ЛАЗЕРНАЯ РЕЖУЩАЯ УСТАНОВКА

Область техники
Изобретение относится к оборудованию для лазерной обработки, более конкретно - к способам и устройствам для размерной обработки изделий сложной пространственной формы и может быть использовано в технологических процессах для размерной резки изделий из ПКМ в авиакосмической промышленности, судостроении и др. отраслях промышленности.
Уровень техники
Существуют две основные схемы, по которым создаются подобные лазерные комплексы. В первой схеме перемещения по одной из координат осуществляется с помощью стола с закрепленной на нем деталью.
Принципиальная схема лазерной установки первого типа представлена в проспекте на лазерный комплекс «Лазионтур Квинта» фирмы «Мессер Грисхайм» (Германия) от 2000 года.
Работает он следующим образом.
2
Лазерный луч от технологического (СО-лазера) транспортируется через герметический тракт системой поворотных охлаждаемых водой зеркал, закрепленных на подвижных каретках в оптическую головку, где с помощью объектива фокусируется в зону обработки. Соосно с лучом в зону обработки подается технологический газ. Отработанный газ и продукты распада при резке отсасываются, а затем очищают с помощью фильтров специальным устройством.
Рабочий стол и сама конструкция передвижения оптической головки управляется динамичными приводами с помощью ЧПУ.
Подобные комплексы выпускаются фирмами «СВЛ» (Бельгия), «Ниппел Тована Корпорейшен» (США), «Ямазаки Мазак» Япония) и др.
Недостатками этих комплексов являются:
небольшие скорости обработки;
небольшая (относительно) зона обработки;
традиционная система транспортировки лазерного луча в зону обработки с помощью охлаждаемых зеркал, что приводит к энергетическим потерям.
Известна 3D размерная лазерная режущая машина, описанная в ЕР 1228836, В23К 37/04, 2001 г. Машина содержит станину со столом, перемещающимся горизонтально вдоль оси X, колонну с суппортом, перемещающимся по оси Y. Суппорт несет лазерную режущую головку, которая может вращаться вокруг вертикальной и горизонтальной осей.
Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту, т.е. прототипом, является пятикоординатный лазерный комплекс «Optimo-2545» фирмы «Prima Industrie» (Италия) (Проспект фирмы «Prima Industrie» 2007 год.)
Комплекс работает следующим образом:
Траверса, установлена с двух сторон на салазки, перемещаемые по стойкам основания двумя линейными приводами (координат X);
Каретка поперечная, перемещаемая по направляющим траверсы с помощью аналогичного двигателя (координат У):
Ползун вертикально перемещается (координата Z) по установленным неподвижно на поперечной каретке опорам с помощью синхронного двигателя, через шестерено-реечную передачу;
Оптическая головка крепится к торцу ползуна и от двух круговых синхронных двигателей может поворачиваться вокруг вертикальной оси Z (координата С) и горизонтальной оси (координата В), на конце оптической головки установлена режущая головка с фокусирующим объективом, соплом и датчиком, по сигналу которого по специальной программе оптическая головка поддерживает постоянный зазор между соплом и поверхностью обрабатываемой детали (шестая координата).
2
Лазерный луч от технологического СО-лазера транспортируется по герметичному тракту с помощью охлаждаемых стационарных зеркал затем с помощью закрепленных на движущихся каретках зеркал транспортируется в оптическую головку далее с помощью управляемого поворотного зеркала и поворотного зеркала подается на линзу), фокусирующую излучение на обрабатываемое изделие.
Соосно лучу в режущую головку подается технологический газ, который удаляет продукты горения из зоны резки, а затем отсасывается и фильтруется специальным устройством.
Фокусное расстояние может изменяться по программе в пределах ±7,5 мм с помощью изменяющего кривизну управляемого поворотного зеркала, находящегося в оптической головке.
Система ЧПУ Primach 9000L, базирующаяся на стандартном персональном компьютере, позволяет полностью автоматически управлять комплексом.
Подобные лазерные комплексы разработаны также фирмой «Трумпф» лазерный комплекс «Lasercell 6005» (Германия) и фирмой «Мазак» (Япония) лазерный комплекс «Mazak X612».
Главным недостатком данных комплексов является переменный оптический тракт с использованием традиционных охлаждаемых оптических зеркал, что приводит, во-первых, к большим энергетическим потерям (1-2% на каждом зеркале), во-вторых, изменяются пространственные характеристики луча с изменением расстояния от лазера до обрабатываемого изделия, что значительно влияет на качество реза.
Сущность изобретения.
