RU2799460C1 - Laser cutting head for machine - Google Patents
Laser cutting head for machine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2799460C1 RU2799460C1 RU2022120965A RU2022120965A RU2799460C1 RU 2799460 C1 RU2799460 C1 RU 2799460C1 RU 2022120965 A RU2022120965 A RU 2022120965A RU 2022120965 A RU2022120965 A RU 2022120965A RU 2799460 C1 RU2799460 C1 RU 2799460C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- wavefront
- laser beam
- laser
- cutting head
- optical
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs
Настоящее изобретение относится к устройствам лазерной резки для режущих станков и в частности относится к лазерной режущей головке для использования в волоконно-оптической системе лазерной резки в режущем станке или в комбинированном режущем/пробивном станке для металлических листов.The present invention relates to laser cutting devices for cutting machines, and in particular relates to a laser cutting head for use in a fiber optic laser cutting system in a cutting machine or a combined cutting/punching machine for metal sheets.
Уровень техникиState of the art
Применение лазерных систем для резки, гравировки и сварки заготовок известно и широко распространено в станкостроении для обработки металлических листов и пластин.The use of laser systems for cutting, engraving and welding workpieces is known and widespread in the machine tool industry for processing metal sheets and plates.
Как известно, лазер представляет собой устройство, способное излучать посредством стимулированного процесса излучения монохроматический свет, т.е. с одной длиной волны, когерентный в пространстве и сконцентрированный в пучке, имеющем очень высокую светимость (яркость). Способность концентрировать большое количество энергии на очень маленькой площади позволяет лазерным устройствам резать, гравировать и сваривать металлы. Резка металлических материалов обычно происходит за счет испарения и, главным образом, плавления. В последнем случае лазерный пучок расплавляет небольшой участок заготовки, и расплавленный металл (шлак) удаляется потоком или струей газа.As is known, a laser is a device capable of emitting monochromatic light by means of a stimulated emission process, i.e. with one wavelength, coherent in space and concentrated in a beam having a very high luminosity (brightness). The ability to concentrate a large amount of energy in a very small area allows laser devices to cut, engrave and weld metals. The cutting of metallic materials usually occurs by evaporation and mainly by melting. In the latter case, the laser beam melts a small portion of the workpiece, and the molten metal (slag) is removed by a gas flow or jet.
В лазерных излучающих устройствах могут использоваться различные типы источников для генерирования лазерного пучка, подходящего для резки металлов. Обычно используются газовые лазеры (диоксид, монооксид углерода СO2) и твердотельные лазеры (лазерные диоды с легированным стеклом и волоконные лазеры).Laser emitting devices can use various types of sources to generate a laser beam suitable for cutting metals. Commonly used are gas lasers (dioxide, carbon monoxide CO 2 ) and solid state lasers (doped glass laser diodes and fiber lasers).
Из-за высокой энергии, необходимой для резки листового металла, даже большой толщины, размеры и вес лазерных излучающих устройств таковы, что препятствуют их размещению непосредственно на станках. Чтобы преодолеть этот недостаток, лазерная режущая головка или, проще - режущая или фокусирующая головка, может быть расположена на станке и подключена к лазерному излучающему устройству посредством оптической цепи (СO2-лазер) или передающего волокна (оптическое волокно, например, в лазерных диодах YAG), чтобы излучать лазерный пучок, генерируемый излучающим устройством, и фокусировать его на заготовках. Благодаря своим небольшим размерам и небольшому весу режущая головка может фактически перемещаться станком с достаточной точностью и скоростью для выполнения резки изделия.Due to the high energy required to cut sheet metal, even of great thickness, the dimensions and weight of laser emitting devices are such that they prevent them from being placed directly on machine tools. To overcome this disadvantage, a laser cutting head, or more simply a cutting or focusing head, can be located on the machine and connected to the laser emitting device via an optical circuit (CO 2 laser) or a transmission fiber (optical fiber, for example, in YAG laser diodes ) to emit the laser beam generated by the emitting device and focus it on the workpieces. Due to its small size and light weight, the cutting head can actually be moved by the machine with sufficient precision and speed to cut the product.
В так называемых системах волоконной лазерной резки, в которых используется волоконно-оптический кабель с рассеивающей призмой для подведения лазерного пучка к режущей головке, последняя обычно содержит коллимирующую группу, которая передает световой пучок, выходящий из оптоволокна, в фокусирующую группу, способную фокусировать лазерный пучок на заготовке, т.е. позиционировать его фокусную точку, или фокус, в заданной точке на поверхности заготовки или чуть ниже или чуть выше этой поверхности.In so-called fiber laser cutting systems, which use a fiber optic cable with a diverging prism to guide the laser beam to the cutting head, the latter usually contains a collimating group that transfers the light beam exiting the fiber to a focusing group capable of focusing the laser beam on workpiece, i.e. to position its focal point, or focus, at a given point on the surface of the workpiece, or just below or just above that surface.
Сфокусированный лазерный пучок выходит из режущей головки через сопло, которое концентрирует поток или струю газа, используемого для удаления шлака, образующегося при плавлении металла, и снижения вероятности того, что шлак может попасть на фокусирующую группу. Для этого на сопле также предусмотрен прозрачный элемент или защитное окно или стекло, которое отделяет внутреннюю часть режущей головки от внешней среды и позволяет проходить лазерному пучку, выходящему из фокусирующей группы.The focused laser beam exits the cutting head through a nozzle that concentrates the flow or jet of gas used to remove slag from metal melting and reduce the chance that slag can reach the focusing group. For this, a transparent element or a protective window or glass is also provided on the nozzle, which separates the inside of the cutting head from the external environment and allows the passage of the laser beam emerging from the focusing group.
