СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА С ВЫСОКИМ УРОВНЕМ ДИНАМИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОСЯМИ ДВИЖЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА ПО ЗАРАНЕЕ ВЫБРАННОЙ ТРАЕКТОРИИ ОБРАБОТКИ, А ТАКЖЕ СТАНОК И КОМПЬЮТЕРНАЯ ПРОГРАММА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ УКАЗАННОГО СПОСОБА
METHOD FOR LASER PROCESSING OF METAL MATERIAL WITH A HIGH LEVEL OF DYNAMIC CONTROL OF THE AXES OF MOVEMENT OF THE LASER BEAM ALONG A PRE-SELECTED PROCESSING PATH, AS WELL AS A MACHINE AND A COMPUTER PROGRAM FOR IMPLEMENTING THIS METHOD

Настоящее изобретение относится к лазерной обработке металлического материала, конкретнее к способу лазерной резки, сверления или сварки названного материала, как указано в ограничительной части независимого пункта 1.
Согласно иным аспектам, настоящее изобретение относится к станку лазерной обработки металлического материала, выполненного с возможностью осуществления способа лазерной обработки, и к компьютерной программе, содержащей один или несколько программных модулей для осуществления вышеназванного способа при выполнении программы электронным средством обработки.
В описании ниже и формуле изобретения термин «металлический материал» используется для обозначения любой металлической заготовки, например, листа или удлиненного профиля, имеющего любое замкнутое поперечное сечение - например, полой круглой, прямоугольной или квадратной формы, или незамкнутое поперечное сечение - например, плоское сечение или сечение в форме L, С, U и т.д.
В способах промышленной обработки металлов, и особенно в методах обработки листового металла и сортового проката, лазер используется в качестве теплового инструмента для широкого круга применений, зависящих от параметров взаимодействия лазерного луча с обрабатываемым материалом, конкретно - от плотности энергии на площадь падения лазерного луча на материал, а также от интервала времени взаимодействия.
2
2
Например, путем направления энергии низкой плотности (порядка нескольких десятков ватт на мм поверхности) в течение длительного времени (порядка нескольких секунд) выполняется процесс закалки, тогда как путем направления энергии высокой плотности (порядка десятков МВт на мм поверхности) в течение порядка нескольких фемтосекунд или пикосекунд выполняется процесс фотоабляции. В промежуточном диапазоне увеличения плотности энергии и уменьшения времени работы управление этими параметрами позволяет выполнять процессы сварки, резки, сверления, гравирования и маркирования.
Во многих процессах, в том числе в процессах сверления и резки, необходимо обеспечить поток вспомогательного газа в рабочую область, в которой происходит взаимодействие между лазерным лучом и материалом, который имеет механические функции продвижения расплавленного материала, или химические функции способствования горению, или даже технологические функции экранирования от среды, окружающей рабочую область.
2
В области лазерной обработки металлических материалов лазерная резка, сверление и сварка - это операции обработки, которые могут выполняться одним и тем же станком с возможностью генерации мощного сфокусированного лазерного луча, имеющего заранее выбранное поперечное распределение мощности на по меньшей мере одной рабочей плоскости металлического материала, обычно лазерного луча с плотностью потока энергии в диапазоне от 1 до 10000 кВт/мм, и управления направлением луча и положением падения вдоль материала. Разница между различными типами обработки, которые могут выполняться на материале, во многом зависит от мощности используемого лазерного луча и времени взаимодействия между лазерным лучом и материалом, подлежащим обработке.
Лазерные обрабатывающие станки в соответствии с существующим уровнем техники показаны на рис. 1 и 2.
2
2
На рис. 1 схематично показан обрабатывающий станок с СО-лазером, с оптической траекторией лазерного луча в воздухе, содержащий источник излучения 10, например, устройство генерации CO-лазера, способный излучать одномодовый или многомодовый лазерный луч В, и некоторое число отражающих зеркал 12а, 12b и 12с с возможностью проведения лазерного луча, излучаемого от источника излучения, по оптической траектории транспортировки луча по направлению к рабочей головке, совместно обозначенную на 14, устроенную вблизи WP материала. Рабочая головка 14 содержит оптическую систему 16 фокусирования лазерного луча, в общем случае состоящую из фокусирующей линзы с возможностью фокусирования лазерного луча вдоль оптической оси распространения падения на металлический материал. Сопло 18 устроено за фокусирующей линзой и пересекается лазерным лучом, направленным к участку рабочей плоскости материала. Сопло выполнено с возможностью направления луча вспомогательного газа, вводимого не показанной соответствующей системой, к рабочему участку на материале. Вспомогательный газ используется для управления выполнением рабочего процесса, а также получаемым качеством обработки. Например, вспомогательный газ может содержать кислород, благоприятствующий экзотермической реакции с металлом, что позволяет увеличить скорость резания, или инертный газ, например, азот, который не участвует в расплавлении материала, но защищает материал от нежелательного окисления по краям рабочего профиля, защищает рабочую головку от любых брызг расплавленного материала и может также использоваться для охлаждения боковых сторон выполненного на материале паза, ограничивая расширение термически измененного участка.
