RU2140837C1

RU2140837C1 - Installation for laser working of sheet materials

Info

Publication number: RU2140837C1
Application number: RU98113753A
Authority: RU
Inventors: А.М. Забелин; Е.В. Зеленов; Г.Ю. Микульшин
Original assignee: Закрытое акционерное общество "ТехноЛазер"
Priority date: 1998-07-13
Filing date: 1998-07-13
Publication date: 1999-11-10

Abstract

FIELD: laser techniques in different branches of machine engineering for cutting out materials. SUBSTANCE: installation includes manipulator, control system and laser. Manipulator includes two traverse bars arranged mutually in parallel for moving cross piece on them along X-axis. Lens placed on traverse bar is moved along Y-axis. Technological laser includes functional unit with power source, systems providing laser operation, reservoirs with working gases and optical resonator. Laser head is mounted on cross piece and it is rigidly joined with lens. Functional unit is mounted on movable block and it may move independently upon cross piece of manipulator. Laser head and functional unit are connected by means of supply lines. EFFECT: possibility of using high-power lasers providing enlarged technological resources at high dynamic characteristics. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов, а именно к фигурному раскрою плоских листов с помощью лазерного излучения и может быть для изготовления деталей различной конфигурации широкой номенклатуры в машиностроении, электротехнике, авиа- и автомобилестроении и др. The invention relates to the field of laser processing of materials, namely to the figured cutting of flat sheets using laser radiation and can be for the manufacture of parts of various configurations of a wide range in mechanical engineering, electrical engineering, aircraft and automotive industries, etc.

Известна установка для раскроя листовых материалов с помощью лазерного излучения фирмы "Messer Griesheim", Германия [1]. Установка включает в свой состав технологический лазер, систему управления и манипулятор оптических элементов - поворотных зеркал и технологического объектива. Манипулятор оптических элементов включает две траверсы продольного перемещения вдоль оси X, на которых расположены направляющие и исполнительные механизмы приводов - ШВП, передачи рейка-шестерня, линдвиты и т.д., и поперечину для перемещения технологического объектива вдоль оси Y. Вместе с объективом перемещается также и последнее по трассе прохождения лазерного излучения поворотное зеркало. Known installation for cutting sheet materials using laser radiation company "Messer Griesheim", Germany [1]. The installation includes a technological laser, a control system and a manipulator of optical elements - rotary mirrors and a technological lens. The optical element manipulator includes two traverses of longitudinal movement along the X axis, on which the guiding and actuating mechanisms of the drives are located - ballscrews, pinion gears, lindvits, etc., and a crosspiece for moving the technological lens along the Y axis. Together with the lens, it also moves and the last rotary mirror along the laser path.

Установка работает следующим образом. Генерируемое технологическим лазером излучение направляется вдоль одной из траверс на первое поворотное зеркало, расположенное на поперечине. Отражаясь от него, излучение вдоль поперечины направляется на второе поворотное зеркало и далее вертикально вниз в технологический объектив. В технологическом объективе излучение фокусируется и направляется непосредственно на обрабатываемый лист. Фигурный раскрой листового материала обеспечивается взаимным перемещением поперечины по траверсам и технологического объектива с последним поворотным зеркалом вдоль поперечины. Installation works as follows. The radiation generated by the technological laser is directed along one of the traverses to the first rotary mirror located on the cross member. Reflecting from it, the radiation along the cross member is directed to the second rotary mirror and then vertically down to the technological lens. In a technological lens, the radiation is focused and directed directly to the processed sheet. The figured cutting of the sheet material is provided by the mutual movement of the cross member along the traverse and the technological lens with the last rotary mirror along the cross member.

Основным недостатком конструкции вышеописанной установки является постоянно изменяемая в процессе работы длина оптического тракта, что ведет к изменению качества реза и геометрических размеров вырезаемых деталей в ближней и дальней зонах обработки рабочего поля. Данные изменения обусловлены расходимостью излучения, а также искажением волнового фронта по длине транспортировки излучения. The main drawback of the design of the above installation is the optical path length that is constantly changed during operation, which leads to a change in the quality of the cut and the geometric dimensions of the cut parts in the near and far processing zones of the working field. These changes are due to the divergence of the radiation, as well as the distortion of the wavefront along the length of the radiation transportation.

