УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ Российский патент 2008 года по МПК B23K26/14 B08B7/00 

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано, например, для лазерной очистки от загрязнений поверхностей различных объектов, например тел вращения с цилиндрической симметрией, имеющих сложную форму поверхности. Примером таких объектов являются колесные пары подвижного состава на железнодорожном транспорте.

Качество освидетельствования и ремонта колесных пар подвижного состава в значительной степени обеспечивает безаварийную эксплуатацию вагонов. Для выявления трещин и других изъянов поверхности колесной пары при полном освидетельствовании колесная пара после предварительного осмотра подвергается очистке от грязи и краски вплоть до чистой поверхности металла.

В качестве прототипа заявляемого технического решения выбрано устройство для лазерной очистки колесных пар подвижного состава, содержащее средства облучения очищаемых поверхностей колесной пары посредством лазерных источников излучения, формирующих лазерные лучи, средства сканирования лазерных лучей по очищаемым поверхностям, средства для установки и вращения колесной пары и средства удаления продуктов абляции из зоны очистки. Лазерные источники размещены в пространстве таким образом, что один источник лазерного излучения располагается напротив оси колесной пары, а остальные источники - напротив боковых поверхностей колес, по два с каждой стороны колеса [1].

Недостатком указанного устройства является наличие большого количества источников лазерного излучения - не менее пяти, что обуславливает необходимость использования средств многомерного сканирования для эффективной очистки всей поверхности колесной пары. Это существенно усложняет и удорожает устройство, снижает эффективность, скорость и надежность его работы.

Задача, решаемая изобретением, - упрощение устройства для лазерной обработки поверхности сложной формы, повышение эффективности, скорости и надежности его работы.

Указанная задача решается тем, что в устройстве для лазерной обработки поверхностей, содержащем источники лазерного излучения, средства сканирования лазерного излучения, средства удаления продуктов обработки из зоны очистки и средства для установки и перемещения обрабатываемых поверхностей, выполненные с возможностью доступа лазерного излучения к упомянутым поверхностям, средства сканирования лазерного излучения выполнены в виде отражающих призм по числу лазерных лучей, установленных на каретках с возможностью обеспечения наклонного падения лазерных лучей на обрабатываемые поверхности, при этом каретки снабжены приводами для перемещения по направляющим относительно обрабатываемых поверхностей, при этом каждая призма снабжена, по крайней мере, двумя отражающими гранями и приводом углового поворота для обращения упомянутых отражающих граней к лазерным лучам, а источники лазерного излучения выполнены в виде импульсно-периодических задающих генераторов-усилителей, снабженных средствами регулирования частоты следования импульсов.

Ось привода углового поворота призм в заявляемом устройстве ориентирована относительно направления лазерного луча под углом ϕ, меньшим 45 град.

Заявляемое устройство также снабжено оптической системой для формирования лазерных лучей и транспортировки их к призмам, которая выполнена с возможностью обеспечения постоянного для каждой отражающей грани S_n призмы угла падения α_n лазерного луча на упомянутую грань.

Приводы кареток в заявляемом устройстве выполнены с возможностью линейного перемещения относительно очищаемых поверхностей.

Устройство отличается тем, что для обеспечения необходимой плотности мощности на обрабатываемой поверхности при наклонном падении лазерного луча и требуемой частоты следования и длительности импульсов генерации лазерный источник излучения выполнен в виде конструкции, работающей по схеме задающий генератор-усилитель.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 показано заявляемое устройство с одним лазерным источником на примере очистки от загрязнений колесной пары подвижного состава на железнодорожном транспорте, на фиг.2 иллюстрируется выполнение призмы, на фиг.3 показан вариант устройства с двумя лазерными лучами и двумя оптическими трактами.

Устройство для лазерной очистки (фиг.1) включает в себя источник лазерного излучения 1, выполненный в виде импульсно-периодического задающего генератора-усилителя, снабженного средствами для регулирования частоты следования импульсов, оптическую систему 2, выполненную, например, в виде системы линз, зеркал или световодов, для формирования лазерного луча 3 и его транспортировки к призме 4, установленной на каретке 5, которая перемещается по направляющей 6, снабженной приводом 7 для линейного перемещения вдоль оси Х относительно очищаемой поверхности колесной пары 8, причем направляющая 6 расположена параллельно оси колесной пары 8. Длина l направляющей 6 выбирается в соответствии с выражением

где l₀ - длина обрабатываемой поверхности, h - высота расположения направляющей над верхней гранью обрабатываемой поверхности, d - поперечный размер обрабатываемого тела, α₁ и α₂ - углы падения лазерного луча по отношению к направляющей при отражении от первой и второй рабочей грани отражающей призмы. Для рассматриваемого случая очистки колесной пары под l₀ и d понимаются, соответственно, ее длина и диаметр, а высота h выбирается из конструктивных особенностей направляющей 6 и каретки 5.

