ЛАЗЕРНАЯ РЕЖУЩАЯ ГОЛОВКА

Полезная модель относится к устройствам для обработки твердых материалов лазерным излучением и может применяться в системах лазерной резки металлов.
Известна лазерная режущая головка (патент США №4618758, опубл. 21.10.1986, B23K 26/00), содержащая корпус, внутри которого расположена фокусирующая линза, а также выходное сопло, установленное на корпусе, и измерительный датчик для определения расстояния между фокусирующей линзой и обрабатываемой поверхностью металла. Корпус данного устройства выполнен из двух частей с возможностью вращения указанных частей вокруг двух перпендикулярных осей таким образом, что выход сопла может быть установлен в произвольное положение при сохранении расстояния между фокусирующей линзой и обрабатываемой поверхностью. Вращение частей корпуса друг относительно друга осуществляется сервомеханизмом, управление которым производится по сигналам с выхода измерительного датчика. Особенностью конструкции данной головки является то, что измерительный датчик выполнен в виде цилиндра. Этот цилиндр расположен внутри выходного отверстия сопла и установлен таким образом, что он находится в механическом контакте с обрабатываемой поверхностью, а между ним и стенками корпуса имеется зазор для выхода вспомогательного газа и возможности перемещения указанного цилиндра вдоль оси сопла.
Недостатком конструкции описанной лазерной режущей головки является низкая надежность и точность измерительного датчика. Известно, что скорости резания при промышленных применениях устройства могут достигать нескольких метров в секунду. При таких скоростях исполнительный механизм регулировки зазора «сопло-поверхность металла» может не успевать «отслеживать» появление термодеформаций обрабатываемого материала (изгиб листа). В этих случаях сопло врезается в обрабатываемый лист металла и выходит из строя. Кроме того, в описанном устройстве задняя по ходу движения часть наконечника всегда движется по уже сформированному резу, кромки которого имеют заметную шероховатость, направленную вверх по ходу луча так, что датчик измеряет расстояние не от листа, а от верхней кромки сформированного реза, что в конечном счете ухудшает точность вертикального позиционирования сопла.
Известно устройство для лазерной резки (патент США №4659900, опубл. 21.04.1987, B23K 26/00), включающее лазерную режущую головку, состоящую из модуля фокусирующей линзы и модуля сопла. Оба указанных модуля выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Известное устройство также включает блок управления и сервомеханизм для установки наперед заданного программой обработки взаимного расположения модулей друг относительно друга. В данном устройстве механического контакта между компонентами лазерной режущей головки и обрабатываемым материалом не происходит. Индуктивный датчик положения сопла определяет расстояние до обрабатываемой поверхности, а блок управления вырабатывает управляющие сигналы для сервомеханизма так, чтобы расстояние от фокусирующей линзы до опорной плоскости оставалось постоянным в процессе обработки. Положение опорной плоскости задается программным способом перед началом работы устройства.
Известно устройство для лазерной резки (патент США №8314361, опубл. 20.11.2012, B23K 26/38), включающее лазерную режущую головку, состоящую из последовательно установленных внутри единого корпуса, модуля фокусирующей линзы и модуля сопла. В данном устройстве перед лазерной режущей головкой установлен модуль коллиматора с отклоняющей оптикой. Между модулем коллиматора и режущей головкой расположена герметизированная камера, заполненная газом под избыточным давлением и включающая модуль очистки от загрязнений. Стенки указанной камеры закреплены на модуле коллиматора и корпусе режущей головки и обеспечивают при этом возможность изменения расстояния между ними.
