УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ПОВЕРХНОСТИ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМЫ

Полезная модель относится к области устройств, осуществляющих обработку материалов лазерным излучением.
В обобщенном виде конструкция устройств данного назначения содержит технологическое основание (рабочий стол) и размещенный над ним механизм перемещения источника излучения. Примеры таких устройств приведены, в частности, в работе [1] - Вакс Е.Д., Миленький М.Н., Сапрыкин Л.Г. / Практика прецизионной лазерной обработки // М., Техносфера, 2013, с. 656-664, где рассмотрены варианты конструктивного выполнения устройств, технические характеристики и технические возможности.
Аналогичные устройства описаны также в ряде патентов. Например, известно устройство для лазерной резки, представленное в патенте [2] - US 3422246, B23K 9/00, B23K 9/16, опубл. 14.01.1969, содержащее подвижный рабочий стол для размещения обрабатываемого объекта и размещенную над ним лазерную головку с механизмом перемещения в перпендикулярном к плоскости стола направлении. Для проецирования лазерного луча на обрабатываемый объект используется жесткая система из четырех линз. Такое устройство позволяет осуществлять обработку только в двух координатах, что ограничивает область его применения.
Известен станок для лазерной резки, представленный в патенте [3] - US 5614115, B23K 26/08, опубл. 25.03.1997, содержащий лазер с коллиматором, установленный на раме с возможностью продольного перемещения вдоль установленного под ним рабочего стола, имеющего возможность перемещения перпендикулярно оси перемещения лазера с коллиматором. Управление узлами станка осуществляется с помощью вычислительной машины. Контроль за перемещением ведется с помощью оптического датчика. Как и устройство [2] данный станок позволяет вести обработку только в двух координатах, что ограничивает область применения.
Известен станок для лазерной резки, представленный в патенте [4] - US 6825439 (B2), B23K 26/08, B23K 26/36, опубл. 30.11.2004, содержащий источник лазерного излучения, оптически связанный системой зеркал с лазерной головкой, размещенной на несущей раме с возможностью перемещения вдоль нее по оси X. Несущая рама расположена над рабочим столом, предназначенным для закрепления обрабатываемого объекта. Несущая рама имеет возможность перемещаться над рабочим столом вдоль второй координатной оси Y, перпендикулярной оси X. Лазерная головка также имеет возможность перемещаться вдоль оси Y, но в меньших пределах, чем несущая рама. Перемещения осуществляются под воздействием соответствующих приводов. Как и рассмотренные выше устройства [2] и [3] данный станок позволяет вести обработку только в двух координатах, что ограничивает область применения.
Известен станок для лазерной резки с управляемой фокусировкой луча, представленный в патенте [5]- US 5667707, B23K 26/04, опубл. 16.09.1997, содержащий источник лазерного излучения, оптическую систему, состоящую из пяти зеркал, направляющую лазерное излучение в лазерную головку, оснащенную оптико-механической системой, осуществляющей фокусировку лазерного излучения так, что при перемещении лазерной головки вдоль вертикальной оси Z обеспечивается фокусировка лазерного излучения на нужном расстоянии от горизонтальной базовой плоскости. При этом наряду с возможностью перемещения вдоль вертикальной оси Z лазерная головка также имеет возможность перемещения вдоль горизонтальных осей X и Y, что позволяет вести обработку объектов, располагаемых на рабочем столе, в трех взаимно перпендикулярных координатах.
Однако использование системы из пяти зеркал для направления лазерного излучения в лазерную головку усложняет сборку и настройку устройства, увеличивает его габаритные размеры и снижает вследствие пятикратного переотражения мощность излучения, доходящего да лазерной головки. Кроме этого, реализуемая система перемещения лазерной головки не позволяет проводить обработку сложных криволинейных поверхностей, выдерживая лазерный луч перпендикулярно касательной к криволинейной поверхности.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство, обеспечивающее возможность обработки лазерным излучением поверхности произвольной формы, представленное в патенте США [6] - US 5637243, B23K 26/00, опубл. 10.06.1997 (Fig. 1, 7, 14), принятое в качестве прототипа.
