ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

Область техники.
Полезная модель относится к технологическим процессам, к установкам для лазерной обработки, более конкретно - к установкам для размерной обработки изделий из ПКМ (полимерных композиционных материалов) сложной пространственной формы и может быть использована в авиакосмической промышленности, судостроении, транспорте.
Уровень техники.
В настоящее время в авиакосмической, машиностроительной и в других отраслях все больше изделий изготавливается из современных ПКМ. Наиболее распространенным сейчас способом размерной обработки таких изделий является механический. Основными недостатками применяемой технологии являются:
- быстрый износ режущего инструмента;
- трудность, а иногда и невозможность осуществления резки по сложному контуру;
- выкрашивание, расслоение, разлохмачивание кромок в зоне реза, смятие и деформация мягких материалов и соответственно ухудшение качества обработки;
- низкая производительность процесса, особенно при разделительной контурной резке;
- низкий коэффициент использования материала из-за нерациональности карты раскроя.
Поэтому для достижения практической цели качественной обработки изделий из ПКМ, наиболее перспективным методом размерной обработки является лазерная резка (см. труды Московской Международной конференции «Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов» с. 467-474).
Основными преимуществами лазерной резки являются (см. патенты RU 2219029, US 4.639.572, US 5.500.505, RU 2382693, JP 9019787A):
- качественная обработка кромок без механических усилий с минимальной зоной термического влияния;
- большие скорости обработки в автоматическом режиме;
- контурная резка по сложной траектории с быстрой переналадкой при смене типоразмера обрабатываемого изделия;
- более экологически чистые условия производственного процесса;
- возможность автоматизации процесса с обеспечением прямого восприятия цифровых моделей изделия, созданных конструктором в CAD-среде.
Лазерная резка композитных материалов существенно отличается от резки металлов.
Во-первых, здесь нет следящей системы на базе специального емкостного датчика за контролем расстояния между соплом режущей головки и обрабатываемой поверхностью, по сигналу которого оптическая режущая головка отслеживает кривизну обрабатываемой поверхности с помощью дополнительной управляемой от ЧПУ координаты. Такую функцию должна выполнять механическая станочная часть.
Во-вторых, вкладываемая энергия лазерного излучения в процесс резки должна быть достаточная для разрушения обрабатываемого материала без дальнейшего его возгорания, чтобы уменьшить так называемую зону термического влияния (зону обугливания волокон), поэтому здесь необходим импульсный режим лазера наряду с непрерывным.
В-третьих, для проведения лазерной резки изделий сложной пространственной формы необходимо, чтобы лазерный луч был перпендикулярен поверхности обрабатываемого изделия, а для этого необходимо программное изменение ориентации во времени и в пространстве лазерного луча, что требует разработки установок для перемещения оптической режущей головки по пяти и более координатам.
В настоящее время известны два вида лазерных установок обеспечивающих сложную траекторию движения лазерного луча по нескольким координатам.
В первом виде лазерных установок режущая оптическая головка крепится в суппорте лазерного технологического комплекса с возможностью перемещать ее по трем и более координатам.
Суть данных режущих установок заключается в следующем. Оптическая режущая головка крепится к поворотной головке, которая поворачивает ее вокруг вертикальной оси (координата С) и отклоняет ее от вертикального положения поворотом вокруг горизонтальной оси (координата В), плюс перемещение самой головки как единого целого по трем координатам Χ, Y, Z. Поэтому такое устройство называют пятикоординатной лазерной режущей головкой. Повороты вокруг вертикальной оси и вокруг горизонтальной оси осуществляются круговыми синхронными двигателями, расположенными непосредственно в поворотной головке, а благодаря полым роторам этих двигателей, на которых закреплены поворотные призмы с зеркалами, лазерный луч проходит внутри этих роторов и с помощью призм с зеркалами поворачивается на каждой на 90° и направляется на фокусирующую линзу режущей оптической головки.
Сенсорный датчик емкостного типа контролирует зазор между соплом и обрабатывающей поверхностью. Такие условия резки достигаются программным управлением всех пяти координат с помощью СЧПУ.
