УСТАНОВКА ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО РАСПИЛИВАНИЯ АЛМАЗОВ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к машинам для распиловки или резки камня, а более конкретно, к устройствам тонкой обработки ценных камней, кристаллов с помощью не вращающихся инструментов при использовании возвратно-поступательного движения, преимущественно для лазерного распиливания алмазов.
Уровень данной области техники характеризует лазерная технологическая установка для сверления алмазных волок, описанная в книге А.И.Шкадова «Физические основы лазерной обработки алмазов», СПО «Кристалл». Кафедра «Оптико-электронные системы» Смоленского филиала МЭИ, 1997 г., с.218-221.
Эта установка «Квант-9» содержит лазерный излучатель, связанный с сетевым источником питания, телескопическую систему, поворотное зеркало и объектив, фокус которого расположен на обрабатываемом алмазе.
Наблюдательная оптическая система установки состоит их двух самостоятельных микроскопов с одним общим окуляром, служащих для наблюдения обрабатываемого сверления сверху и в боковой проекции, за его диаметром и глубиной сверления соответственно.
Недостатком описанной установки является узкое технологические назначение, ограниченное рамками сверления отверстий, и поэтому не может быть использовано для распиливания алмазов из-за отсутствия механизмов продольного его перемещения при лазерной обработке.
Кроме того, пассивное наблюдение за диаметром и шириной формируемого отверстия ограничивает возможности по активному контролю для управления процессом и регулирования геометрических параметров отверстия во время лазерной обработки.
Отмеченные недостатки исключены в более совершенном лазерном распиловочном станке для алмазов по патенту РСТ WO 03/070441, В28D 5/00, 2003 г., который по числу совпадающих признаков и технической сущности выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенной установке.
Известная установка содержит источник лазерного излучения, связанный с сетевым источником электропитания, компьютер, оснащенный блоком программного управления, расширитель лазерного луча, поворотные зеркала, фокусирующую линзу, фокус которой расположен на обрабатываемой горизонтальной поверхности алмаза, закрепленного на оправке механизма поворота на 180°, смонтированного на координатных столах линейного перемещения по осям X, Y, Z, связанных с блоком их позиционирования.
Установка оснащена телекамерой фронтального наблюдения за шириной пропила, которая за счет обратной связи с блоком программного управления обеспечивает активный контроль лазерной обработки.
Недостатками известной установки являются следующие.
Неудовлетворительная точность формирования пропила из-за неизбежных люфтов и зазоров в системе перемещения координатного стола для реверсивной подачи алмаза в процессе обработки. Это усугубляется инерционностью динамично перемещаемых масс в пространственной рамной конструкции несущего корпуса, не обеспечивающей требуемой жесткости для прецизионной обработки алмазов.
Кроме того, глубина реза ограничена тем, что часть энергии лазерного луча экранируется кромками сформированного пропила, которые оплавляются, снижая качество обработки.
Известная установка характеризуется большими потерями алмазного материала из-за вероятностной ширины формируемого пропила, определяемой не по факту текущими размерами, а согласно расчетным данным с повышенным припуском на чистовую обработку, потому что отсутствует активный контроль глубины пропила.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является повышение точности и чистоты обработки алмазов в установке лазерного распиливания.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известной установке для лазерного распиливания алмазов, содержащей связанный с компьютером источник лазерного излучения, оснащенный последовательно размещенными расширителем луча, поворотным зеркалом и фокусирующим объективом, в фокусе которого расположен обрабатываемый алмаз, зафиксированный на оправке механизма поворота, смонтированного на координатных столах линейных перемещений, управляемых блоком позиционирования, а также телекамеру фронтального наблюдения пропила, по предложению авторов, обрабатываемая поверхность неподвижного при обработке алмаза расположена вертикально, а перед фокусирующим объективом размещен связанный с компьютером через блок управления и оснащенный отклоняющим зеркалом сканер вертикального перемещения лазерного луча, при этом оптическая ось дополнительной камеры продольного наблюдения пропила расположена в фокусе лазерного луча и лежит в плоскости его сканирования, а в качестве варианта выполнения установки координатные столы линейных перемещений размещены на поворотном столе, ось поворота которого проходит через фокус лазерного луча и лежит в плоскости обработки.
Отличительные особенности конструкции по полезной модели упростили установку и технологию более точного распиливания алмазов при повышении чистоты обрабатываемой поверхности за счет того, что механическое перемещение алмаза относительно неподвижного фокуса лазерного луча заменено на сканирование лазерного луча вдоль формируемого пропила, причем пропил перед каждым рабочим проходом поворачивают относительно плоскости сканирования в сторону, противную наклону стенки реза.
При использовании предложенного технического решения заметно снижаются потери алмазного материала.
