一种工具机的测量头及测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种工具机（1）的测量头（10），其包含用于将所述测量头连接到所述工具机的组件（5）的机械连接器（14）以及用于将所述加工头连接到流体源的流体连接器（17），由以下各项表征：流体出口（45、46），其可按压到工件上；其由流体压力测量装置（43）和/或流体流量测量装置（42）表征；所述流体出口包含密封部件（45），特别是在出口开口周围的用于建立与工件表面的气密性连接的弹性圈。
【专利说明】一种工具机的测量头及测量方法
[0001]本案是基于前述母案申请的分案申请，所述母案的申请日为2009年5月4日，申请
号为200980116437.9，公布号为CN102015192A，名称为“加工头、激光加工工具、接收
方法、测量头、测量方法”。
【技术领域】
[0002]本发明涉及根据独立权利要求项的导言的加工头、包含所述加工头的激光加工工具、接收方法、测量头和测量方法。
【背景技术】
[0003]激光加工工具用于不同目的。一方面，其可用于表面加工；另一方面，其还可用于大型工件的加工。在进行工件精加工的情况下，有可能通过激光束有意地在个别层上行进来产生精确界定的裸片。然而，也可以使用激光束来切割和/或钻孔和/或焊接组件。
[0004]不同类型的用法需要不同的激光加工头。一方面，其光学特征可能不同，例如具有不同的光学模块，这些光学模块使通过加工头的激光具有不同的光学影响和评估。激光加工还包含略有些复杂的传感器系统，所述传感器系统能够(例如)接收和评估所发射的激光，而且还任选地接收和评估所反射的激光(由所述过程发射的光)。此外，光学和其它传感器可以提供于加工头中。加工头还可包括光学致动器技术，例如用于改变激光束的聚焦条件(任选地也在操作期间进行)的可调聚焦装置。还可提供光束导引器，用于以所需方式导引激光束穿过工件表面。
[0005]此外，激光加工工具的加工头还可具有流体导引器。特定的气体可(例如)经由加工头导引到当前的加工位点，所述气体例如为钝化气体，例如氮气或惰性气体；或者反应性气体，例如氧气，等等。
[0006]当更换加工头时，此操作是以下述方式执行:手动移除不再需要的加工头，并将新近需要的加工头同样手动连接到激光加工工具的系统的剩余部分。为此，特定地说，需建立机械连接，但还需建立光学连接、电连接以及(任选地)流体连接。
[0007]图1示意性展示可以应用的激光加工工具I。参考标号2大体上表示外壳，所述外壳包含机械刚性机架2a以及(任选地)可封闭加工空间2c的门2b。3以及3a、3b和3c分别表示工具臂的组件。4 (4a、4b、4c)示意性代表允许工件9与加工头10之间的相对移动的移动轴杆。所述轴杆是驱动轴杆，且可包含多个平移轴杆和多个旋转轴杆。一些轴杆还可以双轴杆的形式提供。或者，可将移动轴杆提供于工件台与机架2a之间或机架2a与加工头10之间。一个或一个以上轴杆可以双轴杆形式存在。
[0008]5表示在所述臂上的连接器，加工头10可连接到所述连接器。如前文所提到的，所述连接器包含用于建立机械连接以及(任选地)电连接、光学连接和流体连接的必要构件。6大体上表示供应构件，其向机器提供电能和控制信号以及激光，并任选地提供所需的气体。6a是指用于发送和接收信号的控制器。6b是指用于产生激光或将激光转送到加工头10的激光单元。6c是指流体源，例如加压空气源或另一气体(惰性气体、氮气、氧气等)源。这些参数(电能、电信号、激光、流体)都是从供应单元6经由示意性展示的导管8通过连接器5供应到激光头10，使得以适合的方式提供给激光头10。
[0009]此外，所述机器包括普通传感器和致动器技术以及用于控制和操作所述机器的控制组件。特定地说，可在个别轴杆处提供位置传感器。所述个别轴杆可被自动驱动、电驱动或气动驱动。所述控制器可具有较为复杂的计算器，用于进行复杂的控制任务。
[0010]迄今为止，当置换加工头时，都是通过对应的处理动作手动进行机械连接。随后，同样用手单独建立电连接和气动连接。激光连接可以与机械连接同时进行，因为机械连接常常也同时建立激光连接，尤其是在所需且必要的对准中。
[0011]先前方法的缺点在于，加工头的置换相当麻烦而且耗时。特别是在加工操作会耗费较长时间的情况下，可能有必要维持原本将仅出于更换加工头的目的而不需要的人员。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于提供一种加工头和一种激光加工工具，其使得能够简单地更换加工头。
