УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

Полезная модель относится к области лазерной обработки материалов изделий и может быть использована для гравирования и нанесения изображений на поверхности изделий из различных материалов.
Известно применение лазерного излучения, характеризующегося высокой плотностью энергии воздействия, для получения изображений на материалах различной структуры, таких как бумага, картон, резина, фольга, металл и др. /RU 146200, RU 2111849, RU 2243102, US 5329381, CN 1400930 и др.; устройство для лазерной гравировки идентификационных карт «Silamatic» фирмы SIEMENS и т.д./. Использование лазера позволяет получать изображения на поверхности или в объеме обрабатываемого изделия с высокой разрешающей способностью, а также обеспечивает получение градаций яркости изображения при высокой точности позиционирования элементов изображения, что позволяет повысить качество изображения при гравировании фотографий, документов и т.п. Вместе с тем, получение качественного изображения зависит от типа используемого лазера и способа его использования для данного материала изделия, поскольку испарение или обугливание материала при высокой плотности энергии импульсного воздействия лазерного излучения может приводить к появлению вуали из частиц сажи, а использование лазера непрерывного действия с низким уровнем плотности энергии воздействия требует применения сложных систем фокусировки пятна для создания локализованных напряжений в материале.
Известно устройство для лазерной обработки ("Лазерный клеймитель", патент РФ №2111849, публ. 27.05.1998), содержащее последовательно установленные импульсный твердотельный лазер, блок оптических клиньев, сканирующую призму в форме параллелепипеда с двигателем, маску, поворотные зеркала и объектив. Под действием излучения лазера происходит локальный разогрев изделия до температуры интенсивного испарения материала изделия в зоне обработки, а на поверхности изделия образуется "канавка", формирующая изображение. Известная лазерная проекционная
система используется для маркировки изделий из материалов, прозрачных для излучения Nd-лазера. Применение импульсного лазера позволяет увеличить мощность воздействия и глубину проникновения лазерного излучения, улучшить разрешение наносимого изображения. Недостатком известного устройства является зависимость точности нанесения рисунка от рассеиваемой в установке тепловой мощности, приводящей к тепловым деформациям элементов конструкции и изменению ширины и глубины выжигаемой «канавки».
Известно устройство для лазерной обработки /патент US 6838639/, включающее по меньшей мере два источника импульсного лазерного излучения, дающих пучки излучения с различной поляризацией, устройство объединения пучков, установленное с возможностью поворота вокруг осей, параллельной и перпендикулярной направлению распространения пучка лазерного излучения, активный оптический элемент для преобразования поляризации одного из пучков лазерного излучения, а также полупрозрачное зеркало, установленное на пути одного из пучков для регулировки его направления. Взаимодействие пучков лазерного излучения синхронизировано во времени, что обеспечивает подачу импульсов лазерного излучения минимальной энергии и одинаковой поляризации вместо высокочастотных импульсов. Это позволяет производит обработку различных материалов - наносить изображение на пластик, гравировать металлы и т.д. Недостатком известного устройства является его чувствительность к установке зеркал, к тепловому расширению механических элементов, что приводит к изменению поляризации и оптической длины пути излучения, и в конечном итоге снижает точность обработки изделия.
Известно устройство для лазерной обработки, преимущественно, диэлектриков, содержащее лазер, блок управления в виде узла вращения и контроля положения плоскости поляризации излучения лазера, фокусирующий элемент, механизм перемещения обрабатываемого изделия, а также дополнительный фокусирующий элемент, выполненный в виде поворотного зеркала с приводом вращения вокруг оси, параллельной оптической оси фокусирующего элемента, и узлом синхронизации, электрически связанным с узлом вращения и контроля положения плоскости поляризации излучения лазера и приводом вращения поворотного зеркала /а.с. 1798090, МПК В23К 26/00, публ. БИ №8,1993/.
Известное устройство позволяет производить обработку поверхности диэлектрического материала (пластик, бумага и т.д.) путем послойного разрушения материала по траектории перемещения луча лазера, при этом величину угла между
плоскостью падения оси луча лазера и поверхностью изделия выбирают с учетом угла фокусировки излучения.
Недостатком известного устройства является зависимость точности обработки поверхности диэлектрика от фокусировки излучения, которая чувствительна к тепловому расширению элементов устройства и поверхности изделия при воздействии лазерного излучения и к точности установки зеркал, что приводит к снижению точности синхронизации при управлении работой оптической схемы устройства.
Известное устройство для лазерной обработки, включающее механизм перемещения обрабатываемого изделия, лазер, блок управления, оптическую систему фокусировки излучения лазера, устройство синхронизации, выбрано в качестве наиболее близкого аналога для заявляемой полезной модели.
Задача полезной модели состоит в повышении качества нанесения изображения, а также в расширении арсенала средств обработки материалов с использованием лазерного излучения.
