быть расположены по-другому, по-другому ориентированы и могут быть выполнены с возможностью поворота относительно иначе ориентированных осей.
Кроме того, существует возможность того, что устройство жидкоструйной лазерной обработки имеет не ПЗС-камеру, а другой тип датчика двумерного изображения. Кроме того, не обязательно, чтобы весь коллимационный блок был подвижным в направлении луча или противоположно направлению луча. Таким образом коллимационный блок может иметь, например, только отдельные подвижные элементы. Однако, также возможно, что устройство жидкоструйной лазерной обработки вообще не имеет подобного коллимационного блока, а содержит только оптический блок. В зависимости от варианта осуществления изобретения оптический блок может быть включен в состав обрабатывающей головки или выполнен отдельно от обрабатывающей головки.
Кроме того, способ фокусировки лазерного луча на сопловое отверстие сопла устройства жидкоструйной лазерной обработки для ввода лазерного луча в струю жидкости, формируемую сопловым отверстием, не ограничен подробно описанным способом. Таким образом, способ может включать, например, дополнительные этапы. Кроме того, некоторые из этапов могут быть изменены или опущены. Например, можно обходиться без того, что маркировка дополняется обеими пересекающимися линиями. Этот этап может быть удален без замены или заменен этапом, в котором к маркировке добавляются другие линии.
Подводя итог, следует отметить, что создана обрабатывающая головка для устройства жидкоструйной лазерной обработки, которая обеспечивает трехмерную обработку объектов. Кроме того, создано устройство жидкоструйной лазерной обработки, которое упрощает ввод лазерного луча в струю жидкости. Кроме того, создан способ фокусировки лазерного луча в сопловое отверстие сопла в таком устройстве жидкоструйной лазерной обработки, который упрощает ввод лазерного луча в струю жидкости.
Изобретение относится к устройству (300) и способу жидкоструйной лазерной обработки. Устройство содержит обрабатывающую головку (1) для ввода лазерного луча (100) в струю (200) жидкости. Обрабатывающая головка (1) содержит оптический блок (2) с по меньшей мере одним оптическим элементом (20, 21.1, …, 21.4) для фокусировки лазерного луча (100) и блок (3) ввода с жидкостной камерой (32), ограниченной стенкой, причем в стенке расположено сопло (33) с сопловым отверстием (37) для формирования струи (200) жидкости. В состоянии, в котором блок (3) ввода соединен с оптическим блоком (2), фокусируемый оптическим блоком (2) лазерный луч (100) направляется в направлении луча через жидкостную камеру (32) блока (3) ввода в сопловое отверстие (37) и вводится в формируемую соплом (33), проходящую в направлении луча струю (200) жидкости. Для снабжения жидкостной камеры (32) жидкостью из оптического блока (2) между оптическим блоком (2) и блоком (3) ввода образуется жидкостный переход (50), причем в соединенном с оптическим блоком (2) состоянии блока (3) ввода жидкостный переход (50), если смотреть в направлении луча, расположен перед последним в направлении луча оптическим элементом (20, 21.4) оптического блока (2). 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 5 ил.
1. Устройство (300) для жидкоструйной лазерной обработки, содержащее
обрабатывающую головку (1) с соплом (33), имеющим отверстие (37) сопла для формирования струи (200) жидкости,
устройство фокусировки, выполненное с возможностью фокусировки лазерного луча (100) во вход соплового отверстия (37) для ввода лазерного луча (100) в струю (200) жидкости, и
датчик (303) двумерного изображения для получения изображения области сопла (33) вокруг входа соплового отверстия (37),
при этом лазерный луч (100) может быть расфокусирован у входа соплового отверстия (37) так, что лазерный свет лазерного луча (100) отражается от области сопла (33) вокруг входа соплового отверстия (37) к датчику (303) изображения так, что датчик (303) двумерного изображения может получать изображение области сопла (33) вокруг входа соплового отверстия (37), в котором может распознаваться изображение входа соплового отверстия (37),
отличающееся тем, что устройство фокусировки содержит
коллимационный блок (305) для коллимации лазерного луча (100) с образованием параллельного или почти параллельного луча и
неподвижный статический оптический блок (2) для фокусировки параллельного или почти параллельного луча в фокальной точке (340), при этом
коллимационный блок (305) в целом или отдельные оптические элементы коллимационного блока (305) выполнен/выполнены подвижными для изменения коллимации лазерного луча (100) и изменения расстояния фокальной точки (340) лазерного луча (100) от оптического блока (2).
