RU2375162C2

RU2375162C2 - Method for automatic control of laser cutting or hole drilling process and device for its realisation

Info

Publication number: RU2375162C2
Application number: RU2007144278/02A
Authority: RU
Inventors: Игорь Владимирович Монаенков (RU); Игорь Владимирович Монаенков
Original assignee: Игорь Владимирович Монаенков
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2009-12-10
Also published as: RU2007144278A

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention is related to method and device for automatic control of laser cutting or hole drilling process. Method includes measurement of radiation reflected from zone of processing. Minimum value of reflected radiation amplitude is defined, compared to specified amplitude, and control of laser radiation capacity and/or cutting speed are controlled. Device comprises laser with power supply unit, rotary mirror, focusing lens, 2-coordinate table for fixation of processed part, unit of 2-coordinate table control, photodetector of secondary radiation and transformer of secondary radiation signal from photodetector, connected to unit of laser power supply and unit of 2-coordinate table control.

EFFECT: improved quality and capacity of through laser processing of materials.

2 cl, 1 dwg

Description

Использование: лазерная контурная резка деталей и прошивка калиброванных отверстий.Usage: laser contour cutting of parts and flashing calibrated holes.

Сущность изобретения: при лазерной резке или прошивке отверстий измеряют величину минимальной амплитуды вторичного излучения, после чего ее сравнивают с заданной величиной амплитуды и производят регулировку параметров лазерного излучения и/или скорости резки. Изобретение основано на эффекте изменения амплитуды отраженного излучения после образования сквозного отверстия в обрабатываемой детали.The essence of the invention: when laser cutting or flashing holes measure the value of the minimum amplitude of the secondary radiation, after which it is compared with a given value of the amplitude and adjust the parameters of the laser radiation and / or cutting speed. The invention is based on the effect of changing the amplitude of the reflected radiation after the formation of a through hole in the workpiece.

Способ относится к машиностроению и может быть использован при лазерной вырезке деталей или прошивке калиброванных отверстий.The method relates to mechanical engineering and can be used for laser cutting of parts or flashing calibrated holes.

Известно техническое решение, в котором на поверхность обрабатываемого материала подают сфокусированный поток лазерного излучения (ЛИ) и поток газа и перемещают деталь относительно потоков (см. Рыкалин Н.Н. и др. Лазерная обработка материалов, М., Машиностроение, 1975, с.233). В этом случае происходит газолазерная резка материала. Регулировка параметров ЛИ (мощности, частоты или длительности импульсов) и скорости резки осуществляется в ручном режиме.A technical solution is known in which a focused stream of laser radiation (LI) and a gas stream are fed onto the surface of the processed material and the part is moved relative to the flows (see Rykalin N.N. et al. Laser processing of materials, M., Mechanical Engineering, 1975, p. 233). In this case, gas-laser cutting of the material occurs. LI parameters (power, frequency or pulse duration) and cutting speed are adjusted in manual mode.

Наиболее близким к предлагаемому является способ регулирования процесса лазерной обработки, при котором измеряют отраженное из зоны обработки излучение, отличающийся тем, что с целью повышения точности определяют максимальную частоту F max отраженного излучения, определяют его максимальную амплитуду в интервале (0,9-1,00)F max и сравнивают ее с заданной амплитудой (RU 2028897 C1, В23К 26/00, 20.02.1995).Closest to the proposed method is the regulation of the laser processing process, in which the radiation reflected from the processing zone is measured, characterized in that in order to increase the accuracy, the maximum frequency F max of the reflected radiation is determined, its maximum amplitude is determined in the range (0.9-1.00 ) F max and compare it with a given amplitude (RU 2028897 C1, B23K 26/00, 02.20.1995).

Однако описанный способ применим только к несквозной обработке материалов, например сварке или маркировке, т.к. он снован на том, что в процессе лазерной обработки образуется сварочная ванна, в которой происходит кипение материала. Этот процесс кипения и является источником звукового сигнала обратной связи. Но при лазерной резке, в момент образования сквозного отверстия, эта сварочная ванна исчезает и эффект пропадает.However, the described method is applicable only to non-through materials processing, for example, welding or marking, because it is based on the fact that during the laser processing a weld pool is formed in which the material boils. This boiling process is the source of the feedback sound signal. But with laser cutting, at the moment of formation of a through hole, this weld pool disappears and the effect disappears.

