Установка для лазерной обработки

Изобретение относится к технологическому лазерному оборудованию и может быть использовано для прецизионной обработки изделий. Установка содержит излучатель, блоки питания и управления, телескопическое устройство, делитель луча с многогранной призмой, фокусирующий объектив и координатный стол. Делитель луча содержит кассету, выполнен подвижным и снабжен приводом линейного перемещения вдоль оптической оси лазерного луча и приводом вращения многогранной призмы вокруг оптической оси лазерного луча в плоскости, перпендикулярной этой оси. Оба привода электрически связаны с блоком управления. В исходном положении расположение делителя луча ограничено установочным размером l₀ от основания многогранной призмы до главной плоскости фокусирующего объектива. Это позволит расширить диапазон использования устройства за счет регулируемого изменения расстояния между центрами разделенных и сфокусированных лучей, а также увеличить количество одновременно облучаемых зон. 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к технологическому лазерному оборудованию и может быть использовано в машиностроении, авиа- и приборостроении.

Известна лазерная установка для резки [1].

Известная установка содержит лазер, делитель лазерного луча, выполненный в виде двух зеркал - полупрозрачного и глухого, наклоненных под углом к оптической оси луча, две фокусирующие головки для раздельной фокусировки лучей перпендикулярно обрабатываемой поверхности, приводы с датчиками положения для перемещения по одной координате головок и жестко связанных с ними зеркал.

Основной недостаток известной установки состоит в том, что заложенный в конструкции принцип раздельной (или индивидуальной) настройки лучей оправдан при обработке достаточно габаритных изделий, термические деформации которых вследствие возможного несовпадения фокальных плоскостей (плоскостей фокусировки) каждого луча не существенны. Кроме того, конструкция известной установки не позволяет выполнить обработку под углом к обрабатываемой поверхности, а также не позволяет развернуть лучи и разделить лучи на три, четыре или более луча одинаковой интенсивности. Эти обстоятельства ограничивают возможности установки при обработке прецизионных изделий из-за неравномерного нагрева обрабатываемых кромок.

Известна установка для лазерной обработки «Квант-10», содержащая лазер, источник питания, блок управления, телескопическое устройство, делитель луча в виде неподвижной двухгранной призмы (бипризмы) с кронштейном для ее крепления, фокусирующий объектив для совмещенной фокусировки разделенных лучей. Данная установка принята в качестве прототипа [2].

Основной недостаток известной установки заключается в том, что ее возможности ограничены при обработке прецизионных изделий, поскольку делитель луча выполнен неподвижным, что, во-первых, не позволяет изменять, в зависимости от поставленной задачи, расстояние между оптическими центрами разделенных и сфокусированных лучей, а во-вторых, применение двухгранной призмы (бипризмы) с малым преломляющим углом обуславливает небольшое расстояние между центрами разделенных лучей в плоскости фокусировки: менее 1 мм; в-третьих, применение двухгранной призмы (одной бипризмы) позволяет сформировать всего лишь два луча.

Кроме того, не определено положение бипризмы относительно фокусирующей линзы, что при фокусировке лучей приводит к появлению интерференционных полос и снижению мощности излучения; при задании параметров бипризмы не учтено расстояние между бипризмой и фокусирующим объективом, что приводит к ошибке при расчете расстояния между оптическими центрами разделенных и сфокусированных лучей.

Целью предлагаемого изобретения является расширение диапазона его использования для прецизионной лазерной обработки изделий за счет регулируемого изменения (увеличения или уменьшения) расстояния между центрами разделенных и сфокусированных лучей, увеличения количества одновременно облучаемых лазерным излучением зон и за счет автоматизации процесса настройки.

Данный технический результат достигается тем, что в установке для лазерной обработки, содержащей лазерный излучатель, блоки питания и управления, телескопическое устройство, делитель луча с многогранной призмой, фокусирующий объектив и координатный стол, делитель луча содержит кассету и выполнен подвижным и снабженным приводом для линейного перемещения вдоль оптической оси лазерного луча и приводом для вращения призмы вокруг оптической оси лазерного луча в плоскости, перпендикулярной этой оси, при этом оба привода электрически связаны с блоком управления установки, а расположение делителя в исходном состоянии ограничено установочным размером l₀ от основания призмы до главной плоскости фокусирующего объектива, величина которого определена соотношением

l₀=s/2·tgδ,

где s - размер основания призмы, δ - угол отклонения призмы, определяемый соотношением

δ=β₂-w,

где w - преломляющий угол призмы, β₂ - угол преломления луча к перпендикуляру преломляющей грани призмы, синус которого равен sinβ₂=1,5sinw.

Другое отличие состоит в том, что в установке делитель луча содержит n-гранную призму, где n - количество граней призмы, которое может быть равно 3, 4 и т.д.

