Разработка на фибролазерна режеща глава за рязане на сложни форми
Фибролазерно устройство за рязане на обемни части
Автори: Сироткин Олег Сергеевич, Блинков Владимир Викторович, Вайнщайн Игор Владимирович, Чижиков Сергей Николаевич, Малахов Борис Николаевич, Кондратюк Дмитрий Иванович, Обознов Василий Василиевич.
Изобретението се отнася до устройство за рязане на тримерни детайли с фибролазер и може да се използва за размерна обработка на детайли със сложна пространствена форма. Ротационната лазерна режеща глава на устройството съдържа тяло с вертикална ос на въртене (26), монтирано върху него тяло с хоризонтална ос на въртене (30) и оптична фокусираща глава. Споменатата глава е монтирана върху куха опора, направена под формата на вертикално движещ се плъзгач, монтиран върху механична система за позициониране и движение. Тялото с вертикална ос на въртене и тялото с хоризонтална ос на въртене са електрически задвижвани, изработени са кухи и имат ротационни призми за транспортиране на лазерния лъч към оптичната фокусираща глава. Плъзгачът е изпълнен с гнездо за монтиране на колиматор (6) с поставен върху него конектор с оптичен кабел (2), който транспортира лазерно лъчение. Кухият вал (24) на плъзгача (1) е монтиран коаксиално на колиматора (6) и носи в долния си край корпус с вертикална ос на въртене и вертикален електрозадвижващ ротор. Корпусът с хоризонтална ос на въртене (30) е монтиран върху кух вал (28), монтиран в лагерните опори на междинния корпус (21), монтиран на вертикалния край на корпуса с вертикална ос на въртене и носещ ротора (27) на хоризонталното електрическо задвижване. ЕФЕКТ: Осигуряване на високо качество на рязане при високи скорости и размери на детайлите. 1 болен.
Изобретението се отнася долазерна обработка на материали, по-специално газово лазерно рязане, и може да се използва при обработка на размери на части със сложна пространствена форма с фибролазер.
Известни устройства лазерна режеща глава фирма "Precites" (Германия) [Проспект на фирма "Precitec" от изложението "Металообработване-2007"], в които конекторът (върхът) на транспортиращия оптичен кабел е свързан чрез QBH конектор с колиматор, който от своя страна е прецизно монтиран коаксиално с оптичната режеща глава. След това такава режеща глава се монтира в опората на лазерния комплекс с възможност за преместване по три или повече координати, което позволява размерна обработка на детайлите.
Недостатъкът на такава режеща глава е, че тя може да реже само плоски части или триизмерни части с най-проста форма, което естествено ограничава обхвата на продуктите, използвани в съвременните механизми, където е необходимо да се осигури сложна траектория на лазерния лъч по няколко координати.
Понастоящем този проблем се решава чрез комбиниране на оптична режеща глава с манипулатор на съществуващи роботизирани системи, например, разработени от Cook (Германия), ESAB (Швеция) и редица други чуждестранни компании.
Решаването на този проблем е свързано с големи трудности поради поддържането на постоянна междина между обработваната повърхност и дюзата на режещата глава. Неспазването на това условие, дори и с няколко десети от милиметъра, води до намаляване на качеството на среза.
Поради това всички лазерни режещи глави са оборудвани с вграден сензор с автоматично поддържане на зададеното разстояние. Контролната верига, необходима за сензорите за разстояние, обикновено има следните компоненти:
- режеща глава с интегрбезконтактен сензор за измерване на разстояние;
- автоматизирани задвижвания за позициониране на режещата глава по сигнал от обработващо електронно устройство;
- електронни устройства за обработка на сензорни сигнали и управление на изпълнителни механизми.
Ако за плоски детайли тази система работи много бързо и надеждно, тогава за обемни детайли със сложна повърхност в сензора (особено капацитивен тип) възниква странична намеса, което води до повреда в електронната система.
В този случай Precitec използва сензори с анализиращи електронни системи Lasermatic Z, които се различават по това, че сензорът не е направен от керамични части и електрод с дюза, а под формата на тънък мундщук с изолиращ дизайн, който е нечувствителен към странични смущения, което ви позволява частично да заобиколите тези проблеми.
