RU2293005C1

RU2293005C1 - Installation for working by laser

Info

Publication number: RU2293005C1
Application number: RU2005118886/02A
Authority: RU
Inventors: Александр Леонидович Мальцев (RU); Александр Леонидович Мальцев; Тать на Владимировна Веселова (RU); Татьяна Владимировна Веселова; Вадим Васильевич Балашов (RU); Вадим Васильевич Балашов; Алексей Александрович Дмитриев (RU); Алексей Александрович Дмитриев
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2007-02-10

Abstract

FIELD: laser working processes, namely system for laser working used for different working of parts having surfaces of revolution.

SUBSTANCE: installation includes apparatus 3 for fastening and rotating worked part mounted on platform arranged with possibility of moving on guides 6. Technological laser, laser head 15 and light joint 19 are in the form of united laser unit mounted in carriage of vertical motion drive. Said vertical motion drive 8 is mounted on carriage of stationary drive unit 9 for horizontal motion. Drive 20 for angular rotation of light joint 19 is mounted on body of laser unit. Inner cavities of light joint 19 and laser head 15 are communicated with system for supplying purified air.

EFFECT: enhanced operational reliability and safety, reduced size of installation, small contamination degree of optical members at working process.

4 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для различной лазерной обработки деталей с поверхностями вращения.The invention relates to laser technology and can be used for various laser processing of parts with surfaces of revolution.

Известна установка для лазерной обработки по пат. РФ №2107599 (опубл. 27.03.1998), включающая в себя стационарный технологический лазер, систему транспортировки излучения с поворотным блоком с отражающим зеркалом, систему управления, защитную кабину, технологический стол для обрабатываемой детали, подвижный блок, установленный над технологическим столом, состоящий из привода перемещения в горизонтальной плоскости, технологического объектива и поворотного отражающего зеркала, вращающегося вокруг вертикальной оси.Known installation for laser processing according to US Pat. RF №2107599 (publ. March 27, 1998), which includes a stationary technological laser, a radiation transportation system with a rotary unit with a reflecting mirror, a control system, a protective cabin, a technological table for the workpiece, a movable block mounted above the technological table, consisting of horizontal displacement drive, a technological lens and a rotary reflecting mirror rotating around a vertical axis.

При работе данной установки генерируемое в технологическом лазере излучение направляется на управляемый поворотный блок, отражается на его зеркале и далее попадает на поворотное зеркало подвижного блока. Затем, отражаясь от поворотного зеркала подвижного блока, излучение направляется вертикально вниз в технологический объектив, где фокусируется на обрабатываемую деталь, установленную на технологическом столе. Подвижный блок осуществляет горизонтальные перемещения вдоль двух координат, формируя траекторию обработки детали.During the operation of this installation, the radiation generated in the technological laser is directed to a controllable rotary unit, is reflected on its mirror, and then enters the rotary mirror of the movable unit. Then, reflected from the rotary mirror of the movable unit, the radiation is directed vertically down to the technological lens, where it focuses on the workpiece mounted on the technological table. The movable unit performs horizontal movements along two coordinates, forming the path of processing the part.

Однако данная установка пригодна для обработки только плоских деталей (листы и пр.) или деталей с незначительным отклонением от плоскости, так как лазерный луч направлен вертикально вниз и не меняет своего направления в процессе обработки и технологический стол в процессе обработки неподвижен. Другим недостатком описанной установки является нестабильность длины лазерного луча при обработке детали из-за того, что технологический лазер установлен стационарно, а подвижный блок, передающий излучение, перемещается по обрабатываемой поверхности. При изменении длины лазерного луча изменяются его характеристики, а следовательно, качество выполнения операций обработки детали лазерным лучом в разных положениях подвижного блока будет различно.However, this setup is suitable for processing only flat parts (sheets, etc.) or parts with a slight deviation from the plane, since the laser beam is directed vertically downward and does not change its direction during processing and the technological table is stationary during processing. Another disadvantage of the described installation is the instability of the length of the laser beam during processing of the part due to the fact that the technological laser is stationary, and the movable unit transmitting radiation moves along the surface to be treated. When the length of the laser beam changes, its characteristics change, and therefore, the quality of the processing operations of the part by the laser beam in different positions of the moving block will be different.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является установка для лазерной обработки по пат. РФ №2218255 (опубл. 10.12.2003), предназначенная для обработки крупногабаритных деталей с поверхностями вращения второго порядка. Установка содержит несущую конструкцию, стационарный технологический лазер, лазерную головку с приводом фокусировки, световой шарнир, устройство крепления обрабатываемой детали, системы управления и энергообеспечения. Имеются приводы углового поворота лазерной головки, вертикального перемещения лазерной головки, горизонтального перемещения лазерной головки, горизонтального перемещения устройства крепления обрабатываемой детали, вращения обрабатываемой детали.Closest to the proposed invention is the installation for laser processing according to US Pat. RF №2218255 (publ. 10.12.2003), designed for the processing of large parts with surfaces of revolution of the second order. The installation comprises a supporting structure, a stationary technological laser, a laser head with a focusing drive, a light hinge, a device for fastening the workpiece, a control system and energy supply. There are drives for angular rotation of the laser head, vertical movement of the laser head, horizontal movement of the laser head, horizontal movement of the fastening device of the workpiece, rotation of the workpiece.

