用于工件热加工的设备的制作方法

文档序号:3200477阅读:149来源:国知局
专利名称:用于工件热加工的设备的制作方法
用于工件热加工的设备本发明涉及一种用于热加工工件的设备,该设备具有一个垂直于该工件表面的、可调整的热加工工具,并且具有一个驱动器用于调节工作间距,其中用于调节工作间距的驱动器与该加工工具或其一部分处于有效连接并且形成为活动线圈驱动器并具有一个磁体,该磁体产生一个磁场并具有一个安排在磁场中的线圈,其中磁体和线圈能够依据一个电流沿着一个移动轴线相对彼此移动。对工件的热加工尤其包括焊接、切削、以及用于制造标记的表面加工。根据所调节的目的的不同,使用不同的加工机床和不同类型的加工工具。工件的热切削可使用不同的加工工具,如火焰燃烧器(Autogenbrenner)、等离子燃烧器或激光器。在使用火焰燃烧器的情况下,工件的热切削是通过组合使用燃烧气体流和氧气流 而进行的。在此进行了材料分离,其方式为通过燃烧温度来熔化在切削正面区域中的材料并且通过来自切削正面的切削气体流将材料排出。借助激光束的材料热切削通过结合使用聚焦的激光束以及气体流而进行。根据不同的分离机理,在此区分了激光束-熔融切削、激光束-蒸发切削或激光-燃烧切削。对于精确地进行工件切削而言,重要的是在切削工具与工件之间保持一个预定的间距。优选的间距取决于不同的因素,例如包括工件品质以及工件厚度。这不仅适用于借助火焰燃烧器的切削(其中由燃烧器产生的火焰具有一种特征性的温度分布)而且适用于借助激光束的热切削中的激光束聚焦位置。
现有技术已知许多方法和设备用于调节最佳间距并将其保持恒定。例如从DE 195 03 758 Al已知一种驱动设备,用于调节一个燃烧器切削机床的燃烧器高度,其中一个电动机式的驱动器用于调节工具(切削头)与工件之间的间距。将一个与螺纹杆相连的电动机用作驱动器。从DE 699 26 679 T2已知一种用于调节激光切削机床的激光束的聚焦位置的方法,这是通过改变一个聚光透镜与一个出口喷嘴之间的间距而实现的。这个聚光透镜是位置上固定的。一个驱动机构将激光头独立于聚光透镜上下移动,由此调节聚光透镜与出口喷嘴之间的间距。使用一种电动机作为激光头的驱动设备,该电动机驱动一个球形螺纹杆。电动机具有固定的空间需求、产生不平衡度、并且造成该设备的更大的构造形态、并且导致更小的机床动力(Maschinendynamik)。替代于电动机,已经采用了所谓的活动线圈驱动器(也称为语音线圈激励器),尤其是当要产生精确的线性移动时。一种活动线圈驱动器是例如在EP 0 868 962 A2中对于工具的三维移动提出的。对于在水平平面中的移动,配备了多个滑动台,这些滑动台各自安排在两个活动线圈驱动器之间。对于在竖直方向上的移动,仅配备有一个安装在工具上的活动线圈驱动器。一种方法以及处于一种借助激光器加工晶片的热加工机床形式的一种属类设备从US 2005/0184036 Al是已知的。在此,将用于透镜系统聚焦的活动线圈驱动器沿光学轴线配置,其中多个活动线圈驱动器安排在透镜系统的附近、以及上方或下方。技术目的在两个活动线圈驱动器之间安排工具、以及将活动线圈分离地安排在透镜上方、下方或附近都有很大的空间要求并且可能在快速移动下造成不平衡。由此本发明的基本目的在于,提供一种用于热加工机床的驱动器,这种驱动器使得一种紧凑的构造形式以及高的机床动力成为可能。发明概沭从上述类别的设备出发,根据本发明,这个目的是以如下方式实现的,即该磁体具有一个空腔,其中安排有与该活动线圈驱动器机械地连接的加工工具或其一部分。 在根据本发明的设备中,提供了活动线圈驱动器,以便在热加工时调节工作间距。活动线圈驱动器本身是从现有技术已知的。