Лазерные станки для резки листового металла

Лазерный станок для резки листового металла представляет собой высокотехнологичное оборудование, которое использует лазерный луч для точной и эффективной резки металлических листов. Эта технология обладает множеством преимуществ перед традиционными методами резки, такими как механическая, плазменная или водоструйная резка, и находит широкое применение в самых разных областях промышленности, от автомобилестроения до аэрокосмической отрасли, от изготовления мелких точных деталей до производства крупногабаритных металлоконструкций. Они идеально подходят для создания сложных вырезов и инкрустаций, а также для массового производства деталей с высокой повторяемостью и точностью.

Современные лазерные станки для резки листового металла представляют собой сложные системы, объединяющие высокую точность, скорость и гибкость в одном решении. Лазерная резка листового металла является передовой технологией, которая предлагает производителям ряд значительных преимуществ, включая улучшенное качество продукции, повышенную скорость производства и гибкость в применении. Благодаря постоянному технологическому прогрессу и усовершенствованию оборудования, лазерные станки продолжают расширять свои возможности, предоставляя инженерам и дизайнерам всё более широкие инструменты для реализации своих идей.

Преимущества лазерной резки металла

Лазерные станки предлагают ряд преимуществ перед традиционными методами обработки:

• Высокая точность и качество реза: Благодаря высокой точности лазера, возможно производство очень мелких деталей и сложных контуров, что невозможно с традиционными методами резки. Лазерный луч обеспечивает чистый и гладкий край реза, минимизируя необходимость дополнительной обработки.
• Возможность сложной резки: Способность лазера точно следовать сложным контурам позволяет производить детали сложной формы.
• Высокая скорость резки: Лазерная резка значительно быстрее многих других методов, что повышает производительность.
• Минимальная зона термического воздействия: Благодаря высокой концентрации энергии в узкой зоне, лазерная резка минимизирует тепловое воздействие на материал, предотвращая его деформацию.
• Гибкость процесса: Лазерные станки могут быть настроены на работу с различными материалами и толщинами листа, что делает их универсальным инструментом для производства.
• Автоматизация и снижение отходов: Современное программное обеспечение позволяет автоматизировать процесс резки, оптимизируя расход материалов и снижая количество отходов.

Техническое устройство

Лазерный станок для резки листового металла состоит из нескольких ключевых узлов, каждый из которых выполняет важную функцию для обеспечения высокой эффективности, точности и надежности процесса резки.

1. Источник волоконного лазера

Источник волоконного лазера генерирует лазерный луч, который используется для резки металлов. Он состоит из лазерных диодов для инициации света и оптоволоконного кабеля, допированного редкоземельными элементами (обычно иттербием), который усиливает лазерное излучение. Оптоволоконный источник характеризуется высокой эффективностью преобразования энергии и длительным сроком службы компонентов. Эти лазеры применяются из-за их высокой эффективности, долговечности и способности обрабатывать широкий спектр металлических материалов, включая отражающие металлы, которые сложно резать другими типами лазеров.

Основные компоненты

1. Лазерные диоды. Лазерные диоды служат первичным источником света в волоконных лазерах. Они создают свет, который затем используется для "накачки" активного волоконного усилителя. Эти диоды выбраны из-за их эффективности, компактности и относительно низкой стоимости.
2. Активное волокно. Сердцем волоконного лазера является его активное волокно — это оптическое волокно, допированное редкоземельными элементами, обычно иттербием (Yb). Допирование увеличивает способность волокна усиливать лазерное излучение при прохождении через него света, генерируемого диодами.
3. Волоконный брэгговский резонатор (FBG). Волоконный брэгговский резонатор используется для создания зеркального отражения в определённой части спектра света, позволяя только лазерному излучению с определённой длиной волны распространяться и усиливаться, что обеспечивает когерентность и направленность лазерного луча.

Принцип работы

Источник волоконного лазера работает на основе оптического усиления через стимулированное излучение. Процесс начинается с генерации света лазерными диодами. Этот свет направляется в активное волокно, где он поглощается допированным материалом (иттербий), возбуждая электроны до более высоких энергетических уровней.

Когда электроны возвращаются в своё основное состояние, они испускают фотоны, которые стимулируют дальнейшее излучение других возбуждённых электронов. Этот процесс усиления повторяется многократно, что приводит к образованию мощного и когерентного лазерного луча.

Луч, образующийся в активном волокне, затем проходит через FBG, который работает как зеркало, отражающее определённые длины волн и позволяя лучу достичь достаточной мощности и качества для эффективной резки металлов.