На рис. 2 схематически изображен промышленный обрабатывающий станок с лазерным лучом, направленным по каналу через волоконную оптику. Он содержит источник излучения 10, например, устройство генерации лазера, способное подавать лазерный луч в транспортирующее волокно, например, легированное иттербием лазерное волокно, или прямой инжекционный лазер с возможностью излучения одномодового или многомодового лазерного луча, и оптоволоконный кабель 12d с возможностью проведения лазерного луча, излучаемого от источника излучения, в рабочую головку 14, устроенную вблизи материала М. На рабочей головке выходящий из волокна лазерный луч, с контролем расходимости, коллимируется коллимационной диоптрической системой 20 и отражается катоптрической системой 22 перед тем, как быть сфокусированным через оптическую систему фокусирования 16, в общем случае состоящую из фокусирующей линзы, вдоль оптической оси распространения падения на материале WP, проходящем через излучающее сопло 18.
На рис. 3 показан пример рабочей головки 14 в соответствии с уровнем техники. На 30 представлен трубчатый канал, имеющий цилиндрические или конические секции, в пределах которых передается лазерный луч, показанный на В. Лазерный луч В генерируется источником излучения 10 и транспортируется к рабочей головке при помощи оптической траектории в воздухе с несколькими отражениями или в волоконной оптике коллимирует на элементе 32 отражающего отклоняющего устройства, который отклоняет ось его оптического распространения в направлении падения на обрабатываемый материал. Оптическая система фокусирования 16 является промежуточной между элементом 32 отражающего отклоняющего устройства и устроенным ниже по потоку защитным ползуном 34 с возможностью экранирования системы фокусирования от любых брызг расплавленного материала, и содержит держатель 36 линзы, к которому присоединены механизмы 38 механической регулировки для калибровки позиционирования линзы перпендикулярно направлению распространения луча (оси X-Y) и в направлении распространения луча (ось Z).
Оптическая обработка, которую проходит лазерный луч в рабочей головке, изображена схематически на рис. 4 и 5.
Лазерный луч В, исходящий от источника S излучения через траекторию оптической транспортировки в свободном пространстве или в волокне, достигает рабочей головки с заранее выбранной расходимостью. Оптическая коллимационная система, показанная на рис. 4, по линзе С предусматривает коллимацию лазерного луча В, направляя его в оптическую фокусирующую систему, устроенную ниже по потоку, представленную линзой F, способной формировать сфокусированный лазерный луч. В первом приближении идеальный лазерный луч, т.е. идеально коллимированный по параллельным пучкам лазерный луч, ниже по потоку от оптической фокусирующей системы концентрируется на фокальной точке в соответствии с законами геометрической оптики. Тем не менее, физические законы дифракции говорят, что лазерный луч, даже в наилучшей коллимации и конфигурации фокусирования, имеет за оптической фокусирующей системой конечное фокальное пятно в своей узкой части. Иллюстрацию этого см. на рис. 4 в области, обозначенной W, которая соответствует фокальному участку луча В. В общем случае, при использовании в промышленной обработке, рабочая плоскость материала совпадает с поперечной плоскостью в узкой части луча.
На рис. 5 показано распределение плотности потока энергии нормально коллимированного лазерного луча, который обычно является гауссовым по форме с вращательной симметрией для одномодового луча, т.е. его мощность сконцентрирована вокруг продольной оси луча (ось Z) и постепенно уменьшается вдоль периферической трапециевидной области, или его можно описать как огибающий гауссовы профили элемент с вращательной симметрией при применении многомодового луча.
Использование лучей с одномодовым или многомодовым лазерным излучением, которое может быть описано в первом приближении, как гауссово, отвечает требованиям технологического управления в области применений мощных лазеров. Действительно, гауссов луч легко описывается несколькими параметрами и его распространение по оптической траектории транспортировки от источника излучения к головке обрабатывающего станка легко контролируется, поскольку он обладает характеристикой распространения без изменения распределения мощности, на основании чего его можно описать через значение радиуса и значение расходимости в условиях распространения в дальнем поле (в каковом случае можно использовать приближение из геометрической оптики). В условиях распространения сфокусированного луча в ближнем поле, вдоль рабочей траектории, где приближение из геометрической оптики не действует, луч в любом случае сохраняет гауссову схему распределения мощности в каждом из своих поперечных сечений.
По этим причинам в области лазерной обработки всегда сохранялась необходимость управлять распространением лазерного луча так, чтобы он имел гауссово (или приблизительно гауссово) распределение мощности по поперечному сечению, и установить раз и навсегда относительное взаимное расположение оптической оси распространения лазерного луча и барицентрической оси потока вспомогательного газа.
В рамках известного уровня техники разработан ряд решений, с возможностью обеспечения стабильности (если не жесткости) позиционирования между оптической осью распространения лазерного луча и осью оттока вспомогательного газа, и в общем случае в решениях эти две оси совпадают. Регулировка взаимного положения оптической оси распространения лазерного луча и оси потока вспомогательного газа выполнена в рамках известного уровня техники при помощи процедуры механического центрирования, выполняемой вручную оператором во время периодической калибровки станка (рабочей головки), например, когда необходимо заменить сопло из-за износа. Такая процедура механического центрирования подразумевает проведение некоторого числа точных механических регулировок, например, при помощи винтовой пары на зеркале отклоняющего устройства или на коллимационных или фокусирующих линзах с целью регулировки наклона и центрирования оптической системы распространения лазерного луча относительно позиционирования сопла на головке.
Выбор такого конструктивного решения, которое для сугубо одномодового луча соблюдает вращательную симметрию луча и потока вспомогательного газа, продиктованную соответственно гауссовым распределением мощности лазерного луча и наличием круглого выходного сечения сопла оттока вспомогательного газа, обеспечивает изотропию поведения каждого рабочего процесса (резка, сварка и т.д.) в отношении направлений, по которым может протекать обработка.