Но значителен недостатък на това оборудване е, че параметрите на индустриалните роботи са ограничени както от максималната скорост
10 м/мин, и размерите на движенията
1,5 м, което ограничава скоростта на обработка и размерите на детайлите.
Най-близкото решение на този проблем е разработването на лазерна режеща глава от Prima North America Corporation (Prospect of Prima Industrie от Хановер 2007), която въведе 3D лазерно рязане чрез създаване на 5-осен лазерен комплекс, базиран на мощен технологичен CO2 лазер с високоскоростни аксиални задвижвания и ротационна режеща глава с директни задвижвания.
Същността на тази лазерна режеща глава е следната. За извършване на лазерно рязане на продукти със сложна пространствена форма е необходимо лазерният лъч да бъде перпендикулярен на повърхността на детайла и за това е необходимопромяна на ориентацията във времето и пространството на лазерния лъч. Това може да се постигне чрез завъртане на режещата оптична глава около вертикалната ос (координата C) и отклоняването й от вертикалната позиция чрез завъртане около хоризонталната ос (координата B), плюс преместване на самата лазерна режеща глава като цяло по трите координати X, Y, Z. Следователно, такова устройство се нарича петосна лазерна режеща глава.
Ротациите около вертикалната ос (координата C) и около хоризонталната ос (координата B) се извършват от кръгови синхронни двигатели, разположени директно в режещата глава, а самият лазерен лъч, благодарение на две призми с огледала, се завърта на 90 градуса всяка и се насочва към фокусиращата леща на режещата оптична глава.
Сензор от капацитивен тип за контрол на празнината между дюзата и обработваната повърхност, заедно с електронната система за анализ Lasermatic Z от Precitec, осигурява високо прецизно измерване на междината при високи скорости, което позволява лазерно рязане на продукти със сложна пространствена форма.
Такива условия на рязане се постигат чрез програмно управление на всичките пет координати с помощта на ЦПУ.
Подобни 5-координатни лазерни системи също са разработени от Trumpf, Mazak и други.
Недостатъкът на тази лазерна режеща глава е, че тя е предназначена за CO2 лазер, където лазерното лъчение с малък ъгъл на отклонение се транспортира към нея по традиционния метод с помощта на въртящи се стационарни огледала, разположени върху подвижни вагони, така наречената "летяща оптика", но тази схема не е подходяща за фибролазер, сложна е по дизайн и намалява технологичните възможности на газовото лазерно рязане.
задачаИзобретението е разработването на лазерна режеща глава за фибролазер, която би разширила технологичните възможности на газовото лазерно рязане, а именно, рязане на детайли със сложна пространствена форма и осигуряване на висококачествени срезове при високи скорости и размери на детайлите, ограничени само от размера на самата машина.
Задачата се постига чрез факта, че в устройство за рязане на обемни детайли с фибро лазер, съдържащо ротационна лазерна режеща глава, включваща корпус с вертикална ос на въртене, корпус с хоризонтална ос на въртене, монтиран върху корпус с вертикална ос на въртене, и оптична фокусираща глава, докато ротационната лазерна режеща глава е монтирана върху куха опора, направена под формата на вертикално движещ се плъзгач, монтиран на механична позиция система за движение и движение и корпусът с вертикална ос на въртене и корпусът с хоризонтална ос на въртене, оборудвани с електрически задвижвания, са направени кухи и са оборудвани с ротационни призми за транспортиране на лазерен лъч към оптична фокусираща глава, плъзгачът е направен с гнездо за монтиране на колиматор с конектор, поставен върху него с оптичен кабел, който транспортира лазерно лъчение, и е снабден с кух вал, монтиран коаксиално на колимата тор и носещ в долния си край корпус с вертикална ос на въртене и ротор на вертикално електрическо задвижване, а корпусът с хоризонтална ос на въртене е монтиран върху кух вал, монтиран в лагерните опори на междинния корпус, монтиран на вертикалния край на корпуса с вертикална ос на въртене и носещ ротора на хоризонталното електрическо задвижване.
Това изпълнение на устройството за рязане на обемни части с фибролазер позволява подобряване на качествоточасти, като същевременно подобрява производителността.