2
Лазерное излучение в зависимости от типа лазера транспортируется в поворотную головку, либо системой поворотных стационарных зеркал, (пятикоординатные установки фирмы «Трумпф», «Прима индустрия», «Мазак» и ряд других с CO-лазерами) находящихся на подвижных каретках, либо с помощью волоконного кабеля, сочлененного QBH-разъемом непосредственно с поворотной головкой для иттербиевого волоконного лазера и твердотельного (см. RU 2386523, RU 86129).
Такие лазерные технологические комплексы в основном используются для обработки металлических изделий.
В другом виде лазерных установок оптическая головка совмещена с манипулятором существующих робототехнических систем, например, разработки фирмы «Кука» (Германия), ЕСАБ (Швеция), «Фонук» (Япония).
Недостатком таких установок является то, что они, как правило, используются из-за небольших скоростей манипулятора в основном для сварочных работ, а отсутствие следящей системы контроля зазора усложняет их применение для операции резки.
Обойти данную проблему были предприняты авторами патента ЕР 1249299, B23K 26/03, 2002 г. (JP 2001112678) из фирмы «FanucLtd», которые предложили заменить на первом этапе в оптической режущей головке, закрепленной в манипуляторе робота, вместо сочлененного с ней коннектора волоконного кабеля, на мини телевизионную камеру, изображение с которой передается по волоконному кабелю в операционную систему управления роботом для его предварительного обучения, что позволяет затем оптической режущей головкой повторять полностью контур обрабатываемого изделия.
Данная модель была принята нами за основу.
Схема конструкции сопла прототипа представлена на фиг. 1.
Для выполнения лазерной обработки, оптический блок 100 содержащий основание 32, волоконно-оптический коннектор 33, транспортирующее волокно для подачи лазерного излучения 34, сочленяется с корпусом сопла 31, в котором расположена фокусирующая система, состоящая из двух линз 38 и 39.
Причем волоконно-оптический коннектор 33 расположен так, что оптическая ось лазерного луча, поступающего с волокна 34 в устройство корпуса сопла 31, совпадает с оптической осью системы линзы 38 и 39.
Сама конструкция закрепляется в манипуляторе руки робота 41 и лазерная обработка осуществляется путем перемещения сфокусированного луча вдоль траектории обработки.
Чтобы обучить робот выполнять такую операцию, на первом этапе обработки оптический блок 100 заменяют на блок 200, который содержит камеру 36 (например - ПЗС-камеру), адаптер 35, оптический кабель 37.
Адаптер 35 оптического блока 200 позволяет сочленяться с корпусом сопла 31 так, что оптическая ось камеры 35 совпадает с осью фокусирующей системы объективов 38, 39.
Манипулятор руки робота 41 перемещает данную конструкцию по траектории обработки, а изображения с камеры 36 передаются по кабелю 37 в процессор обработки и анализа (на фигуре не указан), чтобы получить позиции реперных точек в результате обучения. Операция обучения с использованием визуального датчика (включая камеру) и процессом обработки изображений и программного обеспечения для анализа хорошо известны и таким образом подробное описание опущено.
Недостатком такой конструкции является то, что необходимо на первом этапе обучения робота устанавливать оптический блок с камерой на место блока волоконно-оптического коннектора, что требует дополнительной подъюстировки всей конструкции оптической режущей головки и затрат времени на переустановку, что приводит к снижению производительности труда.
Сущность полезной модели.
Задачей полезной модели является разработка лазерной технологической установки для размерной обработки изделий сложной пространственной формы из ПКМ, позволяющей обрабатывать изделия с большей производительностью, благодаря более быстрому обучению робота на первом этапе обработки, лучшим качеством реза, за счет точного выдерживания рабочего зазора между соплом и обрабатываемой поверхностью, а также дополнительным поддувом технологического газа в зону обработки, причем обработка ведется в автоматическом режиме с созданием экологически чистых условий производства.
Установка должна быть универсальной, обеспечивать прямое восприятие цифровых моделей изделий, должна быть оборудована кабиной с эффективным устройством отсоса технологического газа и продуктов распада при лазерной обработке.
