Универсальный каркасный модуль и система для лазерной обработки протяженных объектов вращения Российский патент 2021 года по МПК B23K26/70 B23K26/262 B23K37/47 B23K101/06 

Область техники

Изобретение относится к универсальным установкам и системам для лазерной обработки металлических протяженных объектов вращения, в частности труб и валов, путем сварки, резки, наплавки, упрочнения, очистки и гравировки поверхности.

Предшествующий уровень техники

При разработке оборудования для обработки протяженных объектов, таких как трубы и валы, в последнее время используют роботизированные установки, автоматизированные системы. Ими производят сварку труб, восстановление изношенной поверхности вала, упрочнение поверхности, очистку от изношенного металла, ржавчины, наплавку металла и другие технологические операции по модификации материала. Типичная компоновка таких систем сводится к монтажу в цехе двух платформ на основании пола, на одной размещают подвижный инструмент, а на другой - вращаемый объект обработки, например, трубу для разрезания или сварки. Роботизированный инструмент располагают на платформе отдельно от трубы, так чтобы обеспечить его перемещение в рабочей зоне. Такое расположение объект-инструмент на разных основаниях (платформах) имеет значительную погрешность позиционирования по сравнению с одной платформой. Кроме того, такие системы на отдельно стоящих двух платформах часто выполняют в ортогональном расположении, что не меняет сути дела и требует значительных производственных площадей при размещении оборудования. При работе роботизированный инструмент часто устанавливают на массивной колоне, портале, а трубу укладывают отдельно на своей платформе, что также не отличается компактностью.

Известно из US 2013020295 А1 установка для резки труб, в которой расположение инструмента и разрезаемой лучом трубы монтируют на одной сложной сборной платформе по классической схеме металлорежущего станка. Установка не отличается универсальностью, сложная в изготовлении и эксплуатации, не позволяет обрабатывать массивные габаритные объекты вращения и предназначена для резки труб.

Известен роботизированный лазерный комплекс для обработки труб лазерной сваркой RU 2690897 С1, в котором трубы укладывают на опорные ролики, размещенные вдоль рельсов с перемещаемой по ним платформой. На платформе установлены роботы с инструментом для обработки трубы. Роботы обеспечивают доступ инструментов к трубе, перемещаясь на рельсовой платформе по рельсам вдоль трубы. Платформа с обрабатываемыми инструментами и труба находятся на разных основаниях и повторяют их перекосы и неровности, что отрицательно сказывается на точности обработки и приводит к излишней нагрузке на робот при работе. Комплекс требует значительной площади для монтажа установки, не отличается компактностью.

Таким образом, создание компактной универсальной установки для бесконтактной, в частности лазерной, обработки протяженных объектов вращения с повышенной точностью позиционирования инструмента в рабочей зоне является актуальной технической задачей. Предлагаемое техническое решение в настоящем изобретении свободно от недостатков описанных выше установок.

Раскрытие изобретения

Цель настоящего изобретения состоит в разработке универсальной установки для лазерной обработки протяженных тел вращения с применением в рабочей зоне технологических процессов сварки, резки, наплавки, упрочнения, очистки и гравировки, причем установка должна отличаться более высокой технологичностью в изготовлении при сборке, установке в цех, и возможностью трансформации под разные задачи при обработке компактных и длинных тел вращения с применением разного лазерного инструмента. Установку изготавливают в виде каркасного сварного модуля для лазерной обработки компактных тел вращения (труб, валов), предусмотрена возможность соединения подобных модулей для увеличения базовой длины при обработке длинных тел. Техническим результатом изобретения является достижение более высоких технико-эксплуатационных параметров установки как при ее производстве, сборке, установке в цех, так и в процессе ее эксплуатации, когда неоспоримым преимуществом является повышение точности и качества лазерной металлообработки при меньших технологических затратах и повышенном ресурсе безотказной работы лазерного инструмента. Достигается это, в том числе, благодаря выбранной новой компоновке в виде жесткой сварной конструкции с пониженной металлоемкостью. А также благодаря способу размещения обрабатываемого тела на одной платформе каркасного модуля, а именно, непосредственно на его упорных подвесах с зажимом торца тела вращения в патроне шпинделя на боковой поверхности модуля, что не требует дополнительного совмещения двух разных платформ - для модуля и тела вращения, что обычно имеет место в аналогичных по назначению установках. Отказ от использования роботизированного манипулятора для подачи лазерного инструмента в рабочую зону удешевляет стоимость установки, без ущерба точности и технологичности при обработке тел вращения, а поскольку лазерный инструмент обеспечен приводами для автоматизированного перемещения, по меньшей мере, по пяти осям (по трем поступательным и двум вращательным) при доступе в рабочую зону и имеет общую платформу с обрабатываемым телом, то точность и качество обработки повышается.