Изобретението е илюстрирано на чертежа, който показва общ изглед на лазерна режеща глава в разрез.
В съответствие с изобретението, устройство за рязане на обемни детайли с фибролазер включва ротационна лазерна режеща глава, монтирана върху куха опора, направена под формата на вертикално движещ се плъзгач, монтиран върху механична система за позициониране и движение.
Лазерната режеща глава включва корпус с вертикална ос на въртене и корпус с хоризонтална ос на въртене, монтиран върху корпуса с вертикална ос на въртене. Корпусът с хоризонтална ос на въртене носи оптична фокусираща глава. В този случай тялото с вертикална ос на въртене и тялото с хоризонтална ос на въртене са снабдени с електрически задвижвания за тяхното движение, кухи са и снабдени с въртящи се призми за транспортиране на лазерния лъч към оптичната фокусираща глава.
Плъзгачът е изработен с гнездо за монтиране на колиматор с конектор с поставен върху него оптичен кабел, който транспортира лазерно лъчение и е снабден с кух вал, монтиран коаксиално на колиматора и носещ в долния си край корпус с вертикална ос на въртене и ротор на вертикално електрическо задвижване, а корпус с хоризонтална ос на въртене е монтиран върху кух вал, монтиран в лагерни опори на междинен корпус, монтиран на вертикалния край на корпуса с вертикална ос yu въртене и носещ ротора на хоризонтално електрическо задвижване.
Примерно изпълнение на изобретението
За преместване на лазерната режеща глава има машинна част, направена под формата на портална конструкция, което е оправдано от голямото движение на работните органи по координатите X и Y. Такова разположениеосигурява по-висока твърдост.
Машинната част на комплекса включва следните основни възли и устройства:
- механична система за позициониране и движение, включваща: основа, траверса, напречна шейна, опора, направена под формата на вертикално движещ се плъзгач, монтиран върху напречна шейна;
- устройство за отстраняване на газовете от зоната на рязане;
- устройство за пневматично захранване и охлаждане;
- автономно затворено охладително устройство;
Основата, фиксирана върху основата, е основният възел за преместване на траверса, състоящ се от следните заварени звена - две рамки, свързани помежду си, върху които са монтирани стелажи с водачи от лявата и дясната страна. На стелажите на четири сачмени търкалящи лагери е монтиран плъзгач, върху който е прикрепена траверсата.
Траверсата, заварена алуминиева греда с два реда закалени водачи, се движи по протежение на опорните стълбове (координата X). Движението на траверсата с плъзгача се осъществява от две линейни задвижвания, работещи синхронно.
Каретката е напречна, движеща се по водачите на траверсата (Y координата) върху четири сачмени лагера. Движението се извършва от подобно линейно задвижване.
Плъзгачът (заварен алуминий), с два реда закалени водачи, се движи вертикално (Z координата) по протежение на четири сачмени лагера, фиксирани върху напречна шейна, използвайки синхронен двигател с вградена безлюфтова планетарна скоростна кутия чрез зъбна рейка и зъбно колело. За да разтоварите масата на плъзгача, както и да фиксирате позицията му, когато спре, е монтиран пневматичен цилиндър с фиксиращ прът, когато задвижването е изключено по Z координата.
Лазерното лъчение се транспортира от оптичен лазероптичен кабел, положен в гъвкави кабелоносещи вериги по координатите X, Y и Z, в адаптерно устройство, прецизно свързано с колиматора.
Ротационна лазерна режеща глава (виж Фиг.1) е прикрепена към края на плъзгача1 и има способността да се движи като цяло по координатите X, Y със скорост 100 m/min и по Z координата със скорост 30 m/min.
Оптичен кабел 2 се използва за транспортиране на лазерно лъчение λ=1,07 µm от излъчвателя към лазерната режеща глава и се състои от кварцово влакно с диаметър d=50 µm, което е в отразяваща и защитна обвивка и завършва с конектор.
Дължината на такъв светлинен водач може да бъде до 30 метра или повече, докато загубата на енергия е по-малка от 0,5%, а оптичното качество на излъчването, излизащо от конектора, е