**Το laser cutting και τα βασικά στοιχεία του συστήματος επεξεργασίας του

**II. Σύνθεση εξοπλισμού κοπής με λέιζερ**

**2.1 Συστατικά και αρχή λειτουργίας των μηχανών κοπής με λέιζερ**

Η μηχανή κοπής λέιζερ αποτελείται από γεννήτρια λέιζερ, κεφαλή κοπής, εξαρτήματα μετάδοσης δέσμης, τραπέζι εργασίας εργαλείου μηχανής, σύστημα CNC, υπολογιστή (φορτιστήριο, λογισμικό), ψυγείο, φιάλες αερίου προστασίας,αποσβεστήρας σκόνης, και στεγνωτήρα αέρα, μεταξύ άλλων.

1. **Γεννήτης λέιζερ:** Αυτή είναι η συσκευή που παράγει την πηγή λέιζερ.η πλειοψηφία χρησιμοποιεί λέιζερ αερίου CO2 λόγω της υψηλότερης ηλεκτρο-οπτικής τους αποδοτικότητας μετατροπής και της ικανότητάς τους να παράγουν μεγαλύτερη ισχύΔεδομένου ότι η κοπή με λέιζερ έχει πολύ υψηλές απαιτήσεις για την ποιότητα της δέσμης, δεν είναι όλα τα λέιζερ κατάλληλα για κοπή.

2. **Κεφαλής κοπής:** Συμπεριλαμβάνει κυρίως εξαρτήματα όπως το στόμιο, τον φακό εστίασης και το σύστημα παρακολούθησης εστίασης.Η συσκευή κίνησης κοπής κεφαλή χρησιμοποιείται για να οδηγήσει το κεφάλι κοπής κατά μήκος του άξονα Z σύμφωνα με το πρόγραμμα, που αποτελείται από εξαρτήματα όπως ένας κινητήρας σερβοκινητήρα και μολύβι βίδα ή γρανάζια.

* (1) **Σφουγγάρι:** Οι τύποι σφουγγαριού περιλαμβάνουν κυρίως τρεις μορφές: παράλληλο, σύγκλιτο και κωνικό.

* (2) **Στην εστίαση του φακού:** Για να χρησιμοποιηθεί η ενέργεια της ακτίνας λέιζερ για την κοπή, η ακατέργαστη ακτίνα που εκπέμπεται από το λέιζερ πρέπει να εστιαστεί από έναν φακό για να σχηματίσει ένα σημείο με υψηλή πυκνότητα ενέργειας.Οι φακοί μεσαίου και μεγάλου εστιακού μήκους είναι κατάλληλοι για την κοπή παχιάς πλάκας και έχουν χαμηλότερες απαιτήσεις για τη σταθερότητα της απόστασης του συστήματος παρακολούθησηςΟι φακοί μικρής εστιακής εμβέλειας είναι κατάλληλοι μόνο για λεπτές πλάκες κάτω των 3 mm.έχουν αυστηρές απαιτήσεις για τη σταθερότητα της απόστασης του συστήματος παρακολούθησης, αλλά μπορούν να μειώσουν σημαντικά την απαιτούμενη ισχύ εξόδου λέιζερ.

* (3) **Σύστημα παρακολούθησης:** Το σύστημα παρακολούθησης εστίασης της μηχανής κοπής λέιζερ αποτελείται γενικά από την κεφαλή κοπής εστίασης και το σύστημα αισθητήρα παρακολούθησης.Η κεφαλή κοπής περιλαμβάνει μέρη για καθοδήγηση του φωτός και εστίασηΟ αισθητήρας αποτελείται από το στοιχείο αισθητήρα και τα μέρη ελέγχου ενίσχυσης.Τα συστήματα παρακολούθησης είναι εντελώς διαφορετικά.Πρωτίστως, υπάρχουν δύο μορφές: χωρητικά συστήματα παρακολούθησης αισθητήρων (μη επαφής) και επαγωγικά συστήματα παρακολούθησης αισθητήρων (συναφή).