Целью изобретения является повышение качества и производительности процесса лазерной резки или прошивки отверстий.The aim of the invention is to improve the quality and productivity of the laser cutting process or flashing holes.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом способе лазерной резки или прошивки отверстий измеряют величину минимальной амплитуды вторичного излучения, после чего ее сравнивают с заданной величиной амплитуды и производят регулировку параметров ЛИ и/или скорости резки.This goal is achieved by the fact that in the proposed method of laser cutting or flashing holes measure the value of the minimum amplitude of the secondary radiation, after which it is compared with a given value of the amplitude and adjust the parameters LI and / or cutting speed.

Это отраженное излучение несет информацию об обрабатываемом объекте.This reflected radiation carries information about the processed object.

Более подробно рассмотрим работу предлагаемого способа на примере наиболее часто применяемого на практике процесса лазерной резки металла.Let us consider in more detail the work of the proposed method by the example of the most frequently used in practice laser metal cutting process.

При включении лазера и подаче излучения на обрабатываемый объект амплитуда отраженного излучения возрастает от 0 до max. В этот момент происходит нагрев обрабатываемого объекта, кипение и испарение материла. Если мощности ЛИ достаточно, происходит образование сквозного отверстия и амплитуда отраженного излучения падает. Это обусловлено тем, что часть потока ЛИ, прошедшая через отверстие, экранируется заготовкой и рассеивается под деталью, не попадая на фотоприемник (который расположен над деталью).When the laser is turned on and the radiation is applied to the object being processed, the amplitude of the reflected radiation increases from 0 to max. At this point, the processed object is heated, boiling and evaporation of the material. If the LI power is sufficient, a through hole is formed and the amplitude of the reflected radiation decreases. This is due to the fact that the part of the LI flow that passed through the hole is shielded by the workpiece and scattered under the part, without falling onto the photodetector (which is located above the part).

После образования сквозного отверстия начинается процесс лазерной резки, когда обрабатываемая деталь начинает перемещаться по заданному контуру.After the through hole is formed, the laser cutting process begins when the workpiece begins to move along a given contour.

Если по каким-либо причинам (недостаточно плотности мощности ЛИ или велика скорость обработки) процесс сквозной резки прекращается, сквозной рез затекает расплавом и амплитуда отраженного излучения возрастает.If, for some reason (LI power density is insufficient or the processing speed is high), the through cutting process stops, the through cutting flows with the melt and the amplitude of the reflected radiation increases.

В этом случае, чтобы восстановить процесс сквозной резки, необходимо либо увеличить мощность ЛИ, либо снизить скорость резки, в результате чего опять образуется сквозной рез и амплитуда отраженного излучения уменьшается.In this case, in order to restore the through cutting process, it is necessary either to increase the LI power or to reduce the cutting speed, as a result of which a through cut is again formed and the amplitude of the reflected radiation decreases.

Иными словами, максимальной амплитуде отраженного излучения соответствует непрорез, а минимальной амплитуде соответствует сквозной рез. Таким образом, для образования стабильного реза необходимо всегда работать в области режимов, где амплитуда отраженного излучения минимальна.In other words, the maximum amplitude of the reflected radiation corresponds to non-cut, and the minimum amplitude corresponds to the through cut. Thus, for the formation of a stable cut, it is always necessary to work in the region of regimes where the amplitude of the reflected radiation is minimal.

Амплитуда сигнала вторичного излучения зависит от разных факторов - таких как мощность лазера, ширина реза, расходимость лазерного излучения, толщина и физические свойства обрабатываемого материала.The amplitude of the secondary radiation signal depends on various factors - such as laser power, cutting width, laser beam divergence, thickness and physical properties of the processed material.

Реализация предложенного способа позволит заменить ручную регулировку процесса лазерной резки или прошивки отверстий на автоматическую, что повысит качество и производительность процесса.Implementation of the proposed method will allow you to replace the manual adjustment of the laser cutting process or flashing holes with automatic, which will increase the quality and productivity of the process.

Способ осуществляется следующим образом (см. чертеж).The method is as follows (see drawing).

Поток излучения от лазера 1 отражается от поворотного зеркала 2, фокусируется объективом 3 на поверхность обрабатываемого материала, закрепленного на 2-координатном столе 4, который управляется по программе от блока управления 5. Зеркало 2 имеет интерференционное покрытие, отражающее лазерное излучение, но прозрачное для вторичного излучения из зоны обработки.The radiation flux from the laser 1 is reflected from the rotary mirror 2, is focused by the lens 3 on the surface of the processed material, mounted on a 2-coordinate table 4, which is controlled by the program from the control unit 5. Mirror 2 has an interference coating that reflects laser radiation, but transparent to secondary radiation from the treatment area.