Центральным конструктивным элементом установки и системы является универсальный каркасный модуль, содержащий пустотелую станину на двух опорах. Станина выполнена из листовых сварных стальных листов, усилена изнутри перегородками, что в целом обеспечивает жесткость конструкции станины и возможность размещения на ней подвижного инструмента в верхней ее части и подвеску зажатого в патрон шпинделя обрабатываемого объекта вращения на боковой части станины. Объект располагают на роликовых упорах, подвижных продольно и закрепленных на боковой части станины. В качестве подвижного лазерного инструмента, установленного на каретке, скользящей по направляющим в верхней части станины, используют съемные специализированные лазерные головы под выполняемую технологическую операцию. Управление такой технологической системой осуществляют с пульта управления технологическими операциями.

На базе этого универсального каркасного модуля организуют систему для обработки протяженных объектов вращения лазерным инструментом, которая содержит:

- универсальный каркасный модуль с приводами подвижных механизмов;

- блок питания лазерного инструмента, с управляемой степенью воздействие на протяженный объект;

- блок технологического газа;

- блок подачи присадочных материалов;

- блок управления позиционированием лазерного инструмента и телеметрии;

все блоки программно-управляемые с пульта управления технологическими операциями.

Существенно, что данная система способна выполнять технологические операции по сварке, резке, наплавке, упрочнению, очистке и гравировке поверхности протяженных объектов вращения посредством выбранного сменного лазерного инструмента в виде лазерной головы для требуемой технологической операции, излучение в которую подводится по оптическому кабелю от твердотельного, в частности, волоконного лазера.

Другие преимущества и отличительные особенности предложенного изобретения станут очевидными из нижеследующего описания предпочтительных вариантов его осуществления, приведенных со ссылкой на прилагаемые чертежи, что иллюстрируется ниже на фигурах и в их кратком описании.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Общий вид универсального каркасного модуля.

Фиг. 2. Фронтальный вид универсального каркасного модуля со свариваемыми трубами.

Фиг. 3. Вид задний на станину с боковыми тыльными окнами для доступа к месту крепления дополнительного модуля.

Фиг. 4. Боковой вид универсального каркасного модуля с установленным лазерным инструментом.

Фиг. 5. Блок-схема системы для обработки протяженных объектов вращения лазерным инструментом.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 представлен общий вид универсального каркасного модуля 1 без лазерного инструмента. Модуль для лазерной обработки протяженных объектов вращения содержит:

- сварную полую станину 2 из листовой стали в форме подобной параллелепипеду, протяженного по длине вдоль горизонтальной оси X, и ориентированного своими гранями в горизонтальной плоскости X-Y (Y - горизонтальная поперечная ось) и в вертикальных плоскостях X-Z и Y-Z (Z - вертикальная ось) - по ширине и высоте, соответственно, при этом станина на краях имеет, по меньшей мере, две опоры к основанию пола 3, 4;

- ребра жесткости из листовой стали внутри полой станины выполнены в виде перегородок;

- все грани станины, опоры и перегородки внутри, выполненные из листовой стали, соединены между собой сварными швами;

- на фронтальной боковой вертикальной грани станины монтируют следующие подвижные вдоль грани по оси X навесные механизмы: с одного края - размещают на кронштейне 5 шпиндель 6 для удержания обрабатываемого тела вращения, а за шпинделем имеются по меньшей мере две роликовые опоры 7, 8 для поддержки тела вращения в средней его части;

- роликовые опоры имеют приводы 9, 10 для линейного перемещения по вертикали, по оси Z;

- на верхней грани станины имеется подвижная вдоль станины каретка 11 с фланцем 12 для крепления лазерного инструмента, с приводами инструмента по трем степеням свободы линейного перемещения Χ, Υ, Ζ и, по меньшей мере, двум вращательным степеням вокруг осей Υ и Ζ.

Существенно, что подводящие гибкие коммуникации для управления электроприводами подвижных элементов и магистралей, обеспечивающих работу лазерного инструмента, располагают в ленточных ложементах 14, 13, соответственно, по обе боковые стороны станины.

Существенно, что внутри корпуса станины прямоугольные ребра жесткости приварены к нему по периметру и имеют, как и боковые торцевые грани станины, по меньшей мере одно отверстие 15 для облегчения конструкции каркасного модуля.

На фиг. 2 представлен фронтальный вид универсального каркасного модуля со свариваемыми трубами 16, 17. Перед укладкой на опоры, трубы прихватываются в месте сварного шва сваркой. Далее лазерный инструмент формирует сплошной сварочный шов 18.

Существенно, что для обработки протяженных объектов вращения к модулю может быть присоединен еще один такой же модуль и скреплен болтовыми соединениями торцевых частей модуля через окна 19, 20 (фиг. 3) в боковой тыльной части.

На фиг. 4 представлен боковой вид универсального каркасного модуля с установленным лазерным инструментом 21 в виде лазерной головы. Подводящие коммуникации в виде ленточных кабелей в ложементах 13, 14 не показаны.

Существенно, что лазерная голова имеет устройства для подачи присадочных материалов в виде проволоки и/или порошка, и/или технологического газа для осуществления технологических операций обработки объекта вращения.

Существенно, что лазерная голова имеет датчики позиционирования и телеметрии для слежения за технологическим процессом в рабочей зоне.