3. ** Συστατικά μεταφοράς δέσμης (εξωτερική διαδρομή φωτός):** Χρησιμοποιούνται ανθεκτικοί και ανακλαστικοί καθρέφτες για να κατευθύνουν το λέιζερ προς την απαιτούμενη κατεύθυνση.Όλοι οι καθρέφτες προστατεύονται από καλύμματα και παρέχονται με καθαρόΈνα σύνολο φακών υψηλής ποιότητας θα εστιάσει μια δέσμη χωρίς γωνία αποκλίσεως σε ένα άπειρα μικρό σημείο.Συχνά χρησιμοποιείται φακός εστιακού μήκους 0 ιντσώνΟ φακός 7,5 ιντσών χρησιμοποιείται μόνο για υλικά > 12 mm πάχους.

4. **Εργαστήριο μηχανικού εργαλείου (Machine Host):** Το μηχανικό μέρος της μηχανής κοπής λέιζερ που επιτρέπει την κίνηση κατά μήκος των άξονων X, Y και Z, συμπεριλαμβανομένης της πλατφόρμας κοπής.

5. **Σύστημα CNC:** Ελέγχει το εργαλείο μηχανής για την επίτευξη κίνησης άξονα X, Y, Z και ελέγχει επίσης την ισχύ εξόδου του λέιζερ.

6. **Σύστημα ψύξης (Chiller Unit):** Χρησιμοποιείται για την ψύξη της γεννήτριας λέιζερ.το ποσοστό μετατροπής ενός λέιζερ αερίου CO2 είναι συνήθως 20%Το νερό ψύξης απομακρύνει την υπερβολική θερμότητα για τη διατήρηση της κανονικής λειτουργίας.Ο ψυκτικός μηχανισμός ψύχεται επίσης τους εξωτερικούς καθρέφτες πορείας φωτός και τον φακό εστίασης για να εξασφαλίσει σταθερή ποιότητα μετάδοσης δέσμης και να αποτρέψει αποτελεσματικά την παραμόρφωση ή τη ρωγμή του φακού λόγω υπερβολικής θερμοκρασίας.

7. **Βαλκάνες αερίου:** Περιλαμβάνονται οι φιάλες αερίου μέσου εργασίας και οι βοηθητικές φιάλες αερίου της μηχανής κοπής με λέιζερ,που χρησιμοποιείται για την αναπλήρωση των βιομηχανικών αερίων για ταλαντώσεις λέιζερ και την παροχή βοηθητικών αερίων στην κεφαλή κοπής.

8. **Σύστημα εξαγωγής σκόνης:** Απομακρύνει τον καπνό και τη σκόνη που παράγονται κατά την επεξεργασία και τα φιλτράρει ώστε οι εκπομπές καυσαερίων να πληρούν τα περιβαλλοντικά πρότυπα.

9. **Αεροψυκτικό στεγνωτήρα και φίλτρο:** Προμηθεύει καθαρό, ξηρό αέρα στη γεννήτρια λέιζερ και την πορεία της δέσμης για τη διατήρηση της κανονικής λειτουργίας της πορείας και των καθρέφτες.

**2.2 Φωτιά κοπής με λέιζερ**

Η σχεδιαστική δομή ενός φακού κοπής με λέιζερ εμφανίζεται στον παρακάτω πίνακα, που αποτελείται κυρίως από το σώμα του φακού, τον εστιαστικό φακό, τον καθρέφτη και τον βοηθητικό αεραγωγό.ο φακός πρέπει να πληροί τις ακόλουθες απαιτήσεις:

1 Ο φακός πρέπει να μπορεί να εκτοξεύει επαρκή ροή αερίου.

2 Η κατεύθυνση εκτόξευσης αερίου μέσα στον φακό πρέπει να είναι ομοαξονική με τον οπτικό άξονα του καθρέφτη.

3 Η εστιακή απόσταση του φακού πρέπει να ρυθμίζεται εύκολα.