Преимущества использования волоконных лазеров

• Высокая эффективность. Волоконные лазеры известны своей высокой электро-оптической эффективностью, что делает их более экономичными в сравнении с другими типами лазеров.
• Длительный срок службы и легкое обслуживание. Отсутствие подвижных частей и зеркал, как в традиционных лазерных системах, значительно уменьшает потребности в обслуживании и увеличивает срок службы оборудования.
• Превосходное качество луча. Волоконные лазеры производят луч с очень высокой степенью когерентности, что важно для достижения высокой точности и качества резки.

2. Система доставки луча

Система доставки луча в оптоволоконных лазерах упрощена по сравнению с традиционными CO2-лазерами. Лазерный луч передается напрямую через оптоволоконный кабель к рабочей головке, что минимизирует потери мощности и исключает необходимость в сложной системе зеркал. Эта система обеспечивает точную и эффективную передачу лазерного излучения, что крайне важно для достижения качественных результатов резки.

Компоненты системы доставки луча

1. Оптоволоконный кабель. В оптоволоконных лазерах луч передаётся от источника к рабочей головке через специальное оптическое волокно. Это волокно позволяет передавать луч на большие расстояния с минимальными потерями мощности и без искажения его характеристик.
2. Коллиматор. Коллиматор расположен на выходе из оптоволоконного кабеля. Его задача — преобразовать расходящийся луч, выходящий из волокна, в параллельный луч. Это необходимо для того, чтобы упростить последующую фокусировку луча и повысить эффективность резки.
3. Фокусирующая линза. Фокусирующая линза является частью рабочей головки и используется для сужения лазерного луча до маленького фокусного пятна. Чем меньше размер фокусного пятна, тем выше плотность мощности луча и тем эффективнее процесс резки. Фокусное расстояние линзы влияет на размер фокусного пятна и глубину реза.
4. Защитное стекло. Защитное стекло расположено в рабочей головке перед фокусирующей линзой. Его функция — защитить линзу и другие оптические элементы от загрязнений и повреждений, вызванных контактом с расплавленным металлом и другими частицами, возникающими в процессе резки.
5. Система подачи ассистирующего газа. Хотя это не часть системы доставки луча в узком смысле, система подачи газа тесно связана с рабочей головкой и фокусирующей оптикой. Газ (азот, кислород или воздух) подается на зону резки для выдувания расплавленного металла из керфа и предотвращения окисления реза.

Принцип работы

Когда лазерный луч генерируется источником, он проходит через оптоволоконный кабель, где поддерживается его качество и направленность. Выходя из кабеля, луч проходит через коллиматор, который превращает его из расходящегося в параллельный поток. После коллимации луч направляется на фокусирующую линзу, которая сужает его до нужного размера фокусного пятна на поверхности металла. Защитное стекло обеспечивает дополнительную безопасность, предотвращая попадание частиц на линзу и другие оптические элементы.

Эта высокоэффективная и точная система доставки луча делает оптоволоконные лазерные станки идеальными для промышленной резки листового металла, обеспечивая высокую скорость резки и минимальные потери материала.

3. Рабочая головка

Рабочая головка оптоволоконного лазерного станка для резки листового металла представляет собой ключевой компонент, который выполняет несколько критически важных функций в процессе лазерной резки. Она направляет и фокусирует лазерный луч на материал, а также регулирует подачу ассистирующего газа, что обеспечивает качественное и точное выполнение резки.

Основные компоненты рабочей головки

1. Фокусирующая оптика. В рабочей головке установлена специальная фокусирующая линза, которая сужает лазерный луч до маленького фокусного пятна. Малый размер пятна увеличивает плотность энергии луча, что позволяет эффективно резать металл. Линзы могут быть различного фокусного расстояния, что влияет на глубину реза и размер обрабатываемой зоны.
2. Защитное стекло. Расположено перед фокусирующей линзой, защитное стекло служит барьером, предотвращающим попадание расплавленных частиц, пыли и других загрязнений на оптические элементы. Это обеспечивает долговечность и стабильность работы лазера.
3. Система подачи ассистирующего газа. В рабочую головку встроены сопла для подачи ассистирующего газа (обычно кислород, азот или воздух). Газ выдувает расплавленный металл из керфа (реза) и предотвращает его окисление, что улучшает качество реза и снижает риск образования шлака.
4. Система контроля высоты. Автоматическая система контроля высоты позволяет поддерживать постоянное расстояние между фокусирующей линзой и обрабатываемой поверхностью, несмотря на возможные неровности материала. Это критически важно для поддержания качества резки, особенно при обработке больших листов металла.
5. Механизмы перемещения. Рабочая головка оснащена прецизионными механизмами перемещения, которые позволяют ей двигаться в разных направлениях с высокой точностью. Это обеспечивает возможность выполнения сложных резов и точное следование заданной траектории.

