Файл: Расчёт и проектирование схемы управления станции лазерной резки.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.12.2023
Просмотров: 479
Скачиваний: 22
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Лазерная резка нержавеющей стали, в особенности больших толщин, затруднена процессом зашлаковывания реза из-за присутствия в металле легирующих элементов, влияющих на температуру плавления металла и его оксидов. Так, возможно образование тугоплавких оксидов, препятствующих подводу лазерного излучения к обрабатываемому материалу. Усложняет процесс резки и низкая жидко текучесть расплавленных оксидов, например; свойственная для нержавеющих хромоникелевых и высокохромистых сталей. Для получения качественного реза используется азот высокой чистоты, подаваемый при повышенном давлении (обычно до 20 атм). При резке нержавеющей стали большой толщины требуется заглубление фокального пятна луча в разрезаемый металл. Как следствие, повышается диаметр входного отверстия и возрастает подача газа внутрь металла в зону расплава. Для лазерной резки алюминия и его сплавов, меди и латуни требуется излучение более высокой мощности, что обусловлено следующими факторами: низкой поглощательной способностью этих металлов по отношению к лазерному излучению, особенно с длиной волны 10,6 мкм углекислотного лазера, в связи с чем твердотельные лазеры более предпочтительны; высокой теплопроводностью этих материалов.Обработка малых толщин может выполняться в импульсном режиме работы лазера, что позволяет уменьшить зону термического воздействия, а больших толщин в микроплазменном режиме. Плазмообразующими являются пары легко ионизируемых металлов магния, цинка и др. Под действием лазерного луча в области реза образуется плазма, нагревающая металл до температуры плавления и плавящая его.При разрезании алюминия применяется вспомогательный газ с давлением более 10 атм. Структура торцевой поверхности рез пористая с легко удаляемым гратом на нижней кромке реза. С повышением толщины металла качество торцевой поверхности реза ухудшается. При резке латуни торцевая поверхность реза обладает пористой шероховатой структурой с легко удаляемым гратом в нижней части реза. С возрастанием толщины металла качество торцевой поверхности реза ухудшается.2 .2Технологические параметры лазеровОсновными технологическими параметрами процесса лазерной резки являются:
- мощность излучения;- скорость резки;- давление вспомогательного газа;- диаметр сфокусированного пятна и др.При импульсном режиме к данным параметрам добавляются: - частота повторения импульсов;- длительность импульсов;- средняя мощность излучения.Эти параметры влияют на ширину реза, качество резки, зону термического влияния и другие характеристики.Качество реза определяется шероховатостью его поверхности. Она отличается для различных зон по толщине металла. Наилучшее качество характерно для верхних слоев разрезанного металла , наихудшее для нижних.2.3 Лазерные резакиПростейшее устройство лазерного резака показано на рисунке ниже. Для подачи газа в зону резки между линзой и заготовкой размещено сопло в виде усеченного конуса. Газ, выходящий под давлением из сопла по лазерному пучку, помимо технологических функций обеспечивает защиту линзы от продуктов лазерной обработки.Рисунок 4 - Простейшее фокусирующее устройство (резак) станка лазерной резкиПоверхность линзы резака, обращенную к обрабатываемому изделию, также защищают с помощью экранирующих диафрагм, прозрачных вращающихся и неподвижных экранов, вращающихся металлических дисков с окнами на пути прохождения лазерного излучения, магнитных и электро разрядных устройств. Для обеспечения длительного срока службы фокусирующих элементов мощных (свыше 3 кВт) установок целесообразно применение металлооптики. На рисунке ниже приведена конструкция резака с металлическими зеркалами, которые фокусируют излучение, выходящее из неустойчивого резонатора.2 .4 Станки лазерной резкиДля превращения лазерного луча в инструмент, ему или обрабатываемой заготовке нужно сообщить движение подачи по траектории, совпадающей с контуром получаемой детали, либо элементов детали. Машина, где выполняются эти условия называют - станок лазерной резки.Независимо от своей классификационной принадлежности, практически все станки лазерной резки, за исключением специальных моделей для обработки различного металлопрофиля, имеют в своей конструкции стол, для размещения на нем листовой заготовки. Размеры стола согласованы со стандартными размерами металлического листа. Для повышения производительности, часто в конструкцию станка встраивается второй сменный стол. По данной схеме один стол находится в рабочей позиции – там происходит резка заготовки, второй стол находится в позиции загрузки–выгрузки – там происходит снятие готовых деталей после резки и загрузка заготовки для последующей обработки. Смена столов чаще происходит автоматически, по программе, иногда, на простых машинах, при участии оператора. Применение такой конструкции значительно снижает время, затрачиваемое на установку-снятие деталей и заготовок, что в свою очередь повышает производительность операции.