Задачей изобретения является разработка 5-ти координатной лазерной установки для размерной обработки изделий сложной пространственной формы из ПКМ, обладающей меньшими энергетическими потерями лазерного излучения, большим КПД и позволяющей обрабатывать изделия больших габаритов, более 4 м в длину, с большей скоростью и с лучшим качеством реза.
Установка должна быть простой в эксплуатации, быть универсальной, обеспечивать прямое восприятие цифровых моделей изделий, созданных конструктором в CAD-среде, должна быть оборудована эффективным устройством отсоса технологического газа и других продуктов распада при лазерной обработке.
Поставленная задача достигается тем, что в лазерной режущей установке, содержащей станину со столом для закрепления деталей, суппорт с лазерной режущей головкой, координатную систему для перемещения и позиционирования суппорта, снабженную, приводами и кабеленесущими гибкими коробами, и лазер, оптически связанный с лазерной режущей головкой, выполненной с цилиндрическим корпусом, снабженным фокусирующей линзой, и конусным соплом, лазер, выполненный иттербиевым волоконным, содержащим на выходе волоконно-оптический кабель с коннектором, прецизионно связанным с коллиматором, снабженным выходным пустотелым цилиндром, сочленен коллиматором с цилиндрическим корпусом лазерной режущей головки.
Более того, в лазерной режущей установке волоконно-оптический кабель выполнен проходящим от источника лазерного излучения по коробу к основанию станка и кабеленесущим гибким коробам координатной системы для перемещения и позиционирования суппорта.
Такое выполнение установки позволяет уменьшить потери мощности, повысить производительность, точность и качество реза.
Перечень фигур на чертежах
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
- Фиг.1 - показывает общий вид лазерной установки для размерной обработки изделий сложной пространственной формы;
- Фиг.2. - показывает суппорт с установленной лазерной режущей головкой, показанной с частичным разрезом по оси.
Сведения, подтверждающие осуществимость изобретения.
Лазерная режущая установка в соответствии с изобретением содержит станину (основание) со столом для закрепления деталей, суппорт с лазерной режущей головкой, координатную систему для перемещения и позиционирования суппорта, снабженную, приводами и кабленесущими гибкими коробами, и лазер, оптически связанный с лазерной режущей головкой, выполненной с цилиндрическим корпусом, снабженным фокусирующей линзой, и конусным соплом.
При этом, лазер, выполненный иттербиевым волоконным, содержащим на выходе волоконно-оптический кабель с коннектором, прецизионно связанным с коллиматором, снабженным выходным пустотелым цилиндром, сочленен коллиматором с цилиндрическим корпусом лазерной режущей головки, а волоконно-оптический кабель выполнен проходящим от источника лазерного излучения по коробу к основанию станка и кабеленесущим гибким коробам координатной системы для перемещения и позиционирования суппорта.
Предпочтительный пример реализации изобретения может быть выполнен в виде установки для размерной обработки изделий сложной пространственной формы из ПКМ, представляющей собой пятикоординатный лазерный технологический комплекс. Комплекс состоит из следующих основных частей:
- станочная часть с входящими в нее устройствами;
- иттербиевый волоконный лазер с волоконным кабелем для транспортировки лазерного излучения в режущую головку.
Кроме того, в комплекс входят следующие основные узлы и устройства:
- кабина;
- устройство отвода и очистки газов из зоны;
- устройство автономного замкнутого охлаждения;
- устройство подвода пневмо- и электропитания;
- система управления с ЧПУ;
- пульт управления.
Станочная часть содержит станину со столом для закрепления обрабатываемых деталей и координатную систему для перемещения и позиционирования суппорта, несущего лазерную режущую головку. Координатная система для перемещения и позиционирования суппорта выполнена в виде портальной конструкции, которая обоснована большой величиной перемещений рабочих органов по координатам Х и У. Такая компоновка обеспечивает более высокую жесткость конструкции, чем конструкция консольного типа.
Станина 1 (См. Фиг.1.) снабжена столом для закрепления обрабатываемых деталей и боковыми стойками, закреплена на фундаменте и является базовым узлом для перемещения траверсы 2 закреплены по два ряда направляющих траверсы 2.
Траверса 2 - сварная балка установлена на салазки, перемещаемые по направляющим станины, установленными на верхних плоскостях левой и правой боковых стоек станины (координата X). Перемещение траверсы с салазками осуществляется двумя линейными приводами, работающими синхронно.
Каретка поперечная 3 установлена подвижно на траверсе 2 и перемещается по направляющим, установленным на верхней поверхности траверсы (координата У) на четырех шариковых опорах качения. Перемещение осуществляется аналогичным линейным приводом.