Точное позиционирование фокусной точки, где сосредоточена вся мощность лазерного пучка, имеет важное значение для выполнения правильной резки материала.Precise positioning of the focal point, where all the power of the laser beam is concentrated, is essential for correct cutting of the material.
Однако лазерные режущие головки, в частности, обладающие высокой мощностью, подвержены явлению, широко известному как «тепловое смещение фокуса», которое вызывает оптическую аберрацию расфокусировки или размытия, т.е. смещение фокуса относительно требуемой и оптимальной точки (на поверхности заготовки или чуть ниже или чуть выше нее), как более подробно объясняется ниже.However, laser cutting heads, in particular those with high power, are subject to a phenomenon commonly known as "thermal focus shift", which causes defocus or blur optical aberration, i.e. a shift in focus relative to a desired and optimal point (on the surface of the workpiece, or just below or just above it), as explained in more detail below.
Как известно, небольшая часть энергии лазерного пучка, проходящего через линзы коллимирующих и фокусирующих оптических групп, поглощается и преобразуется в тепло, главным образом, за счет неабсолютной прозрачности оптических элементов (покрытия и подложки). Дополнительное поглощение тепла также может быть вызвано загрязнением и/или повреждением поверхностного слоя, обычно предусмотренного на поверхностях линз.As is known, a small part of the energy of the laser beam passing through the lenses of the collimating and focusing optical groups is absorbed and converted into heat, mainly due to the non-absolute transparency of the optical elements (coatings and substrates). Additional heat absorption can also be caused by contamination and/or damage to the surface layer normally provided on lens surfaces.
Поэтому длительное использование станка, в частности - с чрезвычайно высокой мощностью лазера, влечет за собой значительное поглощение тепла и последующее повышение температуры всей режущей головки. Это повышение температуры влияет на все оптические элементы, образующие режущую головку, т.е. рассеивающую призму передающего волокна, коллимирующую группу, фокусирующую группу и разделительное стекло (в частности, два последних находятся очень близко к заготовке или к ее области плавления, где сосредоточены очень высокие температуры), и вызывает изменение как показателя преломления линз, так и их формы. Изменение показателя преломления и формы линзы, вызванное повышением температуры, приводит к смещению фокусной точки.Therefore, long-term use of the machine, in particular with extremely high laser power, entails a significant heat absorption and a consequent increase in the temperature of the entire cutting head. This temperature increase affects all the optical elements that make up the cutting head, i.e. transmitting fiber scattering prism, collimating group, focusing group and separation glass (in particular the latter two are very close to the workpiece or its melting region where very high temperatures are concentrated), and causes a change in both the refractive index of the lenses and their shape. The change in the refractive index and shape of the lens caused by the rise in temperature results in a shift in the focal point.
Чтобы компенсировать явление «теплового смещения фокуса», положение фокусной точки может быть отрегулировано путем соответствующего перемещения линзы фокусирующей группы, которая установлена на соответствующем лотке или несущем линзу скользящем элементе, который линейно перемещается вдоль направления регулировки, параллельного направлению лазерного пучка, чтобы обеспечить фокусировку лазерного пучка. Альтернативно, если это подходит или необходимо для того, чтобы линза (линзы) фокусирующей группы была неподвижна, надлежащее позиционирование фокусной точки на заготовке достигается путем соответствующего перемещения линзы коллимирующей группы, которая устанавливается на соответствующем линейно перемещаемом лотке или скользящем элементе.To compensate for the "thermal focus shift" phenomenon, the position of the focal point can be adjusted by appropriately moving the lens of the focusing group, which is mounted on an appropriate tray or lens-carrying sliding member, which moves linearly along the adjustment direction, parallel to the laser beam direction, to ensure that the laser beam is focused. . Alternatively, if it is appropriate or necessary to keep the focusing group lens(s) stationary, proper positioning of the focal point on the workpiece is achieved by appropriately moving the collimating group lens, which is mounted on an appropriate linearly movable tray or sliding element.
Перемещение фокусирующей или коллимирующей группы может управляться вручную оператором, визуально контролирующим лазерный пучок, проецируемый на заготовку, или посредством числового управления на основании автоматического измерения смещения фокусной точки. Однако, с одной стороны, визуальный контроль и ручное управление ограничивают точность и повторяемость разреза возможностями оператора и вряд ли приведут к высококачественной обработке, с другой стороны, измерения сдвига фокусной точки требуют много времени и дорогостоящего оборудования и подразумевают увеличение затрат на станок.The movement of the focusing or collimating group can be controlled manually by an operator visually controlling the laser beam projected onto the workpiece, or by numerical control based on automatic measurement of the focal point displacement. However, on the one hand, visual control and manual control limit the accuracy and repeatability of the cut to the operator's capabilities and are unlikely to lead to high-quality processing, on the other hand, measuring the shift of the focal point is time-consuming and expensive equipment and implies an increase in machine costs.