2.5 Расчёт системы ЧПУВ зависимости от типа станка лазерной резки, от количества управляемых координат, применяют различные типы систем ЧПУОтносительно простые СЧПУ находят применение в станках для обработки только листовой заготовки. Здесь программируется управление по трем координатам (X, Y, Z). Управление по оси Z происходит при помощи системы слежения. Она позволяет обрабатывать металлические листы с значительным отклонением от плоскостности, избегая повреждений режущей головки.Трудоёмкие системы ЧПУ устанавливаются на машины для объемной резки. В данном случае управляемыми становятся пять, а в более передовых системах шесть координат.Комплексные задачи ставятся перед СЧПУ на станках для обработки различного металлопрофиля. На таких станках, помимо управления движениями режущей головки, заготовки, нужно управлять загрузочными и разгрузочными устройствами. В связи с этим на таких станках нередко устанавливают две системы ЧПУ, которые согласованно управляют перечисленными устройствами. Все современные СЧПУ обладают стандартным набором функций и возможностей:
В настоящее время нет четких классификационных систем лазерного технологического оборудования. По составу лазерное оборудование может быть технологическим лазером, лазерной технологической установкой и лазерным технологическим комплексом.Технологический лазер (ТЛ) – это источник лазерного излучения, соответствующий заданным техническим требованиям с необходимым комплектом запасных частей. Лазерная технологическая установка (ЛТУ) – это технологический лазер с внешним оптическим трактом, комплектом внешней оптики и соответствующим числом запасных частей. Лазерный технологический комплекс (ЛТК)– это лазерная технологическая установка, снабженная манипулятором изделия или оптики, вспомогательной технологической оснасткой и общей системой управления для проведения технологических операций. Все части ЛТК функционально взаимосвязаны между собой для выполнения технологического процесса. ЛТК могут быть специальными, специализированными, предназначенными для реализации одного технологического процесса, и универсальными, предназначенными для выполнения целого ряда операций.В общем случае комплекс для лазерной резки состоит из следующих частей: излучателя, координатного устройства, системы формирования и транспортировки излучения и газа, автоматизированной системы управления параметрами установки технологического процесса..Излучатель предназначен для генерации лазерного излучения с необходимыми оптическими, энергетическими и пространственно-временными параметрами, обеспечивающими требуемые показатели качества и производительности процесса резки. В состав излучателя входят: активная среда, зеркала резонатора, элементы системы накачки, устройство модуляции излучения.В настоящее время для резки используются следующие типы лазеров:YAG - твердотельные лазеры на основе алюмоиттриевого граната. Накачка активного элемента производится высоковольтными разрядными лампами, непрерывными или импульсными. Режим генерации соответственно может быть непрерывным, импульсным. Еще есть режим так называемого "гигантского" импульса Q-switch.YAG - твердотельные лазеры c диодной накачкой. Это новый современный вариант лазеров, в которых вместо высоковольтной газоразрядной лампы накачка производится мощными светоизлучающими диодами. Хотя эти лазеры довольно дорогие, но в системе нет высоких напряжений, ресурс диодных линеек существенно выше ресурса газоразрядной лампы, и лазеры лучше управляются от электронных систем. YAG-лазеры пригодны только для резки металлов. Импульсные YAG-лазеры режут с высоким качеством не только сталь и титан, но и алюминиевые сплавы. Возможна резка и сплавов на медной основе, но здесь эффективность сильно зависит от химического состава.
