УСТАНОВКА ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1999 года по МПК B23K26/08 

Предлагаемое изобретение относится к области лазерной обработки материалов, а именно к фигурному раскрою плоских листов с помощью лазерного излучения, и может быть использовано для изготовления деталей различной конфигурации широкой номенклатуры в машиностроении, электротехнике, авиа- и автомобилестроении и др.

Известна установка для раскроя листовых материалов с помощью лазерного излучения фирмы "Messer Griesheim", Германия [1]. Установка включает в свой состав технологический лазер, систему управления и манипулятор оптических элементов - поворотных зеркал и технологического объектива. Манипулятор оптических элементов включает две траверсы продольного перемещения вдоль оси X, на которых расположены направляющие и исполнительные механизмы приводов - ШВП, передачи рейка-шестерня, линдвиты и т.д., и поперечину для перемещения технологического объектива вдоль оси Y. Вместе с объективом перемещается также и последнее по трассе прохождения лазерного излучения поворотное зеркало.

Установка работает следующим образом. Генерируемое технологическим лазером излучение направляется вдоль одной из траверс на первое поворотное зеркало, расположенное на поперечине. Отражаясь от него, излучение вдоль поперечины направляется на второе поворотное зеркало и далее вертикально вниз в технологический объектив. В технологическом объективе излучение фокусируется и направляется непосредственно на обрабатываемый лист. Фигурный раскрой листового материала обеспечивается взаимным перемещением поперечины по траверсам и технологического объектива с последним поворотным зеркалом вдоль поперечины.

Основным недостатком конструкции вышеописанной установки является постоянно изменяемая в процессе работы длина оптического тракта, что ведет к изменению качества реза и геометрических размеров вырезаемых деталей в ближней и дальней зонах обработки рабочего поля. Данные изменения обусловлены расходимостью излучения, а также искажением волнового фронта по длине транспортировки излучения.

Известны установки для раскроя листового материала, в конструкции которых во время работы обеспечивается перемещение технологического лазера вдоль оси X [2] , [3] . Тем самым изменение длины транспортировки излучения (оптического тракта) уменьшается, что обеспечивает более стабильное качество реза в ближней и дальней зонах обработки, а также снижает связанное с этим изменение геометрических размеров вырезаемых деталей.

Недостатком конструкции данных установок является необходимость постоянного перемещения во время их работы технологического лазера. Используемые для фигурного раскроя лазеры имеют в большинстве своем выходную мощность излучения до 6 кВт. Вес таких лазеров вместе с автономной системой охлаждения составляет 3-5 тонны [4]. Необходимость перемещения таких масс накладывает существенные ограничения на динамические характеристики подобных установок, хотя технологические параметры позволяют проводить фигурный раскрой с рабочими скоростями до 100 м/мин.

Необходимость быстрого и реверсивного перемещения тяжелого технологического лазера ведет к большим нагрузкам на привода и быстрому износу механизмов перемещения - передачи рейка-шестерня, ШВП, подшипниковые узлы и т.д.

Кроме того, изменение длины оптического тракта в процессе работы таких установок по сравнению с вышеуказанным аналогом хотя и уменьшается, но остается.

Известны установки "Севан", в которых отсутствуют все недостатки, связанные с изменением длины оптического тракта [5]. В таких установках технологический лазер размещен непосредственно на поперечине рядом с объективом и перемещается во время работы по обеим осям X и Y. В процессе работы таких установок длина оптического тракта остается неизменной. Поэтому качество реза и геометрические характеристики вырезаемых деталей остаются неизменными по всей рабочей зоне.

Главным недостатком конструкции таких установок является необходимость перемещения технологического лазера по 2-м рабочим координатам с рабочей скоростью. Поэтому в таких установках обычно используются лазеры с небольшим собственным весом, и, следовательно, маломощные (например, ИАГ-лазеры). Соответственно ограничение по мощности излучения резко сужает технологические возможности таких установок.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является обеспечение высоких динамических характеристик установки при ее широких технологических возможностях.

