用于激光加工系统的光学元件的保持组件的制作方法

本发明涉及激光加工系统领域。本发明尤其涉及一种用于激光切割头的光学元件的保持组件。

背景技术：

1、切割光学器件中的光学元件对位置精确度、清洁度、以及机械和热负载具有较高的要求。通常，以下是光学元件失效的原因：光学元件的污染导致激光辐射的吸收增加以及因此光学器件的温度升高以及热致应力。通常由玻璃或可类比的材料制成的光学元件在升温时比金属托座元件膨胀的程度更低，其中，通过该金属托座元件将光学元件固定在射束路径中。这可能导致光学元件在托座中的夹紧松动。在光学元件保持得不够牢固时，激光加工头的突然运动可能导致该元件相对于激光射束移位，其中，光学元件可能发生损坏并且需要进行更换。

2、光学元件的常见托座具有金属螺纹环，该金属螺纹环将光学元件固定在保持器中。附加地，可以设置有弹簧元件(例如波形弹簧垫圈)来补偿应力。

3、然而，在这种托座中可能发生如下问题：在将螺纹环拧入到保持器中时产生颗粒和/或颗粒从螺纹匝圈中剥落并且落到光学元件上。同样在激光加工头突然运动时，金属托座部件在光学元件上的摩擦可能使颗粒出现松脱并且分布到光学元件的表面上。通过激光射束可能将光学元件上的这些颗粒引燃，这导致辐射吸收增加并且因此导致由光学元件和托座所构成的保持组件的热膨胀增大。激光功率越高，对光学元件的损坏就越大。

4、在de 102017209696 a1中描述了一种用于防护玻璃的托座，该托座由塑料注塑件构成。在de 102013206394 a1和de 202016005318 u1中描述了借助于塑料托座的用于光学元件的保持组件。然而，从这些文献中已知的托座不适用于将光学元件可靠地固定在激光功率高达24kw或更高的高功率激光器上。

技术实现思路

1、本发明的基本目的在于，提供一种用于激光切割头的光学元件的保持组件，通过该保持组件减少或避免上述问题。尤其应可以实现可靠且易于操作地固定光学元件。保持组件还应适用于补偿应力波动。

2、为了实现本发明的基本目的，提供了一种用于激光切割头的光学元件的保持组件。保持组件包括：接收元件，该接收元件具有用于激光射束的射束通孔。接收元件尤其可以具有基本上空心柱体的形状并且可以定位在激光切割头的壳体中。

3、保持组件还包括基本上柱形的光学元件，该光学元件能够定位在接收元件上，使得光学元件覆盖射束通孔，其中，光学元件具有远离(或背离)接收元件的、环绕的第一外边缘，该第一外边缘具有倒棱。表述“基本上柱形”应理解为，光学元件具有第一基面和与第一基面相对的第二基面，其中，这两个基面通过环绕的外表面相互连接。在外表面与基面之间的过渡部处相应地构造有环绕的外边缘，其中，这些外边缘之一(第一外边缘)通过所述倒棱裁切形成(verschnitten)。倒棱优选地在第一外边缘的整个长度上延伸(环绕的倒棱)。在光学元件的靠近(或朝向)接收元件的第二外边缘上也可以构造有倒棱。第二外边缘的倒棱可以比第一外边缘的倒棱构造得更小。这两个基面可以优选地是平坦面，这些平坦面彼此平行布置，其中，外表面优选垂直于基面延伸。此外，这些基面优选地可以各自具有圆形的外轮廓。然而其他的轮廓也是可能的，如多边形轮廓或部分削平的轮廓。

4、保持组件还包括基本上环形的由塑料制成的弹簧元件，该弹簧元件在远离接收元件的第一端部处具有带有径向向内倾斜的保持面的保持区段，并且在靠近接收元件的第二端部处具有带有径向向外倾斜的夹紧面的夹紧区段。弹簧元件能够定位在光学元件上，使得该弹簧元件以保持面靠置在光学元件的倒棱上。优选地，在弹簧元件的保持面与光学元件的第一外边缘上的倒棱之间可以相应存在基本上环形的面接触或线接触。

5、表述“基本上环形”应理解为，弹簧元件不一定具有圆环形状，虽然这是优选的。本发明建议，弹簧元件的形状与光学元件的形状相协调。

6、弹簧元件优选地可以在截面中具有垂直延伸的中央区段，该中央区段将保持区段和夹紧区段相互连接。在中央区段的区域中，弹簧元件优选地可以具有恒定的内直径dfzi和恒定的外直径dfza。弹簧元件可以在保持区段的端部(例如上端部)处具有其最小直径dfmin，并且在相对置的、夹紧区段的端部(例如下端部)处具有其最大直径dfmax。优选地，弹簧元件的中央区段中的内直径dfzi可以大于光学元件的直径doe，其中，最小直径dfmin小于光学元件的直径doe。根据本发明，弹簧元件可以利用这样的设计方案定位在光学元件上。