Кроме того, поглощение тепла также вызывает ряд дополнительных аберраций, таких как сферическая аберрация, кома и астигматизм, которые также влияют на волновой фронт лазерного пучка, в частности на распределение электромагнитной интенсивности внутри лазерного пучка, способствуя ухудшению режущих качеств или невозможности выполнения резки.In addition, heat absorption also causes a number of additional aberrations, such as spherical aberration, coma and astigmatism, which also affect the wavefront of the laser beam, in particular the distribution of electromagnetic intensity within the laser beam, contributing to the deterioration of cutting qualities or the impossibility of cutting.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention
Задачей настоящего изобретения является совершенствование известных лазерных режущих головок для использования в режущих или комбинированных режущих/пробивных станках для металлических листов, в частности - волоконно-оптических лазерных режущих головок.It is an object of the present invention to improve known laser cutting heads for use in cutting or combination cutting/punching machines for metal sheets, in particular fiber optic laser cutting heads.
Другой задачей является получение лазерной режущей головки, способной обеспечить точность и повторяемость резки, в частности - с чрезвычайно высокой мощностью лазера, а также в случае интенсивного и длительного использования станка, на котором установлена лазерная режущая головка.Another object is to obtain a laser cutting head capable of providing cutting accuracy and repeatability, in particular with extremely high laser power, as well as in the case of intensive and long-term use of the machine on which the laser cutting head is mounted.
Еще одной задачей является получение лазерной режущей головки, которая позволяет измерять и уменьшать множество оптических аберраций, влияющих на волновой фронт лазерного пучка, выходящего из режущей головки, простым и эффективным способом.Yet another object is to provide a laser cutting head that can measure and reduce a variety of optical aberrations affecting the wavefront of a laser beam exiting the cutting head in a simple and efficient manner.
Другой задачей является получение лазерной режущей головки, имеющей компактную форму и особенно ограниченные размеры, которая будет экономичной и простой в изготовлении.Another object is to provide a laser cutting head having a compact shape and especially limited dimensions, which is economical and easy to manufacture.
Эти и другие задачи решены благодаря лазерной режущей головке в соответствии с формулой изобретения, изложенной ниже.These and other tasks are solved thanks to the laser cutting head in accordance with the claims set forth below.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Изобретение может быть лучше понято и реализовано с рассмотрением прилагаемых чертежей, которые иллюстрируют его примерные и неограничивающие варианты осуществления, на которых:The invention may be better understood and practiced with reference to the accompanying drawings, which illustrate exemplary and non-limiting embodiments thereof, in which:
- на фиг. 1 представлено упрощенное сечение лазерной режущей головки по изобретению согласно первому варианту осуществления;- in Fig. 1 is a simplified sectional view of the laser cutting head according to the invention according to the first embodiment;
- на фиг. 2 представлено упрощенное сечение одного из вариантов лазерной режущей головки с фиг. 1;- in Fig. 2 is a simplified sectional view of one embodiment of the laser cutting head of FIG. 1;
- на фиг. 3 представлено упрощенное сечение лазерной режущей головки по изобретению согласно другому варианту осуществления.- in Fig. 3 is a simplified sectional view of a laser cutting head according to the invention according to another embodiment.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
На фиг. 1 показан первый вариант осуществления лазерной режущей головки 1 согласно изобретению, подсоединяемой к режущему или комбинированному режущему/пробивному станку для резки механической заготовки 100, например, из листового металла.In FIG. 1 shows a first embodiment of a
Лазерная режущая головка 1 получает мощность от лазерного излучающего устройства, не показанного на чертеже, через оптические средства 4 передачи, такие как оптическая цепь или передающее волокно. В частности, излучающее устройство представляет собой твердотельное волоконное лазерное устройство индуцированного излучения, например с высокой мощностью, а средство 4 оптической передачи содержит волоконно-оптический кабель для транспортировки лазерного пучка L, генерируемого излучающим устройством, в лазерную режущую головку 1. Последняя способна излучать лазерный пучок L и фокусировать его в фокусной точке F, находящейся на поверхности 101 заготовки 100, обращенной к лазерной режущей головке 1 или чуть ниже или чуть выше указанной поверхности 101.The
Лазерная режущая головка 1 содержит коллимирующую группу 2, которая включает в себя по меньшей мере одну коллимирующую линзу 3 для коллимации лазерного пучка L, исходящего от лазерного излучающего устройства, и фокусирующую группу 5, которая включает в себя по меньшей мере одну фокусирующую линзу 6 для фокусировки в фокусной точке F лазерного пучка L, выходящего из коллимирующей группы 2.The
Опорное и перемещающее средство 7 поддерживает и перемещает вдоль направления X регулировки по меньшей мере одно из коллимирующей группы 2 и фокусирующей группы 5, например - только последнюю в варианте осуществления, показанном на фиг.1, с целью изменения фокусной точки F лазерного пучка L. Опорное и перемещающее средство 7 содержит линейное направляющее средство 71 для поддержки с возможностью скольжения и направления фокусирующей группы 5 вдоль направления X регулировки с предотвращением смещений и/или колебаний, поперечных направлению X регулировки, которые вызвали бы смещение фокусной точки F лазерного пучка L и/или изменение размера и/или формы этой же фокусной точки F на заготовке 100.The reference and displacement means 7 supports and moves along the adjustment direction X at least one of the
