Транспортування лазерного випромінювання в просторі

Мета роботи: практично ознайомитись з можливостями транспортування лазерного випромінювання у повітряному просторі.

 

Лабораторне обладнання

1. Лазери твердотільні ЛТ-16, Квант-17.

2. Інструкції з експлуатації та техніки безпеки при роботі з лазерами.

3. Набір лінз, дзеркал, фокусуючих та перетворюючих пристроїв.

4. Вимірювальний інструмент.

Послідовність виконання роботи

1. Ознайомитись з системами транспортування випромінювання технологічних лазерів ЛТ-16, Квант-17.

2. Проаналізувати до якого типу відносяться системи транспортування.

3. Встановити робочі столи лазерів в положення за яких спостерігається мінімальна та максимальні довжини оптичних трактів, виміряти їх.

4. Виміряти діаметр та розбіжність лазерного променя в різних положеннях робочих столів.

5. Проаналізувати технологічні обмеження пов’язані із будовою систем транспортування випромінювання лазерів.

6. Зробити висновки по роботі.

 

Загальні відомості

Для передачі випромінювання в зону обробки використовуються різні способи перетворення лазерного пучка за допомогою оптичних і оптико-механічних систем. Ці способи можна умовно розділити на двох груп: з постійною (рис.4.1, а, б) і перемінною (рис.4.1, в, г) довжиною оптичного тракту від випромінювача лазера до зони обробки.

 

Рис. 4.1. Основні схеми передачі лазерного випромінювання в зону обробки: 1— випромінювач; 2 — дзеркала; 3 — об'єктив; 4 — оброблюваний матеріал

 

При постійній довжині оптичного тракту переміщається або заготовка, або випромінювач, або випромінювач і заготовка одночасно (рис.4.1, а). Тільки в окремому випадку різання по окружності при постійній довжині оптичного тракту випромінювач лазера й оброблювана заготовка нерухомі, а випромінювання передається в зону обробки за допомогою рухомої системи оптичних елементів (рис.4.1, б). При перемінній довжині оптичного тракту випромінювач нерухомий, а випромінювання передається в зону обробки за допомогою рухомої системи оптичних елементів (рис.4.1, в, г). Для заготовок малої маси в цьому випадку може бути передбачене переміщення.

Установки з постійною довжиною оптичного тракту використовуються в основному для обробки заготовок невеликих габаритів і маси. Для таких установок характерна стабільність густини потужності випромінювання в зоні обробки.

Найбільш простим способом підвищення точності і динамічної стійкості системи автоматичного керування при підвищенні її швидкодії є зменшення маси рухливих елементів кінематичного ланцюга. При обробці великогабаритних заготівель цього можна досягти в установках, у яких оброблюваний матеріал і випромінювач нерухомі, а лазерне випромінювання передається в зону обробки за допомогою системи рухливих оптичних елементів (рис.4.1, в, г).

До недоліку технологічних лазерних установок зі значною перемінною довжиною оптичного тракту варто віднести нестабільність осі діаграми спрямованості випромінювачів, зміна просторової структури лазерного пучка і його діаметра при фокусуванні на поверхню матеріалу, що розрізається, що приводять до зміни густини потужності і відхиленню параметрів технологічного процесу від заданих.

При використанні лазерних технологічних установок зі змінною довжиною оптичного тракту підвищується продуктивність обробки за рахунок збільшення швидкодії системи автоматичного керування, підвищується кінематична точність внаслідок зменшення інерційності кінематичного ланцюга, знижується вартість виготовлення й експлуатації за рахунок зменшення маси рухливих блоків, загальних габаритів і займаної виробничої площі, поліпшується динамічна стійкість систем приводів, що стежать, і зменшується потужність електродвигунів приводів. В результаті основні техніко-економічні показники при обробці великогабаритних заготовок підвищуються. Однак при цьому змінюється густина потужності випромінювання в зонах обробки, розташованих на різному видаленні від випромінювача, і, отже, знижується точність обробки.

При підвищених вимогах до точності розмірів зони обробки необхідно приймати спеціальні міри для зменшення зміни або стабілізації густини потужності випромінювання в зоні обробки. До них відносяться: зменшення розбіжності випромінювання, корекція просторової структури лазерного пучка за допомогою оптико-механічних систем, зміна параметрів руху фокусуючого пристрою.

Розглянемо різні варіанти передачі випромінювання в зону обробки.

Найпростішим способом, що відноситься до першої групи транспортування випромінювання в зону обробки, є передача за допомогою фокусуючого об'єктива, встановленого між нерухомим випромінювачем лазера й оброблюваним матеріалом. Заготовка при різанні може переміщатися поступально в площині, перпендикулярній осі сфальцьованого лазерного пучка, або обертатися щодо його осі (рис.4.2, а, б, в).