Известны установки для раскроя листового материала, в конструкции которых во время работы обеспечивается перемещение технологического лазера вдоль оси X [2] , [3] . Тем самым изменение длины транспортировки излучения (оптического тракта) уменьшается, что обеспечивает более стабильное качество реза в ближней и дальней зонах обработки, а также снижает связанные с этим изменение геометрических размеров вырезаемых деталей. Known installations for cutting sheet material, the design of which during operation ensures the movement of the technological laser along the X axis [2], [3]. Thus, the change in the length of the radiation transport (optical path) is reduced, which ensures a more stable cut quality in the near and far processing zones, and also reduces the associated change in the geometric dimensions of the cut parts.

Недостатком конструкции данных установок является необходимость постоянного перемещения во время их работы технологического лазера. Используемые для фигурного раскроя лазеры имеют в большинстве своем выходную мощность излучения до 6 кВт. Вес таких лазеров вместе с холодильной камерой составляет 3-5 тонны [4]. Необходимость перемещения таких масс накладывает существенные ограничения на динамические характеристики подобных установок, хотя технологические параметры позволяют проводить фигурный раскрой с рабочими скоростями до 100 м/мин. The drawback of the design of these installations is the need for constant movement during their operation of the technological laser. The lasers used for figured cutting mostly have an output radiation power of up to 6 kW. The weight of such lasers together with a refrigerator is 3-5 tons [4]. The need to move such masses imposes significant restrictions on the dynamic characteristics of such installations, although the technological parameters allow figured cutting with operating speeds of up to 100 m / min.

Необходимость быстрого и реверсивного перемещения тяжелого технологического лазера ведет к большим нагрузкам на приводы и быстрому износу механизмов перемещения - передачи рейка-шестерня, ШВП, подшипниковые узлы и т.д. The need for fast and reverse movement of a heavy technological laser leads to heavy loads on the drives and rapid wear of the movement mechanisms - gear rack gear, ballscrews, bearing assemblies, etc.

Кроме того, изменение длины оптического тракта в процессе работы таких установок по сравнению с вышеуказанным аналогом хотя и уменьшается, но остается. In addition, the change in the length of the optical path during the operation of such installations compared to the above analogue, although it decreases, remains.

Известны установки "Севан", в которых отсутствуют все недостатки, связанные с изменением длины оптического тракта [5]. В таких установках технологический лазер размещен непосредственно на поперечине рядом с объективом и перемещается во время работы по обеим осям X и Y. В процессе работы таких установок длина оптического тракта остается неизменной. Поэтому качество реза и геометрические характеристики вырезаемых деталей остаются неизменными по всей рабочей зоне. Known installation "Sevan", which lacks all the disadvantages associated with changing the length of the optical path [5]. In such installations, the technological laser is located directly on the cross-beam near the lens and moves during operation along both X and Y axes. During the operation of such installations, the optical path length remains unchanged. Therefore, the quality of the cut and the geometric characteristics of the cut parts remain unchanged throughout the working area.

Главным недостатком конструкции таких установок является необходимость перемещения технологического лазера по 2-м рабочим координатам с рабочей скоростью. Поэтому в таких установках обычно используются лазеры с небольшим собственным весом и, следовательно, маломощные (например, ИАГ-лазеры). Соответственно ограничение по мощности излучения резко сужает технологические возможности таких установок. The main drawback of the design of such installations is the need to move the process laser along 2 working coordinates with operating speed. Therefore, lasers with a low self-weight and, therefore, low-power ones (for example, YAG lasers) are usually used in such installations. Accordingly, the limitation in radiation power drastically narrows the technological capabilities of such plants.

Задачами, решаемыми предлагаемым изобретением, являются обеспечение высоких динамических характеристик установки при ее широких технологических возможностях. The problems solved by the invention are to provide high dynamic characteristics of the installation with its wide technological capabilities.

Вышеуказанные задачи решаются тем, что в установке, состоящей из технологического лазера, системы управления, манипулятора оптических элементов, лазерная головка, включающая камеру возбуждения, оптический резонатор технологического лазера размещена на поперечине манипулятора, а источник питания, системы обеспечения работы лазера, холодильная машина, а также баллоны с рабочим газом размещены в функциональном блоке, имеющий собственный привод и перемещающийся вдоль одной из траверс манипулятора. Функциональный блок соединен с оптическим резонатором узлом подвода коммуникаций. The above problems are solved by the fact that in the installation consisting of a technological laser, a control system, an optical element manipulator, a laser head including an excitation chamber, an optical laser of the technological laser is located on the crossbar of the manipulator, and the power source, laser support systems, a refrigeration machine, and working gas cylinders are also placed in a functional unit that has its own drive and moves along one of the manipulator traverses. The functional unit is connected to the optical resonator by a communications supply unit.