Призма 4 представляет собой многогранник, содержащий, в общем случае, S_n отражающих граней, из которых, по крайней мере, две грани являются рабочими. На фиг.1, 2 показан вариант призмы с двумя отражающими гранями 9 и 10, которые являются рабочими. Призма 4 снабжена приводом 11 углового поворота для обращения отражающих граней 9 и 10 к лазерному лучу 3, при этом ось привода 11 наклонена по отношению к направляющей под углом ϕ, меньшим 45 град, что обеспечивает наклонное падение лазерного луча на обрабатываемую поверхность. Оптическая система 2 выполнена таким образом, что лазерный луч 3 падает на отражающие грани 9 и 10 призмы 4 под постоянными для каждой грани углами α₁ и α₂ (α₁ - для грани 9 и α₂ - для грани 10) при любом положении каретки 5 на направляющей 6.

Угол 6 между рабочими гранями является острым (как правило, его значение не превышает 60°); конкретное значение этого угла, так же, как и угла ϕ, выбирается исходя из особенностей профиля очищаемой поверхности и наличия на ней теневых участков, к которым прямой доступ лазерного луча затруднен. Например, в случае очистки колесной пары (симметричного тела вращения) угол θ удобно выбрать в пределах (40°-45°), при условии, что угол ϕ наклона оси привода 11 равен 22°30'-25°, а рабочая грань 9 призмы расположена параллельно оси привода 11.

Устройство также снабжено системой удаления продуктов обработки из рабочей зоны 12, выполненной, например, в виде вытяжного вентилятора, сопряженного с воздуховодом, который снабжен соплом щелевого типа, ориентированным вдоль линии перемещения лазерного луча. Работа всех функциональных узлов устройства осуществляется под управлением компьютера 13. Колесная пара 8 перемещается на рабочую позицию для очистки при помощи механизма 14 и приводится во вращение с помощью привода 15, обеспечивающего сканирование вдоль оси Y. Оптическая система 2, призма 4 и каретка 5 образуют оптический тракт устройства.

Устройство может быть реализовано на основе двух лазерных лучей и двух оптических трактов (фиг.3). В этом случае оно включает в себя источники лазерного излучения 16 и 17, призмы 18 и 19, установленные, соответственно, на каретках 20 и 21, которые перемещающиеся по параллельным, смещенным относительно друг друга направляющим 22 и 23. Каретка 20 снабжена приводом углового поворота 24, а каретка 21 - приводом углового поворота 25. Направляющие 22 и 23 снабжены приводами линейного перемещения 26 и 27. Между источником лазерного излучения 16 и призмой 18 расположена оптическая система 28, а между источником лазерного излучения 17 и призмой 19 - оптическая система 29. Каретки 20 и 21 перемещаются навстречу друг другу и, соответственно, навстречу друг другу распространяются лазерные лучи 30 и 31. Отметим, что для получения двух лазерных лучей может использоваться один источник лазерного излучения, совмещенный с оптической системой, формирующей два параллельных лазерных луча одинаковой мощности.

Выполнение устройства на основе двух лазерных лучей позволяет по сравнению с устройством, показанным на фиг.1, вдвое повысить скорость очистки и уменьшить длину направляющих, что существенно упрощает устройство особенно при обработке тел, длина которых превышает 1,5 м.

Заявляемое устройство (фиг.1) работает следующим образом.

Источник лазерного излучения 1 формирует при помощи оптической системы 2 лазерный луч 3, падающий на первую отражающую грань 9 призмы 4, которая, в свою очередь, направляет лазерный луч на очищаемую поверхность под некоторым углом, лежащим, как правило, в интервале +(0-60)° к нормали к поверхности. Для повышения эффективности очистки поверхность колесной пары 8 может быть предварительно смочена жидкостью, имеющей высокий коэффициент смачиваемости и ослабляющей силу сцепления загрязнения с поверхностью (для удаления ржавчины с металлической поверхности эффективно применять керосин). Колесная пара 8 устанавливается в рабочее положение с помощью механизма 14 и приводится во вращение с помощью привода 15. После этого привод линейного перемещения 7 начинает перемещать каретку 5 с призмой 4 из крайнего положения по направляющей 6, в результате чего лазерное излучение сканирует по поверхности колесной пары 8, осуществляя ее очистку от загрязнений. Скорость линейного перемещения каретки 5 подбирается таким образом, чтобы за время одного оборота колесной пары призма перемещалась на расстояние приблизительно равное диаметру лазерного пучка, а управление частотой следования импульсов генерации лазерного излучения осуществляется от компьютера 13 таким образом, чтобы каждый следующий лазерный импульс попадал на соседний, неочищенный участок поверхности.

При этом перемещение лазерного луча по обрабатываемой поверхности происходит вдоль прямой линии, что позволяет реализовать эффективную систему удаления продуктов обработки из рабочей зоны.

Если необходимо произвести очистку обратной поверхности колеса, призма 4 поворачивается на 180 градусов с помощью привода углового поворота 11 и поворачивается к лазерному лучу второй отражающей гранью 10.