На фиг. 5 показана блок-схема универсальной лазерной системы на базе описанного выше универсального каркасного модуля. Система предназначена для обработки протяженных объектов вращения лазерным инструментом, которая содержит:

- универсальный каркасный модуль 1 с приводами подвижных механизмов;

- блок питания лазерного инструмента 22, с управляемой степенью воздействие на протяженный объект;

- блок технологического газа 23;

- блок подачи присадочных материалов (порошка или проволоки) 24;

- блок управления позиционированием лазерного инструмента и телеметрии 25;

все блоки программно-управляемые с пульта управления 26 технологическими операциями.

Промышленное применение предлагаемой системы для сварки труб, резки отверстий в трубах, при зачистке и восстановлению наплавкой металла на изношенные поверхности валов дает значительное преимущество в точности, качестве и имеет лучшие показатели по энергозатратам на выполненные технологические операции. А лазерный инструмент имеет повышенный ресурс работы и практически не имеет износа. Предусмотрена работа с волоконным лазером IPG/НТО «ИРЭ-Полюс».

Изобретение относится к универсальным установкам и системам для лазерной обработки металлических протяженных объектов вращения, в частности труб и валов путем сварки, резки, наплавки, упрочнения, очистки и гравировки поверхности. Компоновка модуля выбрана в виде жесткой сварной конструкции из листовой стали с пониженной металлоемкостью со съемным лазерным инструментом, имеющим пять степеней свободы. Вращаемое тело укладывают на роликовые упоры на боковой грани модуля. Предусмотрена возможность соединения двух и более модулей для увеличения базовой длины. Технический результат: достижение более высоких технико-эксплуатационных параметров установки при ее сборке, установке в цех, а также в процессе ее эксплуатации; повышение точности и качества лазерной металлообработки при меньших технологических затратах и при повышенном ресурсе безотказной работы лазерного инструмента. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Каркасный модуль для лазерной обработки протяженных объектов вращения, содержащий:

- сварную полую станину из листовой стали в форме параллелепипеда, протяженного по длине вдоль горизонтальной оси X и ориентированного своими гранями в горизонтальной плоскости X-Y, где Y – горизонтальная поперечная ось, и по ширине и высоте, соответственно в вертикальных плоскостях X-Z и Y-Z, где Z – вертикальная ось, при этом станина по концам имеет по меньшей мере две опоры;

- ребра жесткости из листовой стали, размещенные внутри полой станины и выполненные в виде перегородок, при этом грани станины, опоры и внутренние перегородки соединены между собой сварными швами;

- на фронтальной боковой вертикальной грани станины смонтированы следующие подвижные вдоль грани по оси X навесные механизмы: шпиндель для удержания обрабатываемого объекта вращения и по меньшей мере две роликовые опоры для поддержки объекта вращения в средней его части;

- роликовые опоры имеют привод для линейного перемещения по вертикали, по оси Z;

- в верхней части станины на направляющих размещена с возможностью скольжения каретка с фланцем для крепления лазерного инструмента с приводами его линейного перемещения по трем степеням свободы и вращательного перемещения по меньшей мере по двум степеням вокруг осей Y и Z.

2. Каркасный модуль по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен ленточными ложементами для размещения подводящих гибких коммуникаций для управления электроприводами подвижных элементов, расположенными по обе боковые стороны станины.

3. Каркасный модуль по п. 1, отличающийся тем, что по периметру внутри корпуса станины приварены прямоугольные ребра жесткости, при этом в упомянутых ребрах жесткости и боковых торцевых гранях станины выполнено по меньшей мере одно отверстие для облегчения конструкции каркасного модуля.

4. Каркасный модуль по п. 1, отличающийся тем, что в боковой тыльной части корпуса выполнены окна.

5. Каркасный модуль по п. 1, отличающийся тем, что смонтированные на боковой фронтальной поверхности подвижные механизмы выполнены съемными.

6. Каркасный модуль по п. 3, отличающийся тем, что лазерный инструмент имеет устройства для подачи присадочных материалов в виде проволоки и/или порошка, и/или технологического газа для осуществления технологических операций обработки объекта вращения.

7. Каркасный модуль по п. 6, отличающийся тем, что лазерный инструмент имеет датчики позиционирования и телеметрии для слежения за технологическим процессом в рабочей зоне.

8. Система для лазерной обработки протяженных объектов вращения, содержащая:

- каркасный модуль по пп. 1-7;

- блок питания лазерного инструмента;

- блок технологического газа;

- блок подачи присадочных материалов;

- блок управления позиционированием лазерного инструмента и телеметрии; при этом упомянутые блоки выполнены программно-управляемыми с пульта управления технологическими операциями.

9. Система по п. 8, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью осуществления следующих технологических операций: сварка, резка, наплавка, упрочнение, очистка и гравировка поверхности протяженных объектов посредством лазерного инструмента, выполненного в виде лазерной головки с оптическим кабелем для подачи излучения от твердотельного, в частности волоконного, лазера.