Изотропия процесса в отношении рабочих траекторий материала всегда считалась желательной, если рабочий процесс лазера управляется электронным средством обработки в соответствии с любыми траекториями и геометрическими параметрами, заранее выбранными в системах CAD/CAM.
Широко распространено мнение, что физически «неуравновешенная» система или система без вращательной симметрии в точках падения лазерного луча и вспомогательного газа на материал дает в результате сложность и трудности в управлении рабочими траекториями или недоброкачественность результатов обработки.
Необходимость повышения производительности станков в количественном измерении производства и, следовательно, увеличение скорости обработки привело к необходимости увеличения максимальных ускорений, достигаемых рабочей головкой станка в осуществлении рабочей траектории, а также к изменению ускорения, относящегося к рабочей головке, и, в конечном счете, к потребности подачи электрического импульсного тока на электродвигатели, участвующие в движении рабочей головки.
Для примера, обработка тонких материалов с потенциально достижимой скоростью в несколько десятков метров в минуту подразумевает - при неожиданных изменениях траектории, которые определяются при следовании по ломаной линии резки - замедление (или остановку) рабочей головки при ее перемещении по оси перемещения и возобновление (или пуск) перемещения рабочей головки по другой оси движения, с применением линейных или тангенциальных ускорений порядка 2-6 g. Похожая динамика может потребоваться также и для участников передвижения материала, в зависимости от кинематики активации возвратно-поступательного движения между лазерным лучом и материалом. Следовательно, необходима быстрая обратная связь по взаимному положению рабочей головки и материала и наоборот, а также надежная механика движения названной головки, или материала, способная выдерживать высокую динамику без заметных вибраций пятна падения лазерного луча и вспомогательного газа относительно ожидаемой траектории на материале.
Фактически, вероятно, что чрезмерные ускорения в сочетании с инерцией и присущей гибкостью (без возможности отмены) механизмов перемещения станка могут сместить положение сопла оттока вспомогательного газа и жестко с ним связанную оптическую ось лазерного луча в отношении заранее выбранной рабочей траектории, пусть даже и в течение ограниченного периода времени. Это стандартная ситуация, например, при обработке вблизи угловой точки, где существует прерывистое изменение направления рабочей траектории. Высокая динамика движения и последующие колебания рабочей головки или материала определяют развитие оптической оси распространения лазерного луча согласно локальной траектории слабозатухающего колебания, при этом вблизи угловой точки производится неточная с геометрической точки зрения обработка, например, в силу того, что рабочая головка следует по волнообразной траектории уменьшающейся амплитуды вместо прямой траектории, определенной набором рабочей траектории.
Простым решением, принятым в работе, является проектирование рабочей траектории, не допускающее прерывистого изменения направления. Это приблизительное решение, недостаточное для обеспечения точной обработки.
Альтернативное решение, описанное, например, в заявке на патент WO 2006/075209, заключается в оснащении станка рамой, на которой установлены прочные и жесткие элементы перемещения рабочей головки по первой паре декартовых осей, способные вести головку в пределах широкого рабочего участка, пусть даже и медленно и с уменьшенным ускорением, и служить опорой для пары легких бортовых направляющих ползунов со сниженной инерцией для локального движения рабочей головки по второй паре декартовых осей с ограниченным ходом, что можно нивелировать высокой скоростью и высоким ускорением.
Состав движений, направленных к рабочей головке участниками перемещения и направляющими ползунами, соответствующим образом управляемыми по правилам деления движения по «медленным» и «быстрым» осям, обеспечивает достижение высокой динамики работы (ускорение 5-6 g), пусть даже и с использованием механической системы, которая фактически не отменяет инерцию компонентов, но распределяет их воздействия между участниками движения по первой медленной оси и участниками движения по второй быстрой оси.
Задачей настоящего изобретения является предоставление способа лазерной обработки с улучшенной производительностью с точки зрения рабочей скорости, качества результатов и экономической эффективности процесса.
Другой задачей настоящего изобретения является предоставление способа лазерной обработки, управляемого в режиме реального времени, для получения точных результатов обработки во всех рабочих режимах, достижимых без увеличения размера существующих станков.
В соответствии с настоящим изобретением, эти задачи решаются посредством применения способа лазерной обработки металлического материала, имеющего признаки, о которых идет речь в п. 1.
Конкретные варианты осуществления являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения, содержание которых следует понимать как неотъемлемую часть настоящего описания.
Дополнительным предметом изобретения является станок для лазерной обработки металлического материала и компьютерная программа, как заявлено.
Таким образом, настоящее изобретение строится на том соображении, что нарушение вращательной симметрии совокупности лазерного луча и потока вспомогательного газа, т.е. отступление от состояния совпадения осей распространения лазерного излучения с осью оттока вспомогательного газа, может обеспечить получение большего преимущества в категориях скорости, качества и экономической эффективности по сравнению с рабочим процессом с такой же производительностью.
Говоря конкретнее, при обработке с кинематикой, основанной на параллельных командных осях, распределенных в системе движения, состоящей из «медленных» осей, т.е. больших и тяжелых осей для макросдвигов, и «быстрых» осей, т.е. малых и легких осей для микросдвигов, настоящее изобретение задействует возможность нарушения вращательной симметрии совокупности лазерного луча и потока вспомогательного газа для создания новаторской кинематики управления, в которой роль "медленных" осей отводится обычным осям перемещения рабочей головки, и с ними скомбинировано управление позиционированием лазерного луча относительно оси оттока вспомогательного газа, жестко увязанной с осью рабочей головки, которым отведена роль "быстрых" осей.