2
Поставленная задача достигается тем, что в лазерной технологической установке для размерной обработки изделий из ПКМ, содержащей стол и дополнительный вращатель для закрепления деталей, манипулятор в виде руки 6-ти координатного высокоточного промышленного робота, снабженный приводами, системой управления и гибким кабеленесущим коробом, оптическую режущей головку с устройством для подачи дополнительного технологического газа в зону реза и иттербиевый волоконный лазер, содержащий на выходе волоконно-оптический кабель с коннектором, прецизионно связанным с коллиматором оптической режущей головки, при этом, оптическая режущая головка выполнена с цилиндрическим корпусом, содержащим фокусирующую систему, и несущим в нижней части конусное сопло, а в верхней части - коннектор волоконно-оптического кабеля, оптически связанный с коллиматором, корпус оптической режущей головки в верхней своей части представляет собой конструкцию из двух цилиндров пересекающихся взаимно перпендикулярно, на входе первого цилиндра крепится коллиматор, а на пересечении осей симметрии цилиндров установлено поворотное зеркало с частичным пропусканием на HD камеру, установленную на торце второго цилиндра, несущего соосно оптической оси фокусирующий блок и быстросъемный блок с защитным стеклом, а на боковой поверхности - штуцер для подачи технологического газа (N) в зону обработки соосно лазерному излучению через конусное сопло.
Конструкция оптической режущей головки позволяет оператору с помощью HD камеры в реальном времени юстировать положение сфокусированного луча относительно обрабатываемой поверхности, тем самым устанавливать реперные точки для обучения робота повторять контур обрабатываемой поверхности с большей точностью и без предварительной переоснастки режущей головки.
Система управления технологическим процессом осуществляется на базе персонального компьютера с помощью современного 3D программного обеспечения с диагностикой и отображением на экране дисплея состояния работы лазерной установки в целом.
Перечень фигур на чертежах.
Фиг. 1. Схема сопла лазерной обработки из патента ЕР 1249299.
Фиг. 2. Общий вид лазерной технологической установки для размерной обработки.
Фиг. 3. Оптическая режущая головка.
Раскрытие полезной модели.
Лазерная технологическая установка для размерной обработки изделий из ПКМ сложной пространственной формы содержащая:
- стол и дополнительный вращатель для закрепления деталей;
- оснастку с оптической режущей головкой и устройством для подачи дополнительного технологического газа в зону реза;
- манипулятор в виде руки 6-ти координатного высокоточного промышленного робота, предназначенного для перемещения по контуру обрабатываемого изделия оптической режущей головки вместе с оснасткой, причем манипулятор снабжен приводами, системой управления и гибким кабеленесущим коробом;
- иттербиевый волоконный лазер, содержащий на выходе волоконно-оптический кабель с коннектором, прецизионно связанным с коллиматором оптической режущей головки;
- кабину, создающей экологически чистые условия эксплуатации установки;
- устройство отвода и очистки газов и продуктов распада из зоны резки;
- устройство подвода пневмо и электропитания;
- стойку управления технологической установки;
- устройство автономного замкнутого охлаждения;
- выносной пульт ручного управления.
2
Корпус оптической режущей головки в верхней своей части представляет собой конструкцию из двух цилиндров пересекающихся взаимно перпендикулярно, на входе первого цилиндра крепится коллиматор, а на пересечении осей симметрии цилиндров установлено поворотное зеркало с частичным пропусканием на HD камеру, установленную на торце второго цилиндра, несущего соосно оптической оси фокусирующий блок и быстросъемный блок с защитным стеклом, а на боковой поверхности -штуцер для подачи технологического газа (N) в зону обработки соосно лазерному излучению через конусное сопло.
При этом, HD камера выполнена с выходом на дисплей, позволяющей юстировать положение сфокусированного луча относительно обрабатываемой поверхности в реальном времени и тем самым устанавливать реперные точки для обучения робота повторять контур обрабатываемой поверхности без переоснастки.
