устройство для лазерной обработки

Формула изобретения

Устройство для лазерной обработки, содержащее лазер, неподвижный корпус и подвижную часть в вида сопла, установленного с возможностью перемещения в направлении оптической оси, фокусирующего элемента, расположенного в полости сопла, и штуцера для подачи технологического газа в полость сопла, отличающееся тем, что оно снабжено механизмом компенсации веса подвижной части, выполненным в виде противовеса, связанного с соплом, или в виде упругого элемента, одним концом закрепленного на сопле, а другим на корпусе, при этом характеристики подвижной части устройства и сопла удовлетворяют следующим соотношениям:

P₀S₀ > (Mg T)

и



где Mg проекция силы тяжести подвижной части устройства на оптическую ось;

Т проекция компенсирующей силы на оптическую ось;

S общая площадь сечения среза сопла;

S₀ площадь сечения выходного отверстия сопла;

P_кр величина критического давления технологического газа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оборудованию для лазерной обработки, в частности резки листовых материалов, сфокусированным лучом лазера в соосной ему струе технологического газа.

При лазерной обработке материала возникает необходимость стабилизации положения перетяжки сфокусированного лазерного луча относительно поверхности материала.

Известно устройство фокусировки и слежения лазерной обрабатывающей установки (заявка Японии N62-29150, кл. В 23 К 26/02, 24.06.87). Устройство состоит из сопла с установленным в нем фокусирующим элементом и снабжено контактным датчиком смещения поверхности материала, который управляет механизмом вертикального перемещения сопла.

Известно также устройство для автоматической фокусировки лазерной установки (заявка Японии N62-45034, кл. В23 К 26/02, 24.09.87 прототип), состоящее из лазера, сопла, фокусирующего элемента, установленного в полости сопла и штуцера для подачи технологического газа, причем сопло установлено с возможностью перемещения в направлении оптической оси. В процессе обработки срез сопла скользит по поверхности материала, обеспечивая заданное положение перетяжки лазерного луча относительно поверхности материала.

Существенным недостатком устройства-прототипа является трение между срезом сопла и поверхностью обрабатываемого материала, которое приводит к износу сопла и деформации или смещению разрезаемого материала в направлении резки, что, в свою очередь, ограничивает качество и производительность лазерной обработки.

Целью настоящего изобретения является повышение качества и производительности лазерной обработки путем стабилизации рабочего зазора в заданном рабочем диапазоне перемещения подвижной части.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем лазер, неподвижный корпус, подвижную часть в виде сопла, установленного с возможностью перемещения в направлении оптической оси, фокусирующего элемента, расположенного в полости сопла, и штуцера для подачи технологического газа в полость сопла, подвижная часть дополнительно снабжена механизмом компенсации веса подвижной части устройства. Механизм компенсации веса может быть выполнен в виде противовеса, связанного c cоплом, или в виде упругого элемента, одним концом закрепленного на сопле, а другим на корпусе.

Сущность изобретения заключается в следующем. Часть газа, истекающего через сопло, течет в зазоре между поверхностью среза сопла и поверхностью материала, где имеет место эффект Бернулли статическое давление газа в зазоре меньше атмосферного давления.

Поскольку сопло имеет возможность перемещаться относительно поверхности материала и вес его скомпенсирован, между поверхностью среза сопла и поверхностью материала устанавливается величина зазора, при которой сила избыточного давления истекающей из сопла струи на материал уравновешивается силой притяжения среза сопла к материалу вследствие эффекта Бернулли. Подвижная часть устройства находится в состоянии устойчивого равновеcия, то есть при изменении равновесного зазора возникает возвращающая сила.

Таким образом, подвижная часть устройства, перемещаясь в осевом направлении, отслеживает кривизну материала, перемещаемого в направлении обработки, и сохраняет неизменным рабочий зазор между срезом сопла и поверхностью материала. Достигаемая стабильность положения перетяжки лазерного луча относительно поверхности материала при отсутствии механического контакта устраняет ограничение скорости, обусловленное в устройстве-прототипе необходимостью обеспечить размерную точность обработки при наличии деформации или сдвига материала, и таким образом повышает производительность заявляемого устройства.