7、保持组件还包括基本上环形的夹紧元件，该夹紧元件能够定位在弹簧元件上并且紧固在接收元件上，使得夹紧元件接合到弹簧元件的夹紧区段中并且光学元件借助于弹簧元件的保持区段被压向接收元件。应理解的是，夹紧元件还可以优选地构造为圆环形，然而精确形状可以与光学元件和/或弹簧元件的构型相适配。夹紧元件具有内直径dsi，该内直径优选地大于弹簧元件的中央区域中的外直径dfza，然而小于弹簧元件在夹紧区段的端部处的最大直径dfmax。在该设计方案中，夹紧元件根据本发明可以接合到弹簧元件的夹紧区段中并且将其压向接收元件的方向。在保持组件的组装状态下，弹簧元件的中央区段优选地既不接触光学元件，也不接触夹紧元件。夹紧元件可以在其靠近接收元件的端部处径向内部具有倒棱或半径，该倒棱或半径与弹簧元件的夹紧面的倾斜度相适配，以便更好地夹紧弹簧元件。夹紧区段可以构造为楔形，因此内直径dfzi延伸至弹簧元件的夹紧区段的端部。相对于夹紧区段的扁平设计，夹紧区段的楔形设计可以提高在该区域中的稳定性并且因此改善朝向夹紧元件的中央区段的力传递。

8、光学元件、弹簧元件和夹紧元件可以被布置为按该顺序在接收元件上彼此相叠。然而这些部件按相同顺序在接收元件下方彼此相叠的布置同样是可能的。在本发明的范畴内，诸如“上方”、“下方”、“在上方彼此相叠”、“在下方彼此相叠”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”等术语涉及在保持组件安装在激光切割头中的状态下的对应部件，其中，激光射束从上向下被引导穿过激光切割头。

9、接收元件和夹紧元件可以分别由金属材料(尤其钢)制成。优选地，夹紧元件可以具有与接收元件的内螺纹对应的外螺纹，以便在夹紧元件与接收元件之间建立旋拧连接。此外，夹紧元件可以具有肩部，该肩部径向伸出超过接收元件的放置面并且限定夹紧元件在旋拧到接收元件上的最终位置。这种构建方式可以实现简单的装配，因为不需要复杂地调节夹紧元件的预紧力(例如通过施加特定的转矩)。光学元件的厚度(高度)和弹簧元件的高度彼此匹配，从而，当夹紧元件处于最终位置时，弹簧元件在光学元件与夹紧元件之间的间隙中弹性变形，并且光学元件以可精确预先确定的力向下被压向接收元件。

10、根据优选的变体方案，弹簧元件可以由耐高温的热塑性塑料、尤其聚醚醚酮(peek)制成。由于这种材料的良好的耐热性和良好的机械特性(尤其良好的蠕变强度)，因此这种材料特别好地适用于弹簧元件。同样可以适用于弹簧元件的材料例如是其他的聚醚酮(pek)或聚苯硫醚(pps)。在将夹紧元件旋拧到接收元件上时，以保持区段靠置在光学元件的倒棱上的弹簧元件发生弹性变形。因此在弹簧元件中产生的预紧力被传递到光学元件上并且将该光学元件压向接收元件。优选地，弹簧元件的预紧力可以被调节成补偿各个元件(尤其接收元件和/或夹紧元件)的由于机械和/或热影响而产生的变形并且无论如何都将光学元件可靠地保持在其适当位置。由高性能塑料(如peek)制成的弹簧元件的另一优点在于，在弹簧元件与光学元件之间发生相对运动时不产生污染光学元件的表面的颗粒。与之不同地，在摩擦时可能产生润滑膜，该润滑膜对激光切割头的运行没有负面影响。

11、优选地，光学元件的第一外边缘上的倒棱可以具有可预给定的倒棱角，其中，弹簧元件的夹紧面具有倾斜角，该倾斜角基本上与光学元件的倒棱角相对应。应理解的是，由于弹簧元件的弹性变形能力，夹紧面的倾斜角与倒棱角之间的例如高达2°的小偏差对保持组件的功能没有显著影响。可以有利的是，弹簧元件的夹紧面(相对于竖直线)的倾斜角大于光学元件的倒棱角。即，在弹簧元件的松弛状态下，在保持区段的端部与光学元件的倒棱之间存在线接触。只有在弹簧元件通过夹紧元件被夹紧后，才通过弹簧元件的变形将保持面压向倒棱，从而产生环绕的面接触。