Лазерная технологическая установка в соответствии с изобретением содержит (см. фиг. 2, 3) стол 2 для установки и закрепления детали 1 (либо дополнительный вращатель 3, управляемый от стойки управления 19 робота 8), оснастку 24 для оптической режущей головки 10 и трубки 21, с возможностью ее подъюстировки салазками 27, для дополнительной подачи технологического газа в зону сопряженную с зоной реза. В свою очередь оснастка 24 позиционируется в фланце 25 манипулятора в виде руки 6-ти координатного высокоточного промышленного робота 8. Манипулятор робота 8 перемещает по контуру обрабатываемого изделия оптическую режущую головку 10 по предварительно составленной 3D программе ЧПУ и дообученной на первом этапе с помощью HD камеры 26, которая позволяет юстировать положение сопла 18 режущей головки 10 относительно обрабатываемой поверхности детали 1 с нужным для осуществления операции резки зазором, тем самым устанавливая реперные точки, координаты которых анализируются в ЧПУ с внесением нужных поправок в саму программу.
Робот 8 снабжен приводами с системой управления 19 и гибким кабеленесущим коробом 28, в котором находятся волоконно-оптический кабель 11 для транспортировки лазерного излучения 14 и шланги для подачи технологического газа и охлаждаемой жидкости в оптическую режущую головку 10.
Волоконный лазер 5 оптически связан с режущей головкой 10 посредством прецизионного сочленения коннектора 12 волоконно-оптического кабеля 11 с коллиматором 13, расположенным в корпусе 23 режущей головки 10.
2
Оптическая режущая головка 10 служит для подачи сфокусированного лазерного излучения 14 в зону обработки и совместно с подаваемым соосно технологическим газом обеспечивает процесс газолазерной резки. Она состоит из корпуса 23, в котором закреплены коллиматор 13, охлаждаемое поворотное зеркало 15, блок фокусирующей линзы 16, быстросъемный блок защитного стекла 17, блок HD камеры 26, конусного сопла 18 и штуцера для подачи технологического газа (N) 22.
2
Корпус 23 оптической режущей головки представляет собой конструкцию из двух цилиндров 28,29, пересекающихся взаимно перпендикулярно. На входе первого цилиндра 28 крепится коллиматор 13. На пересечении осей симметрии цилиндров 28 и 29 установлено поворотное зеркало 15 с частичным пропусканием на HD камеру 26, закрепленной на торце цилиндра 29. Внутри цилиндра 29 соосно оптической оси расположен фокусирующий блок 16 и быстросъемный блок с защитным стеклом 17, а на боковой поверхности - штуцер 22 для подачи технологического газа (N) соосно лазерному излучению 14 через конусное сопло 18 в зону обработки. Конусное сопло 18 сочленено с выходом цилиндра 29.
Такая конструкция позволяет одновременно наблюдать за зоной обработки, юстировать сопло 18 относительно обрабатываемой поверхности детали 1 с помощью HD камеры 26 и подавать в зону реза лазерное излучение 14, транспортируемое волоконным трактом 11.
Параметры выходного излучения и управление лазером осуществляются по программе ЧПУ.
Для охлаждения лазера 5 и оптических элементов режущей головки 10 в установке имеется устройство 6 с замкнутым контуром охлаждения, а для отвода и очистки газов, а также удаления продуктов распада из зоны резки и рабочей камеры 10 установка снабжена вентиляционным устройством 7.
Управление всей технологической установкой осуществляется со стойки управления 4 на базе персонального компьютера с наблюдением за рабочим процессом по монитору стойки управления 4, а также можно управлять технологическим процессом с помощью выносного пульта 9, системы управления 19 робота 8 и наблюдать за технологическим процессом через окна кабины 10.
Установка работает следующим образом:
На первом этапе происходит обучение робота повторять контур обрабатываемого изделия на необходимом для лазерной резке зазоре с учетом неточности изготовления реального изделия.