4 Κατά τη διάρκεια της κοπής, βεβαιωθείτε ότι ο μεταλλικός ατμός και οι ψεκασμοί από τη διαδικασία κοπής δεν βλάπτουν τον καθρέφτη.

Η σχετική κίνηση μεταξύ του φακού και του εργαστηρίου μπορεί να συμβεί σε τρεις καταστάσεις:

1 Ο φακός είναι ακίνητος και το εργαλείο κινείται μέσω του τραπεζιού εργασίας (κυρίως για τα μικρότερα εργαλεία).

2 Το εργαλείο είναι ακίνητο, και η λάμπα κινείται.

3 Τόσο ο φακός όσο και το τραπέζι εργασίας κινούνται ταυτόχρονα.

**2.2.1 Κεφαλή κοπής**

Η κεφαλή κοπής λέιζερ βρίσκεται στο τέλος του συστήματος μετάδοσης της δέσμης και περιλαμβάνει τον φακό εστίασης και τον ακροφύσιο κοπής.

Οι φακοί εστίασης διακρίνονται κυρίως από την εστιακή τους απόσταση.Παίρνοντας για παράδειγμα την κοπή με λέιζερ CO2, τα κοινά εστιακά μήκη είναι 127mm (5in) και 190mm (7.5in).η οποία είναι ευεργετική για τη μείωση του πλάτους της κοπής και την απόκτηση μιας πιο λεπτής κοπήςΣε σύγκριση με τους φακούς μικρής εστιακής εμβέλειας, οι φακοί με μεγάλη εστιακή απόσταση έχουν μεγαλύτερο εστιακό σημείο και μεγαλύτερο βάθος εστίασης.ένας φακός μεγάλης εστιακής απόστασης μπορεί να πληροί τις απαιτήσεις για πυκνότητα ενέργειας εστιασμένης δέσμης κοντά στο εστιακό σημείο σε μεγαλύτερο εύρος πάχους υλικούΩς εκ τούτου, οι φακοί μικρής εστιακής εμβέλειας χρησιμοποιούνται κυρίως για την λεπτή κοπή λεπτών φύλλων, ενώ τα παχύτερα υλικά απαιτούν φακοί μεγάλης εστιακής εμβέλειας για να αποκτήσουν επαρκές βάθος εστίασης,διασφάλιση της ελάχιστης μεταβολής της διαμέτρου του σημείου εντός του εύρους πάχους κοπής και διατήρηση της επαρκούς πυκνότητας ισχύος.

Ο φακός εστίασης χρησιμοποιείται για την εστίαση της παράλληλης ακτίνας λέιζερ που εισέρχεται στον πυρσό για να αποκτήσει ένα μικρό σημείο και υψηλή πυκνότητα ισχύος.Τα λέιζερ στερεής κατάστασης χρησιμοποιούν συνήθως οπτικό γυαλί, ενώ τα λέιζερ αερίου CO2, τα οποία δεν μπορούν να μεταδίδουν μέσω συνηθισμένου γυαλιού, χρησιμοποιούν υλικά όπως ZnSe, GaAs και Ge, με το ZnSe να είναι το πιο κοινό.

Για την κοπή με λέιζερ, η διάμετρος του σημείου είναι όσο το δυνατόν μικρότερη, καθώς αυτό αυξάνει την πυκνότητα ισχύος, διευκολύνοντας την υψηλής ταχύτητας κοπή.το βάθος εστίασης γίνεται επίσης μικρότεροΕπιπλέον, με μικρότερη εστιακή απόσταση του φακού, η απόσταση μεταξύ του φακού και του εργαστηρίου μειώνεται.,καθιστώντας τον φακό ευαίσθητο στη μόλυνση από ψεκασμούς και άλλο λιωμένο υλικό κατά τη διάρκεια της κοπής, επηρεάζοντας την κανονική λειτουργία.η κατάλληλη εστιακή απόσταση πρέπει να καθορίζεται με συνολική εξέταση παραγόντων όπως το πάχος κοπής και οι απαιτήσεις ποιότητας.