12、倒棱角可以介于20°至70°之间，优选约为45°。45°(+/-2°)的倒棱角可以有利地实现针对光学元件的夹紧力在竖直方向和径向方向上的合理分布。

13、如上文已提及地，夹紧元件可以在其靠近接收元件的那个端部处在其内周上具有倒棱或半径，该倒棱或该半径构造成与弹簧元件的径向向外倾斜的夹紧面相接合。当夹紧元件具有倒棱时，该倒棱所具有的角度可以基本上与夹紧面的倾斜角相对应。类似于保持面的倾斜角，夹紧面的倾斜角可以介于20°至70°之间、优选约为45°。

14、根据变体方案，接收元件具有三个突出部，这些突出部以彼此均匀的间距布置在射束通孔的径向外部的圆形轨迹上并且构成用于光学元件的三点支撑(dreipunktauflage)。通过三点支撑可以非常准确地调节光学元件的定位，并且可以防止光学元件由于强大的夹紧压力而产生不利的变形。

15、接收元件可以具有环形凹槽，该环形凹槽在射束通孔的径向外部延伸。在该设计方案中，保持组件还可以包括密封环，该密封环可以被接收到环形凹槽中，以便与光学元件一起密封射束通孔。在具有用于三点支撑的突出部和环形凹槽的优选实施方式中，凹槽可以优选地布置在这些突出部的径向内部。此外，密封环在松弛状态下可以具有圆形截面，该圆形截面所具有的直径大于凹槽的深度和突出部的高度之和，从而密封环在松弛状态下突出于这些突出部。密封环用于将射束通孔进行密封以免受颗粒影响，这些颗粒在切割头运行时可能由于在光学元件下方存在的切割气体压力而进入到光学元件上方的位于切割头上游的切割光学器件中。

16、优选地，密封环可以构造得特别软。密封环可以由塑料制成并且具有介于25至45之间、优选40的肖氏硬度(shore a)。由于密封环的硬度较低，因此密封环以有利的方式仅将非常小的力施加到光学元件上，然而同时满足其密封功能。由于密封环的背压/反压力较小，因此可以减小弹簧元件的所需的预紧力。

17、为了实现本发明的基本目的，还提供了一种平板，该平板在根据上述变体方案之一的保持组件中用作光学元件。平板包括基本上柱形的由石英玻璃制成的基体，该基体具有介于5mm至10mm之间、优选约7mm的厚度(高度)。在基体的环绕的第一外边缘上构造有倒棱，该倒棱具有介于20°至70°之间、优选约45°的倒棱角。倒棱延伸的高度介于1mm至3mm之间、优选约1.8mm。平板对于波长介于1030nm至1080nm之间的激光辐射并且在(激光辐射的)入射角为15°(相对于垂直入射)时具有介于0.03％至0.3％之间、优选介于0.03％至0.09％之间的反射率。替代性地，平板对于同一波长范围(1030nm至1080nm)并且在入射角为0°时具有小于0.3％、优选小于0.1％、更优选小于0.05％的反射率。

18、平板例如可以用作激光切割头中的防护玻璃。在成角度地布置在激光切割头中时，平板还可以用作分束器，其中，被反射的辐射有针对性地被导送至分析模块以监测切割射束的射束轮廓。在激光射束垂直入射时，反射率可以优选地被选择得尽可能低，以便尽可能避免反射。在成角度地布置具有作为分束器的附加功能的平板时，同样应实现尽可能低的反射率，然而其中，不应低于0.03％的最小反射率，以便能够执行对射束轮廓的监测。为了实现平板的对应的反射率，平板可以在其上基面(激光射束射入到该上基面中)上具有降低反射的涂层。

19、为了实现本发明的基本目的，还提供了一种激光切割头，该激光切割头包括至少一个根据上述变体方案之一的保持组件。

20、激光切割头可以具有可倾翻区段，该可倾翻区段构造成在激光切割头与要加工的工件发生碰撞时侧向倾翻，其中，保持组件布置在该可倾翻区段中。由于根据本发明的保持组件保证了保持在其中的光学元件的可靠固定，因此在与工件碰撞时在激光切割头的可倾翻部分中产生的高加速度对光学元件的位置精确度没有影响。此外，光学元件与弹簧元件之间的摩擦不会导致光学元件的颗粒污染。

21、根据本发明的保持组件可以在高达24kw或更高的激光功率运行下的激光切割系统中使用。应理解的是，根据本发明的保持组件还可以用于例如用于焊接、打标等其他激光加工系统。