Благодаря увеличению степеней свободы перемещения лазерного луча относительно обрабатываемой детали описанная установка позволяет обрабатывать более широкий спектр деталей (становится возможной обработка деталей с поверхностями вращения второго порядка). Однако недостатком указанной установки по-прежнему является изменение длины лазерного луча в процессе обработки, что затрудняет фокусировку луча, так как постоянно изменяется расстояние между стационарным технологическим лазером и подвижной лазерной головкой. Вследствие установки технологического лазера стационарно, и при условии обеспечения перемещения лазерной головки по всем перечисленным координатам усложняется и удлиняется оптический тракт, что приводит к увеличению потерь энергии. Другим недостатком данной установки является возможность загрязнения оптических элементов лазерной головки и светового шарнира продуктами лазерной обработки, попадающими в процессе работы установки в окружающий воздух.Due to the increase in the degrees of freedom of movement of the laser beam relative to the workpiece, the described setup allows you to process a wider range of parts (it becomes possible to process parts with second-order rotation surfaces). However, the disadvantage of this setup is still a change in the length of the laser beam during processing, which makes it difficult to focus the beam, since the distance between the stationary process laser and the movable laser head is constantly changing. Owing to the installation of the technological laser, it is stationary, and provided that the laser head is moved along all the coordinates listed above, the optical path becomes complicated and lengthens, which leads to an increase in energy loss. Another disadvantage of this installation is the possibility of contamination of the optical elements of the laser head and the light hinge with laser products that fall into the surrounding air during the operation of the installation.

Предлагаемым изобретением решается задача обеспечить постоянную и минимальную длину лазерного луча в процессе обработки, предотвратить возможность загрязнения оптических элементов лазерной головки и светового шарнира продуктами лазерной обработки, попадающими в процессе работы установки в окружающий воздух.The present invention solves the problem of ensuring a constant and minimum length of the laser beam during processing, to prevent the possibility of contamination of the optical elements of the laser head and light hinge with laser products that fall into the surrounding air during the operation of the installation.

Для достижения указанного технического результата в установке для лазерной обработки, содержащей несущую конструкцию, технологический лазер, лазерную головку, световой шарнир с приводом его поворота, приводы горизонтального и вертикального перемещений лазерной головки и светового шарнира, устройство крепления и вращения обрабатываемой детали, установленное на платформе, выполненной с возможностью ее перемещения по направляющим, системы управления и энергообеспечения, технологический лазер, лазерная головка и световой шарнир выполнены как единый лазерный блок, лазерный блок установлен на каретке привода вертикального перемещения, привод вертикального перемещения установлен на каретке стационарного привода горизонтального перемещения, привод углового поворота светового шарнира установлен на корпусе лазерного блока, внутренние полости светового шарнира и лазерной головки соединены с системой подачи очищенного воздуха.To achieve the specified technical result in the installation for laser processing, containing the supporting structure, a technological laser, a laser head, a light hinge with a drive to rotate it, drives horizontal and vertical movements of the laser head and light hinge, a mounting and rotation device for the workpiece mounted on the platform, made with the possibility of its movement along the guides, control and energy supply systems, a technological laser, a laser head and a light hinge They are used as a single laser unit, the laser unit is mounted on the carriage of the vertical displacement drive, the vertical displacement drive is installed on the carriage of the stationary horizontal displacement drive, the angular rotation drive of the light hinge is mounted on the laser unit body, the internal cavities of the light hinge and the laser head are connected to the cleaned air supply system .

Отличительными признаками предлагаемой установки лазерной обработки от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, являются выполнение технологического лазера, лазерной головки и светового шарнира в виде единого лазерного блока, установка лазерного блока на каретке привода вертикального перемещения, установка привода вертикального перемещения на каретке стационарного привода горизонтального перемещения, установка привода углового поворота светового шарнира на корпусе лазерного блока и соединение внутренних полостей светового шарнира и лазерной головки с системой подачи очищенного воздуха.Distinctive features of the proposed laser processing unit from the above known, closest to it, are the technological laser, the laser head and the light hinge in the form of a single laser unit, the installation of the laser unit on the vertical movement carriage, the installation of the vertical movement drive on the stationary horizontal carriage movement, installation of the angular rotation drive of the light hinge on the laser unit housing and the connection of the internal light cavities hinge and laser head with purified air supply system.

