Способ светолучевой обработки детали и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к обработке материалов путем местного нагрева с помощью светового луча. Сущность изобретения: сфокусированный световой луч направляют на обрабатываемую поверхность, измеряют мощность излучения и стабилизируют ее, ответвляют часть энергии луча, измеряют плотность мощности ответвленной части, сравнивают измеренное значение с заданным у ответвленной части луча и по результатам сравнения корректируют расстояние от излучателя до обрабатываемой поверхности. В устройство введен ответвитель энергии и канал коррекции положения излучателя, включающий привод и блок управления. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к обработке материалов путем местного нагрева с помощью светового луча и может найти применение в технологических процессах сварки, пайки, резки и т.п. деталей.

Известен способ обработки детали лазерным лучом, при котором в процессе обработки направляют сфокусированный луч в заданную точку обрабатываемой детали и устройство для его осуществления, содержащее излучатель и элементы управления положением луча относительно детали [1] Однако, в этом способе и устройстве не предусмотрены регулирование мощности излучения и коррекции фокусировки луча, которые в силу ряда причин, например, из-за колебаний напряжения источника питания, температурных деформаций могут изменяться в процессе питания, температурных деформаций могут изменяться в процессе обработки, что не обеспечит требуемого качества технологического процесса.

Известен также, способ, обработки деталей лучом лазера, при котором направляют сфокусированный луч лазера в заданную точку детали, измеряют мощность излучения источника излучения и стабилизируют ее, и устройство для осуществления этого способа, содержащее излучатель, координатный стол с обрабатываемой деталью, канал управления перемещением координатного стола относительно двух взаимно-перпендикулярных осей, ортогональных оптической оси излучателя, и канал стабилизации мощности излучателя [2] В этом способе и устройстве обеспечивается стабилизация мощности излучения, однако, как и в первом случае, отсутствует автоматическая коррекция фокусировки луча на поверхности обрабатываемой детали, что снижает качество обработки.

Цель настоящего изобретения устранить указанные недостатки и обеспечить автоматическую коррекцию фокусировки луча, а следовательно, обеспечить необходимые размеры пятна излучения на поверхности детали и плотность мощности в этом пятне в процессе обработки.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе светолучевой обработки детали, при котором направляют сфокусированный луч излучателя в заданную точку обрабатываемой детали, измеряют мощность излучения и стабилизируют ее относительно заданного значения, излучения и стабилизируют ее относительно заданного значения, согласно изобретению дополнительно на выходе излучателя ответвляют часть энергии луча, измеряют плотность мощности ответвленной части энергии, сравнивают измеренное значение с заданным значением ответвленной части и по результатам сравнения корректируют расстояние от излучателя до поверхности обрабатываемой детали.

Указанная цель в предложенном устройстве достигается тем, что в известное устройство, содержащее излучатель с источником излучения и фокусирующей системой, координатный стол с обрабатываемой деталью, канал управления перемещением координатного стола относительно двух взаимно-перпендикулярных осей, ортогональных оптической оси излучателя, с соответствующим блоком управления и приводами, канал стабилизации мощности источника излучения с измерителем мощности, согласно изобретению на выходе излучателя установлен ответвитель энергии луча и введены фотоприемник, канал коррекции положения излучателя вдоль оптической оси с блоком управления и приводом, причем ответвитель энергии, фотоприемник, блок управления и привод канала коррекции соединены последовательно, выход привода канала коррекции кинематически связан с излучателем, а ответвитель энергии и фотоприемник жестко связаны с координатным столом.

Совокупность признаков, отличающих заявленные технические решения от прототипа, применительно к цели изобретения, авторам неизвестны, и следовательно, удовлетворяют критериям новизны и изобретательского уровня.

Способ в общем виде реализован следующим образом.

При помощи канала управления перемещением координатного стола с установленной на нем обрабатываемой деталью направляют сфокусированный луч излучателя в заданную точку обрабатываемой детали. Измеряют мощность излучения источника излучения и стабилизируют ее относительно заданного значения. Одновременно с этими приемами на выходе излучателя ответвляют часть энергии луча, затем с некоторой задержкой по времени, достаточной для окончания переходных процессов стабилизации мощности источника излучения, измеряют плотность мощности ответвленной части энергии, сравнивают измеренные значения с заданным значением ответвленной части и по результатам сравнения корректируют расстояние от излучателя до поверхности обрабатываемой детали. При этом, соответственно изменится фокусировка светового пятна на поверхности детали до необходимых его размеров и до заданных значений плотности мощности энергии в нем, обеспечивая требуемое качество обработки, в частности, сварного шва детали.