[0013]通过独立权利要求项的特征来实现此目的。附属权利要求项涉及本发明的优选实施例。
[0014]根据本发明的加工头包含用于将加工头连接到激光加工工具的机械连接器，以及光路径连接器和/或电连接器和/或流体连接器。所提供的连接器经调适以使得通过使用这些连接器，可经由加工头整体与激光加工工具之间的一个或一个以上共同的相对移动进行必要的连接，即，特定地说，具有所需的或必要的刚度的机械连接，以及与所提供的其它连接器对应的光路径连接和/或电连接和/或流体连接。
[0015]用于建立所有这些连接的相对移动是头组件的共同移动。因此，没有必要单独操作所述头的个别组件。也不必分别通过激光加工工具和对其进行连接的其组件来执行任何其它操作。所述连接是经由所述头组件相对于对其进行连接的加工工具的组件的共同的相对移动来进行。所述相对移动可包含平移移动和/或旋转移动。
[0016]因此，加工头的连接器具有特定的设计和对准。加工工具具有以完全相反的匹配方式来设计和对准的连接器。
[0017]加工头的更换可以下列方式自动发生:使加工臂接近加工工具的储存箱7，以便任选地首先存放不再需要的加工头10，且接下来当已经到达储存箱中的存放位置时，执行拆卸(且事先可能解锁)所必要的相对移动。随后，可使新的加工头接近储存箱7中的另一位置。通过执行必要的相对移动来进行与其的连接。接下来，可从储存箱7移除加工头10，并将其用于进一步加工。
[0018]因此，本发明的方面是具有特定的连接器设计的上文描述的加工头10、具有与加工头10完全相反的机器连接器5设计的激光加工工具1、由加工头和加工工具构成的整体系统以及加工头更换方法。连接器设计可看作是接口。在机器与头处的匹配的加工连接器构成此在机器与头之间的接口。
【专利附图】
【附图说明】[0019]下文参看图式描述本发明的个别实施例，其中:
图1示意性展示激光加工工具，
图2示意性展示加工头，
图3A-D示意性展示加工头储存箱，
图4展示加工头,及 图5展示测量系统。
【具体实施方式】
[0020]在所述描述中，相同的参考标号表示相同的组件。预期本发明的特征可相互组合，即使此组合并未明确提到，但只要所述组合不会因技术原因而不可能实行。
[0021]图2展示加工头10。11可同时分别表示加工头的纵轴以及激光束和激光束的光束路径。12是指光学单元，其特别包含可任选地例如用电致动的聚焦单元12a，可能包含任选的光束分光器12b和光学传感器12c。在此情况下，也可提供光束导引器(未图不)用于实现光束偏转。13是指用于控制并且还任选地测量流体流量的流体控制器。
[0022]14a和14b表示机械连接器，其在此处被绘制成蘑菇形的销钉，但当然其也可呈不同形式，例如呈凹槽形式。所述机械连接器提供机械牢固的刚性机械连接，其被限定于其在加工头10与激光加工工具I的组件(特定地说，图1的机器连接器5)之间的位置中。
[0023]15表示光路径连接器，其可基本上是允许激光通过的开口。此外，还可以提供可使辐射透过的窗口 18c，其实质上用于保护所述头的内部以防渗入污染物。
[0024]16表示电连接器。其可具有许多个别触点。电能(供电电压、供电电流)可经由所述触点来引导，且驱动信号也可被引导到所述头内部的相应组件，且可从所述头中的传感器返回测量结果和其它信号。电连接器16可以是具有所需数目的触点的连接器。此数目可能相当大。光学系统12可包含与电连接器16的电连接，以便接收所需的信号并输出可能获得的信号。
[0025]17表示一个或一个以上流体连接器。这些流体连接器可以是流体循环的前进的通路和返回的通路。然而，也有可能在所述前进的通路上导引多种不同的流体，所述通路的出口将以适合的方式提供。所述出口可例如通过朝向工件的喷嘴出现。所述流体可受流体控制器13控制。流体控制器13可具有与电连接器16的电连接，以便接收所需的信号并输出可能获得的信号。
[0026]18大体上表示加工头的外壳。其可为大致上封闭的。例如，18a是大致呈圆柱形的套筒，其包围所述头的所述组件。18b是定位于激光束出口 18d的对侧朝向工件的顶板。出口 18d又可由可使激光透过的窗口封闭。顶板18b和/或所述头10的另一组件可支撑并固持所述连接器14到17。顶板可基本上分别垂直于所述头的轴11和激光束路径定位。