Благодаря наличию этих признаков при работе установки для лазерной обработки удается обеспечить 2 степени свободы перемещения технического лазера относительно обрабатываемой поверхности, в результате становится возможным позиционировать источник лазерного излучения на минимальном расстоянии от обрабатываемой поверхности и упростить оптический тракт за счет сокращения оптических элементов, уменьшить длину лазерного луча и поддерживать ее постоянной, и, как следствие, уменьшить потери энергии в оптическом тракте, исключить процесс фокусировки лазерного луча при обработке поверхности, упростить процесс обработки. Кроме того, соединение внутренних полостей светового шарнира и лазерной головки с системой подачи очищенного воздуха дает возможность предотвратить загрязнение оптических элементов лазерной головки и светового шарнира продуктами лазерной обработки, попадающими в процессе работы установки в окружающий воздух, повысить надежность и безопасность ее эксплуатации, сократить габариты.Due to the presence of these signs, when operating the laser processing unit, it is possible to provide 2 degrees of freedom of movement of the technical laser relative to the surface being treated; as a result, it becomes possible to position the laser source at a minimum distance from the surface to be treated and to simplify the optical path due to the reduction of optical elements and reduce the length of the laser beam and keep it constant, and, as a result, reduce energy loss in the optical path, eliminate the process focusing the laser beam during surface treatment, simplify the processing process. In addition, the connection of the internal cavities of the light joint and the laser head with the purified air supply system makes it possible to prevent the optical elements of the laser head and light joint from being contaminated with laser products falling into the surrounding air during the operation of the installation, to increase the reliability and safety of its operation, and to reduce dimensions.

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-4.The proposed device is illustrated by the drawings shown in figures 1-4.

На фиг.1 показан общий вид установки для лазерной обработки.Figure 1 shows a General view of the installation for laser processing.

На фиг.2 показаны пути перемещения рабочих органов установки.Figure 2 shows the paths of movement of the working bodies of the installation.

На фиг.3 показан путь лазерного луча.Figure 3 shows the path of the laser beam.

На фиг.4 показано устройство лазерного блока.Figure 4 shows the device of the laser unit.

Установка для лазерной обработки (фиг.1) содержит защитную кабину 1, лазерный блок 2, устройство крепления и вращения обрабатываемой детали в виде технологического стола 3, на который устанавливается обрабатываемая деталь 4. Привод 5 перемещает технологический стол 3 в горизонтальном направлении (координата Z, фиг.2, 3) по направляющим 6. Привод 7 приводит во вращение обрабатываемую деталь 4 вокруг своей оси (координата U, фиг.2, 3). Лазерный блок 2 установлен на каретке привода 8 вертикального перемещения лазерного блока 2 (координата Y, фиг.2, 3). Привод 8 с лазерным блоком 2 закреплены на каретке стационарного привода 9 горизонтального перемещения (координата X, фиг.2, 3). Лазерный блок 2 через гибкую связь 10 и систему роликов 11 соединен с противовесом 12 (фиг.1) для обеспечения надежности и безопасности работы установки, исключения возможности самопроизвольного перемещения лазерного блока по вертикали.The installation for laser processing (figure 1) contains a protective cabin 1, a laser unit 2, a device for fastening and rotating the workpiece in the form of a technological table 3, on which the workpiece 4 is mounted. Drive 5 moves the technological table 3 in the horizontal direction (coordinate Z, figure 2, 3) along the guides 6. The drive 7 drives the workpiece 4 in rotation around its axis (coordinate U, figure 2, 3). The laser unit 2 is mounted on the carriage of the drive 8 for vertical movement of the laser unit 2 (Y coordinate, FIGS. 2, 3). The drive 8 with the laser unit 2 is mounted on the carriage of the stationary drive 9 horizontal movement (coordinate X, Fig.2, 3). The laser unit 2 through a flexible connection 10 and the system of rollers 11 is connected to a counterweight 12 (figure 1) to ensure reliability and safety of the installation, eliminating the possibility of spontaneous movement of the laser unit vertically.