Лазерная режущая головка 1 дополнительно включает в себя по меньшей мере один оптический элемент 8 для приема лазерного пучка L, выходящего из фокусирующей группы 5, отражения под заданным углом, например, составляющим от приблизительно 10° до приблизительно 100°, сфокусированной первой части L1 принятого лазерного пучка L и передачи в фокусную точку F сфокусированной второй часть L2 этого же принятого лазерного пучка L. Оптический элемент 8 представляет собой, например, разделитель пучка, в частности выбранный из кубического разделителя пучка (CBS, cubic beam splitter), оптической призмы и полупрозрачного зеркала. Корпус 15 лазерной режущей головки 1 образует внутреннее пространство 20, предназначенное для размещения в нем, по меньшей мере, коллимирующей группы 2, фокусирующей группы 5, опорного и перемещающего средства 7 и оптического элемента 8.The
Внутреннее пространство 20 является закрытым и герметичным, т.е. воздухонепроницаемым, для внешней среды, в которой расположена лазерная режущая головка 1. Иначе говоря, корпус 15 предотвращает проникновение во внутреннее пространство 20 загрязнений и посторонних элементов, в частности -шлака и твердых и газообразных остатков, образующихся при лазерной резке, которые могут загрязнить коллимирующие линзы 3, фокусирующие линзы 5 и оптический элемент 8 или поставить под угрозу работу опорного и перемещающего средства 7.The
Для этого корпус 15, который может иметь, по существу, цилиндрическую форму, форму параллелепипеда или сложную геометрическую форму, снабжен входным отверстием 51, связанным с оптическим передающим средством 4, что позволяет входить во внутреннее пространство 20 лазерному пучку L, генерируемому излучающим устройством, боковым отверстием 53, герметично закрытым прозрачным оптическим элементом 11, для передачи сфокусированной первой части L1 лазерного пучка L во внешнюю среду, и выходным отверстием 52, расположенным в режущем сопле 30 и герметично закрытым разделительным стеклом 32. Последнее, помимо того, что оно предназначено для отделения внутреннего пространства 20 лазерной режущей головки 1 от внешней среды, позволяет передавать коллимированный и сфокусированный лазерный пучок L, в частности - сфокусированной второй части L2, от лазерной режущей головки 1 во внешнюю среду.To this end, the
Режущее сопло 30 концентрирует поток или струю газа, предназначенного для удаления шлака, образующегося при плавлении заготовки 100 и одновременно способствует снижению вероятности того, что указанный шлак может попасть во внутреннюю область лазерной режущей головки 1 с вышеуказанными последствиями.The
Линейное направляющее средство 71 и дополнительное антиповоротное средство, также размещенные внутри корпуса 15, в частности, прикреплены к его внутренней стенке. Антиповоротное средство известного типа, не показанное подробно на чертежах, выполнено таким образом, чтобы предотвращать поворот опорного и перемещающего средства 7 вокруг оси, параллельной направлению X регулировки во время движения коллимирующей группы 2 и фокусирующей группы 5. Поворот линз, в частности - коллимирующей линзы 3, может фактически вызвать смещение фокусной точки F лазерного пучка L и изменение размера и/или формы этой фокусной точки F на заготовке 100. Лазерная режущая головка 1 также содержит датчик 9 волнового фронта известного типа, дополнительно подробно не раскрываемый, например - датчик волнового фронта Шака-Гартмана, и электронный процессор 12, соединенный как сдатчиком 9 волнового фронта, так и с опорным и перемещающим средством 7, в частности с линейным направляющим средством 71.The linear guide means 71 and the additional anti-rotation means, also placed inside the
Датчик 9 волнового фронта, который в показанном варианте осуществления расположен снаружи корпуса 15, способный принимать сфокусированную первую часть L1 лазерного пучка L, которая проходит через прозрачный оптический элемент 11, закрывающий боковое отверстие 53 корпуса 15, выполняет фазовое измерение волнового фронта сфокусированной первой части L1, последняя, в частности, коллимируется соответствующей коллимирующей оптической системой 19, расположенной перед датчиком 9 волнового фронта по отношению к направлению Р1 распространения сфокусированной первой части L1, затем получает реконструированный волновой фронт на основании указанного фазового измерения и отправляет реконструированный волновой фронт на электронный процессор 12.The wavefront sensor 9, which in the shown embodiment is located outside the
Далее электронный процессор 12 выполнен с возможностью осуществлять сравнение между реконструированным волновым фронтом, полученным датчиком 9 волнового фронта, и контрольным волновым фронтом и, таким образом, определять на основании этого сравнения одну или более оптических аберраций, которым подвергается сфокусированная первая часть L1 лазерного пучка L.Next, the
Следует отметить, что по сравнению со сфокусированной второй частью L2 лазерного пучка L, которая попадает на заготовку 100 и обрабатывает ее, сфокусированная первая часть L1 подвержена дополнительным оптическим аберрациям из-за прозрачного оптического элемента 11, который закрывает боковое отверстие 53, и через который указанная сфокусированная первая часть L1 проходит для достижения датчика 9 волнового фронта.It should be noted that, compared with the focused second part L2 of the laser beam L, which hits the
Для повышения точности системы, указанные дополнительные оптические аберрации преимущественно известны электронному процессору 12, например, благодаря начальной или периодической калибровке лазерной режущей головки 1.In order to improve the accuracy of the system, these additional optical aberrations are advantageously known to the
