устройство для светолучевой обработки

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВЕТОЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ, содержащее точечный источник оптического излучения и концентрирующий отражатель с отражающей поверхностью в виде конфокальных поверхностей вращения, ряд которых выполнен в виде части эллипсоида, один из фокусов которых совмещен с источником излучения, а другой с поверхностью обрабатываемого материала, отличающееся тем, что между поверхностями частей эллипсоидов в области между их фокусами введены поверхности, являющиеся частью сферы, центры которых также совпадают с источником излучения, а в области за пределами расположения излучателя поверхности между частями эллипсоидов представляют собой цилиндры, образующая которых есть линия, соединяющая краевые точки частей эллипсоидов, при этом число частей эллипсоидов K, образующих цилиндров n и сфер m связано соотношением

K n + m + 1,

где n и m целые числа;

n и m 0,1,2.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к светотехнике, в частности к техническим средствам для концентрации оптического излучения, и может быть использовано при проведении светолучевой обработки материалов, включая производство пайки и сварки листовых материалов.

Известно устройство для светолучевой обработки, содержащее рефлектор, отражающая поверхность которого выполнена в виде эллипсоида вращения, в одном из фокусов которого установлен дуговой источник света, а другой совмещен с поверхностью обрабатываемого материала [1] Недостатком этого устройства является низкий коэффициент сбора излучения при использовании мощных источников света.

Наиболее близким техническим решением является устройство для светолучевой обработки, содержащее отражатель, выполненный в виде последовательно и соосно установленных основного и дополнительного эллипсоидов, соединенных кольцевым элементом, в общем излучающем фокусе которых размещен точечный источник света, поверхность обрабатываемого материала совмещена со вторым фокусом основного эллипсоида; при этом второй фокус дополнительного эллипсоида расположен симметрично второму фокусу основного эллипсоида относительно плоскости, перпендикулярной общей оси эллипсоида, с которой совмещена плоскость зеркала [2]

Использование отражателя с поверхностью, имеющей форму эллипсоида вращения в интервале от вершины отражателя до точки излучающего фокуса, приводит к большим габаритам оптического излучателя при попытке увеличить расстояние от точки излучения до вершины отражателя для снижения тепловой нагрузки на стенки отражателя, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния от точки излучения до поверхности отражателя. Вместе с тем, этот фактор ограничивает мощность излучателя при ограниченных поперечных размерах так же и из-за деформации формы отражателя, которая изменяет его оптические свойства. Компенсация этого эффекта требует использования больших потоков охлаждающей жидкости и приводит к увеличению толщины стенок отражателя и его массы.

Технический эффект от использования предлагаемого устройства заключается в возможности использования более мощных дуговых излучателей и уменьшения габаритных размеров концентрирующего отражателя.

Указанный технический эффект достигается за счет того, что в устройстве для светолучевой обработки, содержащим точечный источник оптического излучения и концентрирующий отражатель с отражающей поверхностью в виде конфокальных поверхностей вращения, ряд которых выполнен в виде части эллипсоида, один из фокусов которых совмещен с источником излучения, а другой с поверхностью обрабатываемого материала, между поверхностями частей эллипсоидов в области между их фокусами введены поверхности, являющиеся частью сферы, центры которых также совпадают с источником излучения, а в области за пределами расположения излучателя поверхности между частями эллипсоидов представляют собой цилиндры, образующая которых есть линия, соединяющая краевые точки эллипсоидов, при этом число частей эллипсоидов K, образующих цилиндров n и сфер m связно соотношением K n + m + 1, где n и m целые числа, n, m 0,1,2,

Сравнение предложенного технического решения с уровнем техники по научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках показывает, что совокупность существенных признаков предложенного решения ранее не была известна, следовательно оно соответствует условию патентноспособности "новизна".

Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в предложенной совокупности существенных признаков дает возможность получить новый технический эффект, следовательно предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.

Предложенное техническое решение промышленно применимо, так как может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентноспосбности "промышленная применимость".

На чертеже изображен пример исполнения оптического излучателя для термической обработки материалов. Оптический излучатель содержит источник излучения 1 с точечной излучающей областью в точке F1 на оси концентрирующего отражателя 2 с отражающей поверхностью, которая представляет собой поверхность, полученную в результате вращения ломаной линии, составленной из дуг эллипсов 3 с фокусами в точках F1 и F2, отрезков лучей 4, исходящих из точки F1, и дуг окружностей 5 с центром в точке F1, вокруг оси, проходящей через точки F1 и F2.

Устройство работает следующим образом.

Излучение источника 1, распространяясь вдоль лучей из точки F1, отражается поверхностью концентрирующего отражателя 2. Если отражение происходит на участке поверхности с образующей в виде дуги эллипса 3 с фокусами в точках F1 и F2, то после отражения излучение направлено вдоль луча, проходящего через точку F2. На чертеже этот случай представлен отрезками F1,А и A,F2. Если отражение происходит на участке поверхности с образующей в виде дуги окружности 5 с центром в точке F1, то после отражения излучение проходит вновь через точку F1 и распространяется до пересечения с поверхностью отражателя на участке с образующей в виде дуги эллипса 3. Этому соответствует ход луча вдоль отрезков F1,B и B,F1,C. Если точка С образующей поверхности вращения концентрирующего отражателя также принадлежит дуге окружности 5, то излучение будет многократно проходить по пути В,С; С,В, не попадая в фокальную точку F2. Такой участок отражателя не будет давать вклад в поток излучения, проходящий через сечение, в котором установлена поверхность обрабатываемого материала. Поэтому этот случай должен быть исключен из возможных вариантов реализации отражателя.

Так как направление распространения излучения совпадает с лучами, исходящими из точки F1, то отражения излучения от участков поверхности отражателя с образующей в виде отрезков лучей 4 не происходит, и эти участки не оказывают влияния на распространение излучения, если не оказываются на пути излучения после отражения от эллиптических участков. Подобные препятствия, которые могут быть созданы также участками отражателя с образующими в виде дуг окружностей 5, не могут быть допущены в варианте реализации отражателя.

Выполнение поверхности концентрирующего отражателя 2 с образующей в виде ломаной линии с участками из дуг эллипсов 3, дуг окружностей 5 или отрезков лучей 4 позволяет существенным образом менять форму отражателя в зависимости от конкретных условий. Так, если требуется обеспечить больший коэффициент использования излучения, то следует уменьшить диаметр выходного сечения отражателя и приблизить это сечение к фокальной точке F2. В предельном случае совпадения плоскости выходного окна с плоскостью сечения, проходящей через точку F2, угол использования излучения определяется уравнением.

=+ 2 arctg (a²/b² 1)^1/2, где а длина большой полуоси эллипса, а b длина его малой полуоси. При а/b 2 d 1,66 радиан, а при а/b 3 d 1,83 радиан.

Выполнение концентрирующего отражателя 2 в виде, описанном выше, позволяет значительно снизить тепловую нагрузку на стенки отражателя, что дает возможность выполнить стенки более тонкими, уменьшить вес и габариты излучателя, или увеличить мощность используемого источника оптического излучения.