专利名称：用于激光切割和/或作标记的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于激光切割和/或作标记的装置，尤其涉及一种用于通过激光对薄片或箔片产品切割和/或作标记的装置。
背景技术：
很久以前市场上就可购得允许通过激光束对不同材料进行切割、或作标记的装置。例如，这种激光装置可用于对异丁烯酸盐、塑料、醋酸盐、聚酯、木材、纸、皮革、金属制成的半成品和成品，还有有机或合成产品切割和作标记。
贯穿切割通过用能够穿过材料整个厚度的高强度激光束碰撞材料而实现。作标记和轧花(表面切割)通过用较低强度的激光束碰撞材料而实现，这样仅更改材料表面，由此限定图案、图画、标志、文字等。
常规用于切割和/或作标记的激光装置属于逻辑组，取决于设置的激光源的类别，取决于激光束是怎样引导和调焦的等等。
Mikkelsen等人名义的US6,772,661涉及用于通过激光束切割薄片/箔片产品的“两轴线”装置。激光束源安装在激光头(激光安装头)上，该激光头可沿着横杆沿第一方向y平移。而横杆在作业平面(working plan)上又沿着与第一方向y成直角的第二方向x平移。方向x和y是装置的“两笛卡尔轴线”。换言之，在两轴线装置中激光源可在作业平面上方的平面上移动。要处理的产品放置在作业平面上以由激光束撞击。William等人名义的US6,192,777揭示了另一种“两轴线”装置。
或者，其它商业装置提供沿三轴线移动激光源安装头。除了沿着轴线x，y移动，激光源还沿与作业平面成直角的方向z平移。例如，Yamaguchi等人名义的国际专利申请WO2005/113183揭示了用于通过激光切割的“三轴线”装置。
很久以前就可使用提供设置在固定位置激光源的技术方案。激光束聚焦头设置在可移动横杆上，可移动横杆具有将激光束调焦到正在处理的产品上的功能。激光束通过透镜和/或棱镜被引导到聚焦头上。聚焦头设有具有不同焦距的透镜，这样来精确调节激光束焦点。
通常术语“绘图仪(plotter)”用来确定激光安装头、或聚焦头的定位系统，包括横杆和侧柱，不论其是笛卡尔两轴线型还是三轴线型。
一般而言，已知的装置设有电动机，该电动机具有移动横杆和承载激光源的头部，或移动横杆和聚焦头的功能。例如，在根据US 6,192,777的装置中，可移动横杆设有通过第一电动机运行的蜗杆和横杆的两引导件。蜗杆的旋转引起激光安装头沿着横向杆的平移。横向杆端部与侧向设置到作业平面、垂直于横向杆的两锯齿状引导件啮合。固定在横杆上的第二电动机，设有用于配合引导件的齿的工具以允许横向杆在工作平面上方移动。
电动机的质量一般不可忽略。为此诸如横向杆或激光安装头的可移动件上电动机的存在大大地增加了惯量，对装置的性能和所执行过程的精确性具有明显的不利影响。
换言之，在已知装置中，由于可移动横杆支撑和承载至少一个电动机的事实，因此对最小化移动机械部件惯量的需要有所限制。装置性能的提高通常需要增加其功率和扭矩，以及因此增加相应的其质量(或大小)。与其它可移动部件一起移动的电动机大小的过量增加，因为惯量相应地增加而对装置动力性能的不利影响。
定位激光安装头、或聚焦头的精确性受到可移动部件惯量增加的不利影响。事实上支撑大尺寸电动机的可移动横杆的加速和减速相对于使用小尺寸电动机的情况更难以控制和设置。较高的惯量还引起机械方面的缺点(偏斜、扭曲、振动等)，这些缺点难以控制和限制以实现适当的定位精确性和避免装置成本的过度增加。
一些装置设有线性电动机，其较之常规电动机允许实现较高的性能，具有较低的惯量。但是这种类型的电动机成本很高。
替代地，长久依赖需要一种激光切割用装置，其同时是经济、精确、可靠且提供可移动部件的最小惯量。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于通过激光束对产品切割和/或作标记的装置，其克服了现有技术装置的缺点，同时易于组装且经济。
本发明的目的还有提供一种用于通过激光束对产品切割和/或作标记的装置，其允许最优化移动部件的动力，同时使激光安装头或聚焦头定位的精确性最大。
本发明的另一目的是提供一种用于通过激光束对产品切割和/或作标记的装置，与相同类型的已知装置相比，对于涉及的所执行过程允许较好的性能和较高的精确性。