Отсутствие, в сравнении с прототипом, механического износа среза сопла, приводящего к заглублению перетяжки относительно ее оптимального положения и изменению сечения выходного отверстия сопла, обеспечивает долговременную стабильность технологических параметров лазерной обработки и, следовательно, повышает качество обработки материала.

Дополнительным преимуществом заявленного устройства является значительное упрощение конструкции по сравнению с прототипом, а именно отсутствие механизма вертикального перемещения.

На фигуре изображен разрез заявляемого устройства (приведены ссылки на фигуру, представленную в первоначальном тексте описания. Позиция 3 (штуцер) переобозначена в поз.4, а поз.4 (сопловая насадка) в поз.3.

Устройство содержит лазер (на фиг. не показан), неподвижный корпус 1 и сопло, состоящее из сопловой камеры 2 и сопловой насадки 3. Сопловая камера 2 установлена на посадочном месте корпуса 1 с возможностью перемещения в направлении оси лазерного луча и снабжена штуцером 4 для подачи технологического газа. Сопловая насадка 3 закреплена в нижней части сопловой камеры 2. Выходное отверстие сопла имеет площадь сечения S₀, а общая площадь среза сопла S. Фокусирующая линза 5 установлена внутри сопловой камеры 2 соосно выходному отверстию сопла. Подвижная часть устройства подвешена на пружинах 6 к корпусу 1. Нагрузочная характеристика пружин 6 выбирается таким образом, что их удлинение под действием веса подвижной части много больше заданного рабочего диапазона перемещения подвижной части (далее РДП) при обработке материала 7.

Рассматривается вариант исполнения заявляемого устройства, в котором в качестве механизма компенсации веса подвижной части вместо пружин 6 используется противовес, состоящий из грузика (на фиг. не показан), соединенного с сопловой камерой 2 тросиком (на фиг. не показан), пропущенным через блок (на фиг. не показан), установленный на корпусе 1.

Устройство работает следующим образом.

В начальный момент срез сопла подводят к поверхности материала 7. Через штуцер 4 подают технологический газ с избыточным давлением в полости сопла Р₀, причем давление Р₀, как правило [3] не превышает величины критического давления для используемого технологического газа. При истечении газа из сопла часть его протекает в зазор между срезом сопла и поверхностью материала. Между срезом сопла и поверхностью материала устанавливается рабочий зазор, при котором сила избыточного давления истекающей из сопла струи газа уравновешивается силой притяжения сопла к материалу вследствие эффекта Бернулли. В результате подвижная часть в процессе резки перемещается в осевом направлении, отслеживая кривизну материала. Когда, отслеживая кривизну материала, подвижная часть перемещается вверх относительно точки равновесия, сила упругости пружин 6 Т, которая компенсирует вес подвижной части Mg, становится неизбежной в верхней точке РДП. Если условие P₀S₀ > (Mg Т) (I) не выполнено, произойдет закупоривание выходного отверстия сопла поверхностью материала и возникнет нежелательный механический контакт с перемещаемым в направлении резки материалом.

При перемещении подвижной части, отслеживающей кривизну материала, вниз от положения равновесия сила упругости становится наибольшей в нижней точке РДП, при этом возможен отрыв среза сопла от поверхности материала, если сопло имеет недостаточно развитую поверхность среза. По результатам измерений усилий отрыва для различающихся значениями S и S₀ сопл определено условие: , выполнение которого исключает отрыв среза сопла от поверхности материала во всем РДП.

При использовании в качестве механизма компенсации веса подвижной части противовеса масса грузика должна соответствовать соотношениям I и II с учетом применения устройства для обработки наклонных участков материала. При этом масса грузика выбирается минимально возможной с целью снижения инерции подвижной части устройства.

Таким образом соответствие характеристик составных частей устройства условиям I и II обеспечивает работоспособность устройства в заданном РДП. Условия I и II практически применимы, если гидравлическое сопротивление канала, прорезаемого лазерным лучом в материале, много больше, чем гидравлическое сопротивление рабочего зазора между срезом сопла и поверхностью материала, что, как правило, и выполняется в большинстве известных процессов лазерной обработки [3]