ITTO20010097A1

ITTO20010097A1 - FOCUS HEAD FOR A LASER MACHINE, EQUIPPED WITH A DISTANCE SENSOR WITH REMOTE COIL.

Info

Publication number: ITTO20010097A1
Application number: IT2001TO000097A
Authority: IT
Inventors: Francesco Sgandurra; Marco Pivanti
Original assignee: Prima Ind Spa
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2002-08-02
Also published as: DE20201593U1; ITTO20010097A0

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Testa di focalizzazione per una macchina laser, munita di un sensore di distanza con bobina remota" DESCRIPTION of the industrial invention entitled: "Focusing head for a laser machine, equipped with a distance sensor with remote coil"

TESTO DELLA DESCRIZIONE TEXT OF THE DESCRIPTION

La presente invenzione riguarda una testa di focalizzazione per una macchina laser. The present invention relates to a focusing head for a laser machine.

Più precisamente, invenzione riguarda una testa di focalizzazione per macchine per il taglio laser di fogli di lamiera, dotata di un ugello di uscita del raggio laser e di un sensore capacitivo per rilevare la distanza fra l'ugello ed il foglio di lamiera. Il sensore capacitivo comprende un circuito oscillante la cui frequenza di oscillazione dipende dalla distanza fra l'ugello ed il foglio di lamiera. Il principio di funzionamento del sensore di distanza capacitivo è basato sul fatto che l'ugello ed il foglio di lamiera definiscono un condensatore con una capacità variabile in funzione della distanza ugello-foglio. Tale condensatore è collegato ad una bobina costituente un'induttanza che, insieme alla capacità del condensatore, forma una circuito risonante la cui frequenza di oscillazione è correlata alla distanza da misurare. More precisely, the invention relates to a focusing head for laser cutting machines for sheet metal, equipped with a laser beam exit nozzle and a capacitive sensor for detecting the distance between the nozzle and the sheet metal. The capacitive sensor comprises an oscillating circuit whose oscillation frequency depends on the distance between the nozzle and the sheet metal. The operating principle of the capacitive distance sensor is based on the fact that the nozzle and the sheet metal define a capacitor with a variable capacity as a function of the nozzle-sheet distance. This capacitor is connected to a coil constituting an inductance which, together with the capacitance of the capacitor, forms a resonant circuit whose oscillation frequency is correlated to the distance to be measured.

Nelle soluzioni tradizionali, la bobina del circuito risonante è alloggiata nelle immediate vicinanze della punta dell'ugello, in modo che l'induttanza sia fisicamente il più vicino possibile alla capacità variabile costituita dal sistema ugello-foglio . In traditional solutions, the coil of the resonant circuit is housed in the immediate vicinity of the tip of the nozzle, so that the inductance is physically as close as possible to the variable capacitance constituted by the nozzle-sheet system.

La presente invenzione ha avuto origine dall'osservazione del fatto che il calore prodotto durante la lavorazione di taglio laser cambia i parametri elettrici della bobina e modifica l'induttanza del circuito risonante. Una variazione di induttanza viene percepita dal sistema di misura alla stessa stregua di una variazione di capacità dovuta ad una variazione di distanza ugello-foglio. Di conseguenza, le variazioni di induttanza dovute a fenomeni termici condizionano pesantemente la precisione del sensore di misura di distanza. The present invention originated from the observation of the fact that the heat produced during the laser cutting process changes the electrical parameters of the coil and modifies the inductance of the resonant circuit. A variation in inductance is perceived by the measuring system in the same way as a variation in capacitance due to a variation in the nozzle-sheet distance. Consequently, the inductance variations due to thermal phenomena heavily affect the accuracy of the distance measurement sensor.

La presente invenzione si prefigge lo scopo di ovviare ai suddetti inconvenienti. The present invention aims to obviate the aforementioned drawbacks.

Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto da una testa di focalizzazione laser avente le caratteristiche formanti oggetto delle rivendicazioni . According to the present invention, this object is achieved by a laser focusing head having the characteristics forming the subject of the claims.