**2.2.2 Αντιπερισπασμός**

Η λειτουργία του καθρέφτη είναι να αλλάζει την κατεύθυνση της δέσμης που προέρχεται από το λέιζερ.ενώ οι καθρέφτες στις συσκευές laser κοπής αερίου CO2 είναι συχνά κατασκευασμένες από χαλκό ή μέταλλα με υψηλή ανακλαστικότηταΚατά τη διάρκεια της χρήσης, οι καθρέφτες συνήθως ψύνονται με νερό για να αποφεύγονται ζημιές που προκαλούνται από υπερθέρμανση από έκθεση στο φως.

**2.2.3 Σφουγγαρίστρα**

Το στόμιο χρησιμοποιείται για την εκτόξευση βοηθητικού αερίου στη ζώνη κοπής.Το 11 δείχνει τα κοινά σχήματα των ακροβομβίδων που χρησιμοποιούνται στην κοπή με λέιζερΤα σχήματα των τρυπών αερίου περιλαμβάνουν κυλινδρικά, κωνικά και σύγκλιση-διακύμανση (de Laval).

Η επιλογή του ακροφύλλου καθορίζεται γενικά μετά από δοκιμές με βάση το υλικό του εργασιακού υλικού, το πάχος, την πίεση βοηθητικού αερίου κ.λπ.Για την κοπή με λέιζερ χρησιμοποιούνται γενικά ομοαξονικά ακροφύσια (συνοριακή ροή αερίου με τον οπτικό άξονα)Εάν η ροή αερίου δεν είναι ομοαξονική με τη δέσμη, μπορεί εύκολα να δημιουργήσει σημαντική ψεκασμό κατά τη διάρκεια της κοπής.Ο τοίχος του ανοίγματος του ακροβωτίου θα πρέπει να είναι ομαλός για να εξασφαλίζεται ομαλή ροή αερίου και να αποφεύγεται η επηρεασία της ποιότητας κοπής λόγω των αναταραχών.Για να εξασφαλιστεί η σταθερότητα της διαδικασίας κοπής, η απόσταση από το πρόσωπο του ακροφύλλου έως την επιφάνεια του εργαστηρίου πρέπει να ελαχιστοποιείται, συχνά ως 0,5 ~ 2,0 mm.Το άνοιγμα του ακροφύλλου πρέπει να επιτρέπει στην ακτίνα λέιζερ να περνάει απρόσκοπταΌσο μικρότερο είναι το άνοιγμα, τόσο πιο δύσκολη γίνεται η κολίμαση της δέσμης.υπάρχει ένα βέλτιστο εύρος διαμέτρων διαφάνειας ακροφύλλουΑν το άνοιγμα είναι πολύ μικρό ή πολύ μεγάλο, θα επηρεάσει την αφαίρεση των λιωμένων προϊόντων από το κορφοπέδιο και θα επηρεάσει επίσης την ταχύτητα κοπής.

Η επίδραση του ανοίγματος του ακροφύλλου στην ταχύτητα κοπής υπό ορισμένη ισχύ λέιζερ και πίεση βοηθητικού αερίου φαίνεται στα σχήματα 4.12 και 4.13. Μπορεί να παρατηρηθεί ότι υπάρχει ένα βέλτιστο άνοιγμα πύλης που παράγει τη μέγιστη ταχύτητα κοπής.

Οι δοκιμές κοπής με λέιζερ σε υλικά που είναι δύσκολο να κοπούν, όπως το τσιμεντοποιημένο καρβίδιο, δείχνουν ότι το βέλτιστο άνοιγμα του ακροφύλλου είναι πολύ κοντά στο ανωτέρω αποτέλεσμα, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.14Το άνοιγμα του ακροφύλλου επηρεάζει επίσης το πλάτος της κοπής και το πλάτος της ζώνης που επηρεάζεται από τη θερμότητα (HAZ), όπως φαίνεται στο σχήμα 4.15Καθώς το άνοιγμα του ακροφύσκου αυξάνεται, το κενό διευρύνεται ενώ το HAZ στενεύει.Ο κύριος λόγος για τη συρρίκνωση του HAZ είναι η ενισχυμένη επίδραση ψύξης της ροής βοηθητικού αερίου στο βασικό υλικό στη ζώνη κοπής.

