PL 217478 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 217478 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 397035 (22) Data zgłoszenia: 18.11.2011 (51) Int.Cl. B23K 26/38 (2006.01) B23K 26/36 (2006.01) B23K 26/08 (2006.01) (54) Sposób sterowania ruchem głowic laserowego urządzenia do cięcia i znakowania/grawerowania materiałów oraz urządzenie do stosowania tego sposobu (73) Uprawniony z patentu: SOLARIS LASER SPÓŁKA AKCYJNA, Warszawa, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: 27.05.2013 BUP 11/13 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.07.2014 WUP 07/14 (72) Twórca(y) wynalazku: LECH BORUC, Warszawa, PL ADAM CYBULSKI, Warszawa, PL WALDEMAR SZCZEPANIAK, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Krystyna Lewińska
2 PL 217