2. Устройство (300) по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит первое зеркало (306) для отклонения лазерного луча (100) и второе зеркало (308) для отклонения лазерного луча (100), причем приводимое в движение первым двигателем первое зеркало (306) выполнено с возможностью поворота вокруг первой оси (307), а приводимое в движение вторым двигателем второе зеркало (308) выполнено с возможностью поворота вокруг второй оси (309), причем первая ось (307) ориентирована относительно второй оси (309) таким образом, что посредством поворотного движения первого зеркала (306) вокруг первой оси (307) лазерный луч (100) может перемещаться вдоль первой прямой линии в области сопла (33) вокруг входа соплового отверстия (37), в то время как посредством поворотного движения второго зеркала (308) вокруг второй оси (309) лазерный луч (100) может перемещаться вдоль второй прямой линии в области сопла (33) вокруг входа соплового отверстия (37), причем первая и вторая прямые линии расположены под углом друг к другу и пересекаются.
3. Устройство (300) по п. 1 или 2, отличающееся тем, что датчик изображения представляет собой ПЗС-камеру (303), имеющую соответствующий объектив, который выполнен подвижным для четкого распознавания контура входа соплового отверстия (37).
4. Устройство (300) по п. 1, отличающееся тем, что обрабатывающая головка (1) для ввода лазерного луча (100) в струю (200) жидкости содержит
а) оптический блок (2) с по меньшей мере одним оптическим элементом (20, 21.1, ..., 21.4) для фокусировки лазерного луча (100) и
b) блок (3) ввода с жидкостной камерой (32), ограниченной стенкой, причем в стенке расположено упомянутое сопло (33) с сопловым отверстием (37) для формирования струи (200) жидкости,
причем в соединенном с оптическим блоком (2) состоянии блока (3) ввода фокусируемый оптическим блоком (2) лазерный луч (100) может направляться в направлении луча через жидкостную камеру (32) блока (3) ввода в сопловое отверстие (37) и может вводиться в формируемую соплом (33), проходящую в направлении луча струю (200) жидкости, причем для снабжения жидкостной камеры (32) жидкостью из оптического блока (2) между оптическим блоком (2) и блоком (3) ввода образован жидкостный канал (50), причем в соединенном с оптическим блоком (2) состоянии блока (3) ввода жидкостный канал (50), если смотреть в направлении луча, расположен перед последним в направлении луча оптическим элементом (20, 21.4) оптического блока (2).
5. Устройство (300) по п. 4, отличающееся тем, что в соединенном с оптическим блоком (2) состоянии блока (3) ввода жидкостный канал (50) имеет поверхность жидкостного канала, которая ориентирована под углом к плоскости, ориентированной перпендикулярно направлению луча.
6. Устройство (300) по п. 5, отличающееся тем, что поверхность жидкостного канала проходит параллельно направлению луча.
7. Устройство (300) по любому из пп. 4-6, отличающееся тем, что блок (3) ввода выполнен сужающимся в одном направлении, причем упомянутое направление в соединенном с оптическим блоком (2) состоянии блока (3) ввода соответствует направлению луча.
8. Устройство (300) по п. 7, отличающееся тем, что сужение является конусообразным.
9. Устройство (300) по п. 8, отличающееся тем, что конусообразное сужение имеет угол конуса между вращательно симметричной центральной его осью и наружной конусообразной поверхностью, который равен не более 60°, не более 45°, не более 30°, в частности не более 20°.
10. Устройство (300) по любому из пп. 4-9, отличающееся тем, что блок (3) ввода имеет сопло (62) выпуска газа для формирования газовой струи, окружающей струю (200) жидкости.
11. Устройство (300) по п. 10, отличающееся тем, что блок (3) ввода имеет газовую напорную камеру (40), которая в соединенном с оптическим блоком (2) состоянии блока (3) ввода, если смотреть в направлении луча, расположена после соплового отверстия (37).
