TWI696513B - 用於雷射加工輪廓之機器以及藉由該機器在一輪廓上實施傾斜切割作業的方法 - Google Patents

用於雷射加工輪廓之機器以及藉由該機器在一輪廓上實施傾斜切割作業的方法 Download PDF

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Abstract

一種用於雷射加工輪廓(P)之機器及方法，特別有關於在輪廓(P)上實施傾向切割作業如製作一擴口孔(H)，其中在加工作業之前，支撐及引導裝置(12)被定位在一給定起始位置沿著輪廓(P)的縱軸(x)相對於工作頭(10)，接著在加工作業期間，支撐及引導裝置(12)被移動沿著縱軸(x)整體隨著輸送裝置(14)，即整體隨著輪廓(P)，以使在加工作業期間輪廓(P)自支撐及引導裝置(12)突出(A)的長度保持不變，上述支撐及引導裝置(12)隨著輸送裝置(14)之整體移動是受限於輸送裝置(14)的移動部份，其是為了需要補償工作頭(10)繞擺動軸(t)之傾斜移動。

Description

用於雷射加工輪廓之機器以及藉由該機器在一輪廓上實施傾 斜切割作業的方法
本發明係有關於一種用於輪廓之雷射加工的機器，特別係有關於一種雷射切割輪廓機器，如申請專利範圍請求項1之前言所述。更進一步，本發明係有關於一種利用上述類型機器在一輪廓上實施傾斜切割作業的方法。
在本發明說明書及請求項中，「輪廓」一詞是用以定義任何狹長型製造產品，沿其縱向軸具有(扣除製造公差)均勻之橫剖面，其中橫剖面可以無差別地為封閉中空橫剖面(如圓形、矩形或方形)或開放橫剖面(如平板橫剖面或呈L型、C型或U型之橫剖面)。更進一步，「縱向」及「橫向」等詞是用以分別定義輪廓的縱向軸方向及垂直於縱向方向的方向。更進一步，「傾斜切割作業」之描述可以理解為指以工具頭(working head)實施一切割作業，且因此雷射光束以同樣傾斜而非垂直於被加工的物件表面的方式射出。
本發明源起於在相對具彈性之輪廓上實施傾斜切割作業之方式必須要改善，如，在一輪廓具有相對低硬度於彎 曲時，舉例來說如一平板輪廓，由於雷射加工之機器於輪廓上時，以下將配合第1圖做說明。
請參見第1圖，上述機器包括一工作頭(working head)10適於在一輪廓(profile)P上實施一雷射加工作業(特別是切割作業)，以及一支撐及引導裝置(support and guide device)12一般認知為一「穩定架(steady rest)」用以支撐及引導輪廓P。當後者被一輸送裝置(圖上未顯示)沿一縱軸(longitudinal axis)x所輸送時，支撐及引導裝置12通常包括一第一對滾軸(roller)16，其係裝設成可自由地轉動相對於分別之轉動軸以水平為方向且彼此平行，以及一第二對滾軸(roller)18，其係裝設成可自由地轉動相對於分別之轉動軸以垂直為方向且彼此平行。每一第一對滾軸16及第二對滾軸18的滾軸可以朝彼此靠近或遠離而移動，以適於待加工輪廓P之橫剖面的外型及尺寸，因此可獲得對輪廓本身足夠的支撐力。一般來說，雷射加工輪廓之機器即如第1圖所示簡單說明如上。接下來說明機器不同構件(component)之自由度(degrees of freedom)。工作頭10在垂直方向及橫向方向是可移動的，以在橫向垂直平面上可以二維自由度移動，也就是在垂直於輪廓P之縱軸x的平面上。更進一步，工作頭10相對於擺動(在第1圖上以符號t表示)之橫軸是可轉動的。輸送裝置使得輪廓P沿縱軸x移動(輸送移動)且可相對於縱軸x轉動輪廓p。最後，支撐及引導裝置12連同第一對滾軸16及第二對滾軸18沿縱軸x是可移動的，且相對於縱軸x同樣為可轉動的，以可隨同輪廓P相對於軸而轉動。
依據習知技術，去角作業(chamfering operaton)舉例來說用以製作一擴口孔(flared hole)H，是由下述方式執行，首先將支撐及引導裝置12定位於在作業期間不會與工作頭10相干擾之位置，之後，隨著支撐及引導裝置12保持在此位置不動，適當地移動輪廓P(藉由輸送裝置)及工作頭10，在此方式下，在作業期間，輪廓P自支撐及引導裝置12朝工作頭10突出的長度是可變的。更精確的來說，輪廓P從支撐及引導裝置12突出的長度(也就是沿縱軸x所量測之長度介於輪廓P之工作區域中央及連結支撐及引導裝置12之第一對滾軸16之軸的線之間)是可變的，如第1圖所示，其具有一最大值A，當工作頭10自支撐及引導裝置12相反方向以最大角度傾斜時，以及一最小值B，當工作頭10朝向支撐及引導裝置12以最大角度傾斜時。在對具彈性輪廓加工的例子中，後者在加工時會彎曲成一較大或較小之長度，視其自支撐及引導裝置12突出的長度而定。因此，獲得的幾何外型(請參見第2A及2B圖)將會與所設計之幾何外型不同。且特別是相對於擴口孔H的軸(以符號z表示)是不對稱的。此是由於擴口的傾斜會較大當待加工輪廓P的彎曲變形是較小時，也就是當輪廓P自支撐及引導裝置12突出部份較少時，以及擴口的傾斜會較小當待加工輪廓P的彎曲變形是較大時，也就是當輪廓P自支撐及引導裝置12突出部份較多時。