В соответствии с изобретением, применение вышеупомянутых соображений к системам известного уровня техники достигается путем осуществления эффективного управления положением оптической оси обрабатывающего лазерного луча относительно оси симметрии потока вспомогательного газа посредством управления формой лазерного луча в режиме реального времени, т.е. посредством модификации поперечного распределения мощности луча, что в значительной степени сохраняет его форму и полезный диаметр.
Настоящее изобретение основано на принципе использования оптической системы с контролируемой деформацией, широко известной в научных применениях для обработки оптических сигналов (тем самым, маломощного оптического излучения), в целях формирования мощного лазерного луча для применения в промышленности.
Применение оптической системы с контролируемой деформацией в оптической системе транспортировки лазерного луча позволяет расширить достижимый за счет быстрой модификации диапазон формирования лазерного луча и с предельной точностью регламентировать взаимное положение оси распространения лазерного излучения и оси оттока вспомогательного газа, и, следовательно, улучшить производительность в процессах механической обработки или внедрить новаторские процессы механической обработки.
Способ согласно изобретению обеспечивает преимущество, состоящее в предоставлении возможности управления положением оптической оси лазерного луча в соответствии с заранее выбранным пространственным расположением относительно оси потока вспомогательного газа, необязательно представляющим собой коаксиально центрированное положение, с регулировкой за короткое время, так, чтобы такое управление положением можно было осуществить в режиме реального времени в ходе рабочего процесса таким образом, чтобы управлять желаемым взаимным положением оптической оси лазерного луча и оси потока вспомогательного газа вдоль рабочей траектории на материале, в особенности, если направление заранее выбранной рабочей траектории на материале изменяется с первого на второе рабочее.
Способ согласно изобретению обеспечивает и другое преимущество, состоящее в обеспечении возможности автоматического выстраивания изменяемой стратегии взаимного позиционирования оптической оси лазерного луча и оси потока вспомогательного газа во время рабочего процесса - например, как функции пространственного положения рабочего участка на материале по заранее выбранной рабочей траектории - и мгновенного и с оптимальной точностью задания положения оптической оси лазерного луча на заранее выбранном расстоянии от оси потока вспомогательного газа и на заранее выбранном угловом направлении по отношению к текущему направлению траектории движения (направлению продвижения потока газа), тем самым устраняя необходимость в точном механическом движении рабочей головки или материала.
Управление взаимным положением оси распространения лазерного излучения и оси оттока вспомогательного газа осуществлено, в соответствии с изобретением, посредством управления поперечным распределением мощности луча в пределах участка рабочей плоскости на металлическом материале в заранее выбранном регионе оси потока вспомогательного газа, определяющем участок доставки названного потока. Участок доставки потока вспомогательного газа - представляющий собой объемное поле действия способа управления по изобретению - опознается как «объем, подверженный влиянию» сопла рабочей головки - сопла, стандартно имеющего выходное сечение диаметром от 1 мм до 3,5 мм и размеры, стандартные для усеченного конуса высотой от 6 мм до 20 мм, и меньшее основание (на сопле) с диаметром, равным диаметру выходного сечения плюс 1-3 мм, и большее основание, характерный размер которого представляет собой функцию высоты объема усеченного конуса, и угол наклона образующей, стандартно от 15 до 30 градусов. Соответствующим образом, объем сопла как можно более мал, а само сопло имеет наиболее тонкую форму из возможных и, таким образом, может работать даже в вогнутостях обрабатываемых поверхностей.
Автоматическое управление, выполняемое по способу согласно изобретению, обеспечивает преимущество, состоящее в том, что оно может проводиться в режиме реального времени с рабочими частотами от 100 Гц до 10 кГц.
Следовательно, за счет способа согласно изобретению можно управлять, во время обработки, движением «быстрых» осей в рамках участка доставки потока вспомогательного газа, т.е. с максимальным ходом, равным диаметру участка доставки потока вспомогательного газа, накладывать движение с высокими динамическими составляющими на медленное изменяемое движение, и, возможно, компенсировать механические движения с податливыми и паразитными колебаниями на приблизительной величине диаметра участка доставки потока вспомогательного газа.
Система управления с возможностью выполнения способа согласно изобретению обеспечивает преимущество, состоящее в том, что она отличается от систем известного уровня техники, поскольку может интегрироваться в рабочую головку, т.е. она независима от генерации лазерного луча и от передачи его в рабочую головку.
Кроме того, способ согласно изобретению позволяет эффективно управлять положением оптической оси распространения лазерного луча в режиме реального времени как функцией локализации луча вдоль рабочей траектории, на основании чего можно своевременно изменять взаимное положение оптической оси распространения лазерного луча и оси потока вспомогательного газа в зависимости от запрограммированных условий работы, происходящих в заранее выбранных положениях на рабочей траектории. Такие запрограммированные условия обработки включают в себя, в качестве иллюстрирующего неограничивающего примера, текущее рабочее положение (или, в более широком смысле, участок текущей рабочей плоскости) по заранее выбранной рабочей траектории и/или текущее направление рабочей траектории на материале и/или направление перемещения оси потока вспомогательного газа.