Контрольный волновой фронт, с которым сравнивают реконструированный волновой фронт, может быть идеальным волновым фронтом, свободным от оптических аберраций, например, в случае, когда требуется высокоточная обработка заготовка 100, или заданным волновым фронтом, на который влияют предварительно определенные оптические аберрации, например, в случае, когда обработка заготовки 100 должна соответствовать менее строгим требованиям к точности.The reference wavefront against which the reconstructed wavefront is compared can be an ideal wavefront free of optical aberrations, such as when high precision machining of the
Электронный процессор 12 также способен управлять опорным и перемещающим средством 7 для перемещения коллимирующей группы 2 и/или фокусирующей группы 5 вдоль направления X регулировки, в частности - только фокусирующей группы в варианте осуществления, показанном на фиг. 1, с целью уменьшения оптических аберраций лазерного пучка L, в частности - сфокусированной второй части L2, с учетом дополнительных аберраций, которым подвергается только сфокусированная первая часть L1, и менять фокусную точку F.The
Конкретнее и с учетом того, что уже было отмечено, в случае высокоточной обработки, т.е. с идеальным контрольным волновым фронтом, свободным от оптических аберраций, электронный процессор 12 выполнен с возможностью управления опорным и перемещающим средством 7, чтобы оптические аберрации лазерного пучка L были минимизированы и, в частности - сведены к нулю, и соответственно изменять фокусную точку F, тогда как в случае обработки с менее строгими требованиями к точности, т.е. в случае заданного контрольного волнового фронта, на который воздействуют предварительно определенные оптические аберрации, электронный процессор 12 выполнен с возможностью управления опорным и перемещающим средством 7 так, чтобы оптические аберрации лазерного пучка L были меньше или равны этим предварительно определенным оптическим аберрациям, соответственно изменяя фокусную точку F.More specifically, and taking into account what has already been noted, in the case of high-precision processing, i.e. with an ideal control wavefront free from optical aberrations, the
Предпочтительно, электронный процессор 12 может управлять сигнальным устройством известного типа, не показанным на чертежах, например визуальным и/или акустическим сигнальным устройством. Когда электронный процессор 12 обнаруживает, что оптические аберрации, которым подвергается лазерный пучок L, превышают заданное пороговое значение, например, заданное априори пользователем, он отправляет сигнал активации сигнальному устройству, которое генерирует визуальный и/или звуковой сигнал об ошибке. Таким образом, пользователь может прекратить обработку заготовки 100 до того, как последняя будет необратимо повреждена лазерным пучком L, подвергающимся аберрациям, превышающим пороговое значение и, следовательно, вредным для заготовки 100, так как он не сконцентрирован в надлежащей фокусной точке F.Preferably, the
Лазерная режущая головка 1, когда она подсоединена к станку и введена в эксплуатацию, способна осуществлять способ согласно изобретению для управления лазерной резкой заготовки 100. Этот способ включает в себя следующие шаги:The
- выполняют лазерную резку заготовки 100 с помощью лазерной режущей головки 1, подсоединенной катанку;- perform laser cutting of the
- подают мощность к лазерной режущей головке 1 посредством лазерного пучка L, поступающего из лазерного излучающего устройства;- supply power to the
- коллимируют лазерный пучок L посредством коллимирующей группы 2 и фокусируют его в фокусной точке F посредством фокусирующей группы 5;- collimate the laser beam L through the
- с помощью оптического элемента 8 отражают по меньшей мере сфокусированную первую часть L1 лазерного пучка L, выходящего из фокусирующей группы 5;- using the
- с помощью датчика 9 волнового фронта выполняют фазовое измерение волнового фронта указанной сфокусированной первой части L1;- using the sensor 9 wavefront perform a phase measurement of the wavefront of the specified focused first part L1;
- с помощью этого датчика волнового фронта 9 получают реконструированный волновой фронт на основании фазового измерения;- with this wavefront sensor 9, a reconstructed wavefront is obtained on the basis of the phase measurement;
- с помощью электронного процессора 12 проводят сравнение между реконструированным волновым фронтом и контрольным волновым фронтом;- using the
- с помощью этого электронного процессора 12 и на основании указанного сравнения определяют одну или более оптических аберраций, которым подвергается лазерный пучок L;- using this
- уменьшают, в частности - опять же с помощью электронного процессора 12, оптические аберрации, которым подвергается лазерный пучок L, чтобы изменить фокусную точку F.- reduce, in particular - again with the help of the
В соответствии с тем, что было раскрыто выше, если требуется высокоточная обработка, т.е. контрольный волновой фронт является идеальным волновым фронтом, свободным от оптических аберраций, шаг уменьшения содержит минимизацию, в частности - сведение к нулю, вышеупомянутых одной или более оптических аберраций. Альтернативно, если требуется обработка с менее строгими требованиями к точности и, следовательно, контрольный волновой фронт представляет собой заданный волновой фронт, на который влияют предварительно определенные оптические аберрации, способ согласно изобретению содержит шаг уменьшения оптических аберраций таким образом, чтобы они были меньше или равны предварительно определенным оптическим аберрациям.In accordance with what has been disclosed above, if high precision processing is required, i.e. the reference wavefront is an ideal wavefront free of optical aberrations, the step down comprises minimizing, in particular nullifying, the above one or more optical aberrations. Alternatively, if less stringent processing is required and therefore the reference wavefront is a predetermined wavefront that is affected by predetermined optical aberrations, the method according to the invention comprises the step of reducing the optical aberrations such that they are less than or equal to the predetermined certain optical aberrations.
