Установка для лазерной обработки

 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для различной лазерной обработки крупногабаритных деталей с поверхностями вращения второго порядка, смещенных относительно оси вращения на случайную величину. Технический результат заключается в расширении номенклатуры обрабатываемых деталей за счет возможности обработки деталей с поверхностями вращения второго порядка, смещенных относительно оси вращения на случайную величину и за счет быстрой замены устройств крепления и вращения детали. Установка содержит несущую конструкцию, лазер, лазерную головку с приводом фокусировки, оптический тракт, системы управления и энергообеспечения. Датчик расстояния закреплен на лазерной головке и соединен через систему управления со следящим приводом. На штанге привода, установленной с возможностью перемещения, установлена лазерная головка. Привод углового поворота лазерной головки, на штанге которого, выполненной с возможностью углового поворота, установлен следящий привод, привод вертикального перемещения лазерной головки, на штанге которого, выполненной с возможностью вертикального перемещения, закреплен световой шарнир, соединенный со штангой привода углового поворота лазерной головки, привод горизонтального перемещения лазерной головки, на каретке которого установлен привод вертикального перемещения лазерной головки, устройство крепления и вращения обрабатываемой детали, установленное на платформе, выполненной с возможностью ее перемещения по направляющим. Несущая конструкция выполнена в виде портала, на котором жестко закреплен привод горизонтального перемещения лазерной головки. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано для различной лазерной обработки крупногабаритных деталей с поверхностями вращения второго порядка, смещенных относительно оси вращения на случайную величину.

Известна установка для лазерной обработки [1], которая состоит из лазера с блоком управления, фокусирующей системы и механизма колебания лазерного луча по обрабатываемой поверхности, который в свою очередь состоит из привода, на выходном элементе которого закреплено отражающее зеркало, причем для обеспечения постоянного угла падения луча привод механизма колебания лазерного луча выполнен в виде магнитострикционного преобразователя, а для того, чтобы регулировать период колебания луча, на преобразователе установлены сменные грузы.

Данная установка позволяет обеспечить постоянный угол падения луча при закалке, легировании, резке изделий с профилем поверхности, нормаль которой составляет угол ~45^o с нормалью к поверхности отражающего зеркала после фокусирующей системы, однако она не обеспечивает это постоянство, если угол возрастает до 90^o, при этом фокусирующая система не может сохранить постоянство расстояния от отражающего зеркала до обрабатываемой поверхности, что приводит к уменьшению плотности мощности излучения.

Известна также установка для лазерной обработки листовых материалов [2], которая включает в себя лазер, состоящий из лазерной головки и блока обеспечения его работоспособности, систему управления лазером, а также манипулятор оптических элементов. Этот манипулятор состоит из двух траверс и подвижной поперечной балки, по которой передвигается фокусирующий объектив. Отличие этой установки заключается в том, что лазерная головка находится на поперечине, сама установка снабжена направляющими и подвижным узлом с его приводом перемещения по ним. Блок обеспечения работоспособности лазера размещен на подвижном узле, а направляющие размещены параллельно одной из траверс.

Другие отличия заключаются в том, что 1. Лазерная головка размещена вертикально с возможностью вращения относительно выходного излучения с плоскостью поляризации, совпадающей с направлением движения фокусирующего объектива.

2. Лазерная головка выполнена с возможностью получения выходного излучения в виде нескольких пучков, лежащих в одной плоскости, совпадающей с плоскостью поляризации.

3. Лазерная головка и фокусирующий объектив соединены жестко, причем объектив выполнен так, что возможна фокусировка каждого пучка на заданную глубину по толщине обрабатываемого материала.

Однако как первая установка [1], так и вторая [2], предназначены для обработки плоских листов с небольшой волнистостью и не могут обрабатывать поверхности, образованные при вращении кривых второго порядка.

Кроме уже перечисленных патентов существует также целый ряд патентов РФ на установки для лазерной обработки [3, 4, 5], которые предназначены для обработки либо вертикально расположенных листовых материалов [3], либо горизонтально [4, 5]. Обработка возможна по кривым линиям, устройство установок почти идентично устройству, описанному в патенте [2], но ни в одной из установок не представляется возможным обработка поверхностей вращения с автоматическим поддержанием фокального пятна лазерной головки на обрабатываемой поверхности вращения.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому изобретению является установка по лазерной обработке цилиндрических деталей [6].