Дополнительные признаки и преимущества изобретения будут описаны более подробно в подробном описании одного из вариантов осуществления изобретения ниже, приведенном в качестве неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:
рис. 1 и 2 - это примеры станков для лазерной обработки согласно известному уровню техники;
рис. 3 - это пример структуры рабочей головки лазерного станка согласно известному уровню техники;
на рис. 4 и 5 схематически представлена форма лазерного луча для применений в промышленной обработке металлических материалов согласно известному уровню техники;
рис. 6 - это схема оптической траектории лазерного луча в рабочей головке с возможностью выполнения способа согласно изобретению;
на рис. 7 схематически представлен отражающий контролируемую поверхность элемент для формирования оптического луча с целью осуществления способа согласно изобретению;
рис. 8 - блок-схема элемента управляющей электроники станка лазерной обработки с возможностью выполнения способа обработки согласно изобретению; и
на рис. 9а-9е схематически представлены действующие образцы в соответствии со способом согласно настоящему изобретению.
Рис. с 1 по 5 описаны ранее со ссылкой на известный уровень техники, и их содержание здесь рассматривается как широко известное в производстве обрабатывающих станков с управлением для целей выполнения рабочего процесса в соответствии с идеями настоящего изобретения.
Оптическая траектория лазерного луча в рабочей головке станка для лазерной обработки металлических материалов в соответствии с изобретением схематически показана на рис. 6.
Оптическая система из рис. 6 содержит устройство 100 ввода лазерного луча В, такое, как, например, конец оптоволоконного кабеля или оптическая система приема луча, распространяемого источником излучения вдоль оптической траектории в свободном пространстве, из которого появляется лазерный луч В с заранее выбранной расходимостью.
За устройством 100 ввода устроена оптическая коллимационная система 120, например, коллимационная линза (стандартно коллимационная линза для рабочей головки станка лазерной резки имеет фокусное расстояние от 50 мм до 150 мм), за которой коллимированный лазерный луч проводится в оптическую фокусирующую систему 140, например, фокусирующую линзу (стандартно фокусирующая линза для рабочей головки станка лазерной резки имеет фокусное расстояние от 100 мм до 250 мм), выполненную с возможностью фокусирования луча на рабочей плоскости П через экран или защитное стекло 160.
На оптической траектории между оптической коллимационной системой 120 и оптической фокусирующей системой 140 размещено оптическое средство 180 формирования луча.
В частности, со ссылкой на схематизацию оптической траектории лазерного луча, показанную на рис. 6, настоящее изобретение относится к изготовлению оптического средства 180 формирования лазерного луча и управлению названным средством в целях достижения контролируемого поперечного распределения мощности лазерного луча на заданной рабочей плоскости материала. На рис. оптическое средство 180 формирования лазерного луча показано в иллюстративном варианте осуществления, в котором оно расположено так, что его ось симметрии находится под углом 45° к направлению распространения луча.
С этой целью оптическое средство 180 формирования лазерного луча изготовлено как деформируемый отражающий элемент 200 с контролируемой поверхностью, содержащей некоторое число независимо движущихся участков отражения, как схематически показано на рис. 7, которые в состоянии покоя определяют отражающую поверхность, лежащую на эталонной плоскости отражения. Названный деформируемый отражающий контролируемую поверхность элемент 200 обеспечивает сплошное фольговое зеркало, отражающая поверхность которого модифицируется пространственно по отношению к эталонной плоской отражающей поверхности, принятой в состоянии покоя. Названный деформируемый отражающий контролируемую поверхность элемент 200 имеет отражающую поверхность непрерывной кривизны, включающую в себя некоторое число участков отражения, с которыми связано в задней части соответствующее некоторое число модулей движения, показанных на рис. обозначениями 200а, 200b, …, и должным образом обрабатывается для использования с повышенной оптической мощностью путем совместного использования высокоотражающего покрытия (не менее 99%) на длине волны лазерного луча, и монтажа на контактном держателе, охлаждаемом водой посредством прямого каналирования. Модули движения являются неотъемлемой частью отражающей поверхности непрерывной кривизны и двигаются независимо. Участки отражения отражающей поверхности с непрерывной кривизной не имеют между собой краев, т.е. вся отражающая поверхность имеет непрерывные локальные производные во всех направлениях. Движение названного некоторого числа модулей движения 200а, 200b включает в себя движения перемещения соответствующих участков отражения, например, движения вперед или назад относительно эталонной плоской отражающей поверхности, принятой в состоянии покоя, или вращательные движения соответствующих участков отражения вокруг оси, параллельной эталонной плоской отражающей поверхности, принятой в состоянии покоя, или даже сочетание таких движений. Деформации отражающей поверхности, т.е. движения модулей движения 200а, 200b, предпочтительно активируются при помощи известных пьезоэлектрических методов, что делает возможным управление движением модулей движения и последующим положением участков отражения, т.е. изменением их положения в результате сочетания движения перемещением и/или вращением каждого модуля на заранее выбранном количестве степеней свободы независимо от других, стандартно на длине хода порядка +/-40 мкм, с помощью которых возможно получить приближения для поверхностей непрерывной кривизны, определяемых комбинациями многочленов Цернике, при помощи которых возможно (по меньшей мере, в теории и с достаточным приближением на практике для нужных целей) применить регулировку положения оптической оси распространения лазерного луча, или, в более широком смысле, управление поперечным распределением мощности лазерного луча в соответствии с задачами нужных применений обработки.