Предпочтительно, когда оптические аберрации превышают заданное пороговое значение, заданное априори пользователем, способ согласно изобретению содержит шаг подачи сигнала об ошибке с помощью сигнального устройства, управляемого электронным процессором 12.Preferably, when the optical aberrations exceed a predetermined threshold set a priori by the user, the method according to the invention comprises the step of signaling an error by means of an alarm device controlled by the
Также предпочтительно, способ согласно изобретению может дополнительно содержать шаг калибровки лазерной режущей головки 1, однократно, например - при включении станка, или периодически во время обработки заготовки 100. Таким образом, можно обнаружить, в частности, дополнительные оптические аберрации, вносимые прозрачным оптическим элементом 11, которым подвергается сфокусированная первая часть L1.Also preferably, the method according to the invention may further comprise a step of calibrating the
Таким образом, лазерная режущая головка 1 по изобретению способна обеспечить точность и повторяемость резки даже при чрезвычайно высокой мощности лазера и в контексте интенсивного и длительного использования станка, на котором установлена лазерная режущая головка 1.Thus, the
Благодаря датчику 9 волнового фронта, подключенному к электронному процессору 12, фактически можно измерить множество оптических аберраций, включая, например, смещение фокуса из-за «теплового смещения фокуса», сферической аберрации, комы и астигматизма, воздействующих на лазерный пучок L, выходящий из режущей головки, в частности, когда станок используется длительное время и с чрезвычайно высокой мощностью лазера, вызывая повышение температуры всех оптических элементов и вызывая изменение как показателя преломления линз, так и их формы, с последующим смещением фокусной точки F. На основании измерений волнового фронта электронный процессор 12 затем способен модифицировать структуру оптической системы, в частности, путем управления опорным и перемещающим средством 7 коллимирующей оптической группы 2 и/или фокусирующей оптической группы 5, чтобы легко и эффективно уменьшить оптические аберрации, которым подвергается лазерный пучок L, и, таким образом, изменить фокусную точку F так, чтобы она располагалась и концентрировалась в требуемой точке на поверхности 101 заготовки 100 или чуть ниже или выше этой поверхности 101.With the wavefront sensor 9 connected to the
В одном из вариантов первого варианта осуществления лазерной режущей головки 1 согласно изобретению, показанном на фиг. 2, выходное отверстие 52, расположенное на режущем сопле 30, герметично закрыто оптическим элементом 38, способным принимать лазерный пучок L, выходящий из фокусирующей группы 5, отражения с углом отражения, составляющим, например, от приблизительно 10° до приблизительно 100, сфокусированной первой части L1 принятого лазерного пучка L и передачи в фокусную точку F сфокусированной второй части L2 этого же принятого лазерного пучка L. Оптический элемент 38 представляет собой, например, разделитель пучка, в частности, выбранный из кубического делителя пучка (CBS), оптической призмы и полупрозрачного зеркала.In one embodiment of the first embodiment of the
Оптический элемент 38 расположен в виде разделительного стекла, предназначенного для отделения внутреннего пространства 20 лазерной режущей головки 1 от внешней среды. Таким образом, лазерная режущая головка 1 требует меньшего количества оптических компонентов и имеет компактную форму, в частности - ограниченные размеры и уменьшенный вес, таким образом являясь адаптированной для связи, в частности, со станком, имеющим жесткие размеры и требования к эксплуатации. Этот вариант также экономичен и прост в изготовлении.The
На фиг. 3 показан второй вариант осуществления лазерной режущей головки 1 согласно изобретению, которая также подсоединена к режущему и/или пробивному станку, соответственно для резки и/или пробивки механической заготовки 100, например, из листового металла.In FIG. 3 shows a second embodiment of a
В этом втором варианте осуществления лазерная режущая головка 1 содержит компоненты, аналогичные описанным выше и обозначенные теми же ссылочными номерами, т.е. коллимирующую группу 2 для коллимации лазерного пучка L от лазерного излучающего устройства, фокусирующую группу 5 для фокусировки лазерного пучка L, выходящего из коллимирующей группы 2, в фокусной точке F, по меньшей мере один оптический элемент 8 для приема лазерного пучка L, выходящего из фокусирующей группы 5 и отражения сфокусированной первой части L1, и электронный процессор 12. Коллимирующая группа 2, фокусирующая группа 5 и оптический элемент 8 находятся во внутреннем пространстве 20 корпуса 15. В частности, фиксирующее средство 70 поддерживает коллимирующую группу 2 и фокусирующую группу 5 и удерживают их в фиксированном положении относительно корпуса 15.In this second embodiment, the
В варианте, который не показан, оптический элемент, принимающий сфокусированный лазерный пучок L, отражающий сфокусированную первую часть L1 и передающий сфокусированную вторую часть L2, также действует как разделительное стекло, предназначенное для отделения внутреннего пространства 20 лазерной режущей головки 1 от внешней среды, с вышеуказанными преимуществами компактной формы, с ограниченными габаритами, уменьшенным весом и низкими затратами на лазерную режущую головку 1.In a variant not shown, the optical element receiving the focused laser beam L, reflecting the focused first part L1, and transmitting the focused second part L2 also acts as a separation glass for separating the interior 20 of the
Лазерная режущая головка 1 в этом втором варианте осуществления содержит по меньшей мере одно адаптивное оптическое устройство 10, имеющее регулируемую форму.The