Данная установка содержит лазер, координатный стол, оптический тракт, а также фокусирующую систему, тубус, соединенный с приводами вращения относительно его продольной оси. Фокусирующая головка содержит два зеркала, одно из которых вогнутое, а второе - плоское и отклонено от оптической оси на малый угол. Привод головки обеспечивает вращение фокусирующего зеркала (оно является сканирующим) относительно продольной оси тубуса. При работе сканирующего зеркала и тубуса обеспечивается равномерное асимметричное пятно нагрева. Система управления приводом обеспечивает также перемещение стола по плоскости, давая возможность обработки по криволинейным траекториям.

При обработке внутренних цилиндрических поверхностей на нижний конец тубуса надевается наконечник, внутри которого ставится дополнительное зеркало (отражающее вбок излучение лазера), вращающееся вместе с тубусом.

Перемещение тубуса приводом координатного стола вверх дает возможность обработки внутренних поверхностей цилиндров по спирали. Возможность осуществления подобной операции, несомненно, является достоинством данной установки, однако и эта установка обладает существенными недостатками.

Недостатками данного технического решения являются 1. Невозможность обработки деталей с поверхностями вращения второго порядка, смещенных относительно оси вращения на случайную величину.

2. Обработка только внутренних поверхностей цилиндров.

3. Невозможность обработки крупногабаритных деталей.

4. Невозможность обработки внешних поверхностей круглых деталей.

5. Одно фиксированное устройство крепления детали ограничивает номенклатуру обрабатываемых изделий.

Технический результат от использования предлагаемого технического решения заключается в расширении номенклатуры обрабатываемых деталей за счет возможности обработки деталей с поверхностями вращения второго порядка, смещенных относительно оси вращения на случайную величину, и за счет быстрой замены съемного устройства крепления и вращения обрабатываемой детали, а также в снижении требований к точности установки детали, возможности обработки крупногабаритных деталей, в возможности стыковки нескольких устройств для обработки разных зон одной крупногабаритной детали, в улучшении качества обрабатываемых поверхностей за счет стабилизации расстояния между лазерной головкой и поверхностью детали.

В соответствии с предлагаемым изобретением вышеуказанный технический результат достигается тем, что в установку для лазерной обработки, содержащую несущую конструкцию, лазер, лазерную головку с приводом фокусировки,оптический тракт, системы управления и энергообеспечения, введены датчик расстояния, закрепленный на лазерной головке и соединенный через систему управления с вновь введенным следящим приводом, на штанге которого, выполненной с возможностью перемещения, установлена сама лазерная головка, привод углового поворота лазерной головки, на штанге которого, выполненной с возможностью углового поворота, установлен следящий привод, привод вертикального перемещения лазерной головки, на штанге которого, выполненной с возможностью вертикального перемещения, закреплен световой шарнир, соединенный со штангой привода углового поворота лазерной головки, привод горизонтального перемещения лазерной головки, на каретке которого установлен привод вертикального перемещения лазерной головки, устройство крепления и вращения обрабатываемой детали, установленное на платформе, выполненной с возможностью ее перемещения по направляющим, при этом несущая конструкция выполнена в виде портала, на котором жестко закреплен привод горизонтального перемещения лазерной головки. Кроме того, устройство крепления и вращения детали выполнено съемным. Кроме того, лазерная головка выполнена по схеме Кассегрена.

На фиг.1 приведена конструкция предлагаемого устройства для лазерной обработки поверхностей вращения со сменным механизмом крепления и вращения колес рельсового транспорта, где 1 - портал; 2 - лазерная головка (ЛГ); 3 - датчик расстояний; 4 - следящий привод ЛГ; 5 - привод углового поворота ЛГ со световым шарниром; 6 - привод вертикального перемещения ЛГ; 7 - привод горизонтального перемещения ЛГ;
8 - привод вращения с закрепленной деталью;
9 - платформа передвижной тележки;
10 - направляющие;
11 - стопор;
12 - деталь (колесо);
13 - поворотное зеркало.

На фиг. 2 приведена кинематическая схема устройства лазерной обработки поверхностей вращения кривых второго порядка, смещенных относительно оси вращения на случайную величину, где
4 - следящий привод ЛГ;
5 - привод углового поворота ЛГ со световым шарниром;
6 - привод вертикального перемещения ЛГ;
7 - привод горизонтального перемещения ЛГ;
8 - привод вращения с закрепленной деталью.

