RU2064389C1

RU2064389C1 - Machine for laser beam treatment

Info

Publication number: RU2064389C1
Application number: SU5040898/08A
Authority: RU
Inventors: С.В. Усов; И.В. Минаев; Ю.Б. Зверев; М.Ю. Зарубин; Ф.Т. Чепков
Original assignee: Производственное объединение "Туламашзавод"
Priority date: 1992-05-05
Filing date: 1992-05-05
Publication date: 1996-07-27

Abstract

FIELD: welding, namely, apparatuses for laser beam treatment with automatic correction of position of focal plane that may be used in different branches of machine engineering. SUBSTANCE: machine includes frame, coordinate table, laser, system for controlling motion of laser head. The latter has unit for beam converging, optical members and nozzle. Head includes mechanism for correction of unit for converging beam. This mechanism is made of set of adjustable ball pairs or prism pairs arranged by two rows of predetermined pitch and predetermined spacing between rows. Nozzle is rigidly joined with unit for converging beam. EFFECT: improved design. 4 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к лазерной технике и может быть использовано при размерной лазерной обработке и сварке деталей. The proposed device relates to laser technology and can be used in dimensional laser processing and welding of parts.

Известна фокусирующая головка для машины лазерной резки, которая содержит подвижную конструкцию, фокусирующую линзу и изготовленное за одно целое с ней выходное сопло, которое закреплено на подвижной конструкции и перемещается относительно нее по двум осям, образующим угол. При этом сопло можно перемещать по любой траектории, удерживая центр линзы на заданном расчетном расстоянии от поверхности разрезаемого листового материала. Фокусирующая головка состоит из первой и второй частей, которые перемещаются параллельно оптической оси линзы и оси сопла. Одна из этих частей содержит сопло, линзу и датчик, детектирующий расстояние от центра линзы по поверхности разрезаемого материала. Фокусирующая головка, кроме того, содержит управляемый указанным датчиком сервомеханизм, установленный между первой и второй осевыми позициями, в которые перемещают первую и вторую части головки. Сервомеханизм удерживает центр фокусирующей линзы на заданном постоянном расстоянии от поверхности разрезаемого материала. Датчик оснащен устройством со скользящим контактом, который перемещается по выходному концу сопла и выступает со стороны его торца, касаясь поверхности разрезаемого листового материала (1). A known focusing head for a laser cutting machine, which comprises a movable structure, a focusing lens and an output nozzle made in one piece, is fixed to the movable structure and moves relative to it along two axes forming an angle. In this case, the nozzle can be moved along any trajectory, holding the center of the lens at a predetermined design distance from the surface of the cut sheet material. The focusing head consists of the first and second parts, which move parallel to the optical axis of the lens and the axis of the nozzle. One of these parts contains a nozzle, a lens and a sensor that detects the distance from the center of the lens on the surface of the material being cut. The focusing head further comprises a servo-mechanism controlled by said sensor mounted between the first and second axial positions into which the first and second parts of the head are moved. The servo mechanism keeps the center of the focusing lens at a predetermined constant distance from the surface of the material being cut. The sensor is equipped with a device with a sliding contact, which moves along the output end of the nozzle and protrudes from the side of its end, touching the surface of the cut sheet material (1).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является головка станка для обработки лазерным лучом с автоматической коррекцией положения фокальной плоскости, в которой оптический блок с фокусирующей линзой подвешен под неподвижным несущим органом при помощи двигателя Жиклеры подачи воздуха под давлением к отверстию присоединены к ротаметрам, подвижный элемент, который перемещается в зависимости от расхода утечки в зазорах х относительно поверхности S перед датчиками, управляющими ходом двигателя в направлении коррекции (2). The closest in technical essence to the proposed device is the head of the machine for processing a laser beam with automatic correction of the focal plane, in which an optical unit with a focusing lens is suspended under a stationary carrier using a motor. Air-injected air nozzles are connected to the hole to the flowmeters, a movable element , which moves depending on the leakage rate in the gaps x relative to the surface S in front of the sensors that control the engine in the direction correction (2).

Описанные выше конструкции имеют общий существенный недостаток: сложность механизма коррекции положения фокусирующей системы относительно поверхности обрабатываемого материала, вследствии чего снижается надежность работы лазера в условиях промышленного применения. Так, например, попадание грата и продуктов сгорания в зазоры S (ав.св. N 2564349) изменяют расход утечки газа, что приводит к ошибке в коррекции фокальной плоскости. The designs described above have a common significant drawback: the complexity of the mechanism for correcting the position of the focusing system relative to the surface of the processed material, which reduces the reliability of the laser in industrial applications. So, for example, the ingress of grata and combustion products into the gaps S (a.s. St. N 2564349) changes the gas leakage rate, which leads to an error in the correction of the focal plane.