该驱动器移动的原因是,通电的线圈能够在磁场中相对于磁力线移动。这种驱动器的移动在此是通过该线圈自己的移动或者通过产生磁场的磁体的移动而实现的。与例如借助电动机和螺纹杆的间距调节方式相反,通过使用活动线圈驱动器能够获得该设备的特别紧凑和特别轻的构造形式。活动线圈驱动器是焊接较少的、不产生磨损并且允许快速、动态地调节工作间距。本发明的实质性特征在于,该活动线圈驱动器具有一个空腔,其中安排有与该活动线圈驱动器处于有效连接的加工工具或其一部分。否则,放入到该空腔内部的工具部分可能需要安排在该活动线圈驱动器之外。因此这种安排使得一种特别紧凑的构造形式成为可能。该加工工具或其一部分完全被活动线圈所围绕;但是它也可以从空腔突出。在最简单的情况下,加工工具或其一部分可移动地安排在该空腔之内。但是也可以将其不可移动地安排在该空腔之内,其中在这种情况下,未安排在空腔中的一个在外的工具部分必须是能够借助该活动线圈驱动器向上或向下移动的,以便实现间距变化。该加工工具是例如激光器或者燃烧器。该线圈实施为单件式或者多件式。在最简单的情况下,该磁体为一种环形磁体。但是该磁体还可以由多个环形磁体或者由多个磁性组件组合成。该磁体还可以是一个线圈。为了实现更高的机床动力并避免不平衡,证明特别有利的是,沿一个移动轴线来引导该加工工具或其一部分,并且将活动线圈驱动器围绕这个移动轴线对称地安排。已经证明有利的是,该机械连接借助一个向空腔中突出的滑动元件、尤其是一个套筒而进行。该滑动元件用于固定该加工工具或其一部分,并且可以同时用作对加工工具或其一部分的不同尺寸的适配器。这个设备的一种优选的变体提出,将该空腔形成为一个永磁体的内孔。与例如借助电磁体来产生磁场相反的是,在使用永磁体的情况下,不需要另外的电力供应或磁体控制。优选的,为了调节该工作间距,设置了一个用于粗调的第一装置和一个用于细调的第二装置,其中该第一装置具有一个粗调驱动器而该第二装置具有一个细调驱动器,该驱动器由活动线圈构成。粗调和细调优选是以不同的速度进行的。为了调节工作间距,首先进行粗调,并随后借助活动线圈驱动器实现细调。在粗调时的高速度造成调整时间的缩短,这使得能够以迅速地考虑到工件的较小的不均匀性(这造成了切削过程中的不准确性)的方式进行动态细调。已经证实有用的是,将空腔实施为连续的圆柱形,并且具有在从20mm到70mm范围内的直径。连续的空腔是容易制造的。在热加工时典型地使用侧向尺寸大于20mm的工具。在小于20_的空腔直径下,这种能够以本发明的驱动器获得的工具可能不再适用。在大于150_的直径下,造成了驱动器的重量较大,这减小了机床动力。已经证明有用的是,活动线圈驱动器的升程范围是5到30mm。这个升程范围尤其适合于细调。
在该设备的一个有利的实施方案中,该加工工具是激光器、具有至少一个透镜,该透镜作为加工工具的一部分与该活动线圈驱动器机械地相连并且安排在该空腔中。将透镜安排在活动线圈驱动器的空腔之内使得激光聚焦单元的驱动器的一种特别紧凑的构造成为可能。这种安排可以整合在一种具有侧面透镜调节的可倒角(fasentauglich)的激光头中。透镜相对于工件表面或另一个射束成形的光学部件的位置被调整为借助活动线圈驱动器对激光束进行聚焦并且允许更短的调整时间。在这种实施方式的一个优选的改变中提出,将该透镜与可移动地放置的、活动线圈驱动器的线圈相连接。在这种情况下,透镜在磁体的空腔内部是沿移动轴线可移动地放置的并且它是借助该线圈而移动的。透镜与线圈之间的这种机械连接例如借助于一个向空腔中突出的、且沿该移动轴线可移动的套筒或导杆进行,这个套筒或导杆同时用于保持该透镜。在一个替代性的、同样优选的改变中提出,将该透镜与可移动地放置的、活动线圈驱动器的磁体相连接。