**2.3 Παραμέτροι εξοπλισμού κοπής με λέιζερ**

**2.3.1 Εξοπλισμός κοπής με πυρσό**

Σε εξοπλισμό κοπής που λειτουργεί με πυρσό, ο πυρσός κοπής τοποθετείται σε κινητή γέφυρα και κινείται εγκάρσια (κατεύθυνση Y) κατά μήκος της δέσμης της γέφυρας.και το εργασιακό κομμάτι είναι στερεωμένο στο τραπέζι κοπήςΔεδομένου ότι η πηγή λέιζερ είναι χωρισμένη από τον πυρσό, κατά τη διάρκεια της κοπής, τα χαρακτηριστικά μετάδοσης λέιζερ, παράλληλος κατά μήκος της κατεύθυνσης σάρωσης δέσμης,και η σταθερότητα των ανακλαστικών καθρέφτες μπορεί να επηρεαστεί.

Ο εξοπλισμός με πυρσό μπορεί να επεξεργαστεί μεγαλύτερα μέρη, απαιτεί σχετικά λιγότερο χώρο για την περιοχή παραγωγής κοπής και μπορεί εύκολα να ενσωματωθεί σε γραμμές παραγωγής με άλλο εξοπλισμό.,η ακρίβεια τοποθέτησης είναι συνήθως περίπου ± 0,04 mm.

Η τυπική δομή του εξοπλισμού κοπής με κινητήρα πυρσούς παρουσιάζεται στο σχήμα 4.19Το παράδειγμα αυτό χρησιμοποιεί ένα laser cutter συνεχούς κύματος CO2, με απόσταση μετάδοσης δέσμης 18m από την πηγή λέιζερ στον φακό.Για να εξασφαλιστεί ότι οι αλλαγές στο σχήμα της δέσμης σε αυτή την απόσταση δεν εμποδίζουν την κοπή, ο συνδυασμός των καθρέφτες των ταλαντωτών πρέπει να σχεδιάζεται προσεκτικά.

Βασικές τεχνικές παραμέτρους για εξοπλισμό με πυρσό:

* Δύναμη εξόδου λέιζερ: 1,5 kW (μονή λειτουργία), 3 kW (πολυλειτουργία).

* Ταξίδι φακού: άξονας Χ 6,2m, άξονας Y 2,6m.

* Ταχύτητα οδήγησης: 0~10m/min (προσαρμόσιμη).

* Υψόμετρος φακού (άξονας Z) πλωτός δρόμος: 150 mm.

* Ταχύτητα ρύθμισης ύψους φακού: 300 mm/min.

* Μέγιστο μέγεθος επεξεργαζόμενης πλακέτας χάλυβα: 12 mm πάχος * 2400 mm * 6000 mm.

* Εξοπλισμός ελέγχου: Ενσωματωμένη μέθοδος ελέγχου CNC.

**2.3.2 Εξοπλισμός με XY συντεταγμένη τραπεζική κοπή**

Σε εξοπλισμό με κινητήρα πίνακα κοπής συντεταγμένων XY, ο φακός στερεώνεται στο πλαίσιο της μηχανής και το εργασιακό κομμάτι τοποθετείται στο τραπέζι κοπής.Το τραπέζι κοπής κινείται σύμφωνα με τις οδηγίες NC κατά μήκος των κατευθύνσεων X και YΗ ταχύτητα κίνησης είναι γενικά 0~1m/min (προσαρμόσιμη) ή 0~5m/min (προσαρμόσιμη).επιτρέποντας ομοιόμορφη και σταθερή κοπήΌταν το μέγεθος του τραπεζιού κοπής είναι μικρό και η μηχανική ακρίβεια είναι υψηλή, η ακρίβεια τοποθέτησης μπορεί να είναι ± 0,01 mm, με αποτέλεσμα εξαιρετική ακρίβεια κοπής,που το καθιστά ιδιαίτερα κατάλληλο για την ακριβή κοπή μικρών μερώνΥπάρχουν επίσης τραπέζια κοπής με οδική διαδρομή άξονα Χ 2300~2400mm και οδική διαδρομή άξονα Y 1200~1300mm για την επεξεργασία μεγαλύτερων εξαρτημάτων.