通过本发明来实现这些和其它目的，本发明涉及一种用于通过激光束对产品切割和/或作标记的装置，包括可沿横向杆沿第一方向X移动的至少一个激光发射器，所述横向杆又可沿横向于所述第一方向X的第二方向Y在作业平面上方移动，所述发射器设置成引导激光束朝向所述作业平面，用于移动所述发射器和所述横向杆的至少两个电动机，其中所述至少两个电动机固定设置并运行与所述发射器啮合并与所述横向杆啮合的单根传输带。该发射器是激光源或适于将由外部源产生的激光束聚焦到所述产品上的聚焦头。
在根据本发明用于切割和/或作标记的装置中，电动机相对于激光发射器固定，即电动机耦合到诸如框架的静止构件上。较佳地该框架由单块铝合金制成，尤其设计成具有高硬度特征。沿着轴线x，y移动的元件通过传输带与相应的电动机耦合。该传输带至少部分环绕由电动机运行的滑轮，并将运动传递到适当引导的可移动元件。
传输带与横向杆的耦合是通过将该传输带至少部分地环绕与同一横向杆可旋转地啮合的惰轮而实现的。
一般而言，传输带具有小于电动机的惯量，并用于使横向杆和激光安装头的行进速度最大，并用于最优化相应的加速度等。换言之，通过与固定的电动机耦合并由同一电动机驱动的传输带将运动传递到可移动构件上。该装置允许实现比设有固定在横向杆上电动机的装置更好的动态性能。
由于电动机固定设置，有可能设置大尺寸的电动机而不对装置可移动构件的动态性能产生不利影响，这提高了激光发射器定位的速度和精确性，激光发射器是激光源或者由外部源产生并通过反射镜或透镜转向的激光束的聚焦头。
特别地，该装置设有根据H结构(横向杆和相应侧向引导件一起的相同结构)设置的至少一根传输带。传输带沿着像H的封闭路径展开，跟随可移动横向杆(H路径的水平部分)和在作业平面侧面的相应引导件(H路径的竖直部分)。传输带的路径在激光发射器处封闭，传输带端部固定在激光发射器上。例如，如果作业平面具有1m2的面积，传输带的长度可包含在5-6m范围内。
在路径的周界和可移动横向杆上设置有多个惰轮以引导传输带朝向与框架啮合并定位在H路径两竖直部分的端部的两电动机。特别地，横向杆设有四个惰轮，同一横向杆的每端两个，沿着方向Y排列。
经历高加速度的横向杆制成高硬度且同时低惯量。其可设计成具有“夹层”结构，由通过具有蜂窝结构的元件分开的铝板制成。具有蜂窝结构的铝板和元件与具有高硬度的粘附物质粘在一起。横向杆的几何形状使得弯曲和扭曲最小。
该装置的运行是根据对两电动机旋转方向的控制。例如，当两电动机以相同速度并沿相反方向旋转时，由传输带在作业平面上方沿方向x平移可移动横向杆。当两电动机以相同速度并沿相同方向旋转时，由传输带沿着横向杆沿方向y平移发射器。该装置较佳地设有四个电动机，每个设置在传输带H路径的竖直部分的端部，这样使在沿其路径的两连续电动机之间延伸的传输带部分的长度最小。
移动轴线的控制通过控制单元运行，例如设有用于该功能的微处理器。控制单元根据算法运行以模拟装置的动态响应、轨迹和(预计算)瞬态，以尽可能沿着作业平面上的作业路径均衡地分配激光束能量。
较佳地控制单元提供电动机驱动的方式是激光束用沿着其路径几乎恒定的能量撞击处理中的产品。换言之，控制单元编程以运行电动机的方式是碰撞产品的激光束在路径的每个点具有相同的能量。
根据本发明的装置提供了相对于常规技术方案的多个优点。
通过使用传输带进行电动机和聚焦头之间的可操作连接，或者以同等方式电动机和安装在横向杆上的激光源之间的连接，同样的电动机可固定设置，即通过该装置的移动构件分开。移动激光安装头仅通过改变电动机的旋转方向就可实现。考虑到发射器(或激光安装头)的移动速度，并考虑到其定位的精确度，其性能比相同类型常规装置可实现的性能要好，关于所涉及作业过程的生产率具有明显的优点。
根据本发明的装置的维护很简单。如果需要可方便地替换传输带。传输带较佳地由诸如橡胶的柔性材料制成。这样有可能使电动机滑轮和所述传输带之间相对滚动产生的噪声最小。
传输带较佳地是锯齿状V型的且用内部钢丝加固。或者传输带也可具有不同的结构，足以使传输带在装载时具有最大可延长性，最大柔性和可靠性。