Известно устройство для лазерной резки (патент РФ №2386523, опубл. 20.04.2010, B23K 26/38), содержащее корпус с вертикальной осью вращения, установленный на нем корпус с горизонтальной осью вращения и оптическую фокусирующую головку. Упомянутая головка установлена на полом суппорте, выполненном в виде вертикально перемещающегося ползуна, установленного на механической системе позиционирования и перемещения. Корпус с вертикальной осью вращения и корпус с горизонтальной осью вращения имеют электроприводы, выполнены полыми и имеют поворотные призмы для транспортировки лазерного луча к оптической фокусирующей головке. Ползун выполнен с посадочным местом для установки коллиматора. Полый вал ползуна установлен соосно с коллиматором и несет на своем нижнем конце корпус с вертикальной осью вращения и ротор вертикального электропривода. Корпус с горизонтальной осью вращения установлен на полом валу, установленном в подшипниковых опорах промежуточного корпуса, установленного на вертикальном торце корпуса с вертикальной осью вращения, и несущим ротор горизонтального электропривода.
Основным недостатком описанных устройств является низкая эксплуатационная эффективность, обусловленная недостаточной защитой поверхности фокусирующей линзы от продуктов разлета лазерной резки обрабатываемого материала. В процессе обработки некоторая часть продуктов разрушения обрабатываемого материала имеют достаточную кинетическую энергию для распространения навстречу лазерному лучу и потоку режущего газа на значительные расстояния. Указанные продукты оседают на последней по ходу луча оптической поверхности, обращенной к зоне обработки. Лазерное излучение распространяется через линзу и частично поглощается микрочастицами загрязнений, осажденных на поверхности линзы, что приводит к дополнительному нагреву линзы, превышающему нагрев от собственного поглощения. В результате этого изменяется фокусное расстояние оптической системы, включающей линзу и защитное стекло. В связи с тем, что у большинства оптических материалов, применяющихся в оптических системах лазерных технологических установок, температурный коэффициент показателя преломления имеет положительный знак, фокусное расстояние уменьшается, величина уменьшения может достигать 10%, размер пучка в зоне резки увеличивается, и качество резки ухудшается. В процессе эксплуатации для обеспечения высокого качества лазерной обработки необходимо периодически заменять загрязненные линзы новыми, осуществлять регулировку их положения относительно оптической оси. На это затрачивается время, в течение которого эксплуатация лазерной головки приостанавливается. Последующая очистка загрязненной поверхности фокусирующей линзы также требует затрат, что в целом приводит к снижению экономической эффективности использования известных лазерных головок.
Известны лазерные режущие головки, в которых для замены загрязненных в процессе работы фокусирующих линз или изнашивающихся сопел (см. патент США №7619180, опубл. 17.11.2009, B23K 20/00) применяют револьверные узлы, что существенно облегчает и ускоряет сервисное обслуживание устройств, однако усложняет и удорожает конструкцию.
В известных лазерных режущих головках, применяемых в промышленных установках (например, модель LH1575, фирма Hypertherm, http://www.hypertherm.comили модель BIMO, фирма Highyag, www.highyag.de), используют картриджный принцип установки фокусирующей линзы. При этом промежутки времени, связанные с ее заменой при эксплуатации, оказываются существенно уменьшенными. Дополнительно в модели BIMO для защиты линзы от загрязнений используют менее дорогие по сравнению с линзой защитные окна, установленные в держателях в пространственном промежутке между фокусирующей линзой и соплом. Такая защита имеет и преимущества и недостатки: с одной стороны практически полностью исключается возможность загрязнения линзы, а с другой - интервалы времени между заменами защитных окон сокращаются, а их расход может быть значительным, что требует дополнительной оценки экономической эффективности применяемого технического решения. Картриджная система замены элементов лазерной головки не предполагает герметизацию ее внутреннего объема, что может быть дополнительной причиной попадания загрязнений на рабочие оптические поверхности фокусирующей линзы. При использовании картриджной системы оператор лазерной установки не имеет возможность проводить настройку положения линзы после ее замены, что может быть дополнительным ограничением для практического применения.
