Металлургические машины и оборудование расчет основных параметров лазерного технологического оборудования. Учебное пособие
.pdfкоординатным осям позволяет изготавливать плоские или объемные детали различной формы.
Существует несколько вариантов конструкции координатного стола. Выбор конструкции обуславливается его назначением и за- данными техническими характеристиками.
Рассмотрим самые распространенные из них.
1.Крестовая конструкция. Обеспечивает большую гибкость сис- темы; применяется обычно для обработки деталей со сложной про- странственной геометрией, когда необходим доступ к детали с трех сторон. Крестовые системы используются в станках многоосного фрезерования, шлифовки или для трехмерного сканирования объек- тов, а также для работы в условиях непрерывной подачи заготовки (конвейер).
2.Координатные столы портального типа. Применяются в устрой- ствах обработки плоских поверхностей, например, в станках лазер- ного раскроя, резки или сверления, а также в системах с большей на- грузкой по горизонтальным осям.
В приводе координатного стола используются традиционные пе- редачи: зубчатый ремень, пара шестерня–рейка и винт–гайка, шари- ковинтовая пара, система линейного привода с двигателем непосред- ственного преобразования электромагнитной энергии в линейное перемещение.
В качестве приводов подачи в таких системах обычно применя- ются шаговые и синхронные двигатели, а также асинхронные двига- тели с обратной связью (допускается применение в системах, не ис- пользующих высоких динамических нагрузок).
Самым современным техническим решением для координатных столов на сегодняшний день является прямой (линейный) привод. Его принцип действия заключается в непосредственном преобразо- вании электромагнитной энергии в механическую энергию линейно- го или поворотного движения. Такой привод обеспечивает лучшие показатели практически по всем параметрам – точности, динамике разгона и торможения, скорости работы, повторяемости. В линейных двигателях нет вращающихся частей, подверженных износу и тре- нию, поэтому с течением времени характеристики привода практиче- ски не изменяются. У линейного привода только один недостаток – высокая цена, поэтому его применение экономически оправдано только в высокоточных координатных системах.
71
Линейные направляющие
Система линейного перемещения – один из важнейших элементов механизмов и машин, в том числе и лазерных технологических уста- новок. Очень часто она играет роль суппорта машины. Обычно все системы линейных перемещений (далее для простоты будем назы- вать их линейными направляющими) закрыты грязезащитными ко- жухами, и поэтому мы редко видим их в повседневной жизни. Одна- ко, несмотря на это, данные системы используются практически во всех отраслях промышленности, таких как электроника, производст- во медицинского оборудования, строительство, автомобилестроение, военная, химическая и т.д. Таким образом, линейные направляющие стали важнейшим и необходимым компонентом множества совре- менных устройств и механизмов. Существует множество типов ли- нейных направляющих, поэтому одна из задач конструктора – вы- брать наиболее подходящее инженерное решение для конкретной задачи. Это может быть как набор отдельных компонентов, из кото- рых впоследствии будет собран разрабатываемый узел, так и почти законченные одно- или многокоординатные системы, приобретение которых позволяет значительно сократить время монтажа и снизить вероятность ошибок.
Считается, что люди впервые использовали для перемещения тя- желых грузов качение вместо скольжения еще во времена расцвета Египта – при строительстве пирамид. Под огромные камни подкла- дывались круглые бревна, облегчая таким образом задачу транспор- тировки. Однако, несмотря на столь раннее осознание преимуществ трения качения перед трением скольжения, массовое применение линейные подшипники получили лишь к середине XX в., когда в 1946 г. американская компания Thomson развернула крупномас- штабное коммерческое производство линейных шариковых втулок.
Основой для линейных направляющих в том виде, под которым мы чаще всего понимаем этот термин сейчас, послужил патент, вы- данный во Франции в 1932 г. И хотя данный патент содержал описа- ние всех базовых принципов функционирования линейных направ- ляющих, прошло несколько десятилетий, прежде чем такие направ- ляющие получили коммерческое применение. Среди них были соз- даны и успешно использовались в машинах шариковинтовые пере- дачи (ШВП), множество типов шариковых втулок (в том числе и от- крытых) и шлицевые валы с шариковыми втулками. Вместе с тем шел непрекращающийся процесс усовершенствования уже сущест- вующих компонентов систем линейных перемещений.
