RU2145919C1

RU2145919C1 - Installation for laser working of sheet materials

Info

Publication number: RU2145919C1
Application number: RU98115873A
Authority: RU
Inventors: А.М. Забелин
Original assignee: Закрытое акционерное общество "ТехноЛазер"; Забелин Александр Михайлович
Priority date: 1998-08-21
Filing date: 1998-08-21
Publication date: 2000-02-27

Abstract

FIELD: laser working technique, namely apparatuses for laser working of sheet materials, possibly in different industry branches for cutting out flat sheets. SUBSTANCE: installation includes manipulator, control system and laser. Manipulator has two traverse bars arranged mutually in parallel for moving cross piece along X-axis. Focusing lens and rotary mirror are arranged on cross piece and they are moved together along Y-axis. Technological laser and autonomous cooling system are mounted on other cross piece provided with its own drive unit. Cross piece with laser is used for moving installation at cutting out operations and provides practically constant length of optical tract at working. Operational systems of both cross pieces are mutually connected by optical means. EFFECT: significantly enlarged manufacturing possibilities of installation, its enhanced dynamic characteristics due to use of high-power laser. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов, а именно к фигурному раскрою плоских листов с помощью лазерного излучения, и может быть применено 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 used for the manufacture of parts of various configurations with a wide range of products 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 zones of the working field processing. 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 изменения 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 radiation transportation (optical path) is reduced, which ensures a more stable cut quality in the near and far processing zones, and also reduces the changes 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 автономной системой охлаждения 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 an autonomous cooling system 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 привода 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 drive 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 placed directly on the cross-beam next to 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, in such installations, lasers with a low self-weight are usually used, and. therefore, low-power (for example, YAG lasers). Accordingly, the limitation in radiation power drastically narrows the technological capabilities of such plants.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является обеспечение высоких динамических характеристик установки при ее широких технологических возможностях. The problem solved by the invention is to provide high dynamic characteristics of the installation with its wide technological capabilities.

Вышеуказанная задача решается тем, что в установке, состоящей из технологического лазера, автономной системы охлаждения, системы управления, манипулятора оптических элементов, состоящего из двух траверс и поперечины, поворотных зеркал, фокусирующего объектива, технологический лазер и автономная система охлаждения размещены на отдельной поперечине, перемещающейся параллельно поперечине, на которой размещены поворотные зеркала и фокусирующий объектив. Обе поперечины имеют собственные приводы. The above problem is solved by the fact that in an installation consisting of a technological laser, an autonomous cooling system, a control system, an optical element manipulator consisting of two traverses and a cross member, rotary mirrors, a focusing lens, a technological laser and an autonomous cooling system are placed on a separate cross member moving parallel to the cross-beam, on which rotary mirrors and a focusing lens are placed. Both crossbars have their own drives.

Сущность изобретения поясняется чертежом. На двух параллельно расположенных траверсах 1 по направляющим 2 размещена поперечина 3. На поперечине 3 имеется поворотное зеркало 4 и поворотное зеркало 5, направляющее излучение в фокусирующий объектив 6. На поперечине 7 размещаются технологический лазер 8 и автономная система охлаждения 9. Обрабатываемый лист 10 располагается между траверсами. Работой всей установки управляет общая система управления (не показана). The invention is illustrated in the drawing. On the two parallel traverses 1 along the guides 2 there is a cross member 3. On the cross member 3 there is a swivel mirror 4 and a swivel mirror 5, directing the radiation to the focusing lens 6. On the cross member 7 there is a technological laser 8 and an autonomous cooling system 9. The processed sheet 10 is located between traverse. The entire installation is controlled by a common control system (not shown).

Установка работает следующим образом. По команде системы управления установкой генерируемый в технологическом лазере 8 лазерный луч направляется на поворотное зеркало 4, отражаясь от которого направляется вдоль поперечины 3 (на фиг. 1 траектория луча пунктирной линией) на поворотное зеркало 5. От него лазерный луч направляется вертикально вниз в фокусирующий объектив 6. Из объектива лазерный луч попадает непосредственно на обрабатываемый лист 10. Работу технологического лазера обеспечивает расположенная на поперечине 7 автономная система охлаждения 9. Обе поперечины перемещаются по направляющим 2. Рабочие перемещения обеспечивает поперечина 3 (ось X) и фокусирующий объектив 6 с поворотным зеркалом 5 (ось Y). Все элементы, расположенные на поперечине 3, как и сама поперечина, выполнены максимально облегченными, что позволяет достичь высоких динамических характеристик. Installation works as follows. At the command of the installation control system, the laser beam generated in the technological laser 8 is directed to the rotary mirror 4, reflected from which is directed along the cross member 3 (in Fig. 1, the beam path by the dashed line) to the rotary mirror 5. From there, the laser beam is directed vertically downward into the focusing lens 6. From the lens, the laser beam directly hits the sheet being processed 10. The operation of the technological laser is ensured by an autonomous cooling system located on the cross-beam 7. 9. I move both cross-bars along the guides 2. Working movements are provided by the cross member 3 (X axis) and the focusing lens 6 with a rotary mirror 5 (Y axis). All elements located on the cross member 3, as well as the cross member itself, are made as light as possible, which allows to achieve high dynamic characteristics.