Устройство-прототип содержит неподвижный рабочий стол, предназначенный для размещения обрабатываемого объекта, лазерную головку, размещенную подвижно на перемещающейся над рабочим столом платформе, а также источник лазерного излучения, оптически связанный с лазерной головкой посредством системы зеркал. Платформа снабжена механизмом перемещения, обеспечивающим возможность ее перемещения над рабочим столом в горизонтальном направлении вдоль оси X. Лазерная головка снабжена механизмом перемещения, обеспечивающим возможность ее перемещения по платформе в горизонтальном направлении вдоль оси Y, перпендикулярной оси X. Кроме этого лазерная головка выполнена с возможностью линейного перемещения вдоль вертикальной оси Z и поворота вокруг осей X и Z Устройство-прототип работает следующим образом.
Лазерное излучение, сформированное источником лазерного излучения, проходит в горизонтальном направлении вдоль оси X и поступает на первое наклонное зеркало, размещенное на неподвижной вертикальной раме рабочего стола. Первое наклонное зеркало отклоняет лазерное излучение вертикально вниз на второе наклонное зеркало, также расположенное на вертикальной раме рабочего стола, которое направляет лазерное излучение вдоль оси X в третье наклонное зеркало, расположенное на перемещающейся платформе. Третье наклонное зеркало отклоняет лазерное излучение вертикально вверх на четвертое наклонное зеркало, также расположенное на перемещающейся платформе. Четвертое наклонное зеркало направляет лазерное излучение вбок вдоль оси Y на пятое наклонное зеркало, расположенное на раме механизма перемещения лазерной головки. Пятое наклонное зеркало направляет лазерное излучение вертикально вниз по оси Z в лазерную головку.
В процессе подготовки к работе лазерная головка устанавливается в рабочее положение относительно горизонтальной плоскости путем вертикального перемещения вдоль оси Z и поворота вокруг осей X и Z. Далее в процессе работы с помощью механизмов перемещения осуществляется перемещение лазерной головки по платформе вдоль оси Y и самой платформы вдоль оси X над рабочим столом, осуществляя обработку поверхности закрепленного на нем объекта.
Недостатком устройства-прототипа является то, что в нем не предусмотрены средства, обеспечивающие возможность автоматического перемещения лазерной головки вдоль оси Z и поворот вокруг осей X и Z в процессе обработки поверхности объекта, что вызывает необходимость ручной перенастройки рабочего положения лазерной головки при переходе от участка с одной формой поверхности к участку с другой формой. Также к недостаткам устройства-прототипа относятся, большие габаритные размеры и сложная, состоящая из зеркал, оптическая система, вносящая значимые потери в лазерное излучение в процессе его доставки от источника излучения до лазерной головки. Все это ограничивает область применения устройства-прототипа.
Технически результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является увеличение степеней свободы лазерной головки, позволяющее автоматизировать процесс обработки поверхностей произвольной формы, при одновременном снижении потерь лазерного излучения в процессе его доставки от источника излучения до лазерной головки, что расширяет область применения прототипа.
Сущность полезной модели заключается в следующем. Устройство для обработки лазерным излучением поверхности произвольной формы содержит неподвижный рабочий стол, предназначенный для размещения обрабатываемого объекта, лазерную головку, размещенную над рабочим столом с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости в двух координатах, а также источник лазерного излучения, оптически связанный с лазерной головкой. В отличие от прототипа, оптическая связь лазерной головки с источником лазерного излучения осуществлена с помощью оптического волокна, а коллимирующая система лазерной головки размещена на платформе Стюарта.
Сущность полезной модели и возможность ее осуществления поясняются иллюстративными материалами, представленными на фиг. 1-4, где:
на фиг. 1 представлена общая структурная схема заявляемого устройства для обработки лазерным излучением поверхности произвольной формы;
на фиг. 2 - схематический пример выполнения лазерной головки с платформой Стюарта;
на фиг. 3 - схематический пример выполнения коллимирующей системы лазерной головки;
на фиг. 4 - схематический пример выполнения платформы Стюарта.