Для повороту лазерного пучка на необхідний кут між випромінювачем і об'єктивом розміщається дзеркало або система дзеркал або призм (рис.4.2, е). У пристроях для розкрою заготівель можливий варіант переміщення випромінювача з об'єктивом щодо нерухомої заготовка або одночасне переміщення як випромінювача, так і заготовки (рис.4.2, г, д). Однак при обробці великогабаритних заготовок це є недоліком, тому що необхідно переміщати випромінювач і оброблювані заготовки, що мають значні габарити і масу. Крім того, рухливий випромінювач зв'язаний з нерухомою частиною установки кабелями високої напруги і системою шлангів для подачі охолодної рідини, газу для активного середовища, технологічного газу для поліпшення умов обробки і захисту об'єктива від ушкодження продуктами обробки. При використанні потужних газових лазерів переміщення випромінювача стає конструктивно недоцільним.

Для виключення переміщення випромінювача й оброблюваної заготівлі лазерне випромінювання передається в зону обробки за допомогою системи дзеркал або призм і об'єктива, що обертаються навколо осі лазерного пучка або навколо оброблюваної заготівлі (рис.4.2, ж, з, і). Але ці способи передачі випромінювання в зону обробки мають обмежене застосування, тому що вони можуть бути використані тільки при обробці по окружності площин і тіл обертання.

 

Рис. 4.2. Схеми передачі лазерного випромінювання в зону обробки при постійній довжині оптичного тракту: 1 — випромінювач; 2 — об'єктив; 3 — оброблюваний матеріал; 4, 5, 6 –дзеркала

Друга група способів передачі випромінювання в зону обробки по оптичному тракті перемінної довжини може бути представлена варіантом (рис.4.3, а), що передбачає спільне переміщення дзеркал 4, 5 і об'єктиви 2 по осі х, а по осі в тільки рух дзеркала 4 з об'єктивом 2.

Рис. 4.3. Схеми передачі лазерного випромінювання в зону обробки при перемінній довжині оптичного тракту: 1- випромінювач лазера; 2 — об'єктив; 3 — оброблюваний матеріал; 4,5 — дзеркала

Поступальне переміщення дзеркал і об'єктива можна замінити додаванням обертального руху дзеркал 4, 5 та об'єктива 2 навколо осі випромінювача 1 з поступальним переміщенням дзеркала 4 і об'єктива 2 у напрямку, перпендикулярному осі випромінювача 1 (рис.4.3,б).

При невеликому полі обробки переміщення лазерного пучка по двох координатах можна здійснити шляхом обертання дзеркал 4 і 5 навколо взаємно перпендикулярних осей (рис.4.3, в). Лазерний пучок можна повертати і фокусувати за допомогою тільки одного сферичного дзеркала 5 (рис.4.3, г). На рис. 4.3, д показана схема передачі випромінювання в зону обробки за допомогою дзеркала 5, закріпленого в карданному підвісі і повертається щодо двох взаємно перпендикулярних осей. Повороти дзеркала дозволяють обробляти заготівлю по заданому контурі.

Для обробки внутрішньої порожнини циліндричної заготовки використовується обертання дзеркала 5 і об'єктива 2 навколо осі лазерного пучка й одночасне їхнє переміщення уздовж цієї осі (рис.4.3, е).

При обробці матеріалів, що поставляються в рулонах (металевої фольги), або легких довгомірних труб одночасно переміщають дзеркало 5, об'єктив 2 і заготовку 3, що може обертатися навколо осі, перпендикулярної осі лазерного пучка, або поступально переміщатися перпендикулярно осі лазерного пучка (рис.4.3,ж,і). Для передачі випромінювання при перфорації листових матеріалів застосовують обертовий багатогранний дзеркальний барабан 5 і нерухому систему дзеркал 4 (рис.4.3, з).

 

Зміст протоколу

1. Найменування роботи.

2. Мета роботи.

3. Лабораторне обладнання.

4. Змалювати і коротко описати основні схеми за якими реалізується переміщення лазерного випромінювання у просторі.

5. Скласти таблицю по результатам вимірювання оптичних трактів систем транспортування та розбіжності променя технологічних лазерів.

6. Навести схеми систем транспортування випромінювання лазерів.

7. Висновки по роботі.

 

Контрольні запитання

1. Наведіть основні схеми передачі лазерного випромінювання в зону обробки.

2. Опишіть схему транспортування випромінювання при постійній довжині оптичного тракту.

3. В яких випадках застосовується схема транспортування випромінювання при постійній довжині оптичного тракту?

4. Наведіть основні схеми транспортування випромінювання за змінної довжини оптичного тракту.

5. Які основні недоліки систем транспортування випромінювання з перемінною довжиною оптичного тракту?

6. Які схеми транспортування випромінювання застосовують для обробки внутрішньої порожнини циліндричної заготовки?

7. Опишіть схеми транспортування випромінювання розглянутих технологічних лазерів.

8. Що можна порекомендувати для оптимізації систем передачі випромінювання розглянутих технологічних лазерів.

 

Лабораторна робота № 5