Принцип работы рабочей головки

• Фокусировка луча. Когда лазерный луч достигает рабочей головки, он проходит через защитное стекло и фокусируется линзой на материале.
• Регулировка высоты. Система контроля высоты постоянно отслеживает и корректирует положение головки относительно поверхности материала для оптимального фокуса луча.
• Подача газа. Во время резки через сопла подается ассистирующий газ, который очищает зону реза от расплавленного металла и шлака, а также предотвражает окисление.

4. Система ЧПУ

Система ЧПУ (числовое программное управление) в лазерных станках для резки листового металла является фундаментальной частью оборудования, обеспечивая автоматизацию, точность и повторяемость процессов резки. Эта система управляет всеми ключевыми функциями станка, от движения рабочей головки до регулировки параметров резки, таких как мощность лазера, скорость движения и позиционирование.

Компоненты системы ЧПУ

1. Программное обеспечение ЧПУ. Программное обеспечение является интерфейсом, через который операторы загружают или создают режущие программы, основанные на CAD (компьютерная графика) моделях. Эти программы преобразуются в G-код или другой машиночитаемый код, который может интерпретировать контроллер ЧПУ.
2. Контроллер ЧПУ. Контроллер является "мозгом" системы ЧПУ. Он получает инструкции в виде кода и преобразует их в электрические сигналы, которые управляют движением механических компонентов станка и регулировкой параметров резки.
3. Приводы и моторы. ЧПУ использует сервомоторы и шаговые моторы для точного контроля движения рабочей головки и стола станка. Эти моторы обеспечивают высокую точность и скорость перемещения, что критично для качества резки.
4. Интерфейс пользователя. Этот компонент включает в себя дисплеи, кнопки управления и возможно сенсорные экраны, позволяющие оператору взаимодействовать с системой ЧПУ. Операторы могут настраивать параметры, запускать резку, останавливать операции и вносить корректировки в реальном времени.
5. Системы обратной связи. Датчики и энкодеры предоставляют информацию об актуальном положении и скорости движения станка, что позволяет системе ЧПУ динамически корректировать параметры во время работы для улучшения точности и снижения ошибок.

Принцип работы

• Загрузка программы. Оператор загружает в систему ЧПУ файл с программой резки, обычно в формате G-кода, который содержит все необходимые инструкции и параметры для выполнения задания.
• Настройка станка. Перед началом работы оператор настраивает станок, устанавливает необходимые инструменты и материалы.
• Автоматическая резка. По командам из программы контроллер управляет движением рабочей головки и стола, а также регулирует мощность лазера, скорость резки и подачу газа. Всё это осуществляется автоматически, с высокой точностью и скоростью.
• Мониторинг и корректировка. Системы обратной связи постоянно мониторят процесс и предоставляют данные контроллеру, который может корректировать операции в реальном времени для оптимизации резки.

Преимущества системы ЧПУ в лазерной резке

• Высокая производительность и точность. Автоматизация управления увеличивает скорость и точность резки, позволяя производить сложные и детализированные вырезы.
• Гибкость и многозадачность. Система ЧПУ может управлять несколькими процессами одновременно, что позволяет использовать станок для различных задач резки.
• Уменьшение отходов. Точное управление и оптимизация путей резки минимизируют отходы материала.

5. Приводы и механическая система

Приводы и механическая система оптоволоконного лазерного станка для резки листового металла играют ключевую роль в обеспечении точности, скорости и надежности выполнения операций резки. Эти компоненты ответственны за точное и стабильное перемещение рабочей головки и рабочего стола, что напрямую влияет на качество продукции. Эффективность работы приводов и механической системы напрямую влияет на производительность лазерного станка, его способность выполнять сложные задачи резки и гарантировать высокое качество обработанных изделий.