Основной вес расположен на поперечине 7 - технологический лазер и автономная система охлаждения. Поперечина 7 не участвует в рабочих перемещениях. Связь между оборудованием поперечины 3 только оптическая - лазерный луч. The main weight is located on cross member 7 - a technological laser and an autonomous cooling system. Cross member 7 is not involved in work movements. The connection between the equipment of the cross member 3 is only optical - a laser beam.

Система управления установки обеспечивает перемещение поперечины 7 следующим образом. При вырезке детали поперечина 3 перемещается с рабочими скоростями и ускорениями. Поперечина 7 перемещается с гораздо меньшими скоростями и ускорениями и при вырезке небольших деталей обычно неподвижна. После перехода от вырезки одной детали к вырезке другой изменяется местоположение фокусирующего объектива. Соответственно изменяется и длина оптического тракта (расстояние от технологического лазера до точки соприкосновения лазерного луча с обрабатываемым листом). По команде системы управления установкой поперечина 7 перемещает (X₁) технологический лазер на новое место с тем, чтобы длина оптического тракта осталась практически неизменной. Возникающие при вырезке детали изменения длины оптического тракта незначительны, соизмеримы с размерами деталей и длиной поперечины и не могут оказать большого влияния на качество обработки.The control system of the installation provides the movement of the cross member 7 as follows. When cutting parts, the cross member 3 moves with operating speeds and accelerations. The cross member 7 moves with much lower speeds and accelerations and is usually stationary when cutting small parts. After moving from cutting one part to cutting another, the location of the focusing lens changes. Accordingly, the optical path length also changes (the distance from the technological laser to the point of contact of the laser beam with the sheet being processed). At the command of the installation control system, the cross-beam 7 moves (X ₁ ) the technological laser to a new location so that the length of the optical path remains practically unchanged. Changes in the length of the optical path that occur during the cutting of parts are insignificant, commensurate with the dimensions of the parts and the length of the cross member, and cannot have a large impact on the quality of processing.

Так как отсутствует необходимость перемещения технологического лазера и автономной системы охлаждения с рабочими скоростями и ускорениями, а также высокая точность его позиционирования, то привод его перемещения может быть выполнен достаточно простым, а механизмы перемещения невысокой точности. Мощность привода поперечины 7, на которой размещены технологический лазер и автономная система охлаждения, может быть значительно снижена, в частности может быть равной мощности привода поперечины 3. Вместе с этим вес технологического лазера и автономной системы охлаждения 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 technological laser and an autonomous cooling system with operating speeds and accelerations, as well as the high accuracy of its positioning, the drive of its movement can be made quite simple, and the movement mechanisms are of low accuracy. The drive power of the cross beam 7, on which the technological laser and the autonomous cooling system are located, can be significantly reduced, in particular, it can be equal to the power of the drive of the cross beam 3. At the same time, the weight of the technological laser and the autonomous cooling system is practically unlimited, which allows for a large output radiation power technological laser and thereby maximize the technological capabilities of the entire installation.

Список литературы
1. Проспект фирмы "Messer Griesheim", Германия.List of references
1. Prospectus of the company "Messer Griesheim", Germany.

2. Проспект фирмы "ESAB", Швеция. 2. Prospectus of the company "ESAB", Sweden.

3. DVS-Berichte, Vol. 163, s. 373-374, Германия. 3. DVS-Berichte, Vol. 163, s. 373-374, Germany.

4. Технологические лазеры. Справочник: в 2 т., т. 1: Расчет, проектирование и эксплуатация/ Г.А. Абильсиитов, B.C. Голубев, В.Г. Гонтарь и др.; под общ. ред. Г.А. Абильсиитова.-М.: Машиностроение, 1991, стр. 128-129. 4. Technological lasers. Reference: in 2 vols., Vol. 1: Calculation, design and operation / G.A. Abilciites, B.C. Golubev, V.G. Gontar et al .; under the general. ed. G.A. Abilciitova.-M.: Mechanical Engineering, 1991, p. 128-129.

5. Лазерные технологические комплексы. Г.А. Абильсиитов, А.Н. Сафонов, В.Е. Кашин, Г.Ю. Микульшин, препринт N 51, НИЦТЛ, 1988, стр. 17. 5. Laser technological systems. G.A. Abilciitov, A.N. Safonov, V.E. Kashin, G.Yu. Mikulshin, preprint N 51, NITsTL, 1988, p. 17.

Claims

1. Installation for laser processing of sheet materials, including a technological laser, an autonomous cooling system, two parallel traverses, on the guides of which a cross member with rotary mirrors located on it and a focusing lens is located, characterized in that it is provided with a second cross member with a drive its movement, on which are located an autonomous cooling system and a technological laser with the possibility of directing the output radiation of a technological laser on rotating mirrors and a focusing lens.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the first cross member with swivel mirrors and a focusing lens is made lightweight, the second cross member with a technological laser and an autonomous cooling system is arranged to move with acceleration much less than the acceleration of the first cross member.

3. Installation according to claim 2, characterized in that the drives of the first and second crossbars are made with equal power.