Предложенное устройство (оно же подтверждает возможность реализации заявленного "Способа.") изображено на чертеже. Устройство содержит излучатель 1 с источником излучения 2 и фокусирующей системой 3; обрабатываемую деталь 4, закрепленную на координатном столе 5; канал управления перемещением координатного стола 6 относительно взаимно-перпендикулярных осей X,Z, ортогональных оптической оси Y Y, с блоком управления 7 и приводами 8, 9 соответственно; канал стабилизации мощности источника излучения 10, с измерителем мощности 11 и блоком управления 12; ответвитель энергии луча 13; фотоприемник 14; канал коррекции положения излучателя вдоль оптической оси 15 с блоком управления 16 и приводом 17.

Выходные оси приводов канала управления перемещением координатного стола 8, 9 кинематически связаны с осями перемещения X, Z соответственно выход блока управления 7 подключен ко входам соответствующего привода 8, 9; вход измерителя мощности 11 подключен к одному из выходов источника излучения 2, выход измерителя 11 соединен со входом блока управления 12, выход блока управления 12 канала стабилизации мощности источника излучения 10 подключен к управляемому входу источника 2; ответвитель энергии 13, установленный на выходе излучателя 1, оптически связан со входом фотоприемника 14, выход которого соединен со входом блока управления 16 канала коррекции 15 положения излучателя 1 вдоль оптической оси Y Y; выход блока управления 16 соединен со входом привода 17, выход которого кинематически связан с излучателем 1. Ответвитель 13 и фотоприемник 14 жестко связаны с координатным столом 5.

На чертеже также обозначены: P_зад, P, σ задаваемые в процессе обработки детали мощность источника излучения, текущее значение измеряемой мощности источника, управляющий сигнал соответственно; X_зад, Z_зад задаваемые в процессе обработки детали значения линейного перемещения координатного стола относительно осей X, Z соответственно; Ps^зад, Ps задаваемое и измеряемое текущее значения плотности мощности ответвленной части энергии луча соответственно.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом обработки детали, в частности сварки, световой луч излучателя 1, источник излучения 2 которого выполнен, например, на основе газоразрядной ксеноновой лампы типа ДКСШ с блоком питания (на фиг. 1 не показаны) в режиме работы с небольшой мощностью фокусируется при помощи фокусирующей системы 3 на поверхность обрабатываемой детали 4, установленной на координатном столе 5, и направляется при помощи канала управления 6 перемещением координатного стола 5 в заданную точку детали 4, откуда будет начата сварка. При этом команды управления, а именно, координаты X_зад, Z_зад положения стола 5 формируются в ЭВМ, например, типа IBM PC со встроенной платой многоканального цифро-аналогового преобразователя типа LAB - PC, AT DIO 32F (см. каталог IEEE 488. National Instruments, USA, 1992). На фиг. 1 ЭВМ не показана. Сигналы от ЭВМ поступают на блок управления 7. Блок управления 7, выполненный, например, на основе операционных усилителей (микросхемы типа К140УД17А), формирует сигналы на соответствующие приводы 8, 9, например, типа ПШ, представляющие собой шаговые двигатели ДВША с управляющими элементами (ТУ16 91, ИЖЕА, 522212. 0003ТУ), не требующие обратных связей. Приводы 8, 9 отрабатывают команды X_зад, Z_зад и устанавливают координатный стол в начальное положение. В соответствии с заданными параметрами сварки ЭВМ выдает, кроме того, в канал стабилизации мощности 10 источника излучения 2 команду P_зад на установку рабочей мощности источника 2, которая отрабатывается по принципу следящей системы, а именно измеряется мощность излучения измерителем 11, в блоке управления 12 (выполненном аналогично блоку управления 7) формируется сигнал ошибки и сигнал управления s который в свою очередь, воздействует, например, на управляющие элементы блока питания источника излучения 2, изменяя его параметры (ток, напряжение питания) и, тем самым, обеспечивая выставку задаваемой мощности излучения. Блок питания с его управляющими устройствами на фиг. 1 не показаны. Для получения заданной температуры в зоне сварки и необходимого размера пятна для "охвата" этой зоны на обрабатываемой поверхности детали 4, осуществляется корректировка положения излучателя 1 относительно начального положения вдоль оси Y-Y. При этом, ответвляется небольшая часть энергии луча с помощью ответвителя 13, представляющего собой, например, плоско-параллельную прозрачную пластину с малым коэффициентом отражения. Ответвленная часть луча поступает на фотоприемник 14 (например, фотодиод). Основная часть энергии луча поступает на поверхность детали 4. Фотоприемник 14 измеряет плотность мощности Ps ответвленной части энергии, и следовательно, плотность мощности светового пятна на поверхности обрабатываемой детали. (Поскольку коэффициенты отражения, пропускания ответвителя 13 и геометрические параметры луча на выходе излучателя полагаются известными). Сигнал Ps с фотоприемника 14 поступает на блок управления 16 (выполненным аналогично блокам управления 7, 12) канала коррекции 15, где он сравнивается с заданным значением Ps^зад плотности мощности. Блок управления 16 формирует сигнал ошибки, который отрабатывается приводом 17, выполненным аналогично приводам 8, 9. Излучатель 1 перемещается вдоль оси Y - Y, а ответвитель 13 и фотоприемник 14, жестко связанные со столом 5, остаются неподвижными, до тех пор, пока измеренное значение плотности мощности Ps не достигнет заданной величины Ps^зад. Таким образом доказана промышленная применимость предложенного технического решения.