72
В60-е гг. XX в. было принято считать, что шариковые линейные втулки вполне подходят для решения абсолютно всех задач, связан- ных с линейными перемещениями. Однако в 1971 г. малоизвестная на тот момент компания THK (ранее Toho Seiko, основанная бывшим президентом Thomson Japan Hiroshi Teramachi) представила новое техническое решение – шлицевой вал с шариковой втулкой. Такой тип направляющей обеспечивал точность и плавность перемещений, не обладая при этом минусами обычных линейных шариковых вту- лок (малая жесткость, наличие зазоров и люфтов). Идея была проста (хотя с технологической стороны проблема была весьма нетривиаль- на): направляющие стержни снабжались продольными канавками, позволяющими заменить точечный контакт шариков и вала на ради- альный контакт, что, в свою очередь, повлекло за собой повышение грузоподъемности в 13 раз!
В1972 г. THK модифицировала свою разработку и представила ее логическое развитие – линейные направляющие типа LSR. Основное отличие от шлицевой направляющей – наличие опоры по всей длине вала, что позволило избавиться от прогиба направляющих стержней при больших длинах и высоких нагрузках.
1973 г. был ознаменован выпуском направляющих типа NSR-BC,
вкоторых скрепленные вал и опора были заменены одним конструк- тивным элементом. Этот продукт – первый, который можно охарак- теризовать современным термином профильная рельсовая линейная направляющая.
К 1981 г., когда THK, к тому времени уже признанный лидер в области разработки и производства рельсовых направляющих с ли- нейными подшипниками, выпустила линейные направляющие типа HSR, способные нести одинаковые нагрузки в четырех направлени- ях, перспективность данного направления стала очевидной. Такие компании, как NSK, IKO, NB (Nippon Bearings Co., Ltd.), Bosch Rexroth, Schneeberger, имеют собственные проекты по разработке компонентов систем линейного перемещения и ряд патентов и вы- шли на рынок со своими продуктами.
Внастоящее время из-за кризиса рынок несколько просел. Новые разработки не ведутся, ничего революционного предложено не было. Ряд шариковых профильных направляющих был дополнен ролико- выми направляющими, обладающими большими жесткостью и гру- зоподъемностью.
Следующее действительно инновационное решение в области ли- нейных перемещений было предложено все той же THK в 1996 г.
73
Потребовалось 15 лет от идеи до ее воплощения, чтобы начать мас- совое производство нового типа линейных подшипников – профиль- ных рельсовых направляющих с сепараторной технологией (Ball Cage). Сепаратор имеет также и вторую функцию – в специальных карманах, разделяющих элементы качения, содержится смазка. В ре- зультате, сепараторные линейные подшипники в нормальных усло- виях могут функционировать без обслуживания значительно более продолжительное время, чем обычные линейные направляющие.
Многие компании быстро среагировали, выпустив на рынок похо- жие продукты. Однако ТНК снова опередила всех, выпустив уникаль- ные сепараторные версии шариковых винтовых передач. До сих пор эта японская компания занимает лидирующее положение на мировом рынке разработки и производства технологий линейных перемещений.
4.3. Оптические системы лазерных технологических установок
В технологических процессах с применением лазерной техники используются различные по конструкции и по назначению лазерные технологические установки (ЛТУ), которые, тем не менее, имеют общую структурную схему и аналогичные конструктивные элементы
(рис. 4.1).
Источником энергии во всех установках является лазер 2 с опти- ческой системой 5. Перемещением образца (устройство 8), парамет- рами лазера (датчик 3), остротой фокусировки и отслеживанием со- стояния поверхности обработки (датчик 9) управляют с помощью программного устройства 1. Иногда для обработки возникает необ- ходимость в дополнительной энергии (механической, электромаг- нитной, световой, ионной, электрической, тепловой и др.) или в соз- дании определенной технологической среды (газовой или жидкост- ной, защитной или реактивной). Для этого предусмотрены соответ- ствующие узлы 6 и 10. Одним из важнейших и сложных узлов в ла- зерном оборудовании является оптическая система (ОС).
