Фокусирующие линзы для лазерных станков

Фокусирующие линзы для лазерных станков имеют свои особенности, это важно понимать при выборе оборудования для выполнения своих задач. В этой статье мы расскажем об использовании длиннофокусных линз на лазерном станке с ЧПУ.

Лазерное оборудование с ЧПУ находит всё большее применения в самых различных сферах производства. Основными достоинствами бесконтактной обработки лазером являются:

• высокое качество реза, аккуратные края шва;
• высокая производительность (как сквозной резки, так и гравировки поверхности);
• широкая номенклатура обрабатываемых материалов (включая тонкие и непрочные, подобно ткани, бумаге, коже и т.д.);
• отсутствие твёрдых отходов (стружки, пыли и пр.);
• малый шум и вибрации, низкий износ станочного оборудования;
• простота эксплуатации лазерных станков с ЧПУ;
• широкие возможности программирования, высокая универсальность оборудования;
• возможность размещения станков в офисе (не требуется специализированное помещение).

По своей конструктивной схеме лазерные станки очень напоминают фрезерные — заготовка также размещается на горизонтальном столе, а «инструмент» (головка лазерного излучателя) перемещается над заготовкой вдоль траектории обработки.

Оптическая система лазерного станка

Для проецирования лазерного луча на поверхность заготовки используется целая система зеркал и линз. Излучение генерирует лазерная трубка — при подаче напряжения активная среда (газовая смесь или — в более мощных агрегатах — твёрдый кристалл) выделяет когерентные фотоны монохромного луча высокой энергии. По компоновочным соображениям лазерная трубка (имеющая сравнительно большую длину — от 0,8 до 1,6 м, в зависимости от номинальной мощности) установлена горизонтально, в тыльном отсеке корпуса станка. А заготовка размещается в переднем (рабочем) отделении и укладывается на плоский ячеистый стол.

Чтобы лазерный луч падал на заготовку перпендикулярно (по нормали к поверхности), его необходимо «развернуть». Для этого оптическая система станка содержит три плоских зеркала. Первое зеркало расположено под 45 град. к излучающему торцу лазерной трубки — оно отражает луч в сторону рабочего отсека. Здесь лазер «встречает» второе зеркало — подвижное. Оно также установлено наклонно и поворачивает луч ещё на 90 град. Третье зеркало установлено непосредственно на головке излучателя — оно отклоняет лазер вниз, к заготовке. А специальная фокусирующая линза в головке излучателя «собирает» луч в очень узкое пятно, диаметром 0,1 мм2 на поверхности обрабатываемого материала.

Благодаря двум подвижным зеркалам, головка излучателя может перемещаться в любую позицию над ячеистым рабочим столом. При этом лазерный луч, бьющий строго по прямой, всегда будет «находить» центры зеркал и «собираться» фокусирующей линзой на поверхности заготовки.

Обработка тел вращения

Для работы со сферическими или цилиндрическими заготовками на лазерный станок с ЧПУ необходимо установить специальное «поворотное устройство». Такое устройство представляет собой самозажимной вращающийся патрон. Электромотор патрона подключается к системе ЧПУ и может поворачивать закреплённую заготовку вокруг её продольной оси. В сочетании с движением лазерного излучателя над заготовкой по двум независимым координатам, станок с ЧПУ может реализовывать сложный маршрут обработки (в т. ч. для производства 3D-изделий).

Чтобы разместить поворотное устройство, ячеистый рабочий стол лазерного станка поддаётся регулировки по высоте (в зависимости от модели, такая механика может присутствовать в базовой комплектации или поставляться в качестве опции). В принципе, любая система ЧПУ допускает подключение поворотного устройства — и способна преобразовывать команды на движение излучателя вдоль одной из осей в соответствующий угол поворота заготовки.

Однако из-за того, что при обработке тел вращения лазер «скользит» не по плоской, а по изогнутой поверхности, качество обработки может ухудшиться. Для компенсации этого необходимо подбирать оптическое расстояние фокусной линзы — переходить от короткофокусных к длиннофокусным линзам.

Различное фокусное расстояние линз

Фокусирующая линза головки излучателя предназначена для формирования «пятна» лазерного луча нужной площади. При использовании длиннофокусной линзы размер «пятна» увеличивается. Это позволяет компенсировать «соскальзывания» луча с цилиндрической поверхности и даёт возможность осуществлять качественную гравировку на изогнутых поверхностях — в том числе с небольшой конусностью (на ножках фужеров, к примеру).

Однако более толстое лазерное «пятно» работает аналогично фрезе с большим диаметром — тонкие детали рисунка таким инструментом гравировать очень трудно! Поэтому длиннофокусная линза может с успехом применятся лишь для гравировки относительно простых изображений (текста и графики с низкой детализацией). В ином случае потребуется либо вернуться к короткофокусной линзе, либо при использовании длиннофокусной существенно перенастроить параметры лазерного станка (уменьшить скорость головки излучателя, снизить ускорения разгона/торможения и т. п.). Существенным недостатком применения длиннофокусных линз является необходимость повышать мощность обработки (в 1,5-2 раза). Для выполнения гравировки (когда станок работает с 20-30% от номинальной мощности) такой «форсаж» вполне возможен. А при сквозной резке с помощью длиннофокусной линзы и 100% мощности может не хватить!

Запас пространства по высоте

При использовании длиннофокусной линзы инструментальный портал «отодвигается» от заготовки на большее расстояние, чем при работе с короткофокусной линзой. В случае обработки тел вращения при помощи поворотное устройство, такой запас расстояния по высоте позволяет гарантировать безопасное движение головки лазерного излучателя над вращающимся патроном. Это не только убережёт излучатель от возможного контакта с патроном, но и позволит увеличить ресурс инструментального портала.

При установке длиннофокусной линзы важно уменьшить длину излучающего конуса — иначе «толстый» лазерный луч оплавит края на выходе из головки излучателя. Во избежание этого рекомендуется не просто заменять короткофокусную линзу длиннофокусной, но и корректировать длину конуса (например, заменяя его совместно с линзой).

При необходимости частой замены линз можно изготовить комплект сменных вставок «под разный фокус» — и менять части излучателя в сборе. Это позволит сохранить нетронутой воздушную трубку охлаждения линзы, что положительно скажется на стабильности работы оптической системы станка.