СО2-лазеры. Газовые лазеры на основе смеси газов СО2-He-N2. Возбуждение смеси выполняется разными видами электрического разряда в газах. В настоящее время самыми компактными и эффективными являются так называемые "щелевые" (slab) лазеры с накачкой высокочастотным разрядом. СО2-лазеры пригодны для резки неметаллов (почти любых, кроме материалов со сложной структурой: ДСП, бакелитовые фанеры, граниты) и для резки металлов. Для резки металлов нужен довольно большой уровень мощности (от 500 Вт), а для резки цветных металлов – 1000 Вт и более. Здесь особенно эффективны щелевые СО2-лазеры, которые обеспечивают так называемый "суперимпульсный" режим излучения. Это значит, что световой поток не непрерывен, а состоит из импульсов с частотой 10 – 20 кГц, так что при средней мощности, например, 500 Вт, мощность в импульсе составляет 1000 – 1500 Вт. При резке металлов это очень важно, так как уменьшается ширина реза и улучшается качество.Текст не форматированКоординатное устройство служит для осуществления относительного перемещения луча и детали в пространстве. В состав координатного устройства входят исполнительные механизмы и привод.Системы формирования и транспортировки излучения и газа состоят из поворотных зеркал, объектива, устройства вращения плоскости поляризации, фокусирующей системы, системы подачи газа и комплектуется юстировочным лазером.Автоматизированная система управления служит для контроля и управления параметрами лазера, для передачи команд на исполнительные механизмы системы формирования и транспортировки излучения и газа и координатного устройства. В ее состав входят подсистемы датчиков внутренних параметров лазера (давления, температуры, состава рабочей смеси), датчиков параметров излучения (мощности, расходимости и т.д), датчиков зазора и подсистема управления адаптивной оптикой, затвором, координатным устройством.Практическое применение нашли три схемы взаимного перемещения сфокусированного луча лазера и разрезаемого листа, и соответственно выпускаются три класса ЛТК (рис. 12.9):1) с манипулятором изделий: луч лазера неподвижен, а стол, на котором лежит лист, перемещается в двух взаимно перпендикулярных направлениях по заданной траектории;
- мощность излучения;- скорость резки;- давление вспомогательного газа;- диаметр сфокусированного пятна и др.При импульсном режиме к данным параметрам добавляются: - частота повторения импульсов;- длительность импульсов;- средняя мощность излучения.Эти параметры влияют на ширину реза, качество резки, зону термического влияния и другие характеристики.Качество реза определяется шероховатостью его поверхности. Она отличается для различных зон по толщине металла. Наилучшее качество характерно для верхних слоев разрезанного металла , наихудшее для нижних.2.3 Лазерные резакиПростейшее устройство лазерного резака показано на рисунке ниже. Для подачи газа в зону резки между линзой и заготовкой размещено сопло в виде усеченного конуса. Газ, выходящий под давлением из сопла по лазерному пучку, помимо технологических функций обеспечивает защиту линзы от продуктов лазерной обработки.Рисунок 4 - Простейшее фокусирующее устройство (резак) станка лазерной резкиПоверхность линзы резака, обращенную к обрабатываемому изделию, также защищают с помощью экранирующих диафрагм, прозрачных вращающихся и неподвижных экранов, вращающихся металлических дисков с окнами на пути прохождения лазерного излучения, магнитных и электро разрядных устройств. Для обеспечения длительного срока службы фокусирующих элементов мощных (свыше 3 кВт) установок целесообразно применение металлооптики. На рисунке ниже приведена конструкция резака с металлическими зеркалами, которые фокусируют излучение, выходящее из неустойчивого резонатора.2 .4 Станки лазерной резкиДля превращения лазерного луча в инструмент, ему или обрабатываемой заготовке нужно сообщить движение подачи по траектории, совпадающей с контуром получаемой детали, либо элементов детали. Машина, где выполняются эти условия называют - станок лазерной резки.Независимо от своей классификационной принадлежности, практически все станки лазерной резки, за исключением специальных моделей для обработки различного металлопрофиля, имеют в своей конструкции стол, для размещения на нем листовой заготовки. Размеры стола согласованы со стандартными размерами металлического листа. Для повышения производительности, часто в конструкцию станка встраивается второй сменный стол. По данной схеме один стол находится в рабочей позиции – там происходит резка заготовки, второй стол находится в позиции загрузки–выгрузки – там происходит снятие готовых деталей после резки и загрузка заготовки для последующей обработки. Смена столов чаще происходит автоматически, по программе, иногда, на простых машинах, при участии оператора. Применение такой конструкции значительно снижает время, затрачиваемое на установку-снятие деталей и заготовок, что в свою очередь повышает производительность операции.
2.5 Расчёт системы ЧПУВ зависимости от типа станка лазерной резки, от количества управляемых координат, применяют различные типы систем ЧПУОтносительно простые СЧПУ находят применение в станках для обработки только листовой заготовки. Здесь программируется управление по трем координатам (X, Y, Z). Управление по оси Z происходит при помощи системы слежения. Она позволяет обрабатывать металлические листы с значительным отклонением от плоскостности, избегая повреждений режущей головки.Трудоёмкие системы ЧПУ устанавливаются на машины для объемной резки. В данном случае управляемыми становятся пять, а в более передовых системах шесть координат.Комплексные задачи ставятся перед СЧПУ на станках для обработки различного металлопрофиля. На таких станках, помимо управления движениями режущей головки, заготовки, нужно управлять загрузочными и разгрузочными устройствами. В связи с этим на таких станках нередко устанавливают две системы ЧПУ, которые согласованно управляют перечисленными устройствами. Все современные СЧПУ обладают стандартным набором функций и возможностей:
-
ручное бесступенчатое изменение скорости подачи во время выполнения программы; -
изменение давления вспомогательного газа во время выполнения программы; -
перезапуск программы с последнего места остановки; -
диагностика станка с выводом сообщений о неисправностях и каких- либо ошибках; -
ведение графика регламентных работ с обозначением времени, оставшемся до регламентных работ и выводом соответствующего сообщения на дисплей; -
встраивание СЧПУ в локальную сеть предприятия.
