Особенности оптических систем лазерных станков с ЧПУ

Лазерная резка и гравировки — одна из самых новых разновидностей механической обработки заготовок. По сравнению с контактной механической резкой (широко применяющейся и сегодня), оптика лазерного станка имеет ряд существенных преимуществ, и главные из них это:

• высокое качество обрабатываемого шва;
• непревзойдённая тонкость реза (порядка долей миллиметра);
• высокая скорость обработки заготовок;
• возможность обработки широкого спектра материалов (включая кожу, бумагу, полимерную плёнку, резину — т. е. те материалы, контактная механическая обработка которых на станочном оборудовании крайне затруднена);
• высокое качество обработки лазером независимо от типа поверхности заготовки (её чистоты, шероховатости, наличия защитных покрытий и пр.);
• отсутствие шума и вибраций при обработке;
• полное отсутствие стружки и пыли;
• отсутствие износа инструмента (в его роли выступает «вечный» лазерный луч) и меньший износ станочного оборудования при работе.

Единственным минусом лазерной обработки является невозможность (для большинства «бюджетных» станков) полноценной работы с металлическими заготовками. Следует также учесть, что лазерное оборудование не призвано полностью заменить станки контактной механической обработки (фрезерные с ЧПУ или токарные с ЧПУ), а предназначено для эффективного использования в своей персональной нише.

Оборудование для лазерной обработки

Для осуществления лазерной обработки применяются компактные, недорогие и простые в управлении лазерно-гравировальные станки с ЧПУ. Они предназначены для раскроя, резки и гравировки заготовок любой конфигурации (подходящих по габаритам к рабочей области конкретного станка) и получения изделий высокого качества. Большинство моделей лазерно-гравировальных станков имеют механизм загрузки/протяжки сквозь рабочую зону рулонных заготовок, что избавляет от необходимости предварительного раскроя материала и упрощает технологический процесс.

Благодаря системе числового программного управления (ЧПУ), лазерные машины легко программируются и переналаживаются на выпуск того или иного вида изделий. Причём такая переналадка осуществляется в течение нескольких минут — достаточно лишь загрузить в память системы ЧПУ нужные файлы. В качестве программы для обработки может выступать любой графический эскиз с построенной на его базе траекторией движения лазерного излучателя. Такой принцип создания программ даёт возможность готовить различные модели для обработки, а способность лазерной головки излучателя перемещаться над заготовкой в трёх независимых плоскостях позволит воплотить в материале самые смелые задумки дизайнера. При этом точная механика и оптическая система с высоким разрешением даёт возможность производить на лазерном станке изделия очень высокого качества — в не зависимости от их сложности (будь то обычная снежинка из бумаги или объёмный художественный барельеф!).

Устройство оптической системы лазерного станка с ЧПУ

Как известно, для создания лазерного излучения необходимы:

• активная среда, излучающая фотоны нужной частоты (видимого спектра);
• энергия накачки (упрощённо — внешнее питание);
• оптический резонатор (система линз и зеркал).

В большинстве моделей лазерных станков с ЧПУ используется т. н. «газовый лазер», обладающий высокой стабильностью излучения и малыми удельными затратами энергии при работе. Активная газовая среда (смесь углекислого газа, азота и гелия) запаяна в продолговатую стеклянную трубку (длинной от 0,8 до 1,8 м). Трубка снабжена оптическим резонатором и системой охлаждения. Для питания (обеспечения энергии накачки) используется отдельный трансформатор с устройством первичного «розжига».

лазерная трубка устанавливается горизонтально в задней части корпуса станка (позади основного отсека — рабочей области — для размещения заготовок). Излучаемый с одного конца лазерной трубки луч высокой энергии проходит через систему призм и попадает на зеркало лазерной головки, которое отклоняет его вниз. Специальная фокусирующая линза «собирает» луч в узкий пучок (порядка долей миллиметра) непосредственно на поверхности обрабатываемой заготовки.

Треугольные призмы установлены на подвижном инструментальном портале и могут свободно менять расстояние друг относительно друга, благодаря чему головка лазерного излучателя совершает сложное движение над заготовкой, реализуя заложенный в программе маршрут обработки. Однако призмы всегда остаются параллельны друг другу, так что лазерный луч лишь меняет «дину» между ними, но не выходит за границу оптической оси.

Скольжение призм обеспечивают подшипники с пониженным коэффициентом трения, а их движение через ременные передачи задают исполнительные элементы системы ЧПУ — шаговые электродвигатели. Длину управляющих импульсов и, соответственно, расстояние, на которое перемещаются призмы (и как следствие — головка лазерного излучателя) формирует микропроцессор системы ЧПУ — на базе кодов файла управляющей программы.

Различные варианты оптических систем станков с ЧПУ

В базовой комплектации лазерные станки с ЧПУ, как правило, оснащаются трубками мощностью 40-80 Вт. Этого достаточно для уверенной резки заготовок из различных материалов (акриловая плита толщиной до 20 мм режется насквозь). Варьируя мощность излучения и скорость движения лазерной головки можно добиваться желаемого качества обработки заготовок из различного материала (при частичной мощности лазер оставляет на поверхности заготовки чёткий качественный след гравировки).

Однако при обработке заготовок высокой плотности (например, дерева, стекла, камня) может потребоваться большая мощность. Соответственно, каждая модель лазерного станка с ЧПУ допускает установку лазерных трубок повышенной мощности (опционально — до 200 Вт). В принципе такую замену можно производить самостоятельно. Нужно лишь аккуратно обращаться с хрупкой лазерной трубкой и заменять вместе с ней устройство «розжига» (их мощности должны совпадать).

Для повышения производительности ряд моделей лазерных станков с ЧПУ имеют два излучателя и соответственно оснащены двумя лазерными трубками. Их взаимная работа автоматически согласуется системой ЧПУ станка, что позволяет вести параллельную обработку сразу двух заготовок — имея двукратный прирост интенсивности выпуска.

Оптические системы некоторых станков имеют встроенную цифровую камеру для автоматического распознавания узора на заготовке. Это позволяет вести обработку поверх существующих изображений или с любой привязкой (отступом, смещением и т. п.). Подобные модели лазерных станков с ЧПУ востребованы для производства изделий, включённых в общую технологическую цепочку и предполагающие дальнейшую обработку (например, ярлыков, лейблов, штрих-кодов и т. п.).

И наконец там, где требуется повышенное качество обработки используются модели лазерных станков с подвижной трубкой, установленной прямо на инструментальном портале. Такая схема до минимума сокращает путь лазерного луча от источника до головки излучателя. Соответственно уменьшаются и потери — за счёт отсутствия многократных преломлений/отражений луча в «промежуточных» призмах и зеркалах. Единственным недостатком подобной схемы является усложнение обслуживание лазерного станка (прежде всего — замены трубки) и ограничения по скорости обработки (инструментальный портал, утяжелённый трубкой, не может развивать слишком больших ускорений).