Устройство лазерной головы для резки металла
В большинстве случаев лазерные головы имеют форму параллелепипеда или цилиндра, снабжённого разнообразными выступами, креплениями и разъёмами. Сверху – цилиндр волоконно-оптического соединителя, снизу – цилиндр сопловой части с конусом сопла.
Корпус головы обычно изготавливается из силумина, съёмные элементы (кроме электроники и частей оптической системы) – из нержавеющей стали. Сопло изолируется от корпуса посредством керамической проставки.
Волоконно-оптический соединитель
Лазерное излучение, генерируемое источником – лазерным излучателем, поступает в голову по оптоволоконному кабелю. Лазерный излучатель неподвижен, голова же двигается как вместе с порталом, так и относительно него. То есть жёстко зафиксировать кабель возможным не представляется. Однако точка входа лазерного луча в голову перемещаться не должна, поскольку её сдвиг даже на несколько микрон ведёт к расфокусировке луча и катастрофическому падению качества резки.
Неподвижности точки входа обеспечивается волоконно-оптическим соединителем – специальным устройством, посредством которого оптоволоконный кабель подсоединяется к лазерной голове.
Конец кабеля снабжён коннектором – цилиндрическим приспособлением, имеющими на поверхности специальные пазы. Волоконно-оптический соединитель представляет собой полый толстостенный цилиндр, внутренний диаметр которого соответствует внешнему диаметру коннектора. Внутренняя поверхность соединителя оснащена выступами, которые заходят в пазы коннектора и определяют его перемещение с последующей жёсткой фиксацией внутри соединителя.
Оптическая система
Излучение, поступающее в лазерную голову по волоконно-оптическому кабелю, представляет собой комбинацию разнонаправленных световых пучков. Чтобы сделать излучение пригодным к использованию, необходимо трансформировать указанные пучки в сфокусированный луч. Эта задача решается с помощью оптической системы, состоящей из двух блоков – коллиматора и фокусатора. Коллиматор преобразует разнонаправленные световые пучки в строго параллельные световые потоки, а фокусатор формирует из них сфокусированный луч, способный резать металл.
В зависимости от конструкции, каждый блок может включать от одной до трёх линз. Все они изготавливаются из кварцевого стекла, обладающего повышенной прозрачностью, необходимой для минимизации нагрева при прохождении через них излучения высокой интенсивности.
Коллиматор обычно оснащается центрирующим модулем, который позволяет перемещать блок в плоскости, перпендикулярной продольной оси головы. Тем самым обеспечивается полная соосность линз оптической системы.
Фокусатор снабжён приводом, перемещающим блок вдоль продольной оси головы, что необходимо для работы системы автофокусировки (см. ниже).
Защитные стёкла
Защитные стёкла, обычно 3 или 4, разделяют внутреннее пространство лазерной головы на изолированные сегменты. Тем самым они предохраняют линзы оптической системы от загрязнений – пыли, копоти, частиц металла и т.д. Изготавливаются защитные стёкла из того же кварцевого стекла, что и линзы оптической системы.
Сопло
Многие ошибочно полагают, что сопло имеет отношение к фокусировке лазерного луча. В действительности сопло необходимо для формирования струи газа, которая выдувает жидкий металл из зоны реза и защищает внутреннее пространство лазерной головы от попадания частиц металла, продуктов горения и прочих загрязнителей.
Сопло имеет коническую форму с отверстием в вершине. Изготавливается из медных сплавов, отличающихся высокой отражающей способностью. Для лазерных голов повышенной мощности изготавливаются сопла с хромированным покрытием. Всё это необходимо для недопущения перегрева сопла при попадании на него отражённого лазерного излучения, а также частиц и теплового излучения расплавленного металла.
