Сложности настройки оптической системы лазерного станка

Лазерные станки с ЧПУ отлично справляются с обработкой заготовок из самых разных материалов. Высокая скорость и точность обработки, а также низкая удельная стоимость получения готовых изделий, сделали лазерное оборудование с ЧПУ популярным инструментом в самых разных отраслях производства. Доступная цена лазерно-гравировальных станков, их высокая универсальность, простота эксплуатации и обслуживания делает это оборудование привлекательным в первую очередь для небольших предприятий и частных мастерских.

Высокие показатели качества изделий обусловлены физическими особенностями процесса обработки на лазерном оборудовании. При резке и гравировке материала на поверхность заготовок воздействует тончайшая «игла» высокоэнергетического луча. При этом материал в зоне реза моментально испаряется — результатом чего является полное отсутствие твёрдых отходов (только газообразный остаток). Поскольку толщина лазерной «иглы» составляет доли квадратного миллиметра, шов реза получается исключительной тонкий. Благодаря быстрому воздействию лазера всё тепло тратится на испарение материала — не распространяясь в соседние слои заготовки. Этим обеспечивается отличное качество краёв реза — практически недостижимое для других способов обработки/резки заготовок. Отсутствие отходов и высокая аккуратность краёв шва повышают общее качество и удобство работы с заготовками (отсутствует необходимость финальной доводки изделий).

Для достижения показателей качества, заложенных в конструкцию лазерного станка с ЧПУ, его оптическая и механическая системы должны работать чётко и слаженно. В процессе эксплуатации эти системы требуют периодического обслуживания и ухода. Так механическая система станка нуждается в смазке (реже — регулировке для устранения люфтов). А оптическая система требует более тщательного ухода, ибо дым и газообразный осадок от обработки покрывают отражающую поверхность зеркал и ухудшают/нарушают выверенную геометрию хода лучей (тем самым снижая качество обработки).

Как устроена оптическая система?

Лазерные станки с ЧПУ могут комплектоваться разными источниками излучения — на базе газовых трубок или твердотельных лазеров. Конструкция оптической системы при этом несколько различаются, но принципиальная схема остаётся прежней: лазерный луч от источника излучения проходит через систему зеркал (частью подвижных — для обеспечения перемещения излучателя вдоль маршрута обработки по командам системы ЧПУ). В данной статье рассмотрена оптическая система лазерного станка с ЧПУ на базе газовой трубки.

Активная среда для генерации лазера представляет собой смесь углекислого газа, азота и небольшой порции гелия. При подводе внешнего напряжения в такой смеси инициируется процесс выделения фотонов определённой длины волны, которые усиливаются встроенным оптическим резонатором. В результате с открытого конца лазерной трубки (конструктивно она представляет собой продолговатый стеклянный цилиндр) выходит лазерный луч и сразу же попадает на первое зеркало. Оно отклоняет луч в сторону рабочего поля лазерного станка. Второе (принимающее) зеркало является подвижным — оно обеспечивает неразрывность луча при любом положении головки излучателя относительно продольной координаты Y. Второе зеркало отражает луч в сторону третьего — тоже подвижного, предназначенного для «удержания» луча при любой позиции поперечного движения излучателя (вдоль координаты Х). Таким образом, два подвижных зеркала позволяют излучателю занимать любое положение относительно плоскости рабочего стола. Третье зеркало установлено под углом в 45 град. к горизонтали — оно отражает лазерный луч вниз, внутрь головки излучателя. Сама головка содержит фокусирующую линзу (для создания «пятна» излучения нужной площади) и встроенную систему обдува воздухом (для защиты линзы от копоти и отработавших газов).

В целом, оптическая система станка устроена достаточно просто. Однако для правильного хода лучей необходима настройка взаимного расположения зеркал. В противном случае «игла» лазера на поверхности заготовки будет смещаться, что ухудшит качество и точность обработки изделий.

Типичные ошибки настройки зеркал и их диагностика

Признаком ошибочной настройки (часто говорят «дефектов юстировки») зеркал оптической системы лазерного станка с ЧПУ являются нарушения качества обработки. К примеру, «ступенчатый» вид кривых линий при гравировке, «овальность» небольших точек (вместо круглой формы), наклонный (неровный) профиль реза по оси Х, искажения исходных размеров (диаметра) светового пятна, нарушений фокусировки луча и т. п.

Большинство этих (и других подобных) проблем решаются правильной настройкой зеркал. Многие новички пугаются этой процедуры и пытаются найти «оптимальное решение» (чтобы точно знать, какое зеркало и как повернуть при тех или иных дефектах обработки). Однако такой метод довольно часто приводит к ухудшению ситуации, а не её решению. Для гарантированного устранения дефектов обработки рекомендуется всегда следовать «каноническому» алгоритму юстировки. А именно — настраивать зеркала, начиная с первого (от лазерной трубки), а затем по очереди второе и третье. При этом не обязательно добиваться попадания луча строго в центр зеркал (наоборот, опытные пользователи лазерных станков с ЧПУ советуют «пристреливать» луч в одну половину зеркала — а спустя некоторое время эксплуатации зеркало можно перевернуть «чистой» стороной под луч). Главное чтобы луч не уходил с отражающей плоскости зеркала. И не «ползал» по ней при любом перемещении зеркала вдоль рабочей координаты!

При настройке последнего зеркала (третьего, расположенного непосредственно на головке излучателя) необходимо добиться строго вертикального отражения лазерного луча. Чтобы в фокусирующую линзу он «входил» только по центру! Иначе неперпендикулярность луча рабочему столу ведёт не только к «вытягиванию» всех линий на заготовке, но и «биению» лазера в боковую стенку конической насадки излучателя — с риском её расплавления.

Следует отметить, что юстировка оптической системы предназначена для получения определённой геометрии хода лазерных лучей относительно заготовки. Однако сама заготовка располагается на рабочем столе. Значит, форма его плоскости и параллельность физическому горизонту также существенно влияют на качество обработки. Поэтому перед первым запуском лазерного станка его следует выставлять строго по уровню, регулируя подвижные опоры. А также периодически контролировать положение рабочей плоскости (также с помощью уровня) — особенно когда стол оснащён механизмом автоподёъма.