因此，依據本發明之一目的，是為了克服上述習知技術的缺點，提高精準度，使傾斜切割作業可實施於一具彈 性之輪廓上，藉由雷射加工機器裝置。
上述及其它目的可完全被達成，係依據本發明一種態樣，用於輪廓之雷射加工之機器具有如請求項1所記載之特徵，以及，係依據本發明之其它態樣，藉由雷射加工機器在輪廓上實施傾斜切割作業之方法包括如請求項3所記載之步驟。
本發明之具有優勢的實施例記載於附屬請求項，其內容可以被理解為形成之後敘述之整體及整體部份。
簡單來說，本發明是基於一想法，其藉由初始定位支撐及引導裝置於一給定起始位置，相對於工作頭沿著縱軸而實施傾斜切割作業，之後，在整個操作期間，移動支撐及引導裝置沿著縱軸整體隨著輸送裝置(所述之支撐及引導裝置隨著輸送裝置的整體移動是受限於輸送裝置移動的部份，其需要對工作頭相對於擺動軸的傾斜移動作補償)，也就是說，整體隨著待加工之輪廓，以保持輪廓自支撐及引導裝置突出的長度在加工作業期間維持不變。由於待加工輪廓自支撐及引導裝置突出的長度在加工作業期間(或更甚者在輸送裝置沿縱軸移動以補償工作頭相對於擺動軸之傾斜移動之階段加工作業期間)是維持不變的，因而達成支撐及引導裝置連同輸送裝置整體移動且隨同著待加工輪廓，彎曲之輪廓的長度在工作區域中在工作頭加工作業期間是保持不變的，藉此可達成，對彎曲長度事先之量測以補償彎曲，且因而得到更精準的加工作業，且更特別的，在製作擴口孔的例子中，達成相對於孔之軸之擴口對稱。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易 懂，下文特舉較佳實施例並配合所附圖式做詳細說明。
10‧‧‧工作頭(working head)
11‧‧‧頭承載結構(head-carrying structure)
12‧‧‧支撐及引導裝置(support and guide device)
14‧‧‧輸送裝置(feeding device)
16‧‧‧第一對滾軸(roller)
18‧‧‧第二對滾軸(roller)
H‧‧‧擴口孔(flared hole)
P‧‧‧輪廓(profile)
x‧‧‧縱軸(longitudinal axis)
△x‧‧‧行程(stroke)
△x1‧‧‧行程(stroke)
第1圖係顯示依據習知技術藉由一雷射加工機器在一平坦輪廓製作一擴口孔之立體示意圖；第2A及2B圖係分別顯示依據習知技術在一平坦輪廓上之一擴口孔之上視示意圖及側視示意圖；第3及4圖係分別顯示本發明之藉由一雷射加工機器製作一擴口孔在一平坦輪廓之側視示意圖及立體示意圖；及第5圖係顯示依據本發明之機器及方法製作一擴口孔在一平坦輪廓之側視示意圖。
以下將配合相關圖式說明依據本發明之機器及方法，應用於在一平板輪廓(flat profile)上製作一擴口孔(flared hole)，但很明顯的是，本發明亦同樣地可用於實施其他形態的加工作業，其需要傾斜切割步驟及/或實施此些加工作業於不同外型之輪廓上。
請參見第3~5圖，其中，與第1圖中所示相同或相關的部件及元件將以相同的符號表示之。本發明中一實施例之用於雷射加工輪廓之機器，就其本身而言包括一工作頭(working head)10設置成可射出一聚焦雷射光束用以沿一縱軸(longitudinal axis)x在一輪廓(profile)P上實施一加工作業(特別可以為切割作業)，一頭承載結構(head-carrying structure)11使工作頭10裝設於其上，一輸送裝置(feeding device)14藉由 沿縱軸x位移及/或繞縱軸x旋轉而移動輪廓P，以及一支撐及引導裝置(support and guide device)12用以支撐及引導輪廓P當後者由輸送裝置14輸送朝向工作頭10時。在本實施例中，支撐及引導裝置12包括一第一對滾軸(roller)16，其係裝設成相對於分別之轉動軸以水平為方向可自由地轉動且彼此平行，以及一第二對滾軸(roller)18，其係裝設成相對於分別之轉動軸以垂直為方向可自由地轉動且彼此平行。每一第一對滾軸16及第二對滾軸18的滾軸可以朝彼此靠近或遠離而移動，以適於待加工輪廓P之橫剖面的外型及尺寸，因此可獲得輪廓本身足夠的支撐。然而，需強調的是，上述之機器構件的結構，即指工作頭10、支撐及引導裝置12及輸送裝置14，並非本發明之主要重點，也因此，本發明不需要理解為要限制有上述構件之特定結構。
