Устройство для лазерной обработки деталей Советский патент 1991 года по МПК B23K26/02 

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для лазерной обработки различных материалов.

Цель изобретения - повышение мощности лазерного излучения и производительности обработки, расширение области применения установки.

На фиг. 1 изображена схема устройства; на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема системы управления; на фиг. 3 - блок формирования машинных элементов; на фиг. 4 - корреляционная система.

Устройство содержит п модулей 1 излучателя, соединенные с соответствующими с первого по п блоками 2 поджига.

Каждый из п модулей излучателя через соответствующие заслонки 3 с первой по п

с приводами 4 оптически сопряжены с соответствующими с первой по п оптико-электронными устройствами 5 а также через комбинированное зеркало 6 с плоским зеркалом 7 с приводом 8, полупрозрачной пластиной 9, формирующей 10 и телескопической 11 системами и котировочным лазером 12. Система 13 управления соединена с вторым коммутатором 14, блоком 15 формирования машинных элементов, корреляционной системой 16, блоком 17 сравнения, первым коммутатором 18, синхрогенерато- ром 19, постоянным запоминающим устройством 20 и сумматором 21, который подключен последовательно к цифроанало- говому преобразователю 22 и усилителю 23

О 00 О Ю

ON

Система 13 управления содержит одиннадцать логических схем 1/1 24-34, пять логических схем ИЛИ 35-39, первый 40 и второй 41 регистры сдвига, первый 42 и второй 43 сумматоры, инвертор 44, первую 45, вторую 46 и тре гью 47 линии задержки, первый 48 и .второй 49 счетчики, оперативное запоминающее устройство 50, коммутатор 51, первый 52, второй 53 и третий 54 триггеры и дешифраюр 55.

Один из вариантов выполнения блока 15 формирования машинных элементов представлен на фиг. 3, Блок состоит из аналого-цифрового преобразователя 56, двух сумматоров 57 м 58, регистра 59, оперативного запоминающего устройства 60, трех счетчиков 61-63, трех логических схем И 64-66, формирователя 67.

Корреляционная система 16 может быть выполнена, как показано на фиг. 4. Она состоит из регистра 68, двух схем 69 и 70 сравнения, логической схемы И 71, постоянного запоминающего устройства 72 и двух счетчиков 73 и 74.

Устройство работает следующим образом.

Непосредственно перед началом работы установки осуществляется автоматическая юстировка последовательно каждого из п модулей излучателя 1. При этом на первый вход системы 13 управления подается команда Юстировка.

Излучение юстировочного лазера 12, пройдя через телескопическую систему 11, полупрозрачную пластину 9, плоское зеркало 7 и комбинированное зеркало 6, выводится на первый модуль 1 излучателя. Далее через открытую нервую заслонку 3 оптический сигнал поступает в первое оптико- электронное устройство 5. Положение плоского зеркала 7 определяется информацией, находящейся в постоянном запоминающем устройстве 20 и соответствующей работе определенного модуля излучателя 1. Сигнал с выхода постоянного запоминающего устройства 20 поступает на первый вход сумматора 21, далее через цифроана- логовый преобразователь 22 и усилитель 23 поступает на привод 8 зеркала, жестко сая- занный с плоским зеркалом 7. На второй вход сумматора 21с второго выхода системы 13 управления поступают сигналы, соответствующие перемещению с постоянным шагом плоского зеркала 7 в пределах поля ошибок вывода соответствующего модуля излучателя на общую оптическую ось. Для каждого положения плоского зеркала 7 на выходе оптико-электронных устройств 5 формируются изображения эксцентричных колец, которые образуются путем переотражения при прохождении излучения через соответствующий модуль излучателя. Число, форма и яркость колец характеризует точность юстировки каждого модуля излучателя с общей оптической осью.