Задача решена тем, что в известном устройстве для лазерной обработки, включающем механизм перемещения обрабатываемого изделия, лазер, блок управления, оптическую систему фокусировки излучения лазера, устройство синхронизации, в соответствии с полезной моделью, блок управления выполнен программно ориентированным и через устройство синхронизации связан с лазером и оптической системой фокусировки излучения лазера, которая содержит размещенные по ходу луча лазера коллиматор, два гальванометрических сканера с приводами вращения, установленные с обеспечением ортогональности оптических осей, и сканирующий объектив, а также привод вертикального перемещения системы фокусировки с датчиками крайних положений.
Кроме того, блок управления включает вычислительное устройство. Кроме того, в качестве лазера выбран импульсный лазер непрерывного действия. Кроме того, устройство синхронизации выполнено с обеспечением связи с устройством накачки лазера.
Кроме того, механизм перемещения обрабатываемого изделия выполнен в виде двухкоординатного стола с приводами перемещений, датчиками перемещений и датчиками концевого положения стола.
Кроме того, устройство снабжено корпусом для размещения системы фокусировки излучения лазера.
Кроме того, устройство снабжено вакуумным насосом для крепления обрабатываемого изделия, сопряженным с двухкоординатным столом.
Кроме того, устройство снабжено защитным кожухом с вытяжкой.
Кроме того, вытяжка соединена с внешней системой вентиляции устройства.
Технический результат полезной модели заключается в получении минимальных геометрических искажений и повышении качества обработки поверхности при использовании переменного количества лазерных импульсов с общим энерговыделением, определяемым по заданной глубине деструкции слоя материала, за счет обеспечения идентичности амплитуды всех импульсов воздействия путем синхронизации моментов подключения устройства накачки лазера и начала промежутка времени получения изоэнергетических импульсов для обработки изделия,
Сущность полезной модели иллюстрируют фиг.1, на которой представлена блок-схема устройства, и фиг.2, на которой представлена схема системы фокусировки лазера.
Устройство содержит (фиг.1) блок управления (1), который включает вычислительное устройство на основе компьютера (на фиг.1 не показано), обеспечивающее выполнение заданной программы обработки изделия (гравировка поверхности, нанесение рисунка и т.п.). К блоку управления (1) подсоединен механизм перемещения обрабатываемого изделия (2), который содержит приводы перемещения во взаимно ортогональных направлениях и датчики перемещений и концевых положений (на фиг.1 не показаны), и сопряжен с двухкоординатным столом (3) для размещения обрабатываемого изделия, имеющим основание и предметный стол. Блок управления (2) соединен также с электронным устройством синхронизации (4), которое соединено с лазером (5) через устройство накачки лазера (на фиг.1 не показано) и с оптической системой фокусировки лазерного излучения (6). В качестве лазера (5) использован импульсный лазер непрерывного действия. С предметным столом двухкоординатного стола (3) сопряжен вакуумный насос для крепления образца (на фиг.1 не показан).
Устройство синхронизации (4) обеспечивает управление запуском генерации лазерных импульсов и жесткую синхронизацию момента появления лазерных импульсов за счет связи с устройством накачки лазера (5), выключение лазера (5) на интервалы времени, соответствующие пропуску заданного количества импульсов лазерного излучения, а также примерное постоянство энергии всех импульсов лазерного излучения. Одновременно электронное устройство синхронизации (3) управляет сканированием луча лазера по двум координатам в соответствии с программой обработки изделия за счет взаимодействия с оптической системой фокусировки лазерного излучения (6).
Оптическая система фокусировки лазерного излучения (6) содержит (фиг.2) установленные по ходу луча лазера (5) коллиматор (7), гальванометрические сканеры (8) и (9) и фокусирующий объектив (10), заключенные в корпус (11) для защиты оптических элементов от внешней среды. Оптическая система фокусировки лазерного излучения (6) в корпусе (11) образует обрабатывающую головку, излучение лазера (3) подводится к коллиматору (7) через корпус (11) посредством оптического волокна. Устройство синхронизации (4) осуществляет управление работой гальванометрических сканеров (8) и (9), зеркала которых установлены с возможностью поворота вокруг оси, обеспечиваемого приводами вращения, при этом оси сканеров (8) и (9) - взаимно ортогональны. Это обеспечивает сканирование изделия лучом лазера (4) вдоль взаимно ортогональных направлений (сканер Х (8) и сканер Y (9)). Оптическая система фокусировки лазерного излучения (5) подсоединена к механизму перемещения по высоте (12), который обеспечивает требуемую точную фокусировку излучения на поверхности обрабатываемого изделия за счет изменения расстояния между обрабатывающей головкой (фокусирующим объективом (10)) и поверхностью изделия на двухкоординатном столе (3). Устройство для лазерной обработки снабжено защитным кожухом с вытяжкой (на фиг. не показано), ограничивающим область распространения лазерного излучения областью обрабатываемого изделия, при этом предусмотрена возможность поднятия кожуха для облегчения доступа к зоне обработки до и после выполнения работ. Посредством стандартных соединительных воздуховодов вытяжка открывается во внешнюю систему вентиляции, что обеспечивает удаление продуктов сгорания материала изделия при обработке, и может, в частности, содержать центробежный вентилятор, фильтрационную камеру с фильтрующим материалом, воздуховоды различного сечения.