工作頭10在垂直方向及橫向方向是可移動的，是為了在橫向垂直平面即垂直於輪廓P之縱軸x的平面可以二自由度而移動，工作頭10同樣可相對於擺動橫軸(transverse axis of oscillation，如第1圖所示)轉動，介於一位置最大傾斜朝向支撐及引導裝置12(以第3圖之觀點為順時針方向轉動)以及一位置最大傾斜遠離支撐及引導裝置12(以第3圖之觀點為逆時針方向轉動)之間。依據本發明之一實施例，工作頭10可同樣繞另一擺動軸(圖上未顯示)而轉動，其垂直於擺動軸t。
承前所述，輸送裝置14使得沿縱軸x(輸送移動)移動輪廓P及繞縱軸x轉動輪廓P均可達成。最後，支撐及引導裝置12可沿縱軸x移動且同樣繞縱軸x轉動用以與輪廓P 繞軸連同轉動。
工作頭10、支撐及引導裝置12及輸送裝置14(及連同待加工輪廓P)的移動是由一電子控制單元(圖上未顯示)所控制的，其管理著機器的操作。依據欲實施的工作循環(working cycle)，電子控制單元依據既定邏輯(predetermined logics)控制了上述構件的移動。
在機器需在輪廓P製作擴口孔(flared hole)H或更普遍實施任何加工作業其需要製作傾斜切割的情況下，電子控制單元依下述方式控制工作頭10、支撐及引導裝置12及輸送裝置14的移動。
首先，支撐及引導裝置12沿縱軸x移動以達到相對於工作頭10之一給定位置(given position)，此位置之決定基礎標準將在之後敘述。在此處，工作頭10及輸送裝置14(連同待加工輪廓P)被適當地移動以實施加工循環之加工作業，在本例中為擴口孔H。更特別的是，輸送裝置14及待加工輪廓P是被適當地沿縱軸x移動，部份以補償(compensate)工作頭繞擺動軸t的傾斜移動(tilting movement)，以及部份以獲得加工作業所需之幾何外型。在此關係之下，在第3圖中以符號△x表示輸送裝置14在加工作業期間沿縱軸x之行程(stroke)。依據本發明，在加工作業期間，電子控制單元控制了支撐及引導裝置12沿縱軸x之移動整體隨著輸送裝置14的移動。上述之支撐及引導裝置12連同輸送裝置14的整體移動，是被限制在輸送裝置14之移動的部份，其是需補償工作頭10繞擺動軸t的傾斜移動。在此些加工作業階段期間，輸送裝置14連同待 加工輪廓P沿縱軸x移動以補償工作頭10繞擺動軸t的傾斜移動。因此對待加工輪廓P沿縱軸x無相對之移動，其係相對於輸送裝置14及支撐及引導裝置12被縱向固定的。接著，待加工輪廓P自支撐及引導裝置12突出的長度(在第4圖中以符號A表示)在加工作業階段期間維持不變。在第3圖中，支撐及引導裝置12在加工作業期間沿縱軸x之行程(stroke)以符號△x1表示，且與輸送裝置14之行程△x一致。然而，當輸送裝置14沿縱軸x移動以在加工作業中獲得所需之幾何外型時，在待加工輪廓P及支撐及引導裝置12之間需有相對之移動。
如同上述所述，由於待加工輪廓自支撐及引導裝置的突出在加工作業期間是維持不變的，在相對具有彈性之輪廓的例子中，在加工區域中輪廓之彎曲變形(偏移)的長度是可以保持固定的，其間工作頭是作用中的，因此可獲得一擴口，相對於孔的軸(請見第5圖)是對稱的，不同於前述之習知技術。再進一步，藉由測量輪廓彎曲變形的長度及孔所欲形成位置，故可在加工期間適當地補償此變形，因此可獲得最後幾何外型盡可能地接近所設計之幾何外型。
至於支撐及引導裝置12的初始位置(即開始適當加工作業之前)，需透過下述方式來決定，在加工作業期間，支撐及引導裝置12與連同輸送裝置14在縱向上的位移移動需保持在一給定安全距離(第3圖中以符號L表示)，舉例來說自工作頭10至少50公釐，以避免與後者發生碰撞。因此，基於輸送裝置14沿縱軸x之起始位置及安全距離(safety distance)L的值，機器之電子控制單元將決定加工作業開始時支撐及引導 裝置12在縱向上的位置。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧工作頭(working head)
12‧‧‧支撐及引導裝置(support and guide device)
16‧‧‧第一對滾軸(roller)
18‧‧‧第二對滾軸(roller)
H‧‧‧擴口孔(flared hole)
P‧‧‧輪廓(profile)
x‧‧‧縱軸(longitudinal axis)