В оптико-электронном устройстве 5 оптический сигнал преобразуется в электрический и далее через второй коммутатор 14 поступает в блок 15 формирования машинных элементов, в котором происходит вычисление среднего значения видеосигнала с участка телевизионного кадра размером пхп элементов разложения телевизионного стандарта. В корреляционной системе 16

изображение, поступающее с соответствующего оптико-электронного устройства 5, сравнивается с эталонным изображением, соответствующим наибольшей точности юстировки установки, и по результату сравнеиия формируется значение коэффициента корреляции, величина которого зависит от степени совпадения изображений. Вычисленное значение коэффициента корреляции поступает на блок 17 сравнения, в котором

сравниваются значения коэффициентов корреляции, вычисленные для каждого положения плоского зеркала 7. перемещающегося в пределах поля ошибок соответствующего модуля. Значения координат, при

которых коэффициент корреляции максимальный, записываются в оперативное запоминающее устройство 50, находящееся в системе 13 управления. В режиме работы установки эти координаты суммируются с

основными координатами, соответствующими положению оптической оси каждого модуля излучателя на обрабатываемойдета- ли в соответствии с требуемой программой. После вычисления и запоминания координат юстировки первого модуля излучателя привод 8 зеркала переключается для юстировки следующего модуля, в котором аналогично вычисляются координаты юстировки.

-Аналогичным образом осуществляется автоматическая юстировка всех модулей излучателя, Полученные поправки к координатам положения плоского зеркала 7.. соответствующим выводу каждого модуля

излучателя на общую оптическую ось, записаны в оперативном запоминающем устройстве 50.

Для работы устройства по требуемой программе на второй вход системы 23 управления подается команда Работа, в результате чего на сумматор 21 поступают координаты положения плоского зеркала 7, соответствующие выведению на общую оптическую ось первого модуля 1 излучателя,

и дополнительно сигналы поправки, вычисленные при юстировании излучателя.

С пятого выхода системы 23 управления на первый коммутатор 18 поступают сигналы с тактовой частотой fM, которые включают поочередно соответствующие блоки 2 поджига. По сигналу с шестого выхода системы 13 управления закрываются соответствующие заслонки 3. Излучение каждого модуля 1 излучателя поочередно, пройдя через комбинированное зеркало 6, плоское зеркало 7, которое с помощью привода 8 установлено в соответствующее данному модулю положение, полупрозрачную пластину 9 и формирующую систему 10, направляется на обрабатываемую деталь

Управление работой устройством осуществляется системой 13 управления.

При поступлении на первый вход системы 13 управления команды на проведение юстировки второй триггер 53 устанавливается в единичное состояние, через шестой выход системы 13 управления открывается заслонка 3, открывается первая логическая схема И 24 и коммутатор 51 переключается для прохождения поправочных координат, а через первую логическую схему ИЛИ 35 первый кольцевой регистр сдвига 40 устанавливается в исходное состояние - ни первом его выходе устанавливается уровень логической единицы.

Кадровые тактовые импульсы fK третьего выхода синхрогенератора 19 поступают на четвертый вход системы 13 управления, переходят через первую логическую схему И 24 и поступают через четвертый выход системы 13 управления на вход записи блока 17 сравнения в случае, если блок 17 сравнения выдает уровень логической 1 (ККП KKn-i). Кадровые тактовые импульсы поступают также на вторую, . ,етью, четвертую и пятую логические схемы И 25-28, которые распределяют прохождение тактовой частоты на суммирующие или вычитающие входы первого и второго сумматоров 42 и 43, где формируются справочные координаты юстирования. В случае, если в каждом последующем кадре коэффициент корреляции ККП будет больше или равен коэффициенту корреляции ККп-1 предыдущего кадра, эремещение плоского зеркала 7 в пределах поля ошибок вывода соответствующего модуля излучателя на общую оптическую ось будет осуществляться прямолинейно вдоль одной из координат. Например, открыта вторая логическая схема И 25 и импульсы тк поступают на суммирующий вход первого сумм;тора 42, где при этом формируется поправка координаты перемещения плоского зеокала по оси X с установленным

шагом. Если при очередном шаге коэффициент корреляции будет меньше значения коэффициента корреляции предыдущего шага, блок 17 сравнения выдает уровень логического О, при этом шестая логическая схема И 29 закрывается, а седьмая логическая схема И 30 через инвертор 44 открывается и пропускает импульсы fK на счетный вход первого регистра 40 сдвига.