В настоящее время нет четких классификационных систем лазерного технологического оборудования. По составу лазерное оборудование может быть технологическим лазером, лазерной технологической установкой и лазерным технологическим комплексом.Технологический лазер (ТЛ) – это источник лазерного излучения, соответствующий заданным техническим требованиям с необходимым комплектом запасных частей. Лазерная технологическая установка (ЛТУ) – это технологический лазер с внешним оптическим трактом, комплектом внешней оптики и соответствующим числом запасных частей. Лазерный технологический комплекс (ЛТК)– это лазерная технологическая установка, снабженная манипулятором изделия или оптики, вспомогательной технологической оснасткой и общей системой управления для проведения технологических операций. Все части ЛТК функционально взаимосвязаны между собой для выполнения технологического процесса. ЛТК могут быть специальными, специализированными, предназначенными для реализации одного технологического процесса, и универсальными, предназначенными для выполнения целого ряда операций.В общем случае комплекс для лазерной резки состоит из следующих частей: излучателя, координатного устройства, системы формирования и транспортировки излучения и газа, автоматизированной системы управления параметрами установки технологического процесса..Излучатель предназначен для генерации лазерного излучения с необходимыми оптическими, энергетическими и пространственно-временными параметрами, обеспечивающими требуемые показатели качества и производительности процесса резки. В состав излучателя входят: активная среда, зеркала резонатора, элементы системы накачки, устройство модуляции излучения.В настоящее время для резки используются следующие типы лазеров:YAG - твердотельные лазеры на основе алюмоиттриевого граната. Накачка активного элемента производится высоковольтными разрядными лампами, непрерывными или импульсными. Режим генерации соответственно может быть непрерывным, импульсным. Еще есть режим так называемого "гигантского" импульса Q-switch.YAG - твердотельные лазеры c диодной накачкой. Это новый современный вариант лазеров, в которых вместо высоковольтной газоразрядной лампы накачка производится мощными светоизлучающими диодами. Хотя эти лазеры довольно дорогие, но в системе нет высоких напряжений, ресурс диодных линеек существенно выше ресурса газоразрядной лампы, и лазеры лучше управляются от электронных систем. YAG-лазеры пригодны только для резки металлов. Импульсные YAG-лазеры режут с высоким качеством не только сталь и титан, но и алюминиевые сплавы. Возможна резка и сплавов на медной основе, но здесь эффективность сильно зависит от химического состава.
СО2-лазеры. Газовые лазеры на основе смеси газов СО2-He-N2. Возбуждение смеси выполняется разными видами электрического разряда в газах. В настоящее время самыми компактными и эффективными являются так называемые "щелевые" (slab) лазеры с накачкой высокочастотным разрядом. СО2-лазеры пригодны для резки неметаллов (почти любых, кроме материалов со сложной структурой: ДСП, бакелитовые фанеры, граниты) и для резки металлов. Для резки металлов нужен довольно большой уровень мощности (от 500 Вт), а для резки цветных металлов – 1000 Вт и более. Здесь особенно эффективны щелевые СО2-лазеры, которые обеспечивают так называемый "суперимпульсный" режим излучения. Это значит, что световой поток не непрерывен, а состоит из импульсов с частотой 10 – 20 кГц, так что при средней мощности, например, 500 Вт, мощность в импульсе составляет 1000 – 1500 Вт. При резке металлов это очень важно, так как уменьшается ширина реза и улучшается качество.Текст не форматированКоординатное устройство служит для осуществления относительного перемещения луча и детали в пространстве. В состав координатного устройства входят исполнительные механизмы и привод.Системы формирования и транспортировки излучения и газа состоят из поворотных зеркал, объектива, устройства вращения плоскости поляризации, фокусирующей системы, системы подачи газа и комплектуется юстировочным лазером.Автоматизированная система управления служит для контроля и управления параметрами лазера, для передачи команд на исполнительные механизмы системы формирования и транспортировки излучения и газа и координатного устройства. В ее состав входят подсистемы датчиков внутренних параметров лазера (давления, температуры, состава рабочей смеси), датчиков параметров излучения (мощности, расходимости и т.д), датчиков зазора и подсистема управления адаптивной оптикой, затвором, координатным устройством.Практическое применение нашли три схемы взаимного перемещения сфокусированного луча лазера и разрезаемого листа, и соответственно выпускаются три класса ЛТК (рис. 12.9):1) с манипулятором изделий: луч лазера неподвижен, а стол, на котором лежит лист, перемещается в двух взаимно перпендикулярных направлениях по заданной траектории;