Приводы

• Сервомоторы. Это наиболее часто используемый тип моторов в промышленных лазерных станках. Они предоставляют точное управление скоростью и положением, что критически важно для процессов, где необходима высокая точность, как при лазерной резке. Сервомоторы оснащены встроенными датчиками обратной связи (энкодерами), которые постоянно сообщают контроллеру ЧПУ информацию о текущем положении мотора, позволяя системе мгновенно корректировать движение для предотвращения ошибок.
• Шаговые двигатели. Шаговые двигатели также используются в некоторых лазерных станках. Они перемещают рабочую головку или стол на фиксированные угловые шаги, что позволяет достигать точного позиционирования без использования датчиков обратной связи. Хотя шаговые двигатели могут быть не такими точными, как сервомоторы, они часто предпочтительнее для приложений с меньшими требованиями к точности из-за их простоты и стоимости.

Механическая система

• Линейные направляющие. Обеспечивают гладкое и точное движение рабочей головки и стола. Они состоят из направляющих рельс и подшипниковых блоков, которые минимизируют трение и устраняют люфт, обеспечивая высокую точность перемещения.
• Шарико-винтовые передачи. Применяются для преобразования вращательного движения моторов в линейное движение. Эти механизмы идеально подходят для высокоточных станков, благодаря их способности обеспечивать плавное, точное и быстрое перемещение с минимальным износом и зазором.
• Пневматические и гидравлические системы. В некоторых станках могут использоваться пневматические или гидравлические системы для управления движением или для зажима материалов на рабочем столе. Эти системы обеспечивают большую силу зажима и могут быстро переключаться между различными операциями.

Интеграция с системой ЧПУ

Все эти механические и приводные компоненты интегрированы с системой ЧПУ, которая управляет их работой в соответствии с загруженной программой резки. Система ЧПУ регулирует скорость и направление движения, а также другие параметры, такие как мощность лазера и подачу газа, для оптимальной работы.

6. Рабочий стол

Рабочий стол лазерного станка для резки листового металла — это фундаментальный компонент, на котором размещается обрабатываемый материал и который обеспечивает его точное позиционирование в процессе резки. От качества исполнения и функциональности рабочего стола зависит точность и качество конечного продукта. Рабочий стол обычно оснащен системой автоматической подачи и фиксации листового металла, что повышает производительность и уменьшает время подготовки к резке.

Основные характеристики и компоненты

• Материал стола. Рабочие столы обычно изготавливаются из прочных материалов, способных выдерживать высокие нагрузки и не деформироваться под воздействием высоких температур и механического воздействия в процессе лазерной резки. Часто используются стали с высокой прочностью или специализированные сплавы.
• Конструкция стола. Многие рабочие столы имеют сетчатую конструкцию, что позволяет расплавленному металлу и другим отходам легко проходить через стол, не накапливаясь на нем. Это также уменьшает количество загрязнений на лазерной головке и других механических частях станка.
• Размеры стола. Подбираются в зависимости от максимального размера обрабатываемого материала и могут значительно варьироваться в зависимости от модели станка и требований производства.
• Механизмы для позиционирования и фиксации материала. Включают в себя механические зажимы, вакуумные подъемники и другие устройства, которые обеспечивают надежную фиксацию листов металла во время резки. Это критически важно для поддержания точности и исключения вибраций или смещения материала.
• Автоматизированные системы загрузки и выгрузки. Некоторые современные станки оснащены автоматизированными системами загрузки и выгрузки, которые значительно ускоряют процесс обработки и минимизируют простои. Эти системы могут автоматически подавать листы металла на стол и удалять обработанные детали.
• Системы управления высотой и уровнем. Для обеспечения оптимального результата резки важно поддерживать равномерное расстояние между лазерной головкой и обрабатываемой поверхностью. Некоторые столы оснащены системами автоматической коррекции высоты, которые регулируют уровень стола в ответ на обнаруженные неровности материала.

Принцип работы

Во время работы станка рабочий стол остается неподвижным, в то время как лазерная головка перемещается по заданным координатам для резки металла. При помощи системы ЧПУ оператор задает параметры резки, включая траекторию движения лазера, скорость и мощность резки. Система также контролирует механизмы позиционирования и фиксации, обеспечивая точность загрузки и выгрузки листов.

7. Система охлаждения

Система охлаждения в лазерном станке для резки листового металла играет критическую роль в поддержании эффективности и долговечности оборудования. Эта система предназначена для отвода избыточного тепла от ключевых компонентов станка, таких как лазерный источник, рабочая головка и приводы, что помогает предотвратить перегрев, повышение износа и потенциальные отказы оборудования.