Система охлаждения
На корпусе любой лазерной головы можно увидеть две или даже три пары фитингов. Это разъёмы для последовательного подключения трубок водяного охлаждения. Вода из чиллера проходит по каналам внутри верхней части головы, затем по внешней трубке поступает в среднюю часть, а оттуда – в нижнюю. Из головы нагретая вода поступает обратно в чиллер, где производится её охлаждение.
Температурные датчики, расположенные внутри головы, передают данные в систему управления чиллером. На основе этих данных осуществляется регулировка температуры воды, выходящей из чиллера.
Стоит отметить, что используемую в лазерной голове систему охлаждения правильнее было бы назвать системой кондиционирования, так как она рассчитана не на простое снижение температуры, а на поддержание её на заданном уровне. То есть, в определённых обстоятельствах голова может подогреваться, чтобы исключить запотевание защитных стёкол и линз оптической системы.
Система подачи газа
В нижней части любой лазерной головы можно увидеть фитинг, несколько превосходящий размером фитинги системы охлаждения. Он служит для подачи рабочего газа. Газ под давлением до 20 бар подаётся в систему газораспределения, расположенную под нижним защитным стеклом, и узкой струёй выходит через сопло.
Некоторые головы повышенной мощности оснащаются системой воздушного охлаждения сопла. Визуально они отличаются наличием дополнительного газового фитинга и полудюжиной мелких отверстий на нижней поверхности сопловой части, вокруг основания керамической проставки. Охлаждение обычно производится воздухом.
Автоматическая фокусировка
Непременный атрибут любой современной лазерной головы для резки – система автоматической фокусировки. Её необходимость обусловлена тем, что в процессе раскроя постоянно возникает потребность в изменении положения фокуса относительно поверхности обрабатываемого материала.
Например, практически всегда положение фокуса при пробое (прожиге) отличается от положения при резке. А значит, при переходе от пробоя к резке и обратно фокусирующую линзу приходится перемещать по вертикали. Выполнение такой операции вручную занимает несколько минут. При её однократном выполнении потеря времени почти незаметна. Но в случае многократных переходов – при изготовлении конструкций с большим числом отверстий и прочих подобных – затраты времени оказываются неприемлемыми. Поэтому в настоящее время ручная фокусировка ещё встречается на лазерных головах для сварки и очистки, но лазерные головы для резки – только с автофокусировкой.
Система автофокусировки включает электродвигатель, обеспечивающий перемещение фокусатора вдоль оси лазерной головы, и датчик, который отслеживает величину перемещения. Результаты отслеживания поступают на контроллер блока управления и обрабатываются управляющей программой. По итогам обработки формируется сигнал, который запускает электродвигатель, передвигающий фокусатор. Все эти операции производятся в течение сотых долей секунды и влияния на скорость резки не оказывают.
Датчик высоты
Чрезвычайно важным устройством, без которого сейчас не обходится ни одна лазерная голова – это датчик высоты. Он обеспечивает неизменность расстояния между режущей головой и поверхностью обрабатываемого материала. В штатном режиме это расстояние не превышает полутора миллиметров, и отклонение даже в одну десятую миллиметра может повлиять на результаты резки весьма существенно.
Датчик располагается на корпусе головы. Он соединён кабелем с соплом, которое отделено от корпуса головы посредством керамической изолирующей проставки.
При изменении расстояния между соплом и поверхностью обрабатываемого металла меняется электрическая ёмкость между ними. Это изменение фиксируется датчиком. Полученные данные поступают на контроллер блока управления и обрабатываются управляющей программой. По итогам обработки формируется сигнал, который запускает серводвигатель, обеспечивающий перемещение лазерной головы по вертикали.
Лазерные головы для других целей
Помимо режущих лазерных станков, существую станки и аппараты для сварки, очистки и наплавки. Эти устройства используют одни и те же лазерные излучатели, но совершенно разные лазерные головы, и различия между головами столь значительны, что изложить их вкратце не представляется возможным.
Каждому виду лазерных голов будет посвящена отдельная статья. Мы планируем опубликовать их до конца года.