[发明专利]激光加工的Z轴跟踪系统

说明书

本发明系激光加工设备中的Z轴跟踪系统。

在激光切割和焊接加工中，要保持稳定可靠的加工质量，必须使激光束在加工过程中保持焦点位置恒定，即激光喷嘴与工件间隙不变。因此一套激光加工设备中必须配套一套性能优良的Z轴跟踪系统，用以在加工过程中检测并保持激光喷嘴与工件之间的间隙。目前广泛采用的Z轴跟踪系统主要是由电容式或电接触式传感器传感高度信号，经放大处理反馈到执行部分由电机驱动控制Z轴运动的机电跟踪方式。图1为这种系统的原理框图，传感器1是静电容式工作，由喷嘴A、喷嘴体B和前置放大器C组成，喷嘴与被加工金属板材之间形成一个平板电容器，其电容量随喷嘴与工件之间的间隙δ而变化。测量电路II输出信号经逻辑控制电路III输入到直流电机伺服单元VII，用以控制Z轴驱动机构VIII。该系统还可设有故障报警电路IV，可借助手持式授给器V工作，也可通过接口电路VI接受主机CNC系统的程序控制。采用这种形式或类似结构Z轴跟踪系统有的北京机床研究所、德国Weidmiller公司、日本Mazak公司和意大利Fiat公司等。这类系统造价昂贵，而且存在跟踪滞后效应，对于高速度的激光切割和焊接，难以达到跟踪精度，对于非金属材料切割电容式Z轴系统无法跟踪，电接触式又不能满足超薄板切焊的需要。

本发明的目的是提供一个无跟踪滞后效应的实时跟踪系统，在保证系统精度的基础上，对现有跟踪系统信号处理和执行部分大量简化，降低成本，提高工作的可靠性。

本发明的激光加工Z轴跟踪系统，由传感部分和执行部分组成，其特征在于该系统内激光头与直线轴承组件活动部分联结，通过弹性元件与直线轴承组件固定部分配合，构成传感和执行功能合一的表面跟踪系统。该系统可以包括电磁铁，电磁铁线圈部分与直线轴承组件固定部分刚性联结，电磁铁铁芯与直线轴承组件活动部分刚性联结，接受CNC系统加工程序控制，构成激光头快速提升系统，控制加工与非加工转换时激光头的上升、下降，有利于非加工时激光头快速移动，可提高生产效率。该系统的激光头由激光喷嘴和环形气垫吹风结构组成，它们之间采用螺纹联结，可通过螺纹调节好激光喷嘴与工件之间的间隙，并用锁定螺母或螺栓锁定，这样激光喷嘴与工件之间间隙可无级调节，可以稳定工作间隙很小，适用于薄板无氧化切割，也可工作间隙很大，用于激光焊接。

采用本发明给出的系统，电磁铁控制激光头行程约3-5cm，响应时间约100ms，这是电机驱动无法达到的，激光喷嘴的工作间隙0.1mm-5mm大范围可调，激光喷嘴跟踪速度可达100m/min，跟踪精度士0.01mm，可实现高速激光切割和0.08mm薄钢板及薄镍板的切割。实现金属与非金属切割无需更换Z轴跟踪系统传感器。

图1为申请目前广泛采用的机电跟踪系统的原理框图。  图2为实施本发明Z轴跟踪系统的一种装置图。

现结合图2说明本发明的一种实施例，图中1为直线轴承组件，其固定部分内径35mm，活动部分外径55mm，直线轴承组件减小激光头升降阻力，其钢性结构保证激光头与工件接触摩擦时光点稳定性。2为弹性元件，要求压缩比大，本例中采用刚度0.5N/mm的弹簧，其预压力可防止高速切割薄板时产生震动，当电磁铁断开时，弹簧压力使刚性联结于直线轴承组件活动部分的激光头迅速弹下。3为聚焦透镜。激光头由激光喷嘴4和环形气垫吹风结构5组成，激光喷嘴4与工件10之间间隙为δ。这种结构可以使激光头与工件之间摩擦力几乎为零，环形的压缩空气可冷却被加热的工件，易于保证加工质量，通过调整空气压力和弹簧张力实现超薄板和各种非导电材料切割而无需更换切割头。激光头通过联结杆6与电磁铁铁芯7联结，电磁铁线圈部分8与直线轴承组件1固定部分刚性联结，该电磁铁通过CNC接口9接受CNC系统加工程序控制，本例中电磁铁线圈电阻100Ω，直流电压24V，铁芯行程为4cm。