На рис. 7 показан предпочтительный вариант осуществления элемента 200 отражающего устройства с эллиптическим профилем и связанными модулями движения назад, принятыми для угла падения коллимированного лазерного луча, равного 45°, как показано на схеме из рис. 6. Такой вариант осуществления следует воспринимать как чисто иллюстративный и не ограничивающий процесс осуществления изобретения. В другом предпочтительном варианте осуществления, в котором коллимированный лазерный луч падает перпендикулярно или почти перпендикулярно поверхности элемента 200 в состоянии покоя, профиль отражающего элемента 200 является круглым.
В варианте осуществления отражающего элемента с эллиптическим профилем этот профиль имеет большую ось длиной 38 мм и малую ось длиной 27 мм, соответствующие максимальному размеру поперечного отверстия лазерного луча, падающего на зеркало, получаемое коллимационной оптической системой 120.
Более конкретно, в предпочтительном варианте осуществления названный деформируемый отражающий контролируемую поверхность элемент 200 включает в себя некоторое число участков отражения, независимо движущихся посредством соответствующего некоторого числа модулей движения, содержащих центральный участок и некоторое число рядов круговых сводчатых секторов, концентрических к названному центральному участку. В предпочтительном в настоящее время варианте осуществления имеется 6 рядов концентрических сводчатых круговых секторов, 8 круговых сводчатых секторов для каждого ряда, а высота круговых сводчатых секторов увеличивается с первого по третий ряды и с четвертого по шестой ряды в радиальном направлении к внешней стороне отражающего элемента. Высота круговых сводчатых секторов четвертого ряда является промежуточной между высотой круговых сводчатых секторов первого и второго рядов. Предпочтительно, с целью упростить структуру управления отражающего элемента 200 в спроектированном варианте, можно зафиксировать некоторое число круговых сводчатых секторов, образующих периферийный круговой венец, а подвижными остаются только ряды внутренних круговых сводчатых секторов таким образом, чтобы общее количество исполнительных механизмов в них не превышало 41.
В общем случае количество рядов круговых секторов, количество круговых сводчатых секторов и высота круговых сводчатых секторов определяются в соответствии с геометрическими параметрами отражающей поверхности, необходимыми для получения заранее выбранных нужных значений поперечного распределения мощности лазерного луча, при помощи процедур моделирования тенденций поперечного распределения мощности лазерного луча, падающего на отражающий элемент, для выбранного количества участков отражения. Фактически, контролируемая деформируемость поверхности отражения элемента 200 вызывает контролируемые изменения интенсивности лазерного луча на фокальной плоскости путем воздействия на фазу лазерного луча. В предпочтительном в настоящее время варианте осуществления деформация поверхности отражающего элемента 200 контролируется таким образом, чтобы определить отражающую поверхность, описываемую комбинацией многочленов Цернике. Таким образом, распределение интенсивности лазерного луча на фокальной плоскости в соответствии с фазовыми изменениями, контролируемыми посредством движения участков отражения отражающего элемента 200, может быть с успехом смоделировано при помощи математических способов расчета.
Геометрические параметры разделения поверхности отражающего элемента 200, показанного на рис. 7, - соответствующие геометрическим параметрам модулей движения участков отражения - определены изобретателями при помощи процедуры моделирования с целью получения различных форм поперечного распределения мощности с большой свободой в формировании луча, даже безотносительно сохранения вращательной симметрии. В ином случае, для применений, строго относящихся к гауссову распределению мощности, в которых изменение формы распределения мощности не требуется, а требуется только ее смещение относительно оптической оси распространения, допускается использовать более простые геометрические параметры, например, равноотстоящие ряды, т.е. в которых высота круговых сводчатых секторов постоянна по всем рядам секторов. Для применений, в которых вращательную симметрию распределения мощности луча необходимо сохранить, можно предусмотреть некоторое число участков отражения и соответствующих модулей движения в форме радиально независимых круглых венцов.
На рис. 8 показана принципиальная схема электронной системы управления станка для лазерной обработки металлических материалов для осуществления способа согласно изобретению.
Система содержит электронное средство обработки и управления, показанное на чертеже и обозначенное ECU, которое можно интегрировать в единый блок обработки на станке или реализовать в распределенной форме, таким образом содержащее модули обработки, расположенные в разных частях станка, в том числе, например, рабочую головку.
Запоминающее устройство М, связанное с электронным средством управления и обработки ECU, хранит заранее выбранные шаблон или программу обработки, например, содержащую заранее выбранную рабочую траекторию в форме указаний по движению для рабочей головки и/или для обрабатываемого материала, и физические параметры обработки с указанием распределения мощности оптического луча, интенсивности потока энергии луча и времени активации лазерного луча как функции рабочей траектории.
Электронное средство управления и обработки ECU выполнено с возможностью предоставления доступа к запоминающему устройству М с целью получения рабочей траектории и управления применением обрабатывающего лазерного луча по указанной траектории. Управление применением лазерного луча по заранее выбранной рабочей траектории включает в себя управление доставкой потока вспомогательного газа и управление излучением заранее выбранного распределения мощности лазерного луча по направлению к заранее выбранному рабочему участку посредством ссылки на заранее выбранные шаблон или программу обработки, т.е. в соответствии с информацией о рабочей траектории и рабочими параметрами, полученными из запоминающего устройства.
Встроенное сенсорное средство SENS станка выполнено с возможностью определения в реальном времени взаимного положения рабочей головки и обрабатываемого материала, а также изменения такого положения во времени.