Неподвижное расположение алмаза в процессе обработки, которая осуществляется вертикальным сканированием фокуса лазерного луча вдоль пропила, обеспечивает высокоточное распиливание, так как при этом исключены динамические погрешности инерционного перемещения масс координатного стола, несущего алмаз, по прототипу.
Предложенная технологическая схема обработки позволила исключить координатный стол вертикальных перемещений алмаза, функцию которого выполняет оптическая система подачи лазерного луча.
Размещение обрабатываемой поверхности алмаза вертикально позволило использовать значительно менее мощный лазер, потому что при этом исключено экранирование фокуса лазерного луча, расположенного горизонтально, испаряемыми продуктами горения материала реза. При этом летучие газообразные продукты горения всегда расположены выше зоны обработки.
Применение сканера для вертикальных перемещений фокуса лазерного луча по обрабатываемой поверхности алмаза позволило отказаться от использования для этой цели механического координатного стола, благодаря чему исключены вибрации, негативно влияющие на качество обработки.
Миниатюрные координатные столы в предложенной установке используются для позиционирования алмаза между рабочими проходами лазерного луча, во время которых остаются неподвижными.
Это заметно сокращает объем рабочей зоны и позволяет смонтировать координатные столы на общем с приборной частью горизонтальном несущем основании, создав более прогрессивную и эргономичную компоновку.
Отклоняющее зеркало сканера обеспечивает поворот лазерного луча параллельно оси излучателя, что позволяет создать компактную приборную часть установки.
Обратная связь сканера через блок управления с компьютером обеспечивает автоматическое управление процессом обработки с учетом активного контроля параметров формируемого пропила в реальном времени.
Оснащение установки дополнительной телекамерой продольного наблюдения, оптическая ось которой расположена в фокусе лазерного луча и лежит в плоскости его сканирования, расширяет ее технологические возможности и улучшает качество резания, так как обеспечивается возможность видеонаблюдения и автоматического управления процессом обработки по результатам реального тестирования глубины реза в момент пошагового формирования пропила.
Изображение профиля получаемого в процессе обработки реза дает возможность использовать обратную связь в программе обработки.
Точное задание и замер глубины реза уменьшают время обработки и потерю материала, при этом снижается риск повреждения алмаза, который меньше нагревается, потому что энергия лазерного луча расходуется только на обработку и не рассеивается в камне.
Точность встречного реза при реверсировании алмаза значительно повышается, так как координаты пересечения доступны для прямого определения
и активного контроля с помощью камеры продольного наблюдения пропила.
Размещение координатных столов линейных перемещений на поворотном столе, ось поворота которого проходит через фокус лазерного луча и лежит в плоскости обработки, предназначено для межоперационной дополнительной настройки, заключающейся в наклоне пропила относительно плоскости сканирования лазерного луча, в противную сторону наклона стенки реза, с целью исключения экранирования лазерного луча на краях пропила.
Это повысило точность и чистоту поверхности реза алмаза с более узким распилом при большей его глубине, с меньшей затратой вводимой энергии лазера.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, не присущей признакам в разобщенности, то есть поставленная техническая задача решена не суммой эффектов, а новым эффектом суммы признаков.
Сущность предложенной полезной модели иллюстрируется чертежом, где изображена принципиальная схема установки.
Установка для лазерного распиливания алмазов включает горизонтальную станину 1, на которой размещены структурные элементы, закрытые П-образным телескопическим кожухом, содержащим стационарный корпус 2 над приборной частью, связанный с продольно сдвижной крышкой 3 над рабочей зоной.
Крышка 3 выполнена из прозрачного материала в безопасной для глаз оператора области спектра оптического излучения и служит фильтром.
На станине 1 в рабочей зоне смонтирован поворотный относительно Y стол 4, несущий последовательно установленные координатные столы 5 и 6, линейно подвижные по Z и Х соответственно, снабженные концевыми датчиками (условно не показаны).
На координатном столе 6 закреплен корпус 7 механизма 8 поворота оправки 9 на 180° для встречного реза, на которой закреплен алмаз 10 с вертикально расположенной поверхностью обработки.
Установка снабжена компьютером 11 и лазерным излучателем 12 с блоком 13 питания. Излучатель 12 на выходе оснащен расширителем 14 лазерного луча. Компьютер 11 связан с блоком 15 управления позиционированием столов 4, 5, 6 и поворотом оправки 9 посредством механизма 8, а также блоком 16 управления сканером 17.
Сканер 17 обратной связью через блок управления 16 соединен с компьютером 11.
К компьютеру 11 подключены телекамеры 18 и 19 соответственно фронтального наблюдения ширина пропила и продольного наблюдения его глубины.
Телекамера 18 оснащена объективом 20 и поворотным зеркалом 21, соосно расположенным с поворотным зеркалом 22 расширителя 14 лазерного луча, направленным на отклоняющее зеркало 23 сканера 17.