В процессе сварки координатный стол в соответствии с заданной в ЭВМ программой перемещает деталь относительно светового пятна вдоль сварного шва, мощность источника излучения стабилизируется относительно заданного значения, и, тем самым, устраняются возможные ее колебания, например из-за колебаний параметров блока питания. При этом контролируются плотность мощности излучения на выходе излучателя и диаметр светового пятна, и в случае их отклонения от заданного значения, например из-за расфокусировки, вызванной механическими или температурными деформациями, осуществляется коррекция положения излучателя вдоль оси Y Y и соответствующая ему коррекция плотности мощности и размера пятна излучения на поверхности обрабатываемой детали. Следует заметить, что коррекция может осуществляться как в режиме стабилизации (Ps const), когда конструкция свариваемой детали не требует изменений плотности мощности пятна и размеров светового пятна, так и в режиме управления [ Рs f ( х, z )] когда параметры детали вдоль сварного шва (толщина детали, размеры зоны тепловой обработки и т.п.) изменяются и требуется соответствующее программное изменение Ps.

Источники: 1. Авт. св. 1808587, кл. B 23 K 26/00, по заявке 4887716 от 05.12.90 г.

аналог.

2. Патент Японии 56-22639, кл. B 23 K 26/00 прототип.

Формула изобретения

1. Способ светолучевой обработки детали, при котором направляют сфокусированный луч излучателя в заданную точку обрабатываемой детали, измеряют мощность излучения и стабилизируют ее относительно заданного значения, отличающийся тем, что на выходе излучателя ответвляют часть луча, измеряют мощность ответвленной части, сравнивают измеренное значение с заданным значением ответвленной части и по результатам сравнения корректируют расстояние от излучателя до поверхности обрабатываемой детали.

2. Устройство для светолучевой обработки детали, содержащее излучатель с источником излучения и фокусирующей системой, координатный стол для размещения обрабатываемой детали, канал управления перемещением координатного стола относительно двух взаимно перпендикулярных осей, ортогональных оптической оси излучателя, с соответствующим блоком управления и приводами, канал стабилизации мощности источника излучения с измерителем мощности и блоком управления, отличающееся тем, что устройство снабжено ответвителем энергии луча, установленным на выходе излучателя, фотоприемником, каналом коррекции положения излучателя вдоль его оптической оси с блоком управления и приводом, причем фотоприемник, блок управления и привод канала коррекции соединены последовательно, выход привода канала коррекции кинематически связан с излучателем, а ответвитель энергии и фотоприемник жестко связаны с координатным столом.