0 при этом уровень логической 1 формируется на втором выходе первого регистра 40 сдвига и открывает третью логическую схему И 26. Это приводит к тому, что направление перемещения плоского зеркала 7

5 изменяется на 90°, т.е. изменяются по оси Y в сторону увеличения, если ККП ККП 1. Таким образом, каждое уменьшение текущего коэффициента корреляции предыдущего значения вызывает поворот направления

0 допуска на 90°.

Второй регистр 41 сдвига, восьмая, девятая и десятая логические схемы И 31 -33, первая линия задержки 45 и первый триггер 52 формируют команду остановки поиска

5 положения наилучшей юстировки модуля излучателя с общей оптической осью. В случае, если в двух последующих шагах до поиска коэффициент корреляции ККП ККп-1. то поправочные координаты следующего

0 шага будут записаны в оперативное запоминающее устройство 50 и в дальнейшем в процессе работы установки они суммируются с координатами положения плоского зеркала соответствующего модуля излучателя,

5 на котором проводилась юстировка оптических осей.

Схема формирования команды на остановку юстирования данного модуля работает следующим образом.

0Сигнал о смене направления допоиска

TH с седьмой логической схемы И 30 поступает на тактовый вход второго регистра 41 сдвига, у которого в младшем разряде записана логическая 1. Логическая 1 переходит во

5 второй разряд Этот же сигнал обнуляет первый триггер 52, который через время задержки первой линии 45 задержки включится импульсом 1т. Если же в следующем шаге допоиска не поступит сигнал fH, первый

0 триггер 52 остается включенным и сигнал fr , поступающий на его прямой вход, пройдет через открытую десятую логическую схему И 33 и установит второй регистр 41 сдвига в исходное состояние (уровень логической

5 единицы в младшем разряде).

Если в следующем шаге допоиска повторно будет сигнал fH, то уровень логической 1 во втором регистре 41 сдвига перейдет в третий разряд (первый выход) и откроет восьмую логическую схему И 31;

через нее в пятую логическую схему ИЛИ 39 в следующем шаге пройдет импульс fr через десятую логическую схему И 33, который будет являться командой остановки допо- иска данного модуля излучателя. Эта же команда будет формироваться и в случае, если сигнал fn-придет в третьем шаге допоиска подряд, При этом во втором регистре 41 сдвига уровень логической 1 переместится в четвертый разряд (второй выход) и откроет девятую логическую схему И 32, которая в том же такте пропустит на пятую логическую схему ИЛИ 39 импульс fT с временной задержкой первой линии 45 задержки. В результате нескольких повторов допопска Р щг in ркало 7 устамэвлмоаег- ся в положение, в котором коэффициент корреляции максимальный. По команде остановки допоиска элементы схемы устанавливаются в исходное состояние - первый регистр 40 сдвига через первую логическую схему ИЛИ 35; обнуление регистров блока 17 сравнения; второй счетчик 49 адреса постоянного запоминающего устройства 20 выбора координат положения плоского зеркала 7 через четвертую логическую схему ИЛИ 38 по счетному входу устанавливается на адрес координат следующего модуля 1, для которого будет проводиться автоюстировка аналогичным образом, в оперативном запоминающем устройстве 50 через время задержки второй линии 46 задержки записываются координаты рассогласования оптических осей модуля 1 излучателя с общей оптической осью, вычисленные в этом цикле.

После переключения работы на следующий модуль 1 излучателя повторяется аналогичная операция звтоюстировки. Дешифратор 55 формирует сигнал об окончании юстировки путем выдачи импульса, когда на его входе будет код числа следующего после адреса координат последнего модуля 1 излучателя. По импульсу конца юстировки обнуляются: второй триггер 53 через третью логическую схему ИЛИ 37, второй счетчик 49 адреса постоянного запоминающего устройства 20, третий триггер 54, первый счетчик 48 адреса оперативного запоминающего устройства 50.