На фиг.1 и 2 изображена схема установки для лазерной обработки по п.1, а на фиг.3 и 4 - по п.2.

Установка содержит лазерный излучатель 1, генерирующий луч 2; блок питания 3; блок управления 4 с пультом ввода данных; телескопическое устройство 5, формирующее параллельный луч 2 с диаметром D_ту; делитель 6, преобразующий луч 2 в два луча 7 и 8, оптические оси которых в исходном (начальном) положении лежат в плоскости, совпадающей с направлением перемещения одной из координат координатного стола 9 (плоскость чертежа). В состав делителя 6 входит многогранная призма (например, бипризма) 10 и кассета 11. Призма 10 состоит из двух призм 12 и 13, совмещенных по боковой поверхности. Размер основания призмы 10 равен величине s, а преломляющий угол при вершине каждой из призм 13 и 12 равен w (при этом w≤41°). Делитель луча 6 установлен на приводе линейного перемещения 14 и приводе вращения 15, последний посредством зубчатой передачи (не показана) механически связан с кассетой 11. Между делителем 6 и координатным столом 9 установлен фокусирующий объектив 16 с диаметром, равным D₀.

Дополнительно (фиг.3 и 4), в комплекте, установка содержит трехгранную призму 18 и четырехгранную призму 19, каждая из которых содержит, соответственно, три и четыре призмы, совмещенные по боковым поверхностям. Призмы 18 и 19 устанавливаются в кассете 11 делителя 6 и обеспечивают разделение исходного лазерного луча 2 на три и четыре луча соответственно.

Работает установка следующим образом.

На координатный стол 9 помещают изделие 17 с заданными размерами и известной траекторией обработки, поджимают его струбцинами (не показаны), ориентируя оси изделия (или реперные знаки) по направлениям движения координатного стола, и устанавливают в фокальной плоскости линзы объектива 16.

Включают блок питания 3 с пульта блока управления 4. Вводят энергетические параметры, параметры траектории зон обработки изделия 17 и командой на исполнение приводами 14, 15 устанавливают делитель 6 с кассетой 11 и призмой 10 в рабочее положение, а командой на обработку включают высокое напряжение, перемещение координатного стола 9 и проводят лазерную обработку. При этом лазерный излучатель 1 генерирует лазерный луч 2, который после телескопического устройства 5 с диаметром D_ту направляется в делитель 6, призма 10 которого с помощью призм 12 и 13 преобразует его в два луча 7 и 8 одинаковой интенсивности. Оба луча направляются на фокусирующий объектив 16, а затем на деталь 17.

Основные конструктивные параметры установки получены следующим образом. Размер основания s призмы 10 должен быть несколько больше (˜ на 10%) диаметра лазерного луча D_ту на выходе телескопического устройства 5, т.е.

Уменьшение размера основания призмы приводит к диафрагмированию лазерного луча и неэффективному использованию его мощности, а при увеличении размера основания s призмы 10 неэффективно используется поверхность призмы.

Первая грань - основание призмы 10 перпендикулярно оптической оси лазерного луча 2 (угол падения α₁=0), а боковая грань, по которой совмещены призмы 12 и 13, делит лазерный луч 2 на два луча 7 и 8 одинаковой интенсивности. После первой грани оба луча 7 и 8, каждый из которых, не преломляясь, попадают на вторую - преломляющую грань своей призмы 12 и 13, соответственно, под углом падения α₂ к перпендикуляру второй грани и, преломляясь под углом β₂ к перпендикуляру второй грани, выходят из призмы 10 под углом δ к оптической оси лазерного луча 2, т.е. к первоначальному направлению распространения. Оба луча 7 и 8 сходятся к оптической оси лазерного луча на расстоянии ˜ l₀ от основания призмы 10 (ее первой грани) и расходятся после ее пересечения. Расстояние l₀ является установочным размером, определяющим для данной конструкции призмы 10 и делителя 6 минимальное расстояние между основанием призмы 10 и главной плоскостью фокусирующего объектива 16, при котором исключается взаимное перекрытие лучей 7 и 8 в главной плоскости фокусирующего объектива при ее пересечении каждым из разделенных лучей. То есть это "ноль" делителя 6, при котором искажения разделенных и сфокусированных в фокальной плоскости лучей 7 и 8 минимальны и не существенны для целей обработки. Установочный размер l₀ может быть рассчитан по формуле

Оба расходящихся луча 7 и 8 фокусирующий объектив 16 собирает в фокальной плоскости в два сфокусированных пучка, центры которых находятся на расстоянии L друг от друга, таком, что

где m=(l+l₀) - расчетное расстояние делителя 6, l - величина хода делителя 6 с призмой 10, l₀ - установочный размер, f - фокусное расстояние линзы объектива 16, δ - угол отклонения луча призмой.

