технологический объектив для лазерной обработки

Формула изобретения

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ, содержащий корпус, в котором закреплены линза и отражающий отклоняющий элемент, привод вращения корпуса вокруг оси, параллельной главной оптической оси, и сопловый блок, отличающийся тем, что отражающий элемент выполнен в виде призмы с рабочей поверхностью кривизны второго порядка определенного радиуса, установленной с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной оси подающего излучения, призма снабжена приводом перемещения и шарнирным механизмом с думя роликами, сопловый блок закреплен с возможностью углового перемещения, а ролики кинематически связаны с шарнирным механизмом и сопловым блоком и установлены с возможностью перемещения по краям рабочей поверхности призмы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лазерной обработке материалов и может быть использовано для различных видов лазерной обработки: резки, сварки, поверхностной закалки труднодоступных деталей, деталей развитой формы.

Известен объектив для лазерной обработки типа "Кассегрен" [1] Объектив состоит из корпуса и системы отклоняющих зеркал с юстировочными элементами. При работе лазерный луч из лазера направляется системой транспортировки вертикально вниз во входное отверстие и, последовательно отражаясь от зеркал, выходит вертикально вниз. Последнее зеркало имеет определенный радиус кривизны и фокусирует лазерный луч. Выходя из объектива, лазерный луч попадает на обрабатываемую деталь. Перемещая объектив в пространстве (по линейным координатам X, Y, Z), можно проводить лазерную обработку горизонтальных поверхностей на разных уровнях. Недостатком вышеописанного объектива является ограниченные технологические возможности: обработка строго горизонтальных поверхностей, в подавляющем большинстве листовых материалов. Для обработки наклонных поверхностей необходимо наклонять объектив, но при этом необходимо изменять и угол ввода лазерного луча в объектив, что является технически сложной задачей, особенно при изменяемой кривизне. Этого недостатка лишены объективы пространственной обработки [2] Конструкция объективов состоит из 2-х частей: корпуса, вращающегося вокруг вертикальной оси, с жестко закрепленным в нем отклоняющим зеркалом (или системой отклоняющих зеркал), и соплового блока, состоящего из отклоняющего фокусирующего зеркала и сопла с расположенной в нем линзой для подфокусировки. Сопловой блок вращается относительно корпуса объектива вокруг горизонтальной оси. Используя эти две вращательные степени свободы, в сочетании с тремя поступательными (X,Y,Z), можно добиться практически любого направления лазерного луча в пространстве, и следовательно, обрабатывать практически любую выпуклую поверхность. Недостатком вышеописываемых объективов является практическая сложность обработки в верхней зоне (зона, расположенная сверху от горизонтальной плоскости, проходящей через центр отражения лазерного луча на последнем зеркале. В практике встречается очень большое число случаев, когда обработка ведется в верхней зоне, особенно для резки и сварки в автомобилестроении.

Практическая сложность обработки в верхней зоне заключается в следующем. Для проведения лазерной обработки с помощью технологического объектива требуется непрерывная подача охлаждающей воды на отклоняющие зеркала и защитных при сварке или активных (при резке) газов к соплу. Поэтому для осуществления поворота вращающихся частей объектива при проведении процесса обработки необходима установка специальных механизмов: коллекторов с кольцевыми проточками для прохождения воды и газов. Установка коллекторов на конечном звене технологических объективах пятикоординатных установок пространственной обработки, резко утяжеляет конструкцию этого звена, что отрицательно влияет на динамические и точностные характеристики. Кроме того, установка коллекторов значительно усложняет конструкцию объективов: приводам, обеспечивающим вращение частей объективов, требуются дополнительные мощности для преодоления сил трения в коллекторах. Само использование коллекторов снижает надежность работы объектива. Поэтому на практике для обеспечения вращательных перемещений объективов обычно идут на отказ от использования коллекторов и замену их подводящими шлангами, либо идут на установку на манипуляторе, обеспечивающем перемещение по оси одного коллектора для свободного вращения вокруг вертикальной оси и применение подводящих шлангов для обеспечения вращения соплового блока в горизонтальной плоскости.

Однако использование подводящих шлангов имеет следующий недостаток для обеспечения необходимого вращения необходим запас шлангов по длине, что приводит к: провисанию шлангов; перепутыванию во время работы; попаданию под луч с последующим пережогом шланга и выходу технологического объектива из строя. Поэтому у технологических объективов пространственной обработки ограничена возможность обработки в верхней зоне (у прототипа соответственно 90 или 120^о).

Целью изобретения является расширение технологических возможностей за счет обеспечения возможности обработки в верхней зоне, упрощение конструкции.

Достигается это тем, что в известной конструкции, состоящей из корпуса, соплового блока, линзы, привода вращения объектива вокруг вертикальной оси, отражающий лазерный луч элемент выполнен в виде призмы с рабочей стороной, имеющей кривизну определенного радиуса, призма имеет привод ее перемещения перпендикулярно оси падающего излучения, а также шарнирный механизм и два направляющих ролика, перемещающихся по обоим краям рабочей поверхности призмы.

Наличие призмы, имеющей привод горизонтального перемещения, позволяет отражать вертикально падающий луч в верхнюю плоскость. Наличие шарнирного механизма и двух роликов, перемещающихся по обоим краям рабочей поверхности призмы, дает возможность устанавливать сопловой блок перпендикулярно плоскости, проходящей через точку, лежащую на рабочей поверхности призмы и лежащей в центре падающего лазерного излучения (точка А). Тем самым обеспечивается возможность точного попадания отраженного лазерного излучения в сопловой блок.

Рабочая поверхность призмы, имеющей определенный радиус кривизны, позволяет осуществлять подфокусировку лазерного луча. Замена привода вращения вокруг горизонтальной оси на привод линейного перемещения ведет к упрощению конструкции.

На фиг.1-3 представлена конструкция объектива. Он состоит из корпуса 1, на котором закреплена линза 2. Призмы 3 с приводом горизонтального перемещения 4 и шарнирным механизмом 5. По краям рабочей поверхности призмы перемещаются ролики 6, связанные с шарнирным механизмом 5 и сопловым блоком 7. Лазерный луч 8, проходя объектив, попадает на поверхность детали 9.

Объектив работает следующим образом. Лазерный луч, проходя входное отверстие корпуса 1 объектива, попадает на линзу 2, где фокусируется. Проходя линзу, лазерный луч попадает на призму 3, и, отражаясь от нее, попадает в сопловой блок 7. Выходя из него, лазерный луч направляется на деталь 9. Для изменения направления луча привод горизонтального перемещения 4 перемещает призму 3, тем самым изменяется наклон отражающей поверхности и лазерный луч отражается под новым углом. Подключение привода к системе управления лазерной установкой дает возможность управления лазерного луча по программе. При перемещении призмы приводятся в действие шарнирный механизм 5 и ролики 6, что позволяет перемещать сопловой блок в соответствии с направлением оси отраженного лазерного луча.