Для очистки боковых затененных участков поверхности, прямой доступ лазерного луча к которым затруднен, призма 4 поворачивается на небольшой угол (1-5)°, в результате чего лазерный луч проходит мимо оси колесной пары 8 и попадает на требуемый участок боковой поверхности колеса. При этом угол падения луча 3 на поверхность подлежащего очистке участка также составляет (0-60)° по отношению к нормали к очищаемой поверхности.

Таким образом, при линейном перемещении каретки 5 из одного крайнего положения в другое происходит полная обработка поверхности колесной пары 8 лазерным излучением.

Реализация в заявляемом устройстве оптической схемы сканирования на основе поворотных отражающих призм, ось вращения которых наклонена под углом ϕ, меньшим 45 град по отношению к направляющей, позволяет осуществлять очистку всей поверхности колесной пары, при наклонном падении лазерного луча, используя только линейное перемещение отражающей призмы вдоль оси колесной пары. Такой режим очистки имеет следующие существенные преимущества:

- увеличивается доля отражаемой от металлической поверхности световой энергии, и, как следствие, снижаются требования к стабильности импульсной энергии лазерного излучения;

- уменьшается доля перекрытия лазерного излучения ионизированными продуктами обработки за счет их частичного смещения по отношению к лазерному пучку, что приводит к повышению эффективности доставки излучения к обрабатываемой поверхности;

- увеличивается эффективность доставки сжатого газа и удаления продуктов обработки за счет симметричного по отношению к лазерному лучу размещения щелевого сопла, максимально приближенного к очищаемой поверхности, через которое происходит обдувка обрабатываемого изделия или удаление продуктов очистки.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет - по сравнению с устройством-прототипом - осуществлять обработку (очистку, упрочнение и т.п.) различных объектов, в частности, тел вращения с теневыми участками, с меньшим количеством источников лазерного излучения (по крайней мере, с одним источником) и при уменьшении времени обработки,

существенно упростить систему сканирования, сведя ее к линейному перемещению вдоль оси симметрии обрабатываемого тела, что обуславливает существенное упрощение конструкции устройства и повышение эффективности и надежности его работы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент РФ № 40938 на полезную модель, кл. В23К 26/14, 2004 г. (прототип).

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к устройству для лазерной обработке поверхностей, и может быть использовано для лазерной очистки от загрязнений поверхностей различных объектов, например колесных пар подвижного состава на железнодорожном транспорте. Технический результат заключается в упрощении конструкции устройства, повышении надежности и эффективности его работы. Устройство содержит источник лазерного излучения 1, оптическую систему 2 для формирования лазерного луча 3 и его транспортировки к призме 4. Призма 4 установлена на каретке 5, которая линейно перемещается по направляющей 6 посредством привода 7 относительно очищаемой поверхности колесной пары 8. Призма 4 содержит отражающие грани и имеет привод 11 углового поворота для обращения отражающих граней к лазерному лучу 3, ось которого наклонена по отношению к направляющей под углом ϕ, меньшим 45 град. Оптическая система 2 выполнена таким образом, что лазерный луч 3 падает на отражающие грани призмы 4 под постоянными для каждой грани углами. Устройство имеет систему удаления продуктов обработки из рабочей зоны 12 и компьютер 13 для управления работой всех функциональных узлов устройства. Колесная пара 8 перемещается на рабочую позицию для очистки при помощи механизма 14 и приводится во вращение с помощью привода 15. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для лазерной обработки поверхностей, содержащее источники лазерного излучения, средства сканирования лазерного излучения, средства удаления продуктов обработки из зоны очистки и средства для установки и перемещения обрабатываемых поверхностей, выполненные с возможностью доступа лазерного излучения к упомянутым поверхностям, отличающееся тем, что средства сканирования лазерного излучения выполнены в виде отражающих призм по числу лазерных лучей, установленных на каретках с возможностью обеспечения наклонного падения лазерных лучей на обрабатываемые поверхности, каретки снабжены приводами для перемещения по направляющим относительно обрабатываемых поверхностей, каждая призма выполнена с по крайней мере двумя отражающими гранями и снабжена приводом углового поворота для обращения упомянутых отражающих граней к лазерным лучам, а источники лазерного излучения выполнены в виде импульсно-периодических задающих генераторов-усилителей со средствами регулирования частоты следования импульсов.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ось привода углового поворота каждой призмы ориентирована относительно направляющей под углом ϕ, меньшим 45°.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено оптической системой для формирования лазерных лучей и транспортировки их к призмам.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оптическая система выполнена с возможностью обеспечения постоянного для каждой отражающей грани S_n призмы угла падения α_n лазерного луча на упомянутую грань.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приводы кареток предназначены для обеспечения возможности линейного перемещения кареток относительно очищаемых поверхностей.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит два источника лазерного излучения и две каретки, установленные на направляющих с возможностью перемещения навстречу друг другу.