Лазерный блок 2 (фиг.4) содержит технологический лазер 13, установленный в герметичном корпусе 14, лазерную головку 15, штуцер 16 системы подвода очищенного воздуха, неподвижное зеркало 17, подшипниковый узел 18, световой шарнир 19, привод 20 светового шарнира 19, кинематическую передачу 21. Лазерная головка 15 содержит входное защитное стекло 22, рассеивающую линзу 23, неподвижную в осевом направлении, и трансфокатор 24. Трансфокатор 24 содержит собирающую линзу 25, подвижную в осевом направлении, подвижную оправку 26 рассеивающей линзы 23. Световой шарнир 19 содержит подвижное зеркало 27 и подвижное защитное стекло 28. Защитная кабина 1 имеет защитный рольставень - 29 (фиг.1). Предлагаемая установка работает следующим образом. В исходном положении лазерный блок 2 поднят в верхнее положение, защитный рольставень 29 открыт и технологический стол 3 выведен из защитной кабины 1 (фиг.1). На поверхность технологического стола 3 устанавливается обрабатываемая деталь 4, при этом ось вращения технологического стола 3 совпадает с осью вращения обрабатываемой поверхности детали 4. С помощью привода 5 технологический стол 3 по направляющим 6 перемещается внутрь защитной кабины 1 и останавливается в рабочем положении (координата Z, фиг.2, 3). Защитный рольставень 29 закрывается. Лазерный блок 2 с помощью стационарного привода 9 позиционируется над обрабатываемой деталью 4 по координате Х (фиг.2, 3), затем с помощью привода 8 - по координате Y (фиг.2, 3). Выполнение технологического лазера как единого лазерного блока 2 позволяет установить его на каретке привода 8 вертикального перемещения, который установлен на каретке стационарного привода 9 горизонтального перемещения. Установка лазерного блока 2 на каретке линейного привода 8 вертикального перемещения (координата Y фиг.2, 3) дает возможность перемещаться лазерному блоку 2 по двум координатам Х и Y (фиг.2, 3), т.е. лазерный блок 2 имеет две степени свободы относительно защитной кабины 1. Появляется возможность позиционирования луча на минимальное и постоянное расстояние от обрабатываемой поверхности 4, отпадает необходимость его фокусировки в процессе работы, упрощается процесс обработки, число оптических элементов сокращается, уменьшаются потери энергии.The laser unit 2 (Fig. 4) contains a technological laser 13 installed in an airtight housing 14, a laser head 15, a fitting 16 for the purified air supply system, a fixed mirror 17, a bearing assembly 18, a light hinge 19, a drive 20 of a light hinge 19, a kinematic transmission 21. The laser head 15 includes an input protective glass 22, a diffusing lens 23, which is stationary in the axial direction, and a zoom 24. A zoom 24 contains a collecting lens 25, which is movable in the axial direction, a movable mandrel 26 of the diffusing lens 23. Light hinge 19 win the movable mirror 27 and the movable cover glass 28. The protective cabin 1 has a protective roller shutter - 29 (Figure 1). The proposed installation works as follows. In the initial position, the laser unit 2 is raised to the upper position, the protective roller shutter 29 is open and the technological table 3 is removed from the protective cabin 1 (Fig. 1). The workpiece 4 is installed on the surface of the technological table 3, while the axis of rotation of the technological table 3 coincides with the axis of rotation of the processed surface of the part 4. Using drive 5, the technological table 3 along the guides 6 moves inside the protective cabin 1 and stops in the working position (coordinate Z, figure 2, 3). The protective roller shutter 29 closes. The laser unit 2 using a stationary drive 9 is positioned above the workpiece 4 at the X coordinate (Fig.2, 3), then with the help of the drive 8 - at the Y coordinate (Fig.2, 3). The implementation of the technological laser as a single laser unit 2 allows you to install it on the carriage of the vertical drive 8, which is installed on the carriage of the stationary horizontal drive 9. The installation of the laser unit 2 on the carriage of the linear vertical drive 8 (coordinate Y of FIGS. 2, 3) makes it possible to move the laser unit 2 along two coordinates X and Y (FIGS. 2, 3), i.e. the laser unit 2 has two degrees of freedom relative to the protective cabin 1. There is the possibility of positioning the beam at a minimum and constant distance from the surface 4, there is no need to focus it during operation, the processing process is simplified, the number of optical elements is reduced, energy losses are reduced.