Работа устройства осуществляется следующим образом. На двухкоординатном столе (3) (например, типа ШВП) в пределах предметного стола размещают изделие и закрепляют его с помощью вакуумного насоса, например, мембранного типа 7011ZDC, рабочее давление разряжения составляет - 750 мБар, отключение вакуумного насоса обеспечивает снятие изделия с предметного стола после обработки. В вычислительное устройство (компьютер с интерфейсом и периферийными устройствами) блока управления (1) загружают программу обработки для получения изображения на материале изделия. В соответствии с программой обработки исходное изображение, которое должно быть перенесено на изделие, преобразуется в матрицу черных и белых точек (пикселей), причем градации цвета определяются количеством черных пикселей на единице площади. Обработку изделия проводят последовательно путем послойного
удаления материала в заданных точках в элементарных участках поверхности материала - клетках размером порядка 50×50 мм (основной режим работы), причем в конкретных примерах выполнения плоская заготовка изделия на двухкоординатном столе (3) может перемещаться с помощью механизма перемещения обрабатываемого изделия (2) в пределах поля 150×210 мм. При этом глубина воздействия в каждой точке поверхности пропорциональна количеству импульсов, подаваемых в эту точку, что регулируется устройством синхронизации (4) по сигналам блока управления (1). При отсутствии фрагмента изображения (белые пиксели) лазер (5) устройство синхронизации (4) через устройство накачки лазера отключает лазер (5) на время, соответствующее длительности цуга импульсов, излучаемых за время прохождения пучком лазерного излучения данного участка поверхности изделия. После завершения обработки каждого из фрагментов изображения двухкоординатный стол (3) перемещает заготовку на необходимое расстояние для проведения обработки следующего фрагмента, что происходит под контролем датчиков концевых положений. В конкретных случаях выполнения устройства погрешность перемещения заготовки изделия не превышает 20 мкм, а диаметр пятна на изделии от воздействия одиночного импульса составляет 10-15 мкм, что обеспечивает высокое физическое разрешение и получение качественного изображения на обрабатываемом изделии.
Излучение лазера (5), запускаемого устройством синхронизации (3) в соответствии с командами блока управления (1), по световоду (оптоволокну) поступает в коллиматор (7), где оно формируется в параллельный пучок и подается на зеркало сканера Х (8), которое вращается вокруг оси сканера с некоторым размахом, осуществляя развертку луча лазера по оси Y. Зеркало сканера Y (9) также вращается вокруг своей оси с некоторым размахом и обеспечивает сканирование строки по зрачку фокусирующего объектива (10). Фокусирующий объектив (10) в конкретных случаях выполнения может перемещаться с помощью отдельного привода (12) в пределах 1-12 мм от нулевого положения, отсчитываемого от поверхности изделия под контролем датчиков крайних положений. Это позволяет точно фокусировать лазерное излучение в плоскости обработки изделия и передать программно управляемое воздействие на изделие с минимальными искажениями.
В конкретных случаях выполнения устройства в качестве лазера (5) используют иттербиевый волоконный лазер, не требующий водяного охлаждения, со следующими характеристиками: длина волны лазерного излучения 1,05-1,07 мкм, частота следования импульсов 20-350 кГц, средняя мощность лазерного излучения 20 Вт. Режим использования лазера (5) определяется видом материала изделия, который должен быть
непрозрачным, а металлические поверхности должны быть неполированными. Так, для заготовок клише печатей лазерной гравировкой при использовании лазерных источников мощностью до 20 Вт рекомендуется использовать резину для черного цвета, которая может быть эффективно обработана с использованием заявляемого устройства.
Заявляемое устройство позволяет обрабатывать изделия толщиной до 5 мм с глубиной гравировки не менее 1 мм, с обеспечением максимального разрешения получаемого изображения не менее 2000 dpi (при использовании компьютера с разрешением монитора не хуже, чем 1280×1024 точек и разрешении сканера (периферийное устройство для ввода заданного изображения в компьютер блока управления)) не ниже 3200 dpi. Достигнутые характеристики устройства обеспечивают высококачественную обработку практически любых материалов (резина, пластик, металл и др.), что делает его перспективным для выполнения изображений с высокой степенью аутентичности. Устройство является экономичным в отношении энергопотребления (потребляемая мощность не превышает 0,8 кВт), что позволяет обеспечить экономическую эффективность его использования при широком внедрении.