Электронное средство обработки и управления ECU выполнено с возможностью получения от сенсорного средства SENS сигналов, показывающих взаимное положение рабочей головки и обрабатываемого материала во времени, т.е. изменение участка текущей рабочей плоскости и/или текущего направления рабочей траектории во времени.
1
Электронное средство управления и обработки ECU содержит первый модуль управления СМ1 для управления механическими параметрами обработки, выполненный с возможностью выдачи первых командных сигналов CMD на известный узел исполнительного средства, содержащего исполнительное средство для передвижения рабочей головки по степеням свободы, разрешенным ей конкретным вариантом осуществления станка, и исполнительное средство для передвижения обрабатываемого материала относительно положения рабочей головки, с возможностью взаимодействия с исполнительным средством для передвижения рабочей головки с целью представления рабочей траектории на обрабатываемом материале у сопла рабочей головки. Это исполнительное средство не описано, поскольку известно в рамках уровня техники.
2
Электронное средство управления и обработки ECU содержит второй модуль управления СМ2 для управления физическими параметрами обработки, выполненный с возможностью выдачи вторых командных сигналов CMD для содействия средству доставки потока газа и средству управления для генерации и передачи лазерного луча.
3
3
3
Электронное средство управления и обработки ECU содержит третий модуль управления СМ3 для управления оптическими параметрами обработки, выполненный с возможностью выдачи третьих командных сигналов CMD на деформируемый отражающий контролируемую поверхность элемент 200 оптического средства формирования луча для целей осуществления модулей движения независимо движущихся участков отражения названного элемента, т.е. для управления их взаимным пространственным смещением (перемещением вдоль оптической оси отражающего элемента или наклона относительно нее). Командные сигналы CMD обрабатываются с помощью компьютерной программы, содержащей один или несколько программных модулей, имеющих инструкции модели или программы регламентирования по осуществлению способа согласно изобретению в соответствии с заранее выбранной формой получаемого лазерного луча, т.е. для целей установления заранее выбранного поперечного распределения мощности лазерного луча, и, следовательно, заранее выбранного положения оптической оси распространения лазерного луча, как функции сиюмнутных условий обработки вдоль оптической оси распространения, падающей на материал, на участке по меньшей мере одной рабочей плоскости металлического материала, при этом рабочая плоскость материала представляет собой плоскость поверхности материала или плоскость, изменяющуюся на глубине в толще материала, например, для резки или сверления толстых материалов, т.е. со стандартной толщиной, превышающей 1,5 длины Рэлея для сфокусированного луча (в стандартном случае толщина составляет от 0,5 до 4 мм). Вышеназванные командные сигналы CMD также обрабатываются компьютерной программой для установления заранее выбранного поперечного распределения мощности лазерного луча в заданном регионе оси потока вспомогательного газа и в пределах участка доставки названного потока в соответствии с сиюминутными условиями работы, т.е. участка текущей рабочей плоскости и/или текущего направления рабочей траектории на металлическом материале.
Следовательно, электронное средство обработки и управления ECU выполнено с возможностью обнаружения текущего положения и/или текущего направления перемещения оси потока вспомогательного газа с целью управления относительным перемещением оси потока вспомогательного газа вдоль заранее выбранной рабочей траектории на металлическом материале и автоматической регулировки положения оптической оси распространения лазерного луча или поперечного распределения мощности лазерного луча в соответствии с текущим положением и/или обнаруженным направлением перемещения оси потока вспомогательного газа.
Управление положением оптической оси распространения лазерного луча осуществляется путем управления модулями движения участков отражения так, чтобы выполнить заранее выбранные общие движения наклона отражающего элемента как целого относительно соответствующего состояния покоя, которые определяют пространственное перемещение пятна лазерного луча на обрабатываемом материале.
По одному из вариантов осуществления, когда заранее выбранная рабочая траектория на материале изменяется с первого на второе рабочее направление, управление связанным с этим перемещением оси потока вспомогательного газа выполняется в соответствии с промежуточными направлениями вдоль заранее выбранной сглаживающей кривой между названными первым и вторым рабочими направлениями, в котором сглаживающая кривая удалена от заранее выбранной рабочей траектории на расстояние не более диаметра участка доставки названного потока; В то же время обнаруживается текущее положение оси потока вспомогательного газа, и положение оптической оси распространения лазерного луча регламентируется как функция текущего положения оси потока вспомогательного газа таким образом, чтобы удержать оптическую ось распространения лазерного луча направленной вдоль вышеназванной заранее выбранной рабочей траектории.
В этом примере варианта осуществления положение оптической оси распространения лазерного луча регулируется так, чтобы следовать эксцентрической траектории относительно текущего положения оси потока вспомогательного газа во время операции сверления металлического материала.
На рис. 9а-9е показан пример обработки в соответствии со способом согласно настоящему изобретению.
На иллюстрациях запрограммированная рабочая траектория обозначена Т. Рабочая траектория включает в себя профиль резки, содержащий, исключительно для примера, две прямые линии Т1 и Т2, образующие вместе прямой угол и встречающиеся в угловой точке А, где траектория внезапно меняет направление.