Основные компоненты системы охлаждения

1. Охладитель. Чиллер — это устройство, которое использует хладагент (чаще всего вода или специальные охлаждающие жидкости) для отвода тепла от компонентов станка. Оно работает на принципе теплообмена, где хладагент циркулирует между охладителем и узлами станка, поглощая тепло и возвращаясь обратно для охлаждения.
2. Насосы. Обеспечивают циркуляцию хладагента по системе. Они должны быть достаточно мощными, чтобы обеспечивать непрерывный поток охлаждающей жидкости через систему, но при этом эффективными, чтобы минимизировать энергопотребление.
3. Теплообменники. Используются для передачи тепла от охлаждающей жидкости к внешней среде. Они могут быть воздушного или водяного типа в зависимости от конструкции станка и условий эксплуатации.
4. Трубопроводы и соединения. Система трубопроводов и соединений обеспечивает надежную и безопасную транспортировку охлаждающей жидкости между различными компонентами системы охлаждения и станка.
5. Датчики температуры и контроллеры. Для мониторинга и управления температурой в системе используются различные датчики и контроллеры. Они позволяют автоматически регулировать работу охладителя и насосов в зависимости от текущей температуры компонентов, обеспечивая оптимальное охлаждение.

Принцип работы

• Циркуляция хладагента. Охлаждающая жидкость поступает в охладитель, где она охлаждается до заданной температуры. Затем она перекачивается насосами через теплообменник, где она поглощает тепло от горячих компонентов станка.
• Теплообмен. Тепло, поглощенное жидкостью, передается к воздуху или вторичной воде в теплообменнике и рассеивается в окружающую среду.
• Регулирование температуры. Система управления мониторит температуру ключевых компонентов и регулирует работу охладителя и насосов для поддержания оптимального режима работы.

Значение системы охлаждения

Система охлаждения не только предотвращает перегрев и повреждение оборудования, но и способствует увеличению эффективности и продуктивности работы. Охлаждение критически важных компонентов уменьшает риски технических сбоев и увеличивает срок службы станка. Кроме того, правильное охлаждение способствует поддержанию постоянства параметров процесса резки, что критично для получения высококачественных и точных резов.

8. Системы безопасности

Системы безопасности на лазерных станках для резки листового металла играют ключевую роль в защите операторов и обеспечении безопасной эксплуатации оборудования. Лазерные станки могут представлять опасность из-за высокой мощности лазера, движущихся частей и высоких температур в процессе резки. Важно, чтобы все аспекты безопасности были тщательно продуманы и интегрированы в конструкцию станка.

Компоненты и функции систем безопасности

1. Защитные ограждения и кожухи. Все движущиеся и опасные части станка должны быть закрыты ограждениями или кожухами, которые предотвращают случайный контакт оператора с движущимися частями и защищают от вылетающих частиц металла и искр.
2. Блокировки безопасности. Двери доступа к рабочей зоне оснащены блокировками, которые не позволяют станку работать при открытых дверцах. Эти системы гарантируют, что операторы и другие лица не подвергнутся воздействию активного лазерного излучения или механическим рискам во время работы станка.
3. Системы экстренной остановки. Кнопки экстренной остановки должны быть легкодоступны с любого места управления станком. Эти кнопки позволяют мгновенно остановить станок в случае возникновения аварийной ситуации или другой потенциальной опасности.
4. Защита от лазерного излучения. Ограждения и защитные кожухи оснащены материалами, поглощающими или отражающими лазерное излучение, что предотвращает его выход за пределы рабочей зоны. Кроме того, рабочие очки с защитой от лазерного излучения должны быть предоставлены всем, кто находится вблизи операционной зоны.
5. Системы вентиляции и отсоса дыма. В процессе резки металла образуются дым и газы, которые могут быть вредны для здоровья. Системы вентиляции и отсоса дыма удаляют эти вредные вещества из рабочей зоны, поддерживая чистоту воздуха и безопасность рабочей среды.
6. Системы оптического мониторинга. Видеокамеры и другие оптические системы могут быть использованы для мониторинга процесса резки без необходимости присутствия оператора непосредственно у рабочей зоны, что снижает риск травм.

Значение систем безопасности

Системы безопасности не только защищают персонал от возможных травм и улучшают условия труда, но и помогают предотвратить повреждение оборудования и материалов, что важно для снижения затрат на обслуживание и ремонт. Кроме того, они улучшают общую эффективность работы станка, обеспечивая бесперебойную и безопасную эксплуатацию. Это ключевые факторы для поддержания высокого уровня производственной культуры и соблюдения требований промышленной безопасности.