После прихода на второй вход системы 13 управления команды на начало работы установки второй триггер 53 через третью логическую схему ИЛИ 37 обнуляется и открывает коммутатор 51 на прохождение поправочных координат положения плоского зеркала, которые были сформированы в режиме юстировки и записаны в оперативном запоминающем устройстве 50 для каждого модуля излучателя. Через шестой выход системы 13 управления поступает сигнал на закрытие заслонок 3.

Кроме того, устанавливается в единичное состояние третий триггер 54, открывается одиннадцатая логическая схема И 34 и сигнал с тактовой частотой работы модулей fM поступает через пятый выход системы 13 управления на первый коммутатор 18 через четвертую логическую схему ИЛИ 38 на вто0 рой счетчик 49 адреса постоянного запоминающего устройства и через вторую логическую схему ИЛИ 36 - на первый счетчик 48 адреса записи оперативного запоми- нающего устройства 50, на которых

5 формируются адреса координат положения плоского зеркала соответствующего модуля излучателя и адреса поправки к координатам. После обработки последнего модуля излучателя дешифратор 55 останавливает

0 работу, переключается третий триггер 54,

Блок 15 формирования машинных элементов осуществляет вычисление среднего значения видеосигнала с участка телевизионного кадра размером лхп элементов

5 разложения телевизионного стандарта. С телевизионной камеры оптикоэлектронно- го устройства 5 через второй коммутатор 14 сигнал подается на аналого-цифровой преобразователь 56 блока 15 формирова0 ния машинных элементов. Первый сумматор 57 совместно с регистром 59 образуют накапливающий сумматор и вычисляют суммарный видеосигнал по отрезкам телевизионных строк. Второй сумматор 58 и опе5 ративное запоминающее устройство 60 образуют накапливающий сумматор, в котором суммируются соответствующие отрезки строк и формируется строка машинных элементов. Первый счетчик 61 и первая логи0 ческая схема И 64 формируют тактовый сигнал конца отрезка строки, по которому обнуляется регистр 59. Второй счетчик 62 и вторая логическая схема И 65 формируют тактовую частоту выдачи машинных элемен5 той. Третий счетчик 63 формирует адрес оперативного запоминающего устройства 60. Формирователь 67 обрабатывает задний фронт синхроимпульса fc и обнуляет третий счетчик 63. Третья логическая схема И

0 66 пропускает на счетный вход третьего счетчика 63 импульсы конца отрезка машинного элемента в пределах прямого хода строки.

Машинные элементы, сформированные

5 в блоки 15 формирования машинных элементов, записываются в регистр 68 и поступают на первую схему 69 сравнения, где они сравниваются с пороговым уровнем, Результат сравнения поступает на вторую одноразрядную схему 70 сравнения, в которой

происходит сравнение с эталонным изображением, записанным в постоянном запоминающем устройстве 72. Если значения сигналов будут равны, то логическая схема И 71 откроется и через нее пройдет сигнал Рмэ на вход второго счетчика. Чем больше будет совпадений фрагментов изображения текущего и эталонного, тем большее число сформируется на втором счетчике 74. Это число представляет собой знаковый коэф- фициент корреляции для текущего и эталонного изображений. Первый счетчик 73 формирует адрес постоянного запоминающего устройства 72 эталона.

Формирующая система 10, осуществля- ющая формирование требуемой диаграммы направленности излучения и фокусирование его на обрабатываемой детали, представляет собой телескоп определенной кратности с подвижным вдоль оси окуля- ром.

Полупрозрачная пластина 9, осуществляющая сопряжение котировочного лазера 12 с общей оптической осью установки, выполнена в виде оптической пластины с зо- нальным покрытием.