Установка для лазерной обработки содержит лазер (на чертежах не указывается), несущую конструкцию-портал (1), лазерную головку (2), системы управления и энергообеспечения (на чертежах не указываются), датчик расстояния (3), закрепленный на лазерной головке и соединенный через систему управления с вновь введенным следящим приводом (4), на штанге которого, выполненной с возможностью перемещения, установлена сама лазерная головка (2), привод углового поворота (5) со световым шарниром лазерной головки, на штанге которого, выполненной с возможностью углового поворота, установлен следящий привод (4), привод вертикального перемещения (6) лазерной головки, на штанге которого, выполненной с возможностью вертикального перемещения, закреплен привода углового поворота (5) со световым шарниром лазерной головки, привод горизонтального перемещения (7) лазерной головки, на каретке которого установлен привод вертикального перемещения (6) лазерной головки, устройство крепления и вращения обрабатываемой детали (8), установленное на платформе (9), выполненной с возможностью ее перемещения по направляющим (10) и фиксируемой стопором (11) в рабочем положении, при этом несущая конструкция выполнена в виде портала (1), на котором жестко закреплен привод горизонтального перемещения (7) лазерной головки. Установка работает следующим образом.

Обрабатываемая деталь (12), в данном случае колесо, устанавливается на устройство крепления и вращения детали (8), выполненное съемным, для того чтобы расширить номенклатуру обрабатываемых изделий, затем это устройство по направляющим (10) подводится в зону лазерной обработки до упоров и фиксируется стопором (11).

Лазерное излучение через поворотное зеркало (13), установленное на каретке привода горизонтального перемещения (7) под углом 45^o к падающему на него лазерному излучению, подается на световой шарнир привода углового поворота лазерной головки (5) и выходит из него на лазерную головку (2), установленную на подвижной штанге следящего привода (4), закрепленного в свою очередь на подвижной штанге привода углового поворота (5), при этом подвижные штанги привода углового поворота и следящего привода параллельны.

Лазерная головка (2), например, выполненная по схеме Кассегрена, фокусирует излучение на поверхности обрабатываемой детали (12).

Приводы горизонтального (7), вертикального (6) и углового поворота (5) лазерной головки по сигналам, поступающим с системы управления, отрабатывают профиль обрабатываемой детали в соответствии с математической функцией, описывающей заданный профиль.

Следящий привод (4) лазерной головки по сигналам с датчика расстояний (3) отслеживает биения детали, сохраняя постоянным расстояние от лазерной головки (2) до обрабатываемой детали (12).

Для одновременной обработки различных участков крупногабаритных деталей можно располагать несколько лазерных установок последовательно, так чтобы по направляющим, проходящим сразу через несколько порталов установок, перемещалось одно устройство вращения и крепления детали.

В настоящее время установка для лазерной обработки разработана, выпущена конструкторская документация и начато изготовление опытного образца.

Источники информации
1. Жоголь В.Г., Резниченко В.Ф., Милицын К.Н. и Коряков Е.В., "Установка для лазерной обработки", патент РФ 1053412, В 23 К 26/08, 22.04.82.

2. Забелин А. М., Зеленов Е.В., Микульшин Г.Ю. "Установка для лазерной обработки листовых материалов". Патент РФ 2140837, 6 В 23 К 26/08, 13.07.98 г.

3. Забелин А.М. "Установка для лазерной обработки". Патент РФ 2140838, 6 В 23 К 26/08, 10.08.98.

4. Забелин А.М., Микульшин Г.Ю. "Установка для лазерной резки листовых материалов". Патент РФ 2140839, 6 В 23 К 26/08, 17.08.98.

5. Забелин А.М. "Установка для лазерной обработки листовых материалов". Патент РФ 2140840, 6 В 23 К 26/08, 21.08.98.

6. Майоров B.C., "Установка для лазерной обработки". Патент SU 1472200 А1, В 23 К 26/08, 11.05.84 - прототип.

Формула изобретения

1. Установка для лазерной обработки, содержащая несущую конструкцию, лазер, лазерную головку с приводом фокусировки, оптический тракт, системы управления и энергообеспечения, отличающаяся тем, что в нее введены датчик расстояния, закрепленный на лазерной головке и соединенный через систему управления с вновь введенным следящим приводом, на штанге которого, выполненной с возможностью перемещения, установлена сама лазерная головка, привод углового поворота лазерной головки, на штанге которого, выполненной с возможностью углового поворота, установлен следящий привод, привод вертикального перемещения лазерной головки, на штанге которого, выполненной с возможностью вертикального перемещения, закреплен световой шарнир, соединенный со штангой привода углового поворота лазерной головки, привод горизонтального перемещения лазерной головки, на каретке которого установлен привод вертикального перемещения лазерной головки, устройство крепления и вращения обрабатываемой детали, установленное на платформе, выполненной с возможностью ее перемещения по направляющим, при этом несущая конструкция выполнена в виде портала, на котором жестко закреплен привод горизонтального перемещения лазерной головки.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что устройство крепления и вращения детали выполнено съемным.

3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что лазерная головка выполнена по схеме Кассегрена.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2