同样在这种情况下,透镜在磁体的空腔内部是沿移动轴线可移动地放置的并且它是借助该磁体而移动的。透镜与磁体之间的这种机械连接例如借助于一个向空腔中突出的、且沿该移动轴线线可移动的套筒或导杆进行,这个套筒或导杆同时用于保持该透镜。在最后提到的这两种设备变体的情况下,所考虑到的是,活动线圈驱动器的线圈和磁体是相对彼此可移动的,并且该加工工具或其一部分不仅可以固定在该线圈上而且可以固定在该磁体上。在此已经正面有益的是,活动线圈驱动器具有一个将该空腔从外部密封的压力窗□。由此即使在腔室之外更高或更低的气体压力下也能够进行工作间距的动态调节,像例如在切割工艺中遇到的(所谓的切割压力)。在该设备的另一个有利的实施方案中,该加工工具是一个燃烧器,该燃烧器具有一个燃烧器轴和一个与该燃烧器轴相连的燃烧器头,其中该燃烧器轴与该活动线圈驱动器机械地相连并且突出穿过该空腔。燃烧器是用于焊接、切削、标记、钎焊或焰刨(Flammen )的燃烧器。下面借助于多个实施例以及附图
来详细说明本发明,附图中分别示意性展示了 图I示出了用于热激光加工的加工机床的、根据本发明具有活动线圈驱动器的设备的第一个实施方案;
图2示出了用于具有切削燃烧器的加工机床的、根据本发明具有活动线圈驱动器的设备的第二个实施方案;并且图3示出了用于热激光加工的加工机床的、根据本发明具有替代性的活动线圈驱动器的设备的第三个实施方案。 图I示出了用于对激光加工机床的激光束进行聚焦的一个处于活动线圈驱动器形式的驱动器,该活动线圈驱动器总体上以参考标号I表示。活动线圈驱动器I由一个壳体部件2组成,其中位置固定地放置有一个永磁体3,该永磁体具有一个北极3a和一个南极3b。磁体3产生了一个磁场,两个线圈5a、5b位于其中,这两个线圈在移动轴线10的方向上彼此间隔开地固定在支撑物4上。支撑物4具有一个环绕的侧壁4a,该侧壁与一个向内突出的凸缘4b相连接。支撑物4以鼓起的方式从上方接合该磁体。支撑物4的侧壁4a用于接收线圈5a、5b。在支撑物4上安置有一个处于套筒9形式的连接元件,该连接元件在保留一种环形的工作气隙的情况下向该空腔7中突出并且沿该移动轴线10可自由移动地放置。这两个线圈5a、5b是通过连接部6与一个应力来源(未示出)相连接。对于本发明重要的是,壳体2包围一个同心的圆柱形空腔7,在该空腔之内安排有一个镶边的透镜8,该透镜用于聚焦激光束。透镜8安装在套筒9中,该套筒在空腔7之内能够沿移动轴线10上下移动。套筒9与凸缘4b用螺纹接合。在对线圈5a、5b通电流时,由于洛伦兹力,这导致对线圈5a、5b的力作用以及由此导致支撑物4和套筒9以及其中安装的透镜8 —起移动。通过调整电流来固定透镜8与工件表面16之间的工作间距A,并且由此固定激光束的聚焦位置。空腔7是通过压力窗口 11与外部密封的,这样防止了切割气体渗透到空腔7中以及对透镜8的不利影响。在工作隙中,线圈5a、5b的最大升程为20mm。活动线圈驱动器I的总外径为110mm,并且在未移出的状态下高度为115mm。空腔7的内径为63mm,套筒9的外径为60mm并且其内径为54_。支撑物4和套筒9由铝制成。透镜8为石英玻璃的一种聚焦透镜。驱动器I是为高达120N的剪切力设置的。该驱动器保证了在纳米范围内的高的重复准确性和定位准确性并且无滞后。只要在图2和图3中使用与图I相同的参考标号,就由此表示构造相同或等价的组件或构件,如以上借助本发明的活动线圈驱动器的第一个实施方案所详细描述的。图2显示了本发明的设备的第二个实施方案,其中使用一个燃烧器13作为加工工具。燃烧器13由一个燃烧器轴14和一个燃烧器头15组成。