[0027]连接器14到17中的个别连接器可能需要特定的操作方向。对于机械连接器14a、14b，操作方向是由虚线轴19a指示。对于电连接器16，操作方向是由轴19b指示。对于气动连接器17，操作方向是由轴19c指示。对应于用于建立相应连接的移动的这些轴19a、19b和19c可为平行平移移动(如图所示)，并且可平行于所述头的轴11，如图2所示。
[0028]图中未展示将与其建立连接的激光加工工具的组件的对应设计，S卩，未展示有关机器连接器5的对应设计。机器连接器5实质上经设计成与加工头的连接器的设计完全相反。
[0029]此外，还可提供锁定装置，其在建立了刚性机械连接后将所连接的组件(加工头、激光加工工具的组件)彼此锁定，使得连接不会例如因振动而自行解锁。因此，在断开连接之前，必须松开锁定。所述锁定可具有可移动元件。这些元件可以是弹性偏置的和/或电或气动可操作的。锁定装置(且特定地说，其可移动元件)可提供于所述机器上，尤其是在机器连接器5处。然而，其也可以提供于加工头上。
[0030]与前文所描述的内容对比，用于经由本发明设计的连接器建立连接的相对移动也可具有旋转移动和/或平移与旋转移动的组合。如果提供多种移动，则这些移动中的一者可用于使连接器彼此机械接近，而其它移动则用于经由所涉及的连接器实际上建立连接(机械、电、光、流体连接)。
[0031]相对移动以及可能的先前起动的移动可通过控制机器控制器由所述机器通过使用其轴杆4中的一者或一者以上来自动执行。于是，加工头10的接收、存放和更换可以是用于加工工件的主要加工程序的一部分。
[0032]在简单的实施例中，根据本发明的加工头10可仅装备有机械连接器14和光路径连接器15。随后，将经由加工头沿轴11 (特定地说，朝向工件9)导引激光束，在所述工件9处所述光束将执行所需的加工。连接的建立和断开可经由所有头组件的一致的共同相对移动来进行，如所描述。如前文所提到的，建立光学连接可能相对较容易，只需要对准所述头即可。这可以在建立机械连接时发生。另外，激光束的光路径连接实质上具有通道15以及(任选地)窗口 18c，所述窗口 18c可定位于在机器连接器的一侧上的对应开口和窗口的对侧。
[0033]在较为复杂的实施例中，除机械连接器14和光路径连接器15以外，还可提供电连接器16。经由电连接器16进行的连接是与机械连接同时并且特别借助于相同移动(在图2中沿所示轴19a和19b)建立。连接器16在激光加工工具的组件的一侧上找到完全相反的连接器，所述连接器16通过连接相对移动而被推入所述连接器中以便因此建立电连接。所述电连接可以是用于传输能量和/或传输信号的连接。信号可传送到加工头中的组件(驱动信号)，或者可从加工头中的组件传送到连接器16 (测量信号)。可以传输用于驱动光束聚焦单元12a的驱动信号、光学传感器12c的传感器信号以及来自流体控制器13的驱动和测量信号。也可传输其它驱动信号和测量信号(未图示)。
[0034]在另一实施例中，头可仅具有机械连接器和电连接器。这可以例如是测量头，其在工件上机械地行进，以便获得所述工件的尺寸和测量结果。测量头可以触觉(扫描头)或电容或感应或光学方式来工作。于是，可省略光路径连接器和流体连接器，或者所述设计使得提供于所述机器上的用于建立经由机械连接器14的机械连接和经由电连接器16的电连接的连接器互不干涉。
[0035]在另一实施例中，可提供图2中所示的所有连接器(机械、光学、电和流体连接器)。然而，如果不需要，则也可任选地省略电连接器16。
[0036]就加工头使用激光来说，其可以是钻头或切割头或焊接头。在目前的情况下，通过移动头10整体来使工件上当前所需的相应加工位点接近此处。激光可在固定界定的光路径上移动通过所述头。然而，加工头也可以是扫描头，并具有扫描单元，其例如呈相对于彼此以一定角度定位的一个或一个以上可驱动且可调整的旋转镜的形状。因此，可以改变所述头中的光路径，以使得可通过扫描单元执行对工件9上的相应当前所需的加工位点的接近，使得所述头作为整体可以是固定不动的。扫描单元可使光束一维或二维地偏转。其可为快速的且在不到100毫秒或不到10毫秒内在工件上沿轨迹行进。可根据来自电连接器16的信号执行控制。可在所述头10中提供自动控制。扫描信号也可送回到电连接器16。