激光源可具有高达500W的光学功率。在本发明的较佳实施例中，激光源与光学器件耦合用于低吸收反射和传输。激光源放出的激光束通过适当的光学组件对齐到聚焦头上，这样以保持几乎恒定的直径，且由同一聚焦头通过调焦透镜聚焦到所要处理的产品上。
聚焦头较佳地由热膨胀系数低的铝合金制成，并用于设置调焦透镜，透镜具有的焦距包含在1.0-5.0英寸范围内。
聚焦头较佳地气密封以抵抗高达10巴的压力并允许由气体(氮气、氦气等)或压缩空气支持的操作。
用来对相关源产生的激光束引导和调焦的透镜和光学器件具有高反射率电介质涂层。
该装置的高动态性能允许适当地实施激光源可提供的全部功率，同时确保相对于该类型的更复杂和昂贵的装置的生产率。
根据本发明的装置可以最小成本制造，因为传输带、滑轮以及可能惰轮都是可以低成本从市场购得的元件。
本发明的其它方面将从以下参照所附附图的说明性而非限制性描述中显现出来，其中
图1是根据本发明装置的简图；图2是根据本发明装置的立体图；图3是图2中所示装置的俯视图；
图4是图2中所示装置的详图；图5是图2中所示装置的详图。
具体实施例方式
图1是根据本发明的装置1的图解。该装置包括设置在固定位置的激光源2，其产生适于对所要处理的产品切割、作标记的激光束L。例如激光源可具有约500W的功率。由激光源2产生的激光束L，通过一系列诸如棱镜、透镜、反射镜、聚焦头等的调焦和反射光学器件4、5、6而转向作业平面3。
具有基本上平面结构的产品定位在作业平面3上以由激光束L进行切割或作标记。在所示实施例中，作业平面3具有1000×700mm2的尺寸，但是一般而言其尺寸可以不同，例如300×300mm2或1000×1000mm2和更大。
聚焦头6接收由反射镜4和5转来的激光束L并将其调焦到定位在作业平面3上的产品上。在这方面聚焦头6可定义为激光“发射器”。
发射器6可在横杆10上沿着方向Y移动，横杆10又可在作业平面3上沿着方向X移动。换言之装置1是提供笛卡尔轴线X，Y的类型。
在图中所示实施例中，发射器6具有约300g的重量。发射器6可以沿方向Z(未示出)，即垂直于作业平面3移动。这可通过将发射器安装在适当的装有发动机的支撑件上并提供适当的光学组件4和5来实现。
横向杆10升起到作业平面3上方，以在所要处理的产品上方移动。横向杆10由轻质材料制成，以使其运动惯量最小和硬度，以使相对于作业平面3定位发射器6的精确性最大。较佳地横向杆由复合材料、例如碳纤维或碳和凯夫拉尔(Kevlar)纤维等制成，或由具有胞状结构的铝制成。在所示实施例中，横杆10是铝制的，具有胞状结构，重量小于3Kg。
横向杆10由沿方向X设置在作业平面3上的两侧向引导件11、12引导而沿着方向X移动。横向杆10和侧向引导件11和12根据H结构定位。通过沿方向X移动横向杆10，以及在横杆10的适当引导件内沿方向Y移动发射器6，可将激光束L引导朝向作业平面3的任意点。
在常规装置中，发射器6(聚焦头)通过设置在横杆10上的电动机操作，具有关于性能的明显缺点，其受到电动机不可忽视的惯量的不利影响。
参见图1-3，装置1设有至少两个电动机M1、M2，较佳地为无电刷型，设有高分辨率编码器。电动机M1和M2驱动与可移动横杆10和发射器6啮合的单根传输带20。
电动机M1和M2固定设置，例如与装置1的框架或作业平面3啮合，对应于引导件11和12的端部，如图1-3所示。在图中所示实施例中，电动机M1和M2设置有竖直旋转轴线，其垂直于作业平面3，并驱动传输带20，传输带20可操作地与横杆10(相应的惰轮)啮合并与发射器6耦合。较佳地传输带围绕每个电动机M1和M2的电动机轴，或围绕由相同电动机的轴驱动的滑轮。
传输带20可由不同材料制成且基本上是不可伸展的。例如，传输带20可由橡胶制成，且可设有金属丝的内骨架。在所示实施例中，传输带20具有包含在5-6m范围内的长度。