对于本发明重要的是,该燃烧器轴14延伸通过活动线圈驱动器21的中央空腔7。使用活动线圈驱动器21来调节燃烧器13与工件表面16之间的工件间距A,并且在这个实施例中是围绕燃烧器轴14对称地安排的。活动线圈驱动器21由一个包绕的且有U形截面的壳体部件2组成,其中位置固定地放置有一个永磁体3,该永磁体具有一个北极3a和一个南极3b。磁体3产生了一个磁场,两个线圈5a、5b位于其中,这两个线圈在移动轴线的方向上看在彼此之上并且彼此间隔开地固定在支撑物4上。支撑物4具有一个环绕的侧壁4a,该侧壁与一个向内突出的凸缘4b相连接。支撑物4以鼓起的方式从上方接合该磁体。侧壁4a用于接收线圈5a、5b。这两个线圈5a、5b是通过连接部6与一个应力来源(未示出)相连接。一个套筒9安置在凸缘4b上,该套筒向该空腔7中突出并且沿移动轴线10可自由移动地放置。
套筒9不仅螺纹接合到支撑物4上还螺纹接合到燃烧器轴14上。在对线圈5a、5b通电流时,由于洛伦兹力,这导致对线圈5a、5b的力作用以及由此导致支撑物4、套筒9以及其中安装的燃烧器13沿移动轴线10移动。通过调整线圈5a、5b上的电流调节了燃烧器13距工件表面16的间距。在工作隙中,线圈5a、5b的最大升程为25mm。活动线圈驱动器21的总外径为135mm,并且在未移出的状态下高度为130mm。空腔7的内径为63mm,套筒9的外径为60mm并且其内径为54_。支撑物4和套筒9由铝制成。燃烧器为一种火焰燃烧器。该驱动器是为高达1,IlON的剪切力设置的。该驱动器保证了在纳米范围内的高的重复准确性和定位准确性并且无滞后。图3示出了用于热激光处理的加工机床的、根据本发明具有替代性的活动线圈驱动器31的设备的第三个实施方案。活动线圈驱动器31由一个壳体部分32组成,两个线圈35a、35b位置固定地放置在其中并且在移动轴线的方向上间隔开地且在彼此之上地放置。线圈35a、35b固定在支撑物34上并且产生了磁场,其中磁体33具有一个北极33a和一个 南极33b。磁体33与一个支撑物36相连接,在该支撑物的侧面上安置有一个处于套筒9形式的连接元件,该连接元件在保留一种环形的工作气隙的情况下向该空腔7中突出并且沿该移动轴线10可自由移动地放置。这两个线圈35a、35b是通过连接部6与一个应力来源(未示出)相连接。对于本发明重要的是,壳体32包围一个同心的圆柱形空腔7,在该空腔之内安排有一个镶边的透镜8,该透镜用于聚焦激光束。透镜8安装在套筒9中,该套筒在空腔7之内能够沿移动轴线10上下移动。套筒9与支撑物36用螺纹接合。在对线圈35a、35b通电流时,由于洛伦兹力,这导致对磁体33的力作用以及由此导致支撑物36和套筒9以及其中安装的透镜8 一起移动。通过调整电流来固定透镜8与工件表面16之间的工作间距A,并且由此固定激光束的聚焦位置。空腔7是通过压力窗口 11与外部密封的,这样防止了切割气体渗透到空腔7中以及对透镜8的不利影响。在工作隙中,线圈35a、35b的最大升程为20mm。活动线圈驱动器31的总外径为110mm,并且在未移出的状态下高度为115mm。空腔7的内径为63mm,套筒9的外径为60mm并且其内径为54_。支撑物4和套筒9由铝制成。透镜8为石英玻璃的一种聚焦透镜。驱动器31是为高达120N的剪切力设置的。该驱动器保证了在纳米范围内的高的重复准确性和定位准确性并且无滞后。
权利要求