[0037]在另一实施例中，除机械连接器14以外，加工头可只具有流体连接器17。如图4中所示，测量头40可经构建以(例如)用于测量目的。测量头接着可具有经界定的流体出口，所述流体出口可按压到工件9上。因此，有可能产生通过工件9中所产生的开口的流体流动，所述流动可根据压力和/或流量进行测量，以便测量(例如)所形成的孔的横截面。通常，孔可能太窄而不能经由(例如)测量扫描仪来扫描。通过使用强迫通过的流体进行的流量测量接着将允许得出有关通过能力的结论，并任选地得出有关所形成的孔的直径的结论。
[0038]在本实施例中，朝向工件的流体出口可具有孔口 46，所述孔口 46包含圆周弹性密封部件45，特定地说，在出口开口周围的弹性圈，以便通过将流体出口开口选择性地按压到工件表面上来形成与在工件9中所制造的通道的气密性连接。孔口 46和密封部件45可特别地针对工件而形成，并适合于工件表面，即，其可能不是平面的。其可以相当小，并且只覆盖一个孔。然而，其也可以较大，而且覆盖数个孔。孔口可在所述头40处由口承44形成。其可在接口 47处自动转换。接着，具有呈不同形状的孔口开口的多个口承可提供于储存箱中，如对于个别开口或小区域，由46a和对应密封45a示意性展示，对于由开口构成的曲线，由46b和对应密封45b示意性展示，或对于由开口覆盖的较大区域，由46c和对应密封45c示意性展示。操作可通过使用负压代替高压来进行。
[0039]此方面被视为本发明的独立方面。其可与如上文描述的头连接器设计一起使用，但也可独立于其来使用。因此，对应的加工头将表示测量头，其也可以常规方式连接到加工系统(例如，机械连接和流体连接的手动制造)。此处，可以进行流体压力和/或流体流量的测量。这些测量可以在加工头10的外部执行，因为其经由离开加工头的导管8而为人所知。接着，流动阻力可被评估为压力与流量的商(类似于欧姆定律(R = U/I))。所得值允许得出有关先前制造的孔的通过能力和直径或最小横截面积的结论。任选地，可进行精加工，或者可针对进一步过程改变工艺参数。在一定范围内，在本实施例中有可能也在加工头内进行测量，例如流量测量和/或压力测量。然后，在加工头中将产生电信号，这些电信号必须经由将在此情况下提供的电连接器来驱散。如前文所提到的，用于测量目的的流体使用的所述特征可独立于加工头的连接器的所述设计来使用，但也可以与这些设计一起使用。所述流体可以是加压空气。
[0040]然而，上述测量头也可以与所述加工头单元(光路径、电连接器)组合。流体出口可邻近于激光出口。其也可以具有共同的出口，例如当头外壳作为整体被用作流体导管时，或者当激光通过窗口进入流体通道中且接着传到流体通道外部时。
[0041]根据本发明的激光加工工具I具有用于加工头10的机器连接器5，其被设计成以完全相反的方式配合加工头10本身的连接器14到17。其包括因而需要的连接器。只要机器上的臂组件可能不发生改变或不需要发生改变，机器连接器5就可因而具有所有完全相反的个别连接器(机械、激光、电、流体连接器)，所述连接器根据需要而由分别安装的加工头所使用或保持敞开，如参考上文进一步描述的加工头的实施例所示。[0042]如图1中示意性展示，激光加工工具I可具有用于多个加工头和测量头10a、10b的储存箱7。储存箱7可位于加工工具I的内部2c中。如图3A所示，其可容纳多个支承位置31a到31f，这些支承位置分别能够接收加工头10。储存箱7可以一定方式接近激光加工工具的臂以致其能够为所述臂所接近，所述臂随后也能够执行建立连接所必要的相对移动。在优选实施例中，当建立或断开加工头10与机器连接器5之间的连接时，加工头10保持不动，而机器连接器沿或围绕其轴杆4中的一者移动。然而，这也可以相反，或者两个元件都可移动。
[0043]在如所展示的实施例中，加工头是彼此紧挨着排列于储存箱中。然而，所述排列也可以是垂直的。如图3B中所示，储存箱可包括储存箱框架33和抽屉插件32，所述抽屉插件32可收缩到储存箱框架中或从储存箱框架中伸出。驱动可以是电或气动的。抽屉插件32载有用于各种加工头10的实际容纳位置31a到31f。当更换头时，抽屉32伸出(如图3B所示)，否则其收缩。
[0044]此外，还可提供挡板34a_f，其覆盖或封闭个别加工头10 (且特定地说，其连接部分)，使得其不会被污染。在当前不需要或不操作储存箱时，挡板34可定位于加工头的连接部分的上方。如图3B中所示，当欲更换加工头时，挡板可被打开或弹开。挡板可为可独立或共同操作的。挡板和抽屉可通过控制普通的机械控制器来被自动操作。