Наиболее близкой по технической сущности и принятой за прототип является лазерная режущая головка (патент США №7759602, опубл. 29.07.2010, B23K 26/00), включающая корпус с отверстием для ввода вспомогательного газа и расположенной внутри корпуса фокусирующей линзой, а также узел сопла, установленный с возможностью перемещения относительно корпуса с помощью привода. В данном устройстве отверстие для ввода вспомогательного газа расположено в непосредственной близости от фокусирующей линзы. Поток вспомогательного газа, вводимый внутрь корпуса головки, с одной стороны блокирует поток частиц загрязнений, разлетающихся из зоны обработки материала в направлении фокусирующей линзы, а с другой - обеспечивает эффективное охлаждение линзы, т.к. некоторые из загрязняющих частиц все же успевают долететь до поверхности линзы, и поглощение излучения на осажденных загрязняющих частицах может вызвать ее нежелательный дополнительный нагрев.
Основным недостатком прототипа является сложность конструкции и низкая эксплуатационная эффективность, определяемая высокой трудоемкостью замены фокусирующей линзы из-за загрязнения ее поверхностей в результате работы устройства, предполагающей практически полную разборку лазерной головки.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является упрощение конструкции и улучшение защиты фокусирующей линзы лазерной режущей головки от продуктов лазерной обработки.
Сущность полезной модели заключается в том, что в лазерной режущей головке, включающей размещенную в корпусе фокусирующую линзу, а также узел сопла, установленный на корпусе с возможностью отсоединения от него, корпус имеет по меньшей мере один вход для подачи вспомогательного газа внутрь корпуса, выполнен составным и включает две камеры, причем установленная в первой камере фокусирующая линза выполнена с возможностью перемещения вдоль ее оптической оси и в направлениях перпендикулярных оптической оси, а вторая камера включает защитное окно с держателем, внутри которого с зазором установлен формирователь потока вспомогательного газа в виде полого вкладыша так, что один из его концов расположен вблизи защитного окна, а второй - вблизи входа для подачи вспомогательного газа.
Кроме того, первая камера корпуса может быть выполнена герметичной.
Кроме того, первая камера корпуса может быть снабжена входом для подачи вспомогательного газа на выходную поверхность фокусирующей линзы.
Кроме того, первая камера корпуса может быть снабжена датчиком рассоединения первой и второй камер корпуса.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На Фиг. 1 чертежей представлен общий вид заявляемой лазерной режущей головки. На Фиг. 2 показана головка для лазерной резки в разрезе.
На Фиг. 1 заявляемого устройства изображены первая камера корпуса 1, вторая камера корпуса 2, узел сопла 3, вход 4 для подачи вспомогательного газа внутрь второй камеры корпуса 2, механизм управления положением фокусирующей линзы вдоль ее оптической оси 5 и механизмы управления положением фокусирующей линзы в направлениях перпендикулярных оптической оси 6, а также датчик положения 7 узла сопла 3 относительно обрабатываемой поверхности.
На Фиг. 2 дополнительно показаны расположенная внутри первой камеры корпуса 1 фокусирующая линза 8 в держателе 9, который закреплен в подвижной направляющей 10, сопряженной с механизмами управления положением фокусирующей линзы 5 и 6, защитное окно 11 с держателем 12, расположенное внутри второй камеры корпуса 2, формирователь потока вспомогательного газа 13, зазор 14 между формирователем потока вспомогательного газа 13 и стенкой держателя 12 защитного окна 11, фланец крепления 15 камер корпуса 1 и 2 друг к другу, вход 16 для подачи чистого охлаждающего газа внутрь первой камеры корпуса 1 по каналам 17 на выходную поверхность фокусирующей линзы 8 и далее через полость 18 по каналу 19 на узел сопла 3., вход 20 для подачи технического охлаждающего газа на узел сопла 3, керамический блок 21 элемента датчика положения узла сопла 3, установленный с помощью в накидной гайки 22 с отверстиями.