Суппорт установлен на нижнем конце ползуна 4, установленного подвижно вдоль вертикальной оси (координата Z), перемещаемого по установленным неподвижно на поперечной каретке четырем шариковым опорам качения с помощью синхронного двигателя с беззазорным встроенным планетарным редуктором, через шестеренно-реечную передачу. Для разгрузки массы ползуна, а также фиксации его положения при остановке, он снабжен пневмоцилиндром, выполненным с фиксацией штока при выключении привода по координате Z.
Кабина 6 предназначена для защиты оператора и обслуживающего персонала от вредного отраженного и рассеянного излучения лазерной установки. Кабина 6 закрывает станочную часть комплекса с 4-х сторон панелями из стального листа. Для удобства обслуживания комплекса со стороны загрузки и выгрузки деталей предусмотрены раздвижные створки, открывающиеся на всю ширину рабочей зоны. В этих же створках предусмотрены окна из специального защитного стекла для визуального наблюдения за процессом обработки.
Устройство отвода газов из зоны резания представляет собой автономную систему, состоящую из воздуховодов, расположенных на станине 1 вдоль левой и правой стоек. В воздуховодах равномерно расположены воздухозаборники. Отвод газов происходит в ближайшем к зоне резания воздухозаборнике, откуда газы по воздуховоду поступают в установку отсоса и фильтрации газов, которая очищает воздух от вредных продуктов сгорания и пыли и возвращает чистый воздух в атмосферу цеха.
Устройство подвода пневмо-электропитания 8 предназначено для пневмо-электропитания двигателей для прямолинейных перемещений X, У, Z и осуществляется посредством гибких кабеленесущих трактов формы «Ibusa».
Кабеленесущий тракт представляет собой гибкий короб, боковые стенки которого являются звеньями цепи. Звенья одной и другой цепи попарно соединены планками, образуя замкнутый контур. Поворот звеньев цепи относительно друг друга возможен только в одну сторону и на определенный угол, от которого зависит радиус гиба кабеленесущей цепи и выбран из условия минимально-допустимого радиуса изгиба самого волоконно-оптического кабеля.
При этом, комплекс снабжен кабеленесущими гибкими коробами, связывающими соответственно станину с траверсой, траверсу с поперечной кареткой, ползун с поперечной кареткой. Подвод электропитания для угловых перемещений В и С лазерной режущей головки осуществляется через коллекторные устройства.
Устройство автономного замкнутого водяного охлаждения 9 предназначено для охлаждения элементов л комплекса: лазера, линейных двигателей подач по координатам X, У и оптической режущей головки.
Пневмооборудование 10 включает систему осушки и очистки сжатого воздуха, а также систему регулирования и подачи режущего газа.
Блок электрооборудования 11 с системой управления на базе ЧПУ, обеспечивает работу комплекса в автоматическом режиме по программе от центрального или вспомогательного пультов управления 12.
Иттербиевый волоконный лазер 13 обеспечивает выходную мощность до 20 кВт, и выполнен волоконным иттербиевым, содержит на выходе волоконно-оптический кабель с коннектором на конце.
Лазерная режущая головка 5, закреплена на суппорте 14, (см. Фиг.2.)установленном на нижнем конце ползуна 4 и имеет возможность от двух встроенных тороидальных синхронных двигателей поворачиваться вокруг вертикальной оси Z (координата С) и горизонтальной оси (координата В).
Лазерная режущая головка 5 закреплена на суппорте 14 с помощью поворотного кронштейна 15. Лазерная режущая головка 5 состоит из трех разъемных частей: переходного устройства 16, коллиматора 17 и оптико-фокусирующей головки 18. При этом, коллиматор 17 и оптико-фокусирующая головка 18 соединены между собой с помощью фланца 19 поворотного кронштейна 15 и винтов.
Переходное устройство 16 представляет собой пустотелый цилиндр, в верней части которого имеется посадочное место для прецизионного соединения с коннектором 20 волоконно-оптического кабеля 21 (разъем QBH-типа), а в нижней части - фланец для соединения соосно с коллиматором 17.
Коллиматор 17 представляет собой цилиндрический корпус, в верхней части которого на расстоянии фокусной длины от торца коннектора закреплен двухкомпонентный объектив, преобразующий расходящийся лазерный пучок в параллельный, а нижним торцем корпус соосно соединен с оптико-фокусирующей головкой 18.
Оптико-фокусирующая головка 18 состоит из цилиндрического корпуса, в верхнюю часть которого вставлена фокусирующая линза 22. Корпус с линзой имеет возможность перемещаться в горизонтальной плоскости в двух взаимно перпендикулярных направлениях для более точной юстировки с оптической осью лазерного луча, также в вертикальной плоскости по координате Z для более точной фокусировки на обрабатываемую поверхность.