Телескопическая система 11, осуществляющая формирование излучения юстиро- вочного лазера, может быть выполнена в виде телескопа или подвижного окуляра.

Котировочный лазер 12 осуществляет генерацию монохроматического импульсного излучения; может быть использован лазер типа ЛТИП4-6.

Плоское зеркало 7 осуществляет излу- чение в пространстве направления оси лазерного излучения по определенной заданной программе и может быть выполнена, например, в виде головки с качающимся зеркалом.

Привод зеркала 8 может быть постдоен на базе шагового двигателя.

Оптико-электронное устройство 5 представляет собой телевизионную камеру.

Комбинированное зеркало 6 представ- ляет собой многоэлементное зеркало, каждый элемент которого ориентирован так, что оптические оси модулей излучателя 1 сводятся в одну точку на плоском зеркале 7.

Заслонка 3 с приводом 4 может быть выполнена в виде механической шторки, установленной на оси шагового двигателя.

Технологическая установка, построенная описанным выше образом, за счет осуществления автоматической юстировки модулей излучателя непосредственно перед началом работы установки обеспечивает повышение точности сведения оптических лучей, что приводит к повышению средней плотности мощности излучения на поверхности обрабатываемой детали. Это позволило расширить область применения технологической лазерной установки.

Кроме операции сварки материалов установка позволяет осуществлять операцию сверления отверстий, резания материалов, их термообработки и получения на них рисунков с высокой скоростью.

Формула изобретения 1. Устройство для лазерной обработки деталей, содержащее систему управления, модуль излучателя с блоком поджига, плоское зеркало с приводом и формирующую систему, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения, в нее введены оптически сопряженные юсти- ровочный лазер, телескопическая система и полупрозрачная пластина, установленная между плоским зеркалом и формирующей системой, комбинированное зеркало, оптически сопряженное с плоским зеркалом и с модулем излучателя, п-1 дополнительных модулей излучателя с блоками поджига, установленных параллельно модулю излучателя и оптически сопряженных с комбинированным зеркалом, п оптико-электронных устройств, каждое из которых оптически сопряжено с соответствующим модулем излучателя, п заслонок с приводом, каждая из которых установлена междусоответствующим модулем излучателя и оптико-электронным устройством, первый коммутатор, выход которого соединены с входами блоков поджига, а вход подключен к пятому выходу системы управления, шестой выход которой соединен с приводами заслонок, последовательно соединенные второй коммутатор, блок формирования машинных элементов, корреляционная система и блок сравнения, последовательно со- единенные постоянно запоминающее устройство, сумматор, цифроаналоговый преобразователь, усилитель и синхрогене- ратор, при этом информационные входы второго коммутатора соединены с выходами оптико-электронных устройств, первый выход системы управления подключен к входу постоянного запоминающего устройства и управляющему входу второго коммутатора, второй выход системы управления - к второму входу сумматора, третий и четвертый выход системы управления - соответственно к второму и третьему входам блока сравнения, выход блока сравнения соединен с третьим входом системы управления, первый выход синхрогенерато- ра соединен с первыми входами блока формирования машинных элементов и корреляционной системы, второй выход син- хрогенератора соединен с вторыми входами блока формирования машинных элементов, корреляционной системы и каждого оптико- электронного устройства, третий выход син- хрогенератора соединен с четвертым входом системы управления и третьими входами блока формирования машинных элементов, корреляционной системы и каждого оптико-электронного устройства, четвертый выход синхрогенератора соединен с пятым входом системы управления.