传输带20跟随横杆10和侧向引导件11和12的构造沿着H路径延伸。除了通过电动机M1和M2，还通过多个惰轮13、14、15、16、30、40在传输带路径上引导传输带20并在发射器6处自身封闭。换言之，传输带20跟随横杆10和侧向引导件11、12的周界，且传输带20的端部在相对于发射器相对的部分处固定在发射器6(聚焦头)上。惰轮13-16可旋转地与横杆10啮合，对应于其各角。在下文中，将描述由传输带20限定的路径。传输带20的第一端与发射器6耦合。传输带20朝向横杆10的惰轮14延伸，通过惰轮14其转向固定地设置在与电动机M1相对的侧向引导件11端部的惰轮30。传输带20从惰轮30延伸到电动机M1并然后延伸到惰轮13、惰轮15、电动机M2、惰轮40(等同于惰轮30)、惰轮16。传输带20的第二端与第一端相对地与发射器6耦合。如上所述那样，路径是封闭的且具有H结构。
图4详细示出了包括惰轮13和14的横杆10的部分。图5详细示出了包括惰轮40的一部分装置1。
装置1的操作很简单。激光源2发射激光束L，独立于横杆10相对于相同激光源2的位置地将其引导朝向发射器6。光学器件4和5用于朝向发射器6引导光束。光学器件4是固定的，例如啮合到装置1的框架上或作业平面3上。光学器件5牢固地与横杆10啮合并与横杆一起沿方向X移动。发射器6将激光束聚焦到横杆10下方定位在作业平面3上的产品上。激光束的特征由适当的单元例如根据发射器6的速度和加速度补偿激光束功率的计算机来控制。
控制单元独立地操作电动机M1和M2，至少是在涉及它们的旋转方向的方面对它们进行独立地操作。
当电动机M1和M2以相同速度沿相同方向旋转时，发射器6沿方向Y沿横向杆10移动。参见图1，当电动机M1和M2顺时针旋转时，发射器向左，即朝向惰轮14移动。当电动机M1和M2以相同速度逆时针旋转时，发射器向右，即朝向惰轮16和光学器件5移动。
当电动机M1和M2以相同的速度沿相反方向旋转时，发射器6保持相对于横向杆10的旋转并维持在作业平面3上沿方向X移动。参见图1，当电动机M1和M2相应地顺时针和逆时针方向旋转时，横向杆10朝向激光源2移动。当电动机M1和M2以相同速度相应地顺时针和逆时针方向旋转时，横向杆10朝向惰轮30和40移动。
很明显控制单元(未示出)可运行电动机M1和M2的方式是，仅通过检测电动机M1和M2的旋转方向来根据所要求的轨迹在作业平面3上移动发射器6。
装置1允许实现比常规两轴线或三轴线激光装置更好的性能。电动机M1和M2固定设置并因此不增加装置1的移动部件的惯量。传输带20由轻质材料制成并允许以简单和精确的方式向横向杆10和发射器传输运动，而没有设有安装在横向杆上电动机的常规装置的典型缺点。
较佳地，装置1设有四个电动机M1、M2、M3和M4。如图2所示，电动机M3和M4代替惰轮30和40。电动机M1和M3是第一对电动机，而电动机M2和M4是第二对电动机。设有四个电动机的装置1的操作与上述装置等同。在两对电动机的旋转方向进行控制。
当两对电动机M1-M3和M2-M4以相同的速度沿相同方向旋转时，发射器6沿方向Y沿横向杆10移动。
当两对电动机M1-M3和M2-M4以相同的速度沿相反方向旋转时，发射器6相对于横向杆10保持静止，且横向杆10在作业平面3上方沿方向X移动。
图2中所示的装置允许实现聚焦头6或发射器的加速，当要求作业平面3的矢量扫描时达4g，且当要求作业平面3的光栅扫描时超过8g。聚焦头6可以约4m/s的速度移动且其相对于作业平面3上的点的定位(静态和动态)精确度是0.1mm级。
考虑到聚焦头或发射器6的移动速度，并考虑到其定位的精确度，其性能比相同类型常规装置可提供的性能要高，关于所涉及作业过程的生产率具有明显的优点。
权利要求
1.一种用于通过激光束对产品进行切割和/或作标记的装置(1)，包括可沿横向杆(10)在第一方向(X)移动的至少一个激光发射器(6)，所述横向杆(10)又可沿横向于所述第一方向(X)的第二方向(Y)在作业平面(3)上方移动，所述发射器(6)设置成将激光束引向所述作业平面(3)；还包括用于移动所述发射器(6)和所述横向杆(10)的至少两个电动机(M1，M2)，其特征在于，所述至少两个电动机(M1，M2)固定设置并驱动至少一根传输带(20)，所述至少一根传输带(20)与所述横向杆(10)啮合以控制所述横向杆(10)沿所述第一方向(X)的移动，所述至少一根传输带(20)也与所述发射器(6)啮合。
2.如权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述传输带(20)由两个所述电动机(M1，M2)同时驱动，并至少部分环绕在与所述横向杆(10)可旋转地啮合的一个或多个惰轮(13-16)上。