Вышеуказанная задача решается за счет того, что установка для лазерной обработки листовых материалов, включающая систему управления и две траверсы с направляющими, на которых размещена поперечина с приводами перемещения и с размещенными на ней технологическим лазером, автономной системой охлаждения, поворотными зеркалами и фокусирующим объективом, который вместе с оконечным поворотным зеркалом размещен на подвижном узле, установленном с возможностью перемещения вдоль поперечины, снабжена вторым подвижным узлом, ориентированным перпендикулярно поперечине и параллельно траверсам, на котором с возможностью перемещения вдоль него установлен первый подвижный узел с оконечным поворотным зеркалом и фокусирующим объективом.

Первый подвижный узел установлен с возможностью перемещения вдоль второго подвижного узла в зоне с длиной L_мин≥ V² _макс/g_макс где V_макс - максимальная скорость обработки, g_макс - максимально допустимое ускорение поперечины с технологическим лазером и системой охлаждения во время обработки.

Второй подвижный узел может быть выполнен в виде консоли, одним концом жестко закрепленной на поперечине в том случае, когда необходимая длина L невелика.

В свою очередь поперечина может быть выполнена в виде двух жестко соединенных балок, а второй подвижный узел - в виде моста, расположенного на этих балках с возможностью перемещения.

Перемещение подвижного узла с фокусирующим объективом и поворотным зеркалом по мосту (ось X₁ на фиг. 1), а также перемещение моста по поперечине (ось Y) обеспечивают фигурный раскрой материала.

Обычно в подавляющем большинстве случаев габаритные размеры вырезаемых деталей значительно меньше габаритных размеров всего листа. Максимальное перемещение подвижного узла (X_1max) выбрано таким образом, чтобы обеспечивать полную вырезку детали. При вырезке детали вся поперечина неподвижна, а перемещаются мост и передвижной узел. Поэтому значительная масса поперечины, включающая вес самой поперечины, технологического лазера и автономной системы охлаждения не влияют на динамические характеристики всей установки, т.к. в движениях участвуют сравнительно легкие мост и подвижной узел. Это позволяет установке иметь высокие динамические характеристики при широких технологических возможностях. При этом длина оптического тракта будет сравнительно небольшой, что позволяет обрабатывать листы практически неограниченной длины.

При резке деталей больших размеров происходит перемещение не только по осям Y, X₁, но также и вдоль оси X, то есть перемещается поперечина с полным грузом. При этом возможно перемещение нагруженной поперечины с небольшим ускорением. В точках останова или поворота, когда по условию технологической задачи требуется обеспечить значительные ускорения, они обеспечиваются за счет дополнительного движения моста по координатам Y, X₁. При этом мощность привода поперечины можно значительно снизить. Значительно уменьшатся инерционные нагрузки на технологический лазер, элементы оптического тракта, что приведет к повышению надежности работы всей установки и качества лазерной обработки.

Пример: резка листа стали со скоростью V=3 м/мин, угол с радиусом r=0.5 мм. Ускорение a= 5 м/сек². На лазер весом 2000 кг будет действовать знакопеременная инерционная сила 10000 Н. Если же начать тормозить по координате X за 20 мм до поворота, то ускорение поперечины и сила инерции, действующая на лазер, уменьшатся в 40 раз.

Поскольку расстояние, на котором поперечина затормозится от максимальной скорости до полного останова L=(V_макс)²/2g_макс, где V_макс - максимальная скорость движения нагруженной поперечины, g_макс - максимально допустимое ускорение, то полная зона перемещения объектива должна быть, по крайней мере в два раза больше, то есть L_мин≥(V_макс)²/2g_макс.

Возможная конструкция установки (в варианте моста) выглядит следующим образом (фиг. 1).