La presente invenzione verrà ora descritta dettagliatamente con riferimento ai disegni allegati, dati a puro titolo di esempio non limitativo, in cui: The present invention will now be described in detail with reference to the attached drawings, given purely by way of non-limiting example, in which:

la figura 1 è uno schema di principio illustrante una testa di focalizzazione secondo 1 'invenzione, Figure 1 is a schematic diagram illustrating a focusing head according to the invention,

la figura 2 è un diagramma illustrante la variazione di capacità in funzione della distanza ugello-foglio, e Figure 2 is a diagram illustrating the variation in capacity as a function of the nozzle-to-sheet distance, e

la figura 3 è una sezione parziale schematica di una testa di focalizzazione laser secondo 1 'invenzione. Figure 3 is a partial schematic section of a laser focusing head according to the invention.

Con riferimento alle figure 1 e 3, con 10 è indicata una testa di focalizzazione per una macchina di taglio laser. La testa di focalizzazione 10 comprende un ugello di uscita del raggio laser, indicato nel suo insieme con 12. L'ugello 12 comprende un corpo di ugello 14 ed una punta (tip) 16 collegata in modo smontabile al corpo di ugello 14. La punta 16 è isolata elettricamente dal corpo di ugello 14. Con riferimento alla figura 1, nel funzionamento la punta 16 è affacciata ad un foglio di lamiera 18 ed è distanziata dalla superficie di quest'ultimo di una quantità indicata con d. La punta 16 ed il foglio di lamiera 18 costituiscono un condensatore avente una capacità C che dipende in modo inversamente proporzionale dalla distanza d. La figura 2 illustra schematicamente il grafico di variazione della capacità C in funzione della distanza d, che corrisponde all'espressione C=k/d, dove k è una costante che dipende dalla geometria della punta 16. With reference to Figures 1 and 3, 10 indicates a focusing head for a laser cutting machine. The focusing head 10 comprises an outlet nozzle for the laser beam, indicated as a whole by 12. The nozzle 12 comprises a nozzle body 14 and a tip (tip) 16 which is detachably connected to the nozzle body 14. The tip 16 is electrically insulated from the nozzle body 14. With reference to Figure 1, in operation the tip 16 faces a metal sheet 18 and is spaced from the surface of the latter by an amount indicated by d. The tip 16 and the metal sheet 18 constitute a capacitor having a capacitance C which depends inversely on the distance d. Figure 2 schematically illustrates the graph of variation of the capacitance C as a function of the distance d, which corresponds to the expression C = k / d, where k is a constant that depends on the geometry of the tip 16.

La testa di focalizzazione 10 porta una bobina 20 avente un'induttanza prestabilita. La bobina 20 è collegata elettricamente all'ugello 12 tramite un cavo 22. La bobina 22 è alloggiata nel corpo della testa 10, al di fuori e ad una certa distanza dall'ugello 12. In questo modo, l'induttanza della bobina 20 non è soggetta a variazioni per effetto dell'aumento di temperatura cui è soggetto l'ugello 12 durante la lavorazione. La distanza della bobina dall'ugello può variare secondo le applicazioni. Preferibilmente, la distanza fra la bobina è pari o superiore alla lunghezza focale della lente di focalizzazione (non illustrata) della testa 10. Ad esempio, in una testa di focalizzazione dotata di una lente da 5", la distanza fra la bobina 20 ed il corpo 14 dell'ugello 12 è di almeno 130 mm. The focusing head 10 carries a coil 20 having a predetermined inductance. The coil 20 is electrically connected to the nozzle 12 by means of a cable 22. The coil 22 is housed in the body of the head 10, outside and at a certain distance from the nozzle 12. In this way, the inductance of the coil 20 does not it is subject to variations due to the temperature increase to which the nozzle 12 is subjected during processing. The distance of the coil from the nozzle can vary according to the applications. Preferably, the distance between the coil is equal to or greater than the focal length of the focusing lens (not shown) of the head 10. For example, in a focusing head equipped with a 5 "lens, the distance between the coil 20 and the body 14 of the nozzle 12 is at least 130 mm.