В некоторых иллюстративных положениях рабочей головки вдоль вышеназванной траектории зоны доставки потока вспомогательного газа на обрабатываемом материале (центр масс которого обозначен N) обозначены G1-G4, а пятна падения лазерного луча на обрабатываемый материал, описанные вокруг положений оптической оси лазерного луча - S1-S4. Следует отметить, что, как правило, для операций резки и/или сверления на углеродистой стали, нержавеющей стали, алюминии, меди и латуни толщиной от 0,5 до 4 мм стандартный размер зоны доставки потока вспомогательного газа колеблется от 1 мм до 3,5 мм, а размер пятна падения лазерного луча колеблется от 0,05 до 0,25 мм.
Для некоторых рабочих положений или участков вдоль рабочей траектории, представлены в качестве примера соответствующие зоны доставки потока вспомогательного газа на обрабатываемый материал (круглые - в наиболее распространенном варианте осуществления круглого сопла), и одно пятно падения лазерного луча (также представленное для примера в форме круга - в наиболее распространенном случае гауссова поперечного распределения мощности). Стрелки рядом с рабочей траекторией указывают направление продвижения переднего края разреза, которое соответствует направлению движения рабочей головки на материале. В случае передвижения материала относительно режущей головки направление движения материала становится естественным образом противоположным направлению движения, указываемому стрелками.
G1 обозначает первую зону доставки потока вспомогательного газа на отрезке продвижения лазерного луча вдоль первого сегмента Т1 линии резания, следующей по заранее выбранной траектории Т. На этом рабочем участке положение оптической оси распространения (распределения мощности) лазерного луча регулируется так, чтобы пятно S1 падения лазерного луча на рабочей плоскости по сути совпадало с текущим положением оси потока вспомогательного газа, что соответствует центру масс зоны G1.
G2 обозначает вторую зону доставки потока вспомогательного газа на отрезке продвижения лазерного луча вдоль сегмента Т1 линии резания траектории Т.
На этом рабочем участке положение оси потока вспомогательного газа следует по сглаживающей траектории R без разрыва между сегментами Т1 и Т2, тогда как положение оптической оси распространения (распределения мощности) лазерного луча регулируется так, чтобы пятно S2 падения луча на рабочую плоскость удерживалось на траектории Т, тем самым оно находится на заранее выбранном радиальном расстоянии от текущего положения оси потока вспомогательного газа (и на соответствующем заранее выбранном угловом направлении в системе координат рабочей головки).
G3 обозначает третью зону доставки потока вспомогательного газа на фрагменте, в котором лазерный луч достигает угловой точки изменения направления обработки от сегмента Т1 до сегмента Т2 линии резания траектории Т.
На этом рабочем участке положение оси потока вспомогательного газа следует по сглаживающей траектории R между сегментами Т1 и Т2, тогда как положение оптической оси распространения (распределения мощности) лазерного луча регулируется так, чтобы пятно S3 падения луча на рабочую плоскость удерживалось на рабочей траектории Т, тем самым оно находится на максимальном радиальном расстоянии от текущего положения оси потока вспомогательного газа (и на соответствующем заранее выбранном угловом направлении в системе координат рабочей головки).
Как можно видеть из иллюстрации, максимальное расстояние между пятном падения лазерного луча и положением оси потока вспомогательного газа, тем не менее, меньше радиуса зоны доставки вспомогательного газа.
И наконец, G4 обозначает четвертую зону доставки потока вспомогательного газа на отрезке продвижения лазерного луча вдоль сегмента Т2 линии резания траектории Т.
На этом рабочем участке положение оси потока вспомогательного газа по-прежнему движется вдоль сглаживающей траектории R между сегментами Т1 и Т2, тогда как положение оптической оси распространения (распределения мощности) лазерного луча регулируется так, чтобы пятно S4 падения луча на рабочую плоскость удерживалось на рабочей траектории Т, тем самым оно находится на заранее выбранном радиальном расстоянии от текущего положения оси потока вспомогательного газа (и на соответствующем заранее выбранном угловом направлении в системе координат рабочей головки).
Как можно видеть из иллюстрации, расстояние между пятном падения лазерного луча и положением оси потока вспомогательного газа уменьшается ввиду повторного центрирования оси потока вспомогательного газа к траектории Т.
Хотя на иллюстрации показан случай, в котором при отделении пятна падения лазерного луча от центра масс зоны доставки потока газа и при встрече пятна падения лазерного луча с центром масс зоны доставки потока газа они совпадают, также возможно, что в одном или обоих вышеназванных рабочих положениях пятно падения лазерного луча будет в лидирующем или отстающем положении относительно центра масс зоны доставки потока газа, в зависимости от требуемой производительности в рабочем процессе.
Как показано на рис. 9a-9d, демонстрирующих абсолютные траектории зоны доставки вспомогательного газа и пятна лазера, и также на рис. 9е, демонстрирующем зону доставки вспомогательного газа в системе координат рабочей головки и относительную траекторию Р пятна лазера в пределах этой зоны, взаимное положение оси распространения лазерного излучения и оси доставки потока вспомогательного газа контролируется во время процесса в режиме реального времени (в части, касающейся радиального расстояния и углового направления) с тем, чтобы позволить следование заранее выбранной рабочей траектории, требующей внезапных изменений направления или скорости, тогда как движение рабочей головки контролируется вдоль объединяющей траектории, не демонстрирующей внезапных изменений направления, в силу чего высокие динамические характеристики системы механического движения головки не требуются.
Естественно, если не изменять принцип изобретения, варианты осуществления и подробные данные реализации могут варьировать в широком диапазоне в отношении тех, что описаны и проиллюстрированы исключительно в качестве неограничивающего примера, таким образом, без отхода от области защиты изобретения, определенной в прилагаемой формуле.