Для достижения заявленного технического результата и преодоления имеющихся технических недостатков прототипа необходимо прежде всего сформулировать понятие «эксплуатационная эффективность». Под этим термином будем понимать отношение времени эффективной работы устройства к полному времени его эксплуатации. Очевидно, что описанные в прототипе процессы загрязнения элементов конструкции лазерной режущей головки в процессе работы приводят к ухудшению ее технических параметров. При наступлении момента выхода параметров за границы допустимых пределов условия технической эксплуатации изделия предусматривают остановку его работы и замену определенных узлов на свежие. Время, затрачиваемое на замену узлов, естественным образом вычитается из рабочего времени устройства и должно быть минимизировано. Кроме этого, необходимо обеспечить минимальную стоимость реновации оптических деталей, загрязненных продуктами обработки материалов, в перспективе обеспечив использование одноразовых элементов. В настоящее время рассчитывать на возможность использования одноразовых фокусирующих линз в лазерных режущих головках несколько преждевременно, однако, применение одноразовых защитных окон уже вполне оправдано. Для того, чтобы существенно увеличить интервалы времени между заменами оптических элементов в конструкции заявляемой лазерной режущей головки предусмотрен ряд технических решений, объединенных единым замыслом.
В конструкции заявляемой полезной модели реализован многокамерный принцип. Корпус предлагаемой лазерной режущей головки включает первую камеру 1 с фокусирующей линзой 8, которая предпочтительно может быть выполнена герметичной, вторую камеру 2 с держателем 12 защитного окна 11, входом 4 для подачи вспомогательного газа и формирователем потока вспомогательного газа 13, а также узел сопла 3 и фланец крепления 15 камер корпуса 1 и 2 друг к другу. Такая конструкция обеспечивает, во-первых, возможность быстрого рассоединения частей корпуса лазерной головки при регламентных работах по замене загрязненных оптических деталей и последующую быструю сборку. При этом смену/установку первой камеры корпуса 1 с фокусирующей линзой 8 можно производить значительно реже, чем в прототипе благодаря наличию второй камеры 2 с защитным окном 11. Поскольку замена фокусирующей линзы 8 производится реже, то уменьшается время простоя оборудования, требуемое на настройку положения фокусирующей линзы 8 относительно оси узла сопла 3. Во-вторых, предлагаемая конструкция второй камеры 2 предусматривает новый принцип использования вспомогательного газа, подаваемого внутрь камеры 2 через вход 4. В отличие от прототипа в заявляемом устройстве вход 4 для подачи вспомогательного газа в камеру 2 расположен не вблизи оптического элемента, а, напротив, на отдалении от него. Для того, чтобы поток вспомогательного газа попал на поверхность защитного окна 11, равномерно охладил его и надежно изолировал от частиц загрязнений, разлетающихся из обрасти лазерной резки в направлении противоположном направлению распространения излучения, в полости камеры 2 установлен формирователь потока вспомогательного газа 13, причем зазор 14 между стенками этого формирователя 13 и держателя 12 защитного окна 11 составляет несколько десятков микрон.
При замене защитного окна 11 и регламентном рассоединении камер корпуса 1 и 2 внешняя поверхность фокусирующей линзы 8 оказывается открытой внешним воздействиям. Ввиду того, что замена защитного окна 11 производится непосредственно на рабочем месте в производственном помещении, в котором осуществляется лазерная обработка материалов, и соблюдение чистоты воздуха не всегда можно обеспечить должным образом, следует предусмотреть технические меры, направленные на предотвращение оседания пыли на внешней поверхности фокусирующей линзы 8. Для этого первая камера корпуса 1 может быть дополнительно снабжена входом для подачи чистого вспомогательного газа. Этот чистый газ может подаваться непосредственно на внешнюю поверхность фокусирующей линзы 8 в течение времени регламентных работ, т.е. пока камеры корпуса 1 и 2 рассоединены. Для автоматического включения и выключения подачи чистого вспомогательного газа в первую камеру корпуса 1 первая камера корпуса 1 может быть снабжена датчиком рассоединения первой и второй камер корпуса.