Как известно, адаптивное оптическое устройство 10 содержит адаптивный оптический элемент 16, имеющий такую толщину, чтобы обеспечивать его деформируемость, и подходящую опору, содержащую пьезоэлектрические или электромагнитные или электромеханические исполнительные механизмы, не показанные на чертеже, связанные с адаптивным оптическим элементом 16 и электронным процессором 12 для моделирования формы по меньшей мере одной деформируемой поверхности 17 адаптивного оптического элемента 16. Таким образом, электронный процессор 12 способен регулировать форму адаптивного оптического устройства 10 путем управления пьезоэлектрическими или электромагнитными исполнительными механизмами, поддерживающими адаптивный оптический элемент 16.As is known, the adaptive
Адаптивное оптическое устройство 10 расположено до фокусирующей группы 5 относительно направления Р распространения лазерного пучка L, которое идет от коллимирующей группы 2 к фокусирующей группе 5, предпочтительно после коллимирующей группы 2. В частности, как показано на фиг.3 лазерный пучок L, генерируемый излучающим устройством и транспортируемый оптическим передающим средством 4 к лазерной режущей головке, выходит коллимированным из коллимирующей группы 2, попадает на деформируемую поверхность 17 адаптивного оптического элемента 16 и отражается последним в сторону фокусирующей группы 5, следуя в направлении Р распространения.The adaptive
Лазерная режущая головка 1 согласно этому второму варианту осуществления также содержит по меньшей мере один датчик 9 волнового фронта, выполненный с возможностью приема сфокусированной первой части L1 лазерного пучка L, выполнения фазового измерения волнового фронта сфокусированной первой части L1, получения на основании этого фазового измерения реконструированного волнового фронта и отправки реконструированного волнового фронта на электронный процессор 12.The
Электронный процессор 12 выполнен в возможностью осуществления сравнения между реконструированным волновым фронтом и контрольным волновым фронтом, определения на основании этого сравнения одной или более оптических аберраций, которым подвергается лазерный пучок L, исключая дополнительные оптические аберрации, которым подвергается только первая сфокусированная часть L1, и управления пьезоэлектрическими или электромагнитными исполнительными механизмами для регулировки формы адаптивного оптического устройства 10, уменьшения вышеуказанных оптических аберраций и изменения фокусной точки F.The
Подобно тому, что уже было отмечено, в случае высокоточной обработки контрольный волновой фронт является идеальным волновым фронтом, свободным от оптических аберраций, а электронный процессор 12 выполнен с возможностью регулировки формы адаптивного оптического устройства 10 так, чтобы оптические аберрации лазерного пучка L дуги минимизировались и в частности - сводились к нулю, и тем самым изменять фокусную точку F. В случае обработки с менее строгими требованиями к точности, контрольный волновой фронт представляет собой заданный волновой фронт, на который воздействуют предварительно определенные оптические аберрации, а электронный процессор 12 выполнен с возможностью регулировки формы адаптивного оптического устройства 10 так, чтобы оптические аберрации лазерного пучка L были меньше или равны этим предварительно определенным оптическим аберрациям, и изменения фокусной точки F.Similar to what has already been noted, in the case of high-precision processing, the reference wavefront is an ideal wavefront free of optical aberrations, and the
В другом варианте осуществления, который не показан, лазерная режущая головка 1 согласно изобретению может содержать опорное и перемещающее средство 7, которое поддерживает и перемещает вдоль направления X регулировки по меньшей мере одно из коллимирующей группы 2 и фокусирующей группы 5, а также адаптивное оптическое устройство 10, причем эти компоненты находятся во внутреннем пространстве 20. В этом случае опорное и перемещающее средство 7 и исполнительные механизмы адаптивного оптического устройства 10 связаны с электронным процессором 12. Электронный процессор, с целью уменьшения оптических аберраций лазерного пучка L и изменения фокусной точки F, способен как управлять опорным и перемещающим средством 7 оптической группы, так и управлять пьезоэлектрическими или электромагнитными исполнительными механизмами адаптивного оптического устройства 10, одновременно или поочередно.In another embodiment, which is not shown, the
Альтернативно показанному на чертежах, датчик 9 волнового фронта может быть расположен, герметично закрывая его, в боковом отверстии 53 корпуса 15 или внутри внутреннего пространства 20 лазерной режущей головки 1, в этом втором случае боковое отверстие 53 и прозрачный оптический элемент 11, который герметично закрывает указанное боковое отверстие, не являются необходимыми.As an alternative to that shown in the drawings, the wavefront sensor 9 can be located, hermetically closing it, in the
Лазерная режущая головка 1 согласно любому из дополнительных вариантов осуществления и описанных вариантов или соответствующей возможной их комбинации, когда она подсоединена к станку и введена в эксплуатацию, также способна реализовать шаги способа согласно изобретению для управления лазерной резкой заготовки 100 в соответствии с тем, что уже было проиллюстрировано.The
Предпочтительно, лазерная режущая головка 1 согласно изобретению может также включать в себя охлаждающий блок, который снаружи прикреплен к соответствующей стенке корпуса 15, и теплопроводящее средство, которые соединяют опорное и перемещающее средство 7 или фиксирующее средство 70 с указанной стенкой корпуса 15 так, чтобы за счет теплопроводности отводить от опорного и перемещающего средства 7 или фиксирующего средства 70, а также от коллимирующей оптической группы 2 и фокусирующей оптической группы 5 тепло, генерируемое в последних при их пересечении лазерным пучком L. Для этого опорное и перемещающее средство 7, фиксирующее средство 70 и по меньшей мере соответствующая стенка корпуса 15 изготовлены из материала с высокой теплопроводностью.Preferably, the