Соосно сканеру 17 установлен фокусирующий объектив 24, фокус которого размещен на обрабатываемой вертикальной поверхности алмаза 10.
При этом ось поворота стола 4 проходит через фокус лазерного луча и лежит в вертикальной плоскости обработки неподвижно закрепленного алмаза 10 сканирующим лазерным лучом.
Телекамера 19 продольного наблюдения пропила оснащена объективом 25 и поворотным зеркалом 26, которое поворачивает ее оптическую ось перпендикулярно оптической оси фокусирующего объектива 24, в плоскости сканирования лазерного луча.
На корпусе 2 телескопического кожуха, в рабочей зоне комплекса, закреплена горизонтальная панель 27, над координатным столом 6, при этом ее рабочее отверстие перекрыто шторкой 28, закрепленной на корпусе 7 механизма 8 поворота которая посредством уплотнителя 29 примыкает к панели 27, изолируя прецизионные приводы столов 4, 5, 6.
Предложенный технологический комплекс монтируется в часа, без дополнительных наладки и юстировки.
Функционирует предложенная установка следующим образом.
Согласно заданию на обработку программой компьютера 11, посредством блока 15 алмаз 10, закрепленный на оправке 9, позиционируется перемещениями координатных столов 5 и 6 таким образом, чтобы его обрабатываемая поверхность располагалась в фокусе объектива 24.
При этом для определения координат начала и конца реза используется телекамера 18 фронтального наблюдения, а для определения глубины реза - телекамера 19 продольного наблюдения.
Лазерный луч, генерируемый излучателем 12, для сведения к минимуму его дивергенции расширяется в расширителе 14 и далее поворотным зеркалом 22 направляется в сканер 16, где посредством отклоняющего зеркала 23 располагается горизонтально.
Согласно программе на обработку, блоком 16 управления сканер 17 осуществляет колебания лазерного луча в вертикальной плоскости, соответствующие длине реза.
Фокусирующий объектив 24 трансформирует сканирование лазерного луча в линейное по вертикали перемещение его фокуса па обрабатываемой поверхности лазера 10.
По окончании рабочего прохода лазерный луч выводится за пределы алмаза 10, а координатные столы 4, 5, 6, управляемые блоком 14 по программе компьютера 17, выставляют алмаз 10 в новое пространственное положение.
По мере распиливания алмаза 10 производится его перемещение относительно фокуса лазерного луча с помощью координатного стола 5 по оси Z.
При многопроходной циклической обработке под управлением программы компьютер 11 формирует профиль пропила в соответствии с заданием на обработку.
Перед выполнением каждого рабочего прохода посредством стола 4 пропил
алмаза 10 наклоняется относительно лазерного луча в сторону, противоположную наклону стенки реза так, чтобы исключалось экранирование его кромкой. Одновременно уменьшается угол падения лазерного луча на стенки реза, чем повышается эффективность использования вводимой энергии.
После формирования пропила заданной глубины алмаз 10 с помощью механизма 8 поворачивается на 180° и в соответствии с вышеописанным осуществляют встречное его распиливание для повышения точности реза с более тонким пропилом.
В результате дополнительного позиционирования пропила относительно лазерного луча стало возможным выполнить рез с меньшими углом и шириной при увеличении его глубины, заметно уменьшив потери материала.
Таким образом, циклическими поворотами пропила в алмазе 10 относительно лазерного луча обеспечивается повышение точности резания, чистоты обработанных поверхностей и снижение безвозвратных потерь алмазного материала.
Ниже приведена сопоставительная таблица технических характеристик установок предложенной и по прототипу.
Таблица
Параметр/установка
Предложение
Прототип
Точность перемещения лазерного луча, мкм
0,25
2,5
Точность перемещения координатных столов, мкм
1,25
2,5
Потребляемая электроэнергия, Вт
800
2500
Предложенная установка для лазерного распиливания алмазов комплектуется серийно выпускаемыми исполнительными элементами, блоками и механизмами, она пригодна для промышленного воспроизводства, согласно описанной принципиальной схеме.
Закрепление всех функциональных элементов установки на общей несущей станине позволило достичь требуемой жесткости конструкции, которая обеспечила стабильность юстировок и настроек при эксплуатации и перевозке для применения по назначению.
Опытный образец заявляемой установки для лазерного распиливания алмазов был испытан при обработке партии камней на серийных предприятиях отрасли, по результатам которых она бала рекомендована для промышленной эксплуатации.
По предложенному техническому решению разработана техническая документация для изготовления серийной партии установок для поставки заказчикам.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого промышленный образец явным образом не следует для специалиста по лазерной обработке алмазов, то есть не очевиден, показал, что он не известен, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления технологического лазерного комплекса обработки алмазов, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.