Заявляемое устройства для обработки лазерным излучением поверхности произвольной формы содержит (фиг. 1) неподвижный рабочий стол 1, предназначенный для размещения обрабатываемого объекта 2 с поверхностью произвольной формы, источник лазерного излучения 3, оптическое волокно 4 с большим радиусом изгиба и лазерную головку 5, перемещающуюся в горизонтальной плоскости 6 в двух координатах X и Y с помощью прецизионного механизма перемещения (на фигуре не показан).
Лазерная головка 2 (фиг. 2) имеет корпус 7, на котором размещен ввод 8 оптического волокна 4. Оптическое волокно 4 введено в коллимирующую систему 9, размещенную на платформе Стюарта 10.
Коллимирующая система 9 (фиг. 3) содержит корпус 11 с установленной в нем линзой 12 в оправе 13.
Платформа Стюарта 10 (фиг. 4) представляет собой механизм с параллельной кинематикой, обеспечивающий изменение пространственного положения своей несущей поверхности посредством изменения длин связанных с ней штанг 14.
Принцип работы, а также варианты реализации платформы Стюарта изложены, в частности, в работах: [7] - Stewart D. / A platform with six degrees of freedom // Proc. Inst. Mech. Eng. 1965/1966, Vol. 180, pt 1, N15, p. 371-386; [81 - Крайнев А.Ф. / Идеология конструирования // M., Машиностроение, 2003, с. 81, рис. 4.2-4.3. В качестве штанг 14 в платформе Стюарта 10 могут быть использованы гидроцилиндры, пневмо-цилиндры, а также комбинации направляющих и линейных шаговых двигателей. Предельное количество степеней свободы - шесть. Перемещение несущей поверхности по вертикальной оси Z осуществляется путем одновременного изменения длин всех штанг 14 на одинаковую величину, а перемещение под углом - изменением длин штанг 14 на разные величины. Изменение длин штанг 14 происходит под действием соответствующих механизмов управления (на фигуре не показаны).
Работа заявляемого устройства происходит следующим образом.
На рабочем столе 1 размещается обрабатываемый объект 2. Включается механизм прецизионного перемещения, который подводит лазерную головку 5 к реперной точке объекта 2. Включается источник лазерного излучения 3, излучение от которого по оптическому волокну 4 через ввод 8 и коллимирующую систему 9 без потерь поступает на поверхность обрабатываемого объекта 2. Далее механизм прецизионного перемещения под действием управляющей программы перемещает в двух координатах X и Y лазерную головку 5, а механизм управления платформой Стюарта 10 под действием управляющей программы перемещает коллимирующую систему 9 так, чтобы выходное излучение из линзы 12 коллимирующей системы 9 было постоянно перпендикулярно к криволинейной поверхности обрабатываемого объекта 2.
Таким образом, за счет размещения коллимирующей системы 9 лазерной головки 5 на платформе Стюарта 10 и использовании оптического волокна 4 для подвода лазерного излучения к лазерной головке 4 обеспечивается возможность автоматизации процесса обработки поверхностей произвольной формы объекта 2 при одновременном снижении потерь лазерного излучения при его доставке от источника 3 излучения до лазерной головки 5, что расширяет область применения устройства.
Рассмотренное показывает, что заявляемая полезная модель осуществима и дает технический результат, заключающийся в увеличении степеней свободы лазерной головки, позволяющем автоматизировать процесс обработки поверхностей произвольной формы, при одновременном снижении потерь лазерного излучения в процессе его доставке от источника излучения до лазерной головки.
Источники информации
1. Вакс Е.Д., Миленький М.Н., Сапрыкин Л.Г. / Практика прецизионной лазерной обработки // М., Техносфера, 2013.
2. US 3422246, B23K 9/00, В23К 9/16, опубл. 14.01.1969.
3. US 5614115, B23K 26/08, опубл. 25.03.1997.
4. US 6825439 (B2), B23K 26/08, B23K 26/36, опубл. 30.11.2004.
5. US 5667707, B23K 26/04, опубл. 16.09.1997.
6. US 5637243, B23K 26/00, опубл. 10.06.1997.
7. Stewart D. / A platform with six degrees of freedom // Proc. Inst. Mech. Eng. 1965/1966, Vol. 180, pt 1, N15, p. 371-386.
8. Крайнев А.Ф. / Идеология конструирования // М., Машиностроение, 2003.