Поток вторичного излучения от обрабатываемого материала, пройдя через объектив 3 и поворотное зеркало 2, попадает на фотоприемник 6.The flow of secondary radiation from the processed material, passing through the lens 3 and the rotary mirror 2, falls on the photodetector 6.

Отраженное из зоны обработки излучение имеет диаграмму направленности, максимум которой расположен вдоль оси фокусирующего объектива. Поэтому фотоприемник расположен в зоне максимального сигнала вторичного излучения.The radiation reflected from the treatment zone has a radiation pattern, the maximum of which is located along the axis of the focusing lens. Therefore, the photodetector is located in the zone of the maximum signal of the secondary radiation.

Сигнал с фотоприемника через преобразователь 7 поступает на источник питания лазера 8 и на блок управления 2-координатным столом 5.The signal from the photodetector through the converter 7 is fed to the power source of the laser 8 and to the control unit 2-coordinate table 5.

Таким образом осуществляется обратная связь между обрабатываемым объектом и исполнительным устройством.Thus, the feedback between the processed object and the actuator.

Реализация устройства позволит автоматически уменьшать мощность лазера в местах перегрева металла, что повысит качество резки, увеличит срок службы лампы накачки лазера и позволит сверлить калиброванные отверстия в материале.The implementation of the device will automatically reduce the laser power in places of metal overheating, which will increase the quality of cutting, increase the life of the laser pump lamp and allow you to drill calibrated holes in the material.

Кроме того, использование устройства позволит минимизировать время прошивки сквозного отверстия, оптимизировать скорость резки материалов, различных по физическим свойствам и толщине, а также от траектории движения обрабатываемой заготовки, что особенно важно при обработке острых углов вырезаемой детали и резке отверстий малого диаметра - мест, где возникает перегрев материала. В зонах, где возникает перегрев материала, надо автоматически увеличивать скорость резки - таким образом повышается и производительность, и качество резки.In addition, the use of the device will minimize the through-hole flashing time, optimize the cutting speed of materials different in physical properties and thickness, as well as from the motion path of the workpiece, which is especially important when processing sharp corners of a cut part and cutting small-diameter holes - places where material overheating occurs. In areas where overheating of the material occurs, it is necessary to automatically increase the cutting speed - this increases both productivity and cutting quality.

Проведенные эксперименты по измерению амплитуды сигнала, отраженного из зоны обработки, для различных материалов и толщин показали, что амплитуда сигнала при сквозной резке составляет от 20 до 60% максимальной амплитуды отраженного сигнала. Этого вполне достаточно для формирования стабильного сигнала обратной связи.The experiments on measuring the amplitude of the signal reflected from the processing zone for various materials and thicknesses showed that the amplitude of the signal during through cutting is from 20 to 60% of the maximum amplitude of the reflected signal. This is quite enough to form a stable feedback signal.

Claims

1. Способ автоматического регулирования процесса лазерной резки или прошивки отверстий, включающий измерение амплитуды отраженного из зоны обработки лазерного излучения, отличающийся тем, что определяют минимальную величину амплитуды отраженного излучения, сравнивают ее с заданной амплитудой и производят регулировку мощности лазерного излучения и/или скорости резки.1. A method for automatically controlling the laser cutting process or piercing holes, including measuring the amplitude of the laser radiation reflected from the processing zone, characterized in that the minimum amplitude of the reflected radiation is determined, compared with a predetermined amplitude, and laser power and / or cutting speed are adjusted.

2. Устройство автоматического регулирования процесса лазерной резки или прошивки отверстий по п.1, содержащее лазер с блоком питания, поворотное зеркало, фокусирующий объектив, 2-х координатный стол для закрепления обрабатываемой детали, блок управления 2-х координатным столом, фотоприемник вторичного излучения, преобразователь сигнала вторичного излучения с фотоприемника, связанный с блоком питания лазера и блоком управления 2-х координатным столом. 2. The device for automatically controlling the laser cutting process or flashing holes according to claim 1, comprising a laser with a power supply, a rotary mirror, a focusing lens, a 2-coordinate table for fixing the workpiece, a control unit for a 2-coordinate table, a secondary radiation detector, a secondary radiation signal converter from a photodetector connected to a laser power supply and a control unit of a 2 coordinate table.