На направляющих 1 параллельно расположенных траверс 2 размещается поперечина, состоящая из двух балок 3 и 4, на одной из которых закреплены технологический лазер 5 и автономная система охлаждения 6. Между двух балок расположен мост 7, в состав которого входит подвижный узел 8. Обрабатываемый лист 9 размещен между траверсами 2. Оптический тракт состоит из поворотных зеркал 10, 11 и размещенных непосредственно на подвижном узле поворотного зеркала 12 и фокусирующего объектива 13.

Установка работает следующим образом. Предварительно предназначенный для обработки лист 9 укладывают между траверс 2. По сигналу системы управления (на фиг. 1 не показана) поперечина по направляющим 1 перемещается в зону обработки первого ряда деталей. Генерируемое технологическим лазером 5 излучение направляется на поворотное зеркало 10, далее вдоль поперечины на поворотное зеркало 11 и по мосту 7 на поворотное зеркало 12, отражаясь от которого направляется вертикально вниз в фокусирующий объектив 13. Автономная система охлаждения 6 при этом обеспечивает работу технологического лазера. Взаимные перемещения моста по балкам 3 и 4 поперечины и подвижного узла 8, включающего поворотное зеркало и фокусирующий объектив обеспечивают вырезку деталей ряда. Поперечина остается при этом подвижной. После окончания резки поперечина перемещается для вырезки следующего ряда и технологический процесс повторяется.

Список литературы
1. Проспект фирмы "Messer Griesheim", Германия.

2. Проспект фирмы "ESAB", Швеция.

3. DVS-Berichte, Vol. 163, s. 373-374, Германия.

4. Технологические лазеры. Справочник: в 2 т., T.1: Расчет, проектирование и эксплуатация./ Под общ. ред. Г.А.Абильсиитова.- М.: Машиностроение, 1991, стр. 128-129.

5. Лазерные технологические комплексы. Г.А.Абильсиитов и др., препринт N51, НИЦТЛ, 1988, стр. 17.

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов, а именно к фигурному раскрою плоских листов с помощью лазерного излучения, и может быть использовано для изготовления деталей различной конфигурации широкой номенклатуры в машиностроении, электротехнике, авиа- и автомобилестроении и др. Установка состоит из системы управления и лазера, двух параллельно размещенных траверс, по направляющим которых перемещается поперечина, в состав которой входит поворотное зеркало и фокусирующий объектив. Поперечина состоит из двух жестко соединенных между собой балок, по которым перпендикулярно перемещению поперечины двигается мост. В свою очередь, по мосту перемещается по направлению, параллельному движению поперечины, подвижной узел, в состав которого входят поворотное зеркало и фокусирующий объектив. Это обеспечивает возможность перемещения сравнительно легких элементов установки во время работы. При этом мощность лазера не ограничена его весом, что существенно расширяет технологические возможности установки. Кроме того, компоновка данной установки позволяет обрабатывать листы практически неограниченной длины. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Установка для лазерной обработки листовых материалов, включающая систему управления, две траверсы с направляющими, на которых размещена поперечина с приводами перемещения и с размещенными на ней технологическим лазером, автономной системой охлаждения, поворотными зеркалами и фокусирующим объективом, при этом фокусирующий объектив и оконечное поворотное зеркало размещены на подвижном узле, установленном с возможностью перемещения вдоль поперечины, отличающаяся тем, что она снабжена вторым подвижным узлом, ориентированным перпендикулярно поперечине и параллельно траверсам, на котором с возможностью перемещения вдоль него установлен первый подвижный узел с оконечным поворотным зеркалом и фокусирующим объективом. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что первый подвижный узел установлен с возможностью перемещения вдоль второго подвижного узла в зоне длиной
L_мин ≥ V_макс ²/g_макс,
где V_макс - максимальная скорость обработки;
g_макс - максимально допустимое ускорение поперечины с технологическим лазером и системой охлаждения во время обработки. 3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что второй подвижный узел выполнен в виде консоли, одним концом жестко закрепленной на поперечине. 4. Установка по п.2, отличающаяся тем, что поперечина выполнена в виде двух жестко соединенных балок, а второй подвижный узел - в виде моста, расположенного на этих балках с возможностью перемещения.