В одном из вариантов лазерной режущей головки 1 согласно изобретению, не показанном на чертежах, коллимирующие линзы 3 и фокусирующие линзы 6 охлаждаются системой охлаждения известного типа, которая включает в себя введение газа (как правило - азота) при контролируемой температуре внутрь лазерной режущей головки 1 таким образом, чтобы он окружал и таким образом охлаждал линзы.In one version of the
Claims (38)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IT102020000002476 | 2020-02-07 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2799460C1 true RU2799460C1 (en) | 2023-07-05 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020190040A1 (en) * | 2001-06-13 | 2002-12-19 | The Regents Of The University Of California | Programmable phase plate for tool modification in laser machining applications |
| RU31215U1 (en) * | 2003-04-29 | 2003-07-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Новые технологии XXI века" | Device for forming an image inside transparent or translucent materials and a product with such an image |
| US20080100829A1 (en) * | 2006-10-31 | 2008-05-01 | Mitutoyo Corporation | Surface height and focus sensor |
| RU2383416C1 (en) * | 2008-12-16 | 2010-03-10 | Закрытое акционерное общество Научно-исследовательский институт Электронного специального технологического оборудования | Device for laser processing of materials |
| RU2528187C1 (en) * | 2013-07-25 | 2014-09-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Горного Дела Дальневосточного Отделения Российской Академии Наук (Игд Дво Ран) | Control method of laser treatment of rock material of variable rigidity and system for its implementation |
| DE102017131224A1 (en) * | 2017-12-22 | 2019-06-27 | Precitec Gmbh & Co. Kg | Method and device for detecting a focal position of a laser beam |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020190040A1 (en) * | 2001-06-13 | 2002-12-19 | The Regents Of The University Of California | Programmable phase plate for tool modification in laser machining applications |
| RU31215U1 (en) * | 2003-04-29 | 2003-07-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Новые технологии XXI века" | Device for forming an image inside transparent or translucent materials and a product with such an image |
| US20080100829A1 (en) * | 2006-10-31 | 2008-05-01 | Mitutoyo Corporation | Surface height and focus sensor |
| RU2383416C1 (en) * | 2008-12-16 | 2010-03-10 | Закрытое акционерное общество Научно-исследовательский институт Электронного специального технологического оборудования | Device for laser processing of materials |
| RU2528187C1 (en) * | 2013-07-25 | 2014-09-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Горного Дела Дальневосточного Отделения Российской Академии Наук (Игд Дво Ран) | Control method of laser treatment of rock material of variable rigidity and system for its implementation |
| DE102017131224A1 (en) * | 2017-12-22 | 2019-06-27 | Precitec Gmbh & Co. Kg | Method and device for detecting a focal position of a laser beam |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6462140B2 (en) | Equipment for measuring weld seam depth in real time | |
| KR101502672B1 (en) | Beam shaping unit and method for controlling a beam shaping unit | |
| CN111247403B (en) | Device and method for determining the focal position of a laser beam in a laser processing system, and laser processing system having such a device | |
| JP6979810B2 (en) | A method for laser machining of metallic materials by highly dynamic control of the moving axis of the laser beam along a predetermined machining path, and a machine and computer program for implementing the method. | |
| US11154948B2 (en) | Laser beam machining device and a process of laser machining comprising a single lens for light focussing | |
| EP4100200B1 (en) | Laser cutting head for a machine tool | |
| US11612954B2 (en) | Laser-beam material machining | |
| CA2314442A1 (en) | Real time control of laser beam characteristics in a laser-equiped machine tool | |
| US5889626A (en) | Method and device for focusing laser beam | |
| RU2799460C1 (en) | Laser cutting head for machine | |
| US6667458B1 (en) | Spot size and distance characterization for a laser tool | |
| WO2016147751A1 (en) | Laser beam intensity distribution measurement device and laser beam intensity distribution measurement method | |
| CA3094285A1 (en) | Method for detecting the operating condition of an optical element arranged along a propagation path of a laser beam of a machine for processing a material, system for carrying out said method and a laser processing machine provided with said system | |
| JP5190421B2 (en) | Compact thermal lens compensating head | |
| US20220283416A1 (en) | Dynamic Focus For Laser Processing Head | |
| US11766740B2 (en) | Device for determining a focus position in a laser machining system, laser machining system comprising same, and method for determining a focus position in a laser machining system | |
| US20240082961A1 (en) | Device For Monitoring The State of Optical Elements of A Device For Laser Material Processing | |
| KR100660113B1 (en) | LASER machining apparatus including a changer of focusing lenses | |
| CN117782309A (en) | Device for monitoring characteristics of laser beam | |
| KR20010037814A (en) | Nozzle head for laser material processing | |
| Crafer | Beam Manipulation | |
| JPH06269972A (en) | Laser beam machine |