Конструкция заявляемого устройства предполагает также охлаждение всех основных элементов головки, а именно фокусирующей линзы 8, защитного окна 11 и элемента датчика положения узла сопла 3. Для этого в конструкции лазерной режущей головки организовано три потока газа, причем так, чтобы исключить образование застойных зон у охлаждаемых (защищаемых элементов). Охлаждение фокусирующей линзы 8 осуществляют исключительно чистым газом (градация zero air, zero gas). Охлаждение узла сопла 3 может осуществляться любым техническим газом. Так как два указанных потока имеют общий выход, то во избежание попадания технического газа в полость корпуса 18 его давление должно быть меньше, чем давление в канале охлаждения фокусирующей линзы 8 при любых расходах газов в этих потоках. При отсутствии необходимости охлаждения фокусирующей линзы 8 каналы, связывающие оба потока, перекрывают, при этом требования к давлению в потоке охлаждения узла сопла 3 и его датчика положения снимаются. Охлаждение фокусирующей линзы 8 осуществляют следующим образом. Корпус держателя 9 фокусирующей линзы 8 имеет по меньшей мере два канала 17 для подачи чистого охлаждающего газа на выходную поверхность фокусирующей линзы 8. Фокусирующая линза 8 установлена в держателе 9 таким образом, что поток чистого охлаждающего газа равномерно поступает на цилиндрическую образующую фокусирующей линзы 8 и далее направляется вдоль ее выходной поверхности. Затем поток газа попадает на входную поверхность защитного окна 11 и выводится в полость 18 первой камеры корпуса 1. Объем полости 18 желательно минимизировать. Ее площадь определяется диаметром оптики, используемой в головке, а высота равна диапазону регулировки положения фокусирующей линзы 8 по вертикальной оси устройства. Указанная конструкция позволяет обеспечить эффективный обдув поверхностей фокусирующей линзы 8 и защитного окна 11, избегая образования застойных зон.
Для охлаждения узла сопла 3 и вывода потока газа, охлаждающего фокусирующую линзу 8, в элементах конструкции лазерной головки выполнены отверстия так, что при сборке они образуют единый канал 19 с выходом на керамический блок 21 элемента датчика положения узла сопла 3. Посадочное отверстие в накидной гайке 22, фиксирующей керамический блок 21 на основании, имеет несколько дополнительных выборок в виде сегментов. Кроме организации потока газа охлаждения элементов узда сопла 3 через эти сегменты также выводится поток газа охлаждения фокусирующей линзы 8. Заявляемая полезная модель работает следующим образом: Перед началом лазерной резки устанавливают необходимое расстояние от сопла 3 до поверхности обрабатываемого материала и выбирают тип и давление вспомогательного газа (воздух, кислород или азот) в зависимости от вида металла и его толщины и требуемых параметров резки (скорость и шероховатость реза). На вход 4 второй камеры корпуса 2 лазерной режущей головки под давлением подают поток вспомогательного газа, который распространяется по зазору 14 между стенкой держателя 12 защитного окна 11 и формирователем потока вспомогательного газа 13 и достигает периферии защитного окна 11. Затем этот газ отражается от защитного окна 11 и направляется внутри полости формирователя потока вспомогательного газа 13 к выходному срезу сопла 3. Лазерное излучение включается с задержкой относительно момента подачи вспомогательного газа, которая необходима для установления его стационарного истечения из сопла 3. Величина задержки зависит от типа вспомогательного газа, его давления и объема полости формирователя потока 13. Лазерное излучение проходит через фокусирующую линзу 8 и далее через прозрачное защитное окно 11, через узел сопла 3 на поверхность обрабатываемого металла. Для охлаждения фокусирующей линзы 8 при работе устройства, а также во время проведения регламентных работ при рассоединении камер корпуса лазерной режущей головки на вход 16 первой камеры корпуса 1 лазерной режущей головки под давлением подают поток чистого охлаждающего газа, который распространяется по каналам 17, достигает выходной поверхности фокусирующей линзы 8, охлаждает ее, затем достигает входной поверхности защитного окна 11, охлаждает его, затем выводится в полость 18 и далее по каналу 19 направляется для охлаждения элементов узла сопла 3. Типичное время тепловой реакции фокусирующей линзы 8 и керамического блока 21 элемента датчика положения узла сопла 3 составляет единицы секунд. Соответственно, при работе устройства в режиме резки момент подачи потоков газа охлаждения этих элементов выбирают с учетом этого условия.