УСТАНОВКА ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2000 года по МПК B23K26/08 

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов, а именно к фигурному раскрою плоских листов с помощью лазерного излучения, и может быть применено 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 связанные с этим изменения 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 тем, что в установке, состоящей из технологического лазера, автономной системы охлаждения, системы управления, манипулятора оптических элементов, состоящего из двух траверс и поперечины, поворотных зеркал, фокусирующего объектива, технологический лазер и автономная система охлаждения размещены на отдельной поперечине, перемещающейся параллельно поперечине, на которой размещены поворотные зеркала и фокусирующий объектив. Обе поперечины имеют собственные приводы.

Сущность изобретения поясняется чертежом. На двух параллельно расположенных траверсах 1 по направляющим 2 размещена поперечина 3. На поперечине 3 имеется поворотное зеркало 4 и поворотное зеркало 5, направляющее излучение в фокусирующий объектив 6. На поперечине 7 размещаются технологический лазер 8 и автономная система охлаждения 9. Обрабатываемый лист 10 располагается между траверсами. Работой всей установки управляет общая система управления (не показана).

Установка работает следующим образом. По команде системы управления установкой генерируемый в технологическом лазере 8 лазерный луч направляется на поворотное зеркало 4, отражаясь от которого направляется вдоль поперечины 3 (на фиг. 1 траектория луча пунктирной линией) на поворотное зеркало 5. От него лазерный луч направляется вертикально вниз в фокусирующий объектив 6. Из объектива лазерный луч попадает непосредственно на обрабатываемый лист 10. Работу технологического лазера обеспечивает расположенная на поперечине 7 автономная система охлаждения 9. Обе поперечины перемещаются по направляющим 2. Рабочие перемещения обеспечивает поперечина 3 (ось X) и фокусирующий объектив 6 с поворотным зеркалом 5 (ось Y). Все элементы, расположенные на поперечине 3, как и сама поперечина, выполнены максимально облегченными, что позволяет достичь высоких динамических характеристик.

Основной вес расположен на поперечине 7 - технологический лазер и автономная система охлаждения. Поперечина 7 не участвует в рабочих перемещениях. Связь между оборудованием поперечины 3 только оптическая - лазерный луч.

Система управления установки обеспечивает перемещение поперечины 7 следующим образом. При вырезке детали поперечина 3 перемещается с рабочими скоростями и ускорениями. Поперечина 7 перемещается с гораздо меньшими скоростями и ускорениями и при вырезке небольших деталей обычно неподвижна. После перехода от вырезки одной детали к вырезке другой изменяется местоположение фокусирующего объектива. Соответственно изменяется и длина оптического тракта (расстояние от технологического лазера до точки соприкосновения лазерного луча с обрабатываемым листом). По команде системы управления установкой поперечина 7 перемещает (X₁) технологический лазер на новое место с тем, чтобы длина оптического тракта осталась практически неизменной. Возникающие при вырезке детали изменения длины оптического тракта незначительны, соизмеримы с размерами деталей и длиной поперечины и не могут оказать большого влияния на качество обработки.

Так как отсутствует необходимость перемещения технологического лазера и автономной системы охлаждения с рабочими скоростями и ускорениями, а также высокая точность его позиционирования, то привод его перемещения может быть выполнен достаточно простым, а механизмы перемещения невысокой точности. Мощность привода поперечины 7, на которой размещены технологический лазер и автономная система охлаждения, может быть значительно снижена, в частности может быть равной мощности привода поперечины 3. Вместе с этим вес технологического лазера и автономной системы охлаждения практически неограничен, что позволяет обеспечить большую выходную мощность излучения технологического лазера и тем самым максимально расширить технологические возможности всей установки.

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., т. 1: Расчет, проектирование и эксплуатация/ Г.А. Абильсиитов, B.C. Голубев, В.Г. Гонтарь и др.; под общ. ред. Г.А. Абильсиитова.-М.: Машиностроение, 1991, стр. 128-129.

5. Лазерные технологические комплексы. Г.А. Абильсиитов, А.Н. Сафонов, В.Е. Кашин, Г.Ю. Микульшин, препринт N 51, НИЦТЛ, 1988, стр. 17.

Изобретение относится к лазерной технологии, в частности к установкам для лазерной обработки листовых материалов, и может найти применение в различных отраслях машиностроения при раскрое плоских листов. Установка состоит из манипулятора, системы управления и лазера. Манипулятор имеет две параллельно размещенные траверсы, по которым перемещается поперечина вдоль оси X. Размещенные на поперечине фокусирующий объектив вместе с поворотным зеркалом перемещаются вдоль оси У. Технологический лазер и автономная система охлаждения размещены на отдельной поперечине, имеющей собственный привод. Поперечина с лазером участвует в рабочих перемещениях установки при фигурном раскрое, при этом она обеспечивает в процессе работы практически постоянную длину оптического тракта. Связь между оборудованием обеих поперечин осуществляется оптическим способом. Применение данной установки позволит использовать в ее составе лазеры высокой мощности, что существенно расширяет ее технические возможности при высоких динамических характеристиках. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Установка для лазерной обработки листовых материалов, включающая технологический лазер, автономную систему охлаждения, две параллельно расположенные траверсы, на направляющих которой с возможностью перемещения размещена поперечина с расположенными на ней поворотными зеркалами и фокусирующим объективом, отличающаяся тем, что она снабжена второй поперечиной с приводом ее перемещения, на которой расположены автономная система охлаждения и технологический лазер с возможностью направления выходного излучения технологического лазера на поворотные зеркала и фокусирующий объектив. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что первая поперечина с поворотными зеркалами и фокусирующим объективом выполнена легкой, вторая поперечина с технологическим лазером и автономной системой охлаждения выполнена с возможностью перемещения с ускорением, много меньшим, чем ускорение первой поперечины. 3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что приводы первой и второй поперечин выполнены с равной мощностью.