При этом величина m не должна превышать некоторого максимального значения (при котором разделенные лучи могут диафрагмироваться фокусирующим объективом 16 с диаметром D₀), определяемого соотношением

Величина угла отклонения луча δ призмой находится следующим образом. В общем случае для треугольной призмы известно соотношение, связывающее между собой углы падения α₁ и преломления β₂ с преломляющим углом призмы w [3]

где α₁ - угол падения луча к перпендикуляру первой грани, β₂ - угол преломления луча к перпендикуляру второй преломляющей грани, w - преломляющий угол призмы.

В случае призмы с основанием, перпендикулярным одновременно боковой поверхности призмы и оптической оси лазерного излучения, угол падения α₁=0. И так как в рассматриваемой конструкции основание призмы 10 (ее первая грань) расположено перпендикулярно оптической оси лазерного луча, то угол падения луча на первую грань α₁=0, тогда соотношение (5) для угла отклонения луча 8 каждой призмой 13 и 12 примет вид

Из закона преломления следует, что для луча выходящего из призмы,

где α₂ - угол падения луча к перпендикуляру второй грани, β₂ - показатель преломления. Так как по определению показатель преломления n=c/v, где с и v - скорости распространения света в вакууме и в среде, соответственно, то для пары воздух-кварцевое стекло n₁=1,5, а для пары кварцевое стекло-воздух n₂=1/n=0,66.

Из (7) с учетом сказанного, получим

Из геометрических построений следует (фиг.2), что α₂=w, или

Таким образом, угол отклонения луча δ призмой определяется через синус преломляющего угла призмы w по формулам (6) и (9). Полученное значение δ используется для определения установочного размера l₀ и размера L между центрами сфокусированных в фокальной плоскости лучей 7 и 8 по формулам (2) и (3).

Конструкция установки позволяет при подаче команды на привод 15 повернуть призму 10 в кассете 11 вокруг своей оси в плоскости, перпендикулярной оптической оси лазерного луча 2, для получения на поверхности обрабатываемого изделия 17 зоны обработки в виде окружности (при работе в непрерывном режиме) или в виде отдельных точек (при работе в импульсном режиме), расположенных по окружности с радиусом R в диапазоне от L₀/2 до L_max/2 при m=l₀ и m=m_max=(l+l₀), соответственно. В конструкции установки предусмотрены трехгранные 18 и четырехгранные 19 призмы для разделения лазерного луча на три и четыре луча одинаковой интенсивности и получения трех (через 120°) и четырех (через 90°), соответственно, зон обработки. В зависимости от поставленной задачи в кассету 11 делителя 6 может быть установлена призма и с большим числом граней, т.е. n граней.

Использование предлагаемой установки для лазерной обработки и, в частности, для сварки цилиндрических осесимметричных сборочных узлов позволяет уменьшить возникающие сварочные деформации как за счет симметричного расположения сварочных точек, так и за счет увеличения их числа и более частого размещения по стыку свариваемых деталей при одновременном нагреве изделия в зонах фокусировки. В процессах поверхностного упрочнения (легирования) или гравировки возможность плавного изменения расстояния между разделенными и сфокусированными лучами позволяет в автоматическом режиме сформировать заданный контур обработки. Таким образом, расширяется диапазон использования установки, а также повышается качество процесса обработки (в частности, процесса сварки) за счет уменьшения возможных деформаций свариваемых изделий.

Источники информации

1. Япония (JP) В, Заявка № 2-35639, опубл.13.08.1990 г., №2-891, МКИ 5 В 23 К 26/08, 26/06.

2. Лазеры в технологии. Под ред. М.Ф.Стельмаха. М., «Энергия», 1975 г., с.106-107.

3. Кухлинг X. Справочник по физике. Пер. с нем. Под ред. Е.М.Лейкина. М., Мир, 1982 г., с.274.

Установка для прецизионной лазерной обработки изделий, содержащая излучатель, блоки питания и управления, телескопическое устройство, делитель луча с многогранной призмой, фокусирующий объектив, координатный стол, отличающаяся тем, что делитель луча содержит кассету, выполнен подвижным и снабжен приводом линейного перемещения вдоль оптической оси лазерного луча и приводом вращения многогранной призмы вокруг оптической оси лазерного луча в плоскости, перпендикулярной этой оси, при этом оба привода электрически связаны с блоком управления, а расположение делителя луча в исходном положении ограничено установочным размером l₀ от основания многогранной призмы до главной плоскости фокусирующего объектива, величина которого определяется из соотношения

l₀=s/2·tgδ,

где s - размер основания многогранной призмы; δ - угол отклонения многогранной призмы, определяемый из соотношения

δ=β₂-w,

где w - преломляющий угол многогранной призмы; β₂ - угол преломления луча к перпендикуляру преломляющей грани призмы, синус которого равен

sinβ₂=1,5sinw.