Корпус коллиматора охлаждается с помощью дисцилированной воды, подаваемой через имеющиеся на режущей головке штуцеры. К нижней части цилиндрического корпуса оптико-фокусирующей головки 18 крепится с помощью накидной гайки 23 конусное сопло 24, которое заканчивается датчиком 25 и выходным мундштуком 26 с отверстием 0,8 мм.
В конусном сопле 24 имеется штуцер для подачи соосно с лазерным лучом технологического газа, служащего для защиты обрабатываемой поверхности от обугливания и выноса продуктов при лазерной резке в систему отсоса.
Для транспортировки выходного излучения лазера 13 к лазерной режущей головке 5 используется волоконно-оптический кабель, который проходит по коробу к станине 1, где входит вместе с другими кабелями и шлангами пневмо-электропитания в кабеленесущий гибкий короб, соединяющий станину 1 с подвижной траверсой 2 - координата X.
Далее волоконно-оптический кабель переходит в гибкий короб, соединяющий траверсу 2 с поперечной кареткой 3, перемещающейся по координате Y, а затем переходит в гибкий короб, соединяющий поперечную каретку 3 с ползуном 4, перемещающим по координате Z.
Комплекс для лазерной размерной обработки изделий сложной пространственной формы из ПКМ работает следующим образом.
Оператор управляет комплексом с помощью устройства-человеко-машинного интерфейса, который установлен в пульте оператора.
Обрабатываемое изделие загружается на стол, вмонтированный в станочную часть станины 1 Затем с пульта управления 12 включается лазер 13 и выбирается необходимая для данного обрабатываемого изделия лазерная программа, которая включает в себя требуемую выходную мощность и параметры лазерного излучения, команды включения перемещения по всем 5-ти координатам лазерной режущей головки, команды на подачу технологического газа в сопло и другие вспомогательные команды, контролирующие технологический процесс. По команде оператора с пульта управления лазерный луч от лазера транспортируется по волоконно-оптическому кабелю 21 в режущую головку, которая имеет возможность за счет поворотов оптической головки тороидальными двигателями обеспечивать перпендикулярность к обрабатываемой поверхности, а с помощью сигнала от датчика функцией 3D-регулирования, являющейся программной функцией УЧПУ выдерживать постоянным расстояние между мундштуком 26 и обрабатываемым изделием.
Далее сколлимированный лазерный луч коллиматора направляется на сменную фокусирующую линзу 22 и фокусируется на обрабатываемое изделие. Образующиеся при лазерной резке частицы материала и продукты удаляются технологическим газом, подаваемым под давлением через штуцер соосно лазерному лучу в сопло. Отработанный технологический газ попадает затем в систему отсоса, где он фильтруется и выбрасывается в производственное помещение.
После выполнения программы технологический лазер выключается, а оптическая головка возвращается в исходное положение и так цикл может повторяться до введения другой команды или программы.
Неподвижность положения изделия позволяют обеспечить стабильные условия обработки с одной установки как обрезки по внешнему контуру, так и вырезки внутренних пазов и отверстий, а малый вес (отсутствие оптических зеркал в оптической головке) позволяют увеличить скорость обработки по координатам X, У, Z до 80 м/мин.
Сама транспортировка лазерного излучения от технологического лазера в зону обработки волоконным кабелем с энергетическими потерями менее 0,5% и высоким оптическим качеством излучения <2,5 мм.мрад. фактически не ограничивают размеры X, У, Z рабочей зоны обработки, что позволит обрабатывать изделия больших габаритов, ограниченных лишь самой конструкцией станка.
Использование изобретения позволяет:
2
- уменьшить энергетические потери лазерного комплекса на 25% за счет применения более экономичного иттербиевого волоконного лазера с КПД=29%, тогда как применение на сегодняшний день технологического СО - лазера имеют КПД 16%, а также применение волоконно-оптического тракта взамен традиционных зеркал в транспортировке лазерного излучения в зону обработки (потери составляют 12%);
- улучшить качество реза обрабатываемых изделий в дальней зоне резки, так как структура лазерного луча в любой точке рабочей зоны остается постоянной в отличие от известных комплексов, где лазерный луч транспортируется зеркалами;
- увеличить рабочую зону обработки изделия (она ограничивается только конструктивными размерами самой станочной части), т.к. длина волоконно-оптического кабеля более 30 м, а энергетические потери в нем 0,5% поэтому он позволяет транспортировать лазерное излучение без потерь в любую точку станочной части комплекса;
- увеличить рабочие скорости перемещения оптической головки за счет уменьшения ее веса (отсутствуют два охлаждаемых поворотных зеркала).