Для того, чтобы устранить вышеуказанный недостаток в станке, для обработки лазерным лучом, содержащий станину, координатный стол, систему управления перемещения лазерной головки, состоящей из блока сведения луча, оптических элементов и сопла, предусмотрен механизм коррекции блока сведения луча диаметром большим диаметра блока сведения луча и выполненный из набора юстируемых шариковых или призменных пар, расположенных с равным шагом по окружности в два ряда с расстоянием между ними, выбираемом из зависимости

где h расстояние от поверхности обрабатываемого материала до верхних юстируемых шариковых или призменных пар;
Н расстояние от поверхности обрабатываемого материала до нижней точки юстируемых шариковых или призменных пар;
α- угол между оптической осью и направлением перемещения блока сведения луча;
D диаметр отверстия сопла;
d диаметр сфокусированного фокального пятна в зоне обработки, причем сопло жестко смонтировано с блоком сведения луча и подвижно с несущим органом.In order to eliminate the above drawback in the machine, for processing a laser beam containing a bed, a coordinate table, a control system for moving the laser head, consisting of a beam converting unit, optical elements and a nozzle, a correction mechanism for the beam converging unit with a diameter larger than the diameter of the beam converting unit is provided and made of a set of adjustable ball or prismatic pairs arranged with equal circumferential pitch in two rows with a distance between them, selected from the dependence

where h is the distance from the surface of the processed material to the upper aligned ball or prismatic pairs;
N is the distance from the surface of the processed material to the lower point of the aligned ball or prismatic pairs;
α is the angle between the optical axis and the direction of movement of the beam information unit;
D the diameter of the nozzle;
d is the diameter of the focused focal spot in the treatment zone, the nozzle being rigidly mounted with the beam converting unit and movably with the carrier.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен схематически предлагаемый станок для обработки лазерным лучом; на фиг.2 лазерная головка; на фиг.3 вид А-А фиг.2 (в качестве юстируемых элементов используются призменные пары); на фиг.4 вид А-А фиг.2 (в качестве юстируемых элементов используются шариковые пары). The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a schematically proposed machine for processing a laser beam; figure 2 laser head; figure 3 is a view aa of figure 2 (prismatic pairs are used as alignment elements); in Fig. 4, view A-A of Fig. 2 (ball pairs are used as alignment elements).

Предлагаемый станок для обработки лазерным лучом включает станину 1, координатный стол 2, лазер 3, систему управления 4 перемещения лазерной головки 5, содержащей оптические элементы 6, сферическое сопло 7, жестко соединенное с блоком 8 сведения луча, перемещающихся под действием пружин 3 и неровностей поверхности обрабатываемого материала 10 на сферическую поверхность сопла, механизм коррекции 11 блока сведения луча и сопла, состоящего из набора юстируемых шариковых 12 или призменных 13 пар, обеспечивающих безлюфтовое перемещение блока 8 сведения луча, гарантирующих совпадение геометрической 14 и оптической 15 осей с точностью, определяемой из следующей зависимости:

где h расстояние от поверхности обрабатываемого материала до верхних юстируемых шариковых и призменных пар;
Н расстояние от поверхности обрабатываемого материала до нижней точки юстируемых шариковых и призменных пар; α- угол между оптической осью и направлением перемещения блока сведения луча;
D диаметр отверстия сопла;
d диаметр сфокусированного фокального пятна в зоне обработки.The proposed machine for processing a laser beam includes a bed 1, a coordinate table 2, a laser 3, a control system 4 for moving the laser head 5 containing optical elements 6, a spherical nozzle 7, rigidly connected to the unit 8 information beam moving under the action of springs 3 and surface irregularities the processed material 10 on the spherical surface of the nozzle, the correction mechanism 11 of the beam-converting unit and the nozzle, consisting of a set of adjustable ball 12 or prismatic 13 pairs, providing a backlash-free movement of the unit 8 tions beam, guaranteeing the geometrical match 14 and 15 of the optical axes with an accuracy determined by the following relationship:

where h is the distance from the surface of the processed material to the upper aligned ball and prismatic pairs;
N is the distance from the surface of the processed material to the lower point of the aligned ball and prismatic pairs; α is the angle between the optical axis and the direction of movement of the beam information unit;
D the diameter of the nozzle;
d diameter of the focused focal spot in the treatment area.

При движении обрабатываемой детали 10 относительно сферической головки сопла 7, поддерживается ее постоянный контакт с последней. При изменении положения плоскости поверхности обрабатываемой детали сопло 7 вместе с блоком 8 сведения луча под воздействием пружины 9 перемещается вслед за ним, контактируя своими гранями с набором предварительно выставленных шариковых 12 или призменных 13 пар механизма коррекции 11, исключающих люфты и отклонения геометрической оси 14 направления движения от оптической оси 15 лазера свыше пределов, что позволяет получать качественный рез на обрабатываемой поверхности, не производя предварительной правки заготовок, исключает "удар" сопла в деталь при ошибках в программе. When the workpiece 10 moves relative to the spherical head of the nozzle 7, its constant contact with the latter is maintained. When changing the position of the surface plane of the workpiece, the nozzle 7 together with the beam converting unit 8 under the influence of the spring 9 moves after it, in contact with its faces with a set of pre-set ball 12 or prism 13 pairs of the correction mechanism 11, eliminating backlash and deviations of the geometric axis 14 of the direction of movement from the optical axis 15 of the laser over the limits, which allows you to get a high-quality cut on the work surface, without making preliminary dressing of the workpieces, eliminates the "impact" of the nozzle detail for errors in the program.

Claims

A laser beam processing machine comprising a bed, a coordinate table, a laser, a system for controlling the movement of a laser head, consisting of a beam converting unit, optical elements and a nozzle, characterized in that the machine head has a correction unit for a data unit made of a set of adjustable ball or prism pairs arranged with equal circumferential pitch in two rows with a distance between them, selected from the relation:

where h is the distance from the axis of the lower aligned ball or prismatic pairs to the surface of the nozzle;
N is the distance from the axis of the upper aligned ball or prismatic pairs to the surface of the nozzle;
α is the angle between the optical axis of the laser passing through the beam information unit and the axis of the beam information unit;
D the diameter of the nozzle;
d the diameter of the focused focal spot in the treatment area,
moreover, the nozzle is rigidly mounted with the beam information unit.