2. Устройство по п. 1, отличающее- с я тем, что система управления содержит одиннадцать логических схем И, пять логических схем ИЛИ, два регистра, два сумматора, инвертор, три линии задержки, два счетчика, оперативное запоминающее устройство, коммутатор, три триггера и дешифратор при этом выход первой логической схемы И соединен с первыми входами второй, третьей, четвертой, пятой, шестой и седьмой логических схем И и через первую линию задержки с первыми входами девятой и десятой логических схем И и S-входом первого триггера, выход которого соединен с вторым входом десятой логической схемы И, выход которой подключен к первому входу восьмой логической схемы И и информационному входу второго регистра сдвига, второй вход шестой логической схемы И объединен с входом инвертора и является третьим входом системы управления, выход шестой логической схемы И является четвертым выходом системы управления, выход инвертора подключен к второму входу седьмой логической схемы .И, выход которой соединен с входами синхронизации первого и второго регистров сдвига и R-входам первого триггера, первый, второй, третий и четвертый выходы первого регистра сдвига подключены к вторым входам соответственно второй, третьей, четвертой и пятой логических схем И, выходы второй и третьей логических схем И соединены с суммирующими входами соответственно первого и второго сумматоров, выходы четвертой и пятой логических схем И соединены с вычитающими входами соответственно первого и второго сумматоров, выходы кот орых подключены к информационному входу оперативного запоминающего устройства и второму информационному входу коммутатора, первый выход второго регистра сдвига подключен к второму входу восьмой логической схемы И, выход которой соединен с первым входом

пятой логической схемы ИЛИ, второй выход второго регистра сдвига соединен с вторым входом девятой логической схемы И, выход которой подключен к второму входу пятой

логической схемы ИЛИ, выход которой подключен к первому входу четвертой логической схемы ИЛИ, через вторую линию задержки к входу записи оперативного запоминающего устройства, через вторую и

третью линии задержки к обнуляющим входам первого и второго сумматоров, к перво- му входу первой логической схемы ИЛИ и является третьим выходом системы управления, второй вход первой логической схемы ИЛИ объединен с А входом второго триггера и является первым входом системы управления, выход первой логической схемы ИЛИ соединен с информационным входом первого регистра сдвига, первый вход

первой логической схемы И является четвертым входом системы управления, неинвертирующий выход второго триггера подключен к второму управляющему входу коммутатора, второму входу первой логической схемы И и является шестым выходом системы управления, первый вход одиннадцатой логической схемы И является пятым входом системы управления, S-вход третьего триггера объединен с первым входом

третьей логической схемы ИЛИ и является вторым входом системы управления, выход третьей логической схемы ИЛИ подключен к R-входу второго триггера, инвертирующий выход которого соединен с первым управляющим входом коммутатора, выход третьего триггера подключен к второму входу одиннадцатой логической схемы И, выход которой соединен с вторыми входами второй и четвертой логических схем ИЛИ и является

пятым выходом системы управления, выход четвертой логической схемы ИЛИ подключен к счетному входу второго счетчика, выход которого соединен с входом дешифратора и является первым выходом системы управления, выход дешифратора подключен к R-входам третьего триггера, первого и второго счетчиков и к второму входу третьей логической схемы ИЛИ, выход второй логической схемы ИЛИ соединен со счетным входом первого счетчика, выход которого подключен к адресному входу оперативного запоминающего устройства, выход оперативного запоминающего устройства соединен с первым

информационным входом коммутатора, выход которого является вторым выходом системы управления.

СО

хпдд

у81

хтдд

Щ

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при лазерной обработке различных материалов. Цель изобретения - повышение мощности излучения и расширение области применения. Устройство содержит два коммутатора, приводы заслонок, синхрогенератор, п оптико- электронных устройств, блок формирования машинных элементов, корреляционную систему, постоянное запоминающее устройство. Оптический тракт содержит юстиро- вочный лазер, телескопическую систему полупрозрачную пластину, формирующую систему, комбинированное и плоское зеркала и п модулей излучателя. Комбинированное зеркало выполнено в виде единичных секций, каждая из которых сопряжена с соответствующим модулем излучателя, и предназначено для сведения оптических осей всех излучателей в одну точку. Плоское зеркало установлено на приводе и автоматически юстируется системой управления по информации с оптико-электронных устройств. Мощность лазерной обработки повышается путем сведения в одну точку излучения от п лазеров. 1 з п ф-лы. 4 ил. Ё

9602991

Риг.З

КШ.17

L