3.如前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述传输带(20)沿着封闭路径延伸且其端部固定在所述发射器(6)上。
4.如权利要求3所述的装置(1)，其特征在于，所述横向杆(10)与相对于所述作业平面(3)侧向设置的两平行引导件(11、12)啮合，且所述传输带(20)沿着由所述横向杆(10)和所述两侧向引导件(11、12)限定的H路径延伸，且由多个惰轮(13-16、30、40)并由所述电动机(M1，M2)引导。
5.如权利要求4所述的装置(1)，其特征在于，所述两电动机(M1，M2)各对应于所述侧向引导件(11、12)的第一端定位，且至少一个惰轮(30，40)对应于所述侧向引导件(11、12)与所述第一端相对的第二端定位，以将所述传输带(20)的轨迹从所述电动机(M1，M2)之一转向与所述横向杆(10)啮合的惰轮(14，16)。
6.如权利要求4所述的装置(1)，其特征在于，还包括两个电动机(M3，M4)，四个电动机(M1-M4)中的每个对应于所述侧向引导件(11，12)的端部定位，所述传输带(20)连接所述四个电动机(M1-M4)并由所述横向杆(10)的惰轮(13-16)引导。
7.如权利要求1至6中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述发射器(6)是激光源或适于将由外部源(2)产生的激光束聚焦到所述产品上的聚焦头。
8.如权利要求1至7中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述激光源的功率包含在10W-500W范围内。
9.如权利要求1至8中任一项所述的装置(1)，其特征在于，包括控制所述电动机(M1-M4)和所述发射器(6)的单元。
10.一种用于通过激光束(L)对定位在作业平面(3)上的产品实施切割和/或作标记的方法，包括以下步骤提供可沿两垂直方向X和Y在所述作业平面(3)上方移动的激光发射器(6)，其特征在于，包括通过由固定设置的两电动机(M1，M2)驱动的至少一根传输带(20)移动所述发射器(6)的步骤。
11.一种用于对定位在权利要求1至5中任一项所述装置(1)的作业平面(3)上的产品进行切割和/或作标记的方法，其特征在于，包括以相同速度沿相反方向运行所述两电动机(M1，M2)以沿所述第一方向(X)平移所述可移动横杆的步骤，以及以相同速度沿相同方向运行所述两电动机(M1，M2)以沿所述第二方向(Y)沿所述可移动横向杆(10)平移所述发射器(6)的步骤。
12.一种用于对定位在权利要求6所述装置(1)的作业平面(3)上的产品进行切割和/或作标记的方法，其特征在于，包括以相同速度沿相对于第二对电动机(M2，M4)相反的方向运行第一对电动机(M1，M3)以沿所述第一方向(X)平移所述可移动横向杆(10)的步骤，以及以相同速度和与所述第二对电动机(M2，M4)相同的方向运行所述第一对电动机(M1，M3)以沿所述第二方向(Y)沿所述可移动横向杆(10)平移所述发射器(6)的步骤。
13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，包括运行所述电动机(M1-M4)以时间和空间上恒定的能量分配将所述激光束移动到所述产品上的又一步骤。
14.前述权利要求中任一项所述的装置的用途，用于通过激光处理产品。
全文摘要
本发明涉及一种用于通过激光束对产品切割和/或作标记的装置。该装置包括可沿横向杆沿第一方向(X)移动的至少一个激光发射器，横向杆又可沿横向于所述第一方向(X)的第二方向(Y)在作业平面上方移动，以及用于移动激光发射器和横向杆的至少两个电动机。激光源设置成将激光束引导到所述作业平面上。有利的是两电动机固定设置且通过传输带耦合在一起并都与激光源和横向杆耦合。
文档编号B41M5/24GK101045270SQ2007100897
公开日2007年10月3日 申请日期2007年3月26日 优先权日2006年3月27日
发明者E·富斯蒂诺尼 申请人:赛股份有限公司