Световой шарнир 19 позиционирует лазерный луч в начальную точку обработки детали 4 (координата Т, фиг.2, 3). Включается технологический лазер 13 и вращение технологического стола 3 (координата U, фиг.2, 3). Лазерный луч L, выходя из технологического лазера 13, направляется вертикально вниз, и, проходя через входное защитное стекло 22, рассеивающую линзу 23, собирающую линзу 25, попадает под углом 45° на неподвижное зеркало 17. Затем, отразившись от зеркала 17, лазерный луч получает горизонтальное направление по оси А (фиг.3) поворота светового шарнира 19 и попадает на поверхность подвижного зеркала 27 под углом 45°, отражается от него и получает направление, соответствующее повороту светового шарнира 19. Световой шарнир 19 приводится в движение приводом 20, который установлен на корпусе 14 лазерного блока 2. Установка привода 20 на корпусе 14 лазерного блока 2 дает возможность упростить конструкцию кинематической передачи 21 от привода 20 к световому шарниру 19. Пройдя через выходное защитное стекло 28, луч выходит из светового шарнира 19 и попадает на поверхность обрабатываемой детали 4. Для предотвращения попадания продуктов лазерной обработки во внутренние полости лазерной головки 15 и светового шарнира 19, эти полости соединены с системой 16 подачи очищенного воздуха (фиг.4). При подаче сжатый воздух создает избыточное давление во внутренних полостях лазерной головки 15 и светового шарнира 19 и, тем самым, препятствует попаданию в полости продуктов лазерной обработки и, как следствие, возможности оседания этих продуктов на поверхностях оптических элементов. После каждого оборота технологического стола 3 производится поворот светового шарнира 19 (координата Т, фиг.4) на заданную величину в одном направлении, пока координата Т не достигнет заданного конечного значения. Путем последовательного изменения координат X, Y, Z, Т становится возможным проводить обработку поверхности в любой точке поверхности детали.The light hinge 19 positions the laser beam at the starting point of the processing part 4 (coordinate T, Fig.2, 3). The technological laser 13 and the rotation of the technological table 3 are turned on (coordinate U, FIGS. 2, 3). The laser beam L, leaving the process laser 13, is directed vertically downward, and passing through the input protective glass 22, the scattering lens 23, the collecting lens 25, falls at an angle of 45 ° to the fixed mirror 17. Then, reflected from the mirror 17, the laser beam receives a horizontal direction along the axis A (Fig. 3) of rotation of the light hinge 19 and hits the surface of the movable mirror 27 at an angle of 45 °, is reflected from it and receives a direction corresponding to the rotation of the light hinge 19. The light hinge 19 is driven by the drive 20, which is mounted on the housing 14 of the laser unit 2. Installing the drive 20 on the housing 14 of the laser unit 2 makes it possible to simplify the design of the kinematic transmission 21 from the drive 20 to the light hinge 19. After passing through the output protective glass 28, the beam exits the light hinge 19 and hits the surface the workpiece 4. To prevent laser products from entering the internal cavities of the laser head 15 and the light hinge 19, these cavities are connected to the purified air supply system 16 (Fig. 4). When supplied, compressed air creates excess pressure in the internal cavities of the laser head 15 and the light hinge 19 and, thus, prevents the laser treatment products from entering the cavities and, as a result, the possibility of settling of these products on the surfaces of optical elements. After each revolution of the technological table 3, the light hinge 19 is rotated (coordinate T, FIG. 4) by a predetermined amount in one direction, until the coordinate T reaches a predetermined final value. By successively changing the coordinates of X, Y, Z, T, it becomes possible to conduct surface treatment at any point on the surface of the part.

Claims

Установка для лазерной обработки, содержащая несущую конструкцию, технологический лазер, лазерную головку, световой шарнир с приводом его поворота, привод вертикального перемещения с кареткой, стационарный привод горизонтального перемещения с кареткой, устройство крепления и вращения обрабатываемой детали, установленное на платформе, выполненной с возможностью ее перемещения по направляющим, и системы управления и энергообеспечения, отличающаяся тем, что технологический лазер, лазерная головка и световой шарнир выполнены в виде единого лазерного блока, который установлен на каретке привода вертикального перемещения, установленного на каретке стационарного привода горизонтального перемещения, при этом привод углового поворота светового шарнира установлен на корпусе лазерного блока, а внутренние полости светового шарнира и лазерной головки соединены с системой подачи очищенного воздуха.A laser processing installation comprising a supporting structure, a technological laser, a laser head, a light hinge with a drive for turning it, a vertical movement drive with a carriage, a stationary horizontal movement drive with a carriage, a mounting and rotation device for a workpiece mounted on a platform configured to moving along the guides, and control systems and energy supply, characterized in that the technological laser, laser head and light hinge are made in the form of a single th laser unit, which is mounted on a carriage drive vertical movement mounted on the stationary carriage actuator of horizontal movement, the actuator angular turning of the hinge is mounted on the light of the laser unit body and the inner cavity of the hinge and light laser head connected to supply purified air system.