La bobina 20 ed il condensatore C costituiscono un circuito oscillante avente una frequenza di oscillazione correlata alla distanza d. La frequenza di oscillazione del circuito oscillante viene rilevata tramite una circuito di rilevazione schematicamente indicato con 24 nella figura 1, che fornisce in uscita un segnale indicativo della distanza d. The coil 20 and the capacitor C constitute an oscillating circuit having an oscillation frequency correlated to the distance d. The oscillation frequency of the oscillating circuit is detected by means of a detection circuit schematically indicated with 24 in Figure 1, which outputs a signal indicative of the distance d.

Il fatto di disporre la bobina 20 al di fuori dell'ugello 12 consente di ottenere una riduzione considerevole dell'influenza degli effetti termici del processo laser sulla misura di distanza. Inoltre, la forma dell'ugello 12 non deve tenere conto della presenza della bobina 20 al suo interno. The fact of arranging the coil 20 outside the nozzle 12 allows to obtain a considerable reduction of the influence of the thermal effects of the laser process on the distance measurement. Furthermore, the shape of the nozzle 12 does not have to take into account the presence of the coil 20 inside it.

La disposizione della bobina 20 in un punto del corpo della testa 10 lontano dall'ugello 12 comporta dei problemi relativi alla riduzione della sensibilità della misura di capacità, per il fatto che il cavo 22 ha una capacità parassita in parallelo alla capacità C fra la punta 16 ed è il foglio 18. Per ridurre l'influenza della capacità parassita del cavo 22, la presente invenzione prevede vantaggiosamente di utilizzare un cavo coassiale con una capacità non superiore a 64 pF/m. The arrangement of the coil 20 in a point of the body of the head 10 far from the nozzle 12 entails problems relating to the reduction of the sensitivity of the capacitance measurement, due to the fact that the cable 22 has a parasitic capacitance in parallel with the capacitance C between the tip 16 and is sheet 18. To reduce the influence of the parasitic capacitance of the cable 22, the present invention advantageously provides for the use of a coaxial cable with a capacitance not exceeding 64 pF / m.

Utilizzando una bobina 20 realizzata con un numero di avvolgimenti compreso fra 12 e 15, è possibile realizzare un circuito oscillante che presenta una frequenza di oscillazione a vuoto (con una distanza d superiore a 20mm) compresa fra 14 e 16 MHz. Considerando una variazione della distanza d compresa fra 0,lmm e 4mm, il circuito oscillante secondo la presente invenzione presenta una variazione di frequenza compresa fra 250 e 400 kHz e tale risoluzione è sufficiente per ottenere un efficace controllo della distanza d. Using a coil 20 made with a number of windings between 12 and 15, it is possible to create an oscillating circuit which has an oscillation frequency in no-load condition (with a distance d greater than 20mm) between 14 and 16 MHz. Considering a variation of the distance d comprised between 0, lmm and 4mm, the oscillating circuit according to the present invention has a frequency variation comprised between 250 and 400 kHz and this resolution is sufficient to obtain an effective control of the distance d.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di costruzione e le forme di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione così come definita dalle rivendicazioni che seguono. Naturally, the principle of the invention remaining the same, the details of construction and the embodiments may be varied widely with respect to those described and illustrated without thereby departing from the scope of the invention as defined by the following claims.

Claims

CLAIMS 1. Focusing head for a laser machine, comprising: - a nozzle (12) for the output of the laser beam, having a tip (16) which, together with a sheet of metal (18) being processed, defines a capacitor (C) with a variable capacity according to the distance (d) between said tip (16) and said sheet metal (18), - a coil (20) forming together with the aforesaid capacitor (C) an oscillating circuit with an oscillation frequency correlated to the aforesaid distance (d), characterized in that the aforesaid coil (20) is arranged outside the aforesaid nozzle (12).

Focusing head according to claim 1, characterized in that the distance between the coil (20) and the nozzle (12) is equal to or greater than the focal length of the focusing lens of the head 10.

3. Focusing head according to claim 1, characterized in that the aforesaid coil (20) is electrically connected to the aforesaid nozzle (12) by means of an electrical conductor (22) having a capacity lower than 64pF / m.

4. Focusing head substantially as described and illustrated and for the specified purposes.