Для этого деталь 1 закрепляется на столе 2 (либо в дополнительный вращатель 3). Затем включается технологическая лазерная установка. Порядок включения: сначала включается устройство автономного замкнутого охлаждения 6, лазер 5, устройство отвода и очистки газов 7, стойка управления 4, робот 8.
n
С пульта ручного управления 9 манипулятором робота 25 устанавливается оптическая режущая головка 10 с оснасткой 24 в первоначальную точку обработки детали. Для точности выполнения этой операции используется сфокусированное пятно диаметром d луча пилотного лазера, которое юстируется с необходимым зазором ΔF между соплом 18 оптической режущей головки 10 и обрабатываемой поверхностью детали 1 с помощью HD камеры 26 и монитора стойки управления 4. Координаты этой точки запоминаются в памяти ЧПУ стойки управления роботом 19.
Последовательно оптическая режущая головка устанавливается с помощью манипулятора в другую реперную точку и так по всему контуру обрабатываемой поверхности с запоминанием всех координат реперных точек. На основании этих данных происходит обучение робота и составляется программа по обработке данного контура реза, которая включает в себя не только движение оптической режущей головки по заданному контуру, но и мощность лазерного излучения, характеристики режима генерации лазерного излучения, технологические команды.
На втором этапе выполняется сама операция лазерной размерной обработки изделия.
Для этого оператор установки закрывает кабину 20 и использует выносной пульт управления 9 для запуска программы в автоматическом режиме обработки. Для наблюдения за процессом обработки используется монитор стойки управления 4, либо через специальные защитные окна кабины 20 технологической установки.
По программе ЧПУ манипулятор 25 робота 8 устанавливает оптическую режущую головку 10 в первоначальную точку обработки вместе с оснасткой 24, в которой закреплено устройство подачи дополнительного технологического газа через трубку 21 в зону ближайшую к зоне реза для предотвращения возгорания обрабатываемого материала, причем сама трубка 21 закреплена в салазки 27, которые позволяют предварительно настраивать положение трубки 21 относительно обрабатываемой поверхности детали 1.
2
Затем идет команда ЧПУ на подачу технологического газа (N) в зону реза через сопло 18 и дополнительная подача защитного газа через трубку 21 в последующую зону. С некоторой задержкой ~ 2c идет команда на включение лазерного излучения, одновременно манипулятор робота отрабатывает движение оптической режущей головки 10 по контуру обрабатывающей поверхности детали 1.
n
n
2
Оптическая режущая головка 10 служит для подачи сфокусированного лазерного излучения 14 в зону обработки и совместно с подаваемым соосно технологическим газом обеспечивает процесс газолазерной резки. Лазерный луч 14 с необходимой энергией и характеристиками на выходе из коннектора 12 волоконного тракта И коллимируется с помощью коллиматора 13 до диаметра D и попадает на поворотное зеркало 15 (с частичным пропусканием для наблюдения за юстировкой лазерного луча с помощью HD камеры 26 и монитора управляющей стойки 4), которое направляет его в блок фокусирующей линзы 16. Далее сфокусированный луч, пройдя быстросъемный блок с защитным стеклом 17, попадает через выходное отверстие сопла 18 в зону резки, образуя пятно диаметром d. Соосно лучу в зону резки одновременно попадает и технологический газ (N), который подается через штуцер 22, обеспечивая вынос продуктов распада из зоны обработки. Для защиты фокусирующей линзы 16 от выброса продуктов распада в оптической режущей головке имеется быстросъемный блок защитного стекла 17.
Коллиматор 13 одновременно служит для прецизионного соединения коннектора 12 волоконного тракта 11 с корпусом оптической головки 23, для этого в коллиматоре 13 имеется байонетный разъем.
Дополнительная подача защитного газа через трубку 21 защищает материал обрабатываемого изделия от дальнейшего возгорания и тем самым уменьшает зону обугливания.
После окончания процесса лазерной резки робот возвращает оптическую режущую головку в исходное положение.
Данная лазерная технологическая установка позволяет производить качественную размерную обработку изделий из ПКМ в автоматическом режиме с хорошим качеством реза за счет точного выдерживания зазора между соплом и обрабатывающей поверхностью на высоких скоростях и соблюдением экологически чистых условий труда.