Κύρια τεχνικές παραμέτρους για εξοπλισμό με τροχιακή κίνηση XY

* Λέιζερ: Λέιζερ αερίου CO2 (πολυσφραγμένος τύπος ίσιου σωλήνα).

* Εφοδιασμός ενέργειας λέιζερ: τάση εισόδου 200V AC, τάση εξόδου 0 ~ 30kV, μέγιστο ρεύμα εξόδου 100mA.

* Δύναμη εξόδου λέιζερ: 550W.

* Τραπεζός κοπής Ταξίδι: Άξονας Χ 2300mm, Άξονας Y 1300mm.

* Ταχύτητα κίνησης τραπεζιού κοπής (προσαρμόσιμη σταδιακά): 0,4 ~ 5,0 m/min, 0,2 ~ 2,5 m/min, 0,1 ~ 1,3 m/min, 0,05 ~ 0,6 m/min.

* Υψόμετρος φακού (άξονας Z) πλωτός δρόμος: 180 mm.

* Μέγιστο μέγεθος φύλλου επεξεργασίας: πάχος 6 mm * 1300 mm * 2300 mm.

* Εξοπλισμός ελέγχου: μέθοδος NC.

**2.3.3 Τεχνολογία κοπής με διπλή κίνηση με πίνακα φακού**

Ο εξοπλισμός κοπής με διπλή κίνηση είναι υβρίδιο μεταξύ τύπων με κίνηση πυρσούς και τύπων με κίνηση πίνακα XY. Ο πυρσός είναι εγκατεστημένος σε μια πύλη και κινείται εγκάρσια (στην κατεύθυνση Y) κατά μήκος της δέσμης της πύλης,ενώ το τραπέζι κοπής κινείται κατά μήκος (κατεύθυνση X)Συνδυάζει τα πλεονεκτήματα της υψηλής ακρίβειας κοπής και της εξοικονόμησης χώρου.που το καθιστά ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο είδος εξοπλισμού κοπήςΤα μεγαλύτερα μοντέλα αυτού του τύπου μπορούν να έχουν διαδρομή άξονα Y 2000 mm και διαδρομή άξονα X 6000 mm, ικανή να κόβει μεγάλα μέρη.

Σε ορισμένα σχέδια, ο ταλαντωτής λέιζερ είναι επίσης τοποθετημένος στην πύλη μαζί με τον φακό.Η αποδοτικότητα της παραγωγής είναι επίσης υψηλή.Για παράδειγμα, μπορεί να κόψει 46 τρύπες διαμέτρου 10 mm ανά λεπτό σε πλάκα χάλυβα πάχους 1 mm.

**2.3.4 Ενσωματωμένος εξοπλισμός κοπής**

Σε ολοκληρωμένο εξοπλισμό κοπής, η πηγή λέιζερ είναι εγκατεστημένη στο πλαίσιο της μηχανής και κινείται κατά μήκος μαζί της,ενώ ο φακός και ο μηχανισμός κίνησης του σχηματίζουν μια μονάδα που κινείται εγκάρσια στη δέσμη του πλαισίουΓια να αντισταθμιστεί η αλλαγή του οπτικού δρόμου που προκαλείται από την εγκάρσια κίνηση του φακού, η μηχανή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ενός οπτικού δρόμου.Συνήθως είναι εξοπλισμένο με ένα στοιχείο ρύθμισης μήκους οπτικής διαδρομής, εξασφαλίζοντας την ομοιογένεια της δέσμης στην περιοχή κοπής και τη διατήρηση της σταθερής ποιότητας της επιφάνειας κοπής.