Лазерная головка может вращаться вокруг оси генерируемого излучения и может быть установлена вертикально. Этим обеспечивается возможность совмещения вектора поляризации выходного излучения и вектора направления движения объектива или лазерной обработке. The laser head can rotate around the axis of the generated radiation and can be mounted vertically. This makes it possible to combine the polarization vector of the output radiation and the vector of the direction of motion of the lens or laser processing.

Лазерная головка может иметь выходное излучение в виде нескольких пучков, оси которых лежат в одной плоскости, совпадающей с плоскостью поляризации выходного излучения. The laser head may have output radiation in the form of several beams, the axes of which lie in one plane coinciding with the plane of polarization of the output radiation.

Оптимальные параметры лазерной обработки, например резки и сварки, могут достигаться в том случае, когда эти пучки фокусируются на определенных, вообще говоря, неравных глубинах по толщине материала (фиг. 2). Optimal parameters of laser processing, for example, cutting and welding, can be achieved when these beams are focused at certain, generally speaking, unequal depths in the thickness of the material (Fig. 2).

Например, один пучок (a) фокусируется на верхнюю поверхность материала, другой (d) на нижнюю поверхность и пучки (c) и (b) на некоторой глубине от поверхности. При этом могут изменяться и углы падения каждого пучка на поверхность материала. For example, one beam (a) focuses on the upper surface of the material, the other (d) on the lower surface and the beams (c) and (b) at a certain depth from the surface. In this case, the angles of incidence of each beam on the surface of the material can also change.

При изменении направления лазерной обработки плоскость осей пучков и плоскость поляризации поворачиваются вслед за вектором направления движения объектива. When changing the direction of laser processing, the plane of the axes of the beams and the plane of polarization rotate after the direction vector of the lens.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1). На двух параллельно расположенных траверсах 1 по направляющим 2 перемещается поперечина 3. На поперечине размещены лазерная головка 4, поворотное зеркало 5 и объектив 6. Обрабатываемый лист 7 размещен между траверсами под поперечиной. Параллельно с одной из траверс размещены направляющие 8, по которым перемещается функциональный блок 9, включающий источник питания лазера, системы обеспечения работы лазера и баллоны с рабочими газами. Функциональный блок имеет собственный привод 10. Узел подвода коммуникаций 11 соединяет функциональный блок 9 с лазерной головкой 4. Работой всей установки управляет общая система управления (не показана). The invention is illustrated in the drawing (Fig. 1). On two parallel traverses 1, a cross member 3 moves along the guides 2. A laser head 4, a pivoting mirror 5, and a lens 6 are placed on the cross member. The processed sheet 7 is placed between the traverses under the cross member. In parallel with one of the traverses, guides 8 are placed along which the functional unit 9 moves, including a laser power source, laser support systems and working gas cylinders. The functional unit has its own drive 10. The communication supply unit 11 connects the functional unit 9 to the laser head 4. The operation of the entire installation is controlled by a common control system (not shown).

Установка работает следующим образом. По команде системы управления, генерируемый в лазерной головке 4 лазерный луч направляется на поворотное зеркало 5. Отражаясь от него, луч направляется в объектив 6, фокусируется в нем и направляется на обрабатываемый лист 7. Взаимные перемещения поперечины 3 по направляющим 2 траверс 1 обеспечивают фигурный раскрой обрабатываемого листа. Параллельно с поперечиной 3 по направляющим 8 перемещается функциональный блок 9, обеспечивающий работу лазерной головки. Его перемещение обеспечивается приводом 10. Их связь осуществляется путем подвода коммуникаций 11. Installation works as follows. At the command of the control system, the laser beam generated in the laser head 4 is directed to the rotary mirror 5. Reflecting from it, the beam is directed to the lens 6, focused in it and sent to the sheet being processed 7. Mutual movements of the cross member 3 along the guides 2 of the traverse 1 provide figured cutting processed sheet. In parallel with the cross member 3, a functional unit 9 is moved along the guides 8, which ensures the operation of the laser head. Its movement is provided by the drive 10. Their communication is carried out by supplying communications 11.

Так как основной вес технологического лазера находится в функциональном блоке 9, то поперечина с размещенными на ней лазерной головкой, поворотным зеркалом и объективом получается достаточно легкой и имеет высокие динамические характеристики (рабочая скорость и ускорения). Since the main weight of the technological laser is located in functional unit 9, the cross-beam with a laser head, a rotary mirror and a lens placed on it is quite light and has high dynamic characteristics (operating speed and acceleration).