12. Устройство (300) по п. 10 или 11, отличающееся тем, что в соединенном с оптическим блоком (2) состоянии блока (3) ввода для снабжения блока (3) ввода газом для газовой струи между оптическим блоком (2) и блоком (3) ввода образован газовый канал (60), который, если смотреть в направлении луча, расположен перед последним в направлении луча оптическим элементом (20, 21.4) оптического блока (2).
13. Устройство (300) по п. 12, отличающееся тем, что в соединенном с оптическим блоком (2) состоянии блока (3) ввода газовый канал (60) имеет поверхность газового канала, которая ориентирована под углом к плоскости, ориентированной перпендикулярно направлению луча.
14. Устройство (300) по п. 13, отличающееся тем, что поверхность газового канала в соединенном с оптическим блоком (2) состоянии блока (3) ввода проходит параллельно направлению луча.
15. Устройство (300) по любому из пп. 4-14, отличающееся тем, что блок (3) ввода имеет полость, которая открыта с одной стороны и в которую выступает оптический блок (2) в соединенном с оптическим блоком (2) состоянии блока (3) ввода.
16. Устройство (300) по любому из пп. 4-15, отличающееся тем, что оптический блок (2) образует втулку (23) и окружает блок (3) ввода на жидкостном канале (50).
17. Способ жидкоструйной лазерной обработки посредством устройства (300) жидкоструйной лазерной обработки по п. 1 или 2, имеющего сопловое отверстие (37) сопла (33), в которое вводят лазерный луч (100) в сформированную сопловым отверстием (37) струю (200) жидкости, включающий первый этап, на котором лазерный луч (100) расфокусируют на входе соплового отверстия (37) так, что лазерный свет лазерного луча (100) отражается от области сопла (33) вокруг входа соплового отверстия (37) к датчику (303) двумерного изображения, причем датчиком (303) изображения получают изображение области сопла (33) вокруг входа соплового отверстия (37), на котором может распознаваться вход соплового отверстия (37).
18. Способ по п. 17, отличающийся тем, что он включает второй этап, на котором маркируют сопловое отверстие (37) на изображении, полученном датчиком (303) изображения, маркировкой (338), которая может переноситься на другое изображение, полученное датчиком (303) изображения для установления на этом другом изображении положения соплового отверстия (37).
19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что маркировку (338) дополняют двумя прямыми линиями (339.1, 339.2), пересекающимися под прямым углом, точка пересечения которых расположена в центре соплового отверстия (37).
20. Способ по любому из пп. 17-19, отличающийся тем, что на дополнительном этапе лазерный луч (100) фокусируют в положении в области сопла (33) вокруг входа соплового отверстия (37) и датчиком (303) изображения получают дополнительное изображение области сопла (33) вокруг входа соплового отверстия (37).
21. Способ по п. 19 или 20, отличающийся тем, что он включает последующие этапы:
а) сначала фокальную точку (340) лазерного луча (100) позиционируют на первой из пересекающихся под прямым углом линии (339.1) и сохраняют применяемые для этого первые параметры позиционирования,
b) затем фокальную точку (340) лазерного луча (100) позиционируют на второй из пересекающихся под прямым углом линии (339.2) и сохраняют применяемые для этого вторые параметры позиционирования,
с) затем фокальную точку (340) лазерного луча (100) позиционируют на основе сохраненных первых и вторых параметров позиционирования на входе соплового отверстия (37).
22. Способ по любому из пп. 17-21, отличающийся тем, что контур входа соплового отверстия (37) четко распознают посредством датчика изображения, который представляет собой ПЗС-камеру (303), имеющую соответствующий объектив, который может быть подвижным.
| WO 2006050622 A1, 18.05.2006 | |||
| JP 2000334590 A, 05.12.2000 | |||
| JP 2013180308 A, 12.09.2013 | |||
| Устройство автоконтроля влажности | 1973 |
|
SU515983A1 |
| СПОСОБ ГАЗОЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2011 |
|
RU2471600C1 |
| СПОСОБ ГАЗОЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА | 1995 |
|
RU2089365C1 |
| JP 60033893 A, 21.02.1985. | |||