1.一种用于对工件进行热加工的设备,该设备具有一个与该工件表面(16)垂直的、可调节的热加工工具并且具有一个用于调节一个工作间距(A)的驱动器(I ;21 ;31),其中该驱动器(I ;21 ;31)与一个加工工具(13)或其一部分(8)处于有效连接中以便进行工作间距调节、构成为活动线圈驱动器(I ;21 ;31)、并且具有一个磁体(3 ;33),该磁体产生一个磁场并且带有一个安排在该磁场中的线圈(5a ;5b ;35a ;35b),其中磁体(3 ;33)和线圈(5a ;5b ;35a ;35b)依赖于电流而能够沿一个移动轴线(10)相对彼此移动,其特征在于,该磁体(3 ;33)具有一个空腔(7),与该活动线圈驱动器(I ;21 ;31)机械地相连的该加工工具(13)或其一部分(8)安排在该空腔中。
2.根据权利要求I所述的设备,其特征在于,沿该移动轴线(10)引导该加工工具(13)或其一部分(8),并且该活动线圈驱动器(I ;21 ;31)围绕该移动轴线(10)对称地安排。
3.根据以上权利要求中任何一项所述的设备,其特征在于,该机械的连接是借助于一个向该空腔(7)中突出的滑动元件、尤其是一个套筒(9)而进行的。
4.根据以上权利要求中任何一项所述的设备,其特征在于,将该空腔(7)形成为一个永磁体的内孔。
5.根据以上权利要求中任何一项所述的设备,其特征在于,为了调节该工作间距(A),设置了一个用于粗调的第一装置和一个用于细调的第二装置,其中该第一装置具有一个粗调驱动器而该第二装置具有一个细调驱动器,该驱动器由该活动线圈(I ;21 ;31)构成。
6.根据以上权利要求中任何一项所述的设备,其特征在于,该空腔(7)实施为连续的圆柱形并且具有在从20mm到70mm的范围内的直径。
7.根据以上权利要求中任何一项所述的设备,其特征在于,对于该活动线圈驱动器(I ;21 ;31)设置有从5到30mm的升程范围。
8.根据以上权利要求中任何一项所述的设备,其特征在于,该加工工具是具有至少一个透镜(8)的激光器,该透镜是作为与该活动线圈驱动器(I ;31)机械地相连的加工工具的一部分并且安排在该空腔(7)中。
9.根据权利要求8所述的设备,其特征在于,该透镜(8)与该活动线圈驱动器(I)的、可移动地放置的线圈(5a ;5b)相连接。
10.根据权利要求8所述的设备,其特征在于,该透镜(8)与该活动线圈驱动器(31)的、可移动地放置的磁体(33)相连接。
11.根据权利要求8至10中任何一项所述的设备,其特征在于,该活动线圈驱动器(I;21 ;31)具有一个压力窗口(11),该压力窗口将该空腔(7)从外部密封。
12.根据权利要求I至7中任何一项所述的设备,其特征在于,该加工工具是一个燃烧器(13),该燃烧器具有一个燃烧器轴(14)和一个与该燃烧器轴(14)相连的燃烧器头(15),其中该燃烧器轴(14)与该活动线圈驱动器(21)机械地相连并且突出穿过该空腔⑵。
全文摘要
一种已知用于热加工工件的装置,该装置具有一个垂直于该工件表面的、可调整的热加工工具,并且具有一个驱动器用于设定工作间距,其中用于设定工作间距的驱动器与该加工工具或其一部分处于有效连接并且形成为活动线圈驱动器并具有一个磁体,该磁体产生一个磁场并具有一个安排在磁场中的线圈,其中磁体和线圈能够依据一个电流沿着一个移动轴相对彼此移动。为了自此出发提供热加工机床的一种驱动器从而能够实现紧凑的构造形式和高的机床动力,根据本发明提出,该磁体具有一个空腔,与该活动线圈驱动器机械地相连的该加工工具或其一部分安排在该空腔中。
文档编号B23K37/02GK102756229SQ20121012930
公开日2012年10月31日 申请日期2012年4月20日 优先权日2011年4月21日
发明者T·沃尔夫, T·迪恩茨科费尔 申请人:梅塞尔切割系统有限责任公司
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