[0045]此外，根据图3C，可以提供防护罩35，其包围储存箱并具有开口 36，可例如通过使抽屉32穿过开口 36伸出来使加工头10穿过所述开口 36，如图3C所示。防护罩35的开口 36又可具有另一挡板37，其在不需要储存箱7时封闭开口 36 (图3D)。挡板37可例如通过伸出抽屉32而机械合作，或者其可独立控制。防护罩35可完全包封储存箱7，使得在工件的激光加工期间可能产生的污染物和工艺材料不会到达加工头。
[0046]其它流体测量方法可经设计如下:
在加工头可接近的所述机器的一部分中，将样品工件(例如，具有所定义厚度的板)以固定夹持的方式保持在适合位置。在样品工件中借助于加工头制造一个或一个以上开口(通孔)。如上文所述，利用流体定性地检查所述开口的通过能力，且还任选地定量地检查其横截面。依据检查的结果而定，加工程序可能受到影响。例如，可以调整或改变工艺参数(例如，激光性能、位置控制)，或者可能需要手动干预。对样品工件的工作和测量可以在所述工作开始之前在实际工件上进行，或者随其一起进行。
[0047]可以通过使用如上文所述的测量头或者通过使用如上文所述那样工作(流量测量、压力测量、任选进行的商形成、评估)但固定地提供于样品工件上的自身固定的流体测量单元来执行上述检查。例如，可以将样品工件夹持在加压空气出口的前面。
[0048]最后，也可能将处于夹持状态的具备通孔的工件直接连接到加压流体源(例如，力口压空气源)，随后在工件中产生通孔，且一次或数次跟踪且特别是评估所得的流体参数。一些涡轮叶片具有(例如)内部较大的通道，所述通道具有精细分支的通道以用于冷却朝向叶片表面的流体。所述大通道可由空气加压。当不久以后借助激光钻孔制造所述分支通道时，有可能追踪和评估或检查压力和流量。依据检验结果而定，操作程序可能如上文所述那样受到影响。如果可接近工件的加工表面的后侧而不是通道，那么可以类似方式进行加工。
[0049]为了说明这点，图5展示工件固持器50的实施例，所述工件固持器50可例如经由卡爪51稳固地夹持工件9。工件固持器50可直接为机器的工件台或为可夹到工件台的中间件。工件固持器50具有流体供应52a和弹性密封部件53。52b代表流体导管，54a和54b代表(例如)用于流体压力和流体流量的传感器。55表示流体源(高压或负压)。10代表激光钻头，其制造(例如)从顶部到底部的孔％，这些孔与处于中央的通道9a连通。在流体源处具有恒定条件的情况下，流体流量将增加，且对于每一附加的孔％，流体流量将减小。可将这些值和/或导出的值(例如，商)与目标值相比较。必要时，可以影响或修改或停止所述过程。包括加压空气供应的工件固持器被认为是本发明的独立部分。
【权利要求】
1.一种工具机(I)的测量头(10)，其包含用于将所述测量头连接到所述工具机的组件(5)的机械连接器(14)以及用于将所述加工头连接到流体源的流体连接器(17)， 由以下各项表征: 流体出口(45、46)，其可按压到工件上。
2.根据权利要求1所述的测量头，其由流体压力测量装置(43)和/或流体流量测量装置(42)表征。
3.根据权利要求1或2所述的测量头，特征在于所述流体出口包含密封部件(45)，特别是在出口开口周围的用于建立与工件表面的气密性连接的弹性圈。
4.根据权利要求1至3中一个或一个以上权利要求所述的测量头，特征在于其经设计为根据权利要求1至6中一个或一个以上权利要求所述的加工头。
5.一种用于测量在工件中产生的开口的测量方法， 由以下步骤表征: 实现通过所述开口的流体流动，测量流体流量和/或流体压力，且评估测量结果。
6.根据权利要求5所述的方法，特征在于在加压样品工件中加工所述开口，且可根据所述评估结果来影响对实际工件的加工。
7.根据权利要求5所述的方法，特征在于将加压流体施加到所述实际工件，且依据加工进展而获得并评估一个或一个以上流体参数，并且可根据所述评估结果来影响对所述工件的所述加工。
【文档编号】B23K26/00GK104002038SQ201410000650
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2009年5月4日 优先权日:2008年5月6日
【发明者】克里斯蒂安·沃格特, 沃尔德曼·卡尔古斯, 马丁·莱萨赫 申请人:邵尔激光技术有限责任公司