Claims (4)

  1. 一種用於雷射加工輪廓(P)之機器，包括：一工作頭(10)，用以射出一聚焦雷射光束以實施一加工作業特別為一切割作業於延伸在一縱軸(x)之待加工的該輪廓(P)上，其中，該工作頭(10)可在垂直於該縱軸(x)之一平面上位移且可繞垂直於該縱軸(x)之一擺動軸(t)偏斜；一輸送裝置(14)，用以沿該縱軸(x)移動待加工的該輪廓(P)；一支撐及引導裝置(12)，用以在該加工作業期間支撐並引導由該輸送裝置(14)所輸送之待加工的該輪廓(P)朝向該工作頭(10)，其中，該支撐及引導裝置(12)可沿該縱軸(x)位移；以及一電子控制單元，用以依據既定邏輯控制該工作頭(10)、該輸送裝置(14)及該支撐及引導裝置(12)的移動，其中，該電子控制單元設置成用以控制該輸送裝置(14)及該支撐及引導裝置(12)沿該縱軸(x)移動，於待加工的該輪廓(P)上實施一傾斜切割作業特別為製作一擴口孔(H)時，在開始該加工作業之前，該支撐及引導裝置(12)相對於該工作頭(10)沿該縱軸(x)被定位於一給定起始位置，在該加工作業期間，該支撐及引導裝置(12)隨著該輸送裝置(14)連同待加工的該輪廓(P)沿該縱軸(x)整體移動，該支撐及引導裝置(12)隨著該輸送裝置(14)之該整體移動被限制在需補償該工作頭(10)繞該擺動軸(t)之傾斜移動之該輸送裝置(14)的移動部份。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射加工輪廓(P)之機器，其 中，該電子控制單元設置成可計算該支撐及引導裝置(12)之該起始位置，經由在該加工作業期間該支撐及引導裝置(12)隨著該輸送裝置(14)整體沿其縱向位移移動，自該工作頭(10)保持一距離大於一給定安全距離(L)。
  3. 一種藉由一雷射加工機器在沿一縱軸(x)上延伸之一輪廓(P)上實施一傾向切割作業尤其是以製作一擴口孔的方法，該機器包括：一工作頭，用於射出一聚焦雷射光束於待加工之該輪廓(P)上，其中，該工作頭(10)可在垂直於該縱軸(x)之一平面上位移且可繞垂直於該縱軸(x)之一擺動軸(t)偏斜；一輸送裝置(14)，用以沿該縱軸(x)移動待加工的該輪廓(P)；一支撐及引導裝置(12)，用以在加工作業期間支撐並引導由該輸送裝置(14)所輸送之待加工的該輪廓(P)朝向該工作頭(10)，其中，該支撐及引導裝置(12)可沿該縱軸(x)位移；以及一電子控制單元，用以依據既定邏輯控制該工作頭(10)、該輸送裝置(14)及該支撐及引導裝置(12)的移動；該方法包括下列步驟：(a)在開始該加工作業之前，定位該支撐及引導裝置(12)於一給定起始位置沿該縱軸(x)相對於該工作頭(10)；以及(b)在該加工作業期間，移動該支撐及引導裝置(12)沿著該縱軸(x)整體隨著該輸送裝置(14)及整體隨著該輪廓(P)，其中，該支撐及引導裝置(12)隨著該輸送裝置(14)之整體移動被限制在需補償該工作頭(10)繞該擺動軸(t)之傾斜移動之 該輸送裝置(14)的移動部份。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中，該支撐及引導裝置(12)之該起始位置的決定方式為在該加工作業期間，該支撐及引導裝置(12)隨著該輸送裝置(14)整體沿其縱向位移移動，自該工作頭(10)始終保持一距離大於一給定安全距離(L)。
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