Вырезка детали осуществляется в локальном месте обрабатываемого листа. Рабочие перемещения для вырезки одной детали незначительные по сравнению с размерами рабочей зоны установки и определяются геометрическими размерами вырезаемой детали. Cutting parts is carried out in a local place of the processed sheet. The working displacements for cutting one part are insignificant in comparison with the dimensions of the working area of the installation and are determined by the geometric dimensions of the cut part.

Функциональный блок 9 не участвует в рабочих перемещениях и в момент вырезки детали или перехода от одной детали к другой либо стационарен, либо перемещается ближе к поперечине с достаточно небольшой скоростью. При этом возникающие в процессе лазерной обработки ускорения функционального блока существенно ниже ускорений лазерной головки. Значительно, на порядки, снижаются и силы инерции, действующие на функциональный блок и его привод перемещения. Узел подвода коммуникаций гибкий и компенсирует небольшие изменения расстояния между функциональным блоком и оптическим резонатором. Functional unit 9 is not involved in working movements and, at the time of cutting a part or moving from one part to another, is either stationary or moves closer to the cross member at a fairly low speed. In this case, the accelerations of the functional unit that arise during laser processing are significantly lower than the accelerations of the laser head. Significantly, by orders of magnitude, the inertia forces acting on the functional block and its displacement drive are also reduced. The communication supply unit is flexible and compensates for small changes in the distance between the functional unit and the optical resonator.

Так как отсутствует необходимость перемещения функционального блока с рабочими скоростями и ускорениями, а также высокая точность его позиционирования, то привод его перемещения может быть достаточно простым, а механизмы перемещения невысокой точности. Вместе с этим вес функционального блока практически неограничен, что позволяет обеспечить большую выходную мощность излучения технологического лазера и тем самым максимально расширить технологические возможности всей установки. Since there is no need to move the functional block with operating speeds and accelerations, as well as high accuracy of its positioning, the drive of its movement can be quite simple, and the mechanisms of movement are of low accuracy. At the same time, the weight of the functional unit is practically unlimited, which allows to provide a large output radiation power of the technological laser and thereby maximize the technological capabilities of the entire installation.

Список литературы:
1. Проспект фирмы "Messer Griesheim", Германия (прилагается).List of references:
1. Prospectus of the company "Messer Griesheim", Germany (attached).

2. Проспект фирмы "ESAB", Швеция (прилагается). 2. Prospectus of the company "ESAB", Sweden (attached).

3. DVS-Berichte, Vol. 163, s. 373-374, Германия (прилагается)
4. Технологические лазеры. Справочник: в 2 т., Т.1. Абильсиитов Г.А., Голубев В. С. , Гонтарь В.Г. и др. Расчет, проектирование и эксплуатация. / Под общ. ред. Г.А.Абильсиитова. -М.: Машиностроение, 1991, с. 128-129.3. DVS-Berichte, Vol. 163, s. 373-374, Germany (attached)
4. Technological lasers. Reference: in 2 vols., T.1. Abilciitov G.A., Golubev V.S., Gontar V.G. and others. Calculation, design and operation. / Under the total. ed. G.A.Abilsiitova. -M.: Engineering, 1991, p. 128-129.

5. Абильсиитов Г.А., Сафонов А.Н., Кашин В.Е., Микульшин Г.Ю. Лазерные технологические комплексы) Препринт N 51. 1988, -НИЦТЛ, с. 17. 5. Abilciitov G.A., Safonov A.N., Kashin V.E., Mikulshin G.Yu. Laser technological complexes) Preprint N 51. 1988, -NITsTL, p. 17.

Claims

1. Installation for laser processing of sheet materials, including a technological laser, consisting of a laser head and a functional unit containing a power source, a laser support system, a working gas container and a refrigeration machine, a control system and an optical element manipulator, consisting of two traverses and a movable cross member with a focusing lens located on it with the possibility of moving along the cross member, characterized in that the laser head is placed on the cross member, the installation is equipped with ravlyaetsya mobile node and its drive movement thereon, wherein the function block is mounted on the movable unit and the guides are arranged parallel to one of the traverse.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the laser head is vertically rotatable relative to the output radiation and with the possibility of obtaining output radiation with a plane of polarization coinciding with the direction of motion of the focusing lens.

3. Installation according to claim 2, characterized in that the laser head is configured to receive output radiation in the form of several beams lying in one plane coinciding with the plane of polarization.

4. The installation according to claim 3, characterized in that the laser head and the fixing lens are rigidly connected, and the lens is configured to focus each beam to a predetermined depth along the thickness of the processed sheet.