Оптические системы ЛТУ служат для передачи энергии излуче- ния лазера к месту обработки, регулирования параметров излучения, формирования светового пучка с высокой плотностью мощности, для визуальной наводки излучения в точку обработки, контроля процесса обработки и оценки результатов работы. Оптические системы, слу- жащие для передачи и трансформирования мощного рабочего лазер- ного излучения, называются энергетическими ОС. По функциональ-
74
ным признакам такие системы можно разделить на фокусирующие, сканирующие, проекционные, распределительные.
Рис. 4.1. Структурная схема лазерной технологической установки: 1 – программное устройство; 2 – лазер; 3 – датчик параметров излучения; 4 – лазерное излучение; 5 – оптическая система;
6 – источник вспомогательной энергии; 7 – обрабатываемая деталь; 8 – устройство для закрепления и перемещения обрабатываемой детали; 9 – датчик параметров технологического процесса;
10 – устройство подачи технологической среды
Элементная база оптических систем состоит из фокусирующих, преломляющих и отражающих элементов. В видимой и ближней ИК- области используют призмы полного внутреннего отражения и ин- терференционные зеркала с многослойными диэлектрическими по- крытиями, использование которых позволяет уменьшить потери из- лучения. В ЛТУ, работающих на λ = 10,6 мкм, применяют зеркала с покрытиями из Al и Au. Эти покрытия имеют высокий коэффициент отражения R и устойчивы к окислению.
В энергетических оптических системах с использованием мощных лазеров, особенно работающих в непрерывном режиме, повышается требование к элементам оптики. Для излучения с длиной волны
75
λ = 0,69 и 1,06 мкм большинство сортов оптического стекла имеют небольшой коэффициент поглощения и используются до I0 = 103 Вт/см2. На длине волны λ = 10,6 мкм они непрозрачны, мате- риалом для изготовления линз служат монокристаллы KBr, NaCl, GaAs, Ge и др.
Фокусирующие оптические системы
В зависимости от назначения установки требования к характери- стикам светового пучка в зоне обработки формируются по-разному. Так, в технологических операциях пробивки отверстий, резки, сварки методом глубокого проплавления и во многих других требуется за- данная плотность мощности в некотором объеме обрабатываемого материала. Чаще всего это достигается за счет фокусировки излуче- ния. В этом случае важно знать диаметр светового пятна в фокальной плоскости, которая определяется выражением
d = Фtgθ = Фθ,
где Ф – световой поток; θ – расходимость лазерного излучения.
Из этой формулы видно, что для уменьшения d можно уменьшить Ф, но это не всегда удобно, так как передняя линза в этом случае очень часто повреждается продуктами эрозии из обрабатываемой области. Чтобы получить пятно сфокусированного излучения d по- рядка единиц микрометра на достаточно большом рабочем удалении от линзы, перед длиннофокусным объективом устанавливают теле- скопическую систему. Диаметр светового пятна в этом случае опре- деляется по формуле
d = (θФ)/Г, |
(4.1) |
где Г – увеличение телескопической системы.
То есть, чем больше увеличение телескопической системы, тем меньший диаметр сфокусированного пучка можно получить. В каче- стве примера возможности сконструированного таким образом опти- ческого узла на установке Квант-3 получено пятно диаметром 5 мкм при фокусном расстоянии 70 мм. Без применения телескопа это рас- стояние равнялось бы 5 мм (рис. 4.2).
76
Рис. 4.2. Оптическая система с применением телескопического узла для уменьшения диаметра пучка в фокальной области:
1 – излучатель лазера; 2 – телескопическая система; 3 – фокусирующая система; 4 – обрабатываемая поверхность
Сканирующие оптические системы
При обработке по контуру (шовная сварка, резка) или по коорди- натам возникает необходимость относительного перемещения луча и детали. Проще всего это сделать, перемещая деталь относительно луча. Однако в современных установках с большими скоростями об- работки более рациональным становится перемещение луча, что об- легчает управление и повышает точность обработки. На рис. 4.3 по- казаны две схемы сканирующей оптической системы. Для движения луча по произвольному контуру применяют системы подвижных зеркал, перемещающихся по соответствующим координатам (см. рис. 4.3, а). По оси Х зеркала 2 и 3 и объектив 4 перемещаются совместно, а по оси Y могут двигаться только зеркало 3 и объектив. При небольшом поле обработки перемещение луча осуществляют путем вращения зеркал 2 и 3 (см. рис. 4.3, б) вокруг взаимно перпен- дикулярных осей.
77
Рис. 4.3. Схема оптической системы, позволяющей вести обработку по контуру с помощью двух подвижных зеркал:
а – зеркала перемещаются линейно; б – зеркала колеблются:
1 – излучатель лазера; 2 и 3 – подвижные зеркала; 4 – объектив; 5 – обрабатываемая деталь.
Круговую траекторию луча можно получить за счет вращения во- круг оси луча оптической системы, состоящей из зеркала и объекти- ва. Если радиус необходимой окружности не превышает поля зрения объектива, то можно круговую траекторию получить путем смеще- ния объектива и его вращения относительно луча. То же самое будет достигнуто, если луч отклонить от оптической оси объектива с по- мощью вращающегося клина. Используя два вращающихся или пе- ремещающихся по оси клина, можно получить систему, подобную изображенной на рис. 4.3.
Проекционные оптические системы
В производстве изделий микроэлектроники иногда возникает не- обходимость получения рисунков на тонких пленках, нанесенных на диэлектрические подложки. Наряду с традиционными (напыление пленок через маски, фотолитография) существует возможность ис- пользования лазеров, резко поднимающих производительность. Для этого разработаны несколько вариантов оптической системы, позво- ляющей спроецировать изображение маски в зону обработки с мас- штабом уменьшения намного больше единицы. На рис. 4.4 показана схема проекционной оптической системы. В такой системе, если диаметр входного зрачка объектива 5 меньше размеров маски 3, то
78
для исключения виньетирования применяют коллективную линзу. Не оказывая влияния на масштаб изображения эта линза направляет пучки лучей от каждой точки маски в объектив. Для расширения из- лучения до размеров маски используются телескопические систе- мы 2. В такой системе обработка всей площади маски (фотошаблона) осуществляется за один импульс. Однако при этом резко возрастают требования к самому лазеру: от него требуется большая мощность и равномерность светового пучка. Для снятия этих требований очень часто используется сканирование луча по всем элементам маски. На рис. 4.5 представлена схема такой ОС.
Рис. 4.4. Схема проекционной оптической системы:
1 – излучатель лазера; 2 – телескопическая коллективная линза; 3 – маска, 4 – проекционная система,
5 – объектив; 6 – обрабатываемая поверхность
Рис. 4.5. Схема проекционной ОС со сканированием луча по маске: 1 – излучатель; 2 – сканирующая призма; 3 – маска;
4 – проекционная система; 5 – обрабатываемая пластина
79
Преимуществом такой системы также является то, что обрабаты- ваемая подложка, проекционная система и маска неподвижны, что упрощает управление системой, увеличивает точность обработки. Вместо сканирующей призмы 2 могут быть использованы две приз- мы или подвижные зеркала.
Распределительные оптические системы
В лазерной технологии очень часто возникает необходимость рас- пределения одного излучения на несколько рабочих позиций. Чаще всего это делается для повышения производительности установок. Приведенные на рис. 4.6 схемы иллюстрируют несколько возможных вариантов такого распределения. В варианте а расщепление осуще- ствляется с помощью светоделительных зеркал 4. В этой схеме коли- чество рабочих ветвей определяется энергией излучателя и потерями на зеркалах, причем сохраняется форма поперечного сечения луча. Схема б обеспечивает разделение с помощью призмы-пирамиды 9, которая может иметь несколько отражающих поверхностей. Схема в предусматривает двухсторонний вывод излучения прямо из резона- тора с помощью светоделительной призмы-куба 8.
Рис. 4.6. Схемы распределения излучения на несколько рабочих позиций:
а– с помощью светоделительных зеркал;
б– с помощью призмы-пирамиды; в – с помощью призмы-куба;
1– излучатель; 2 – фокусирующий объектив; 3 – обрабатываемая деталь; 4 – светоделительное зеркало; 5 – поворотное зеркало;
6 – активный элемент излучателя; 7 – стопроцентные зеркала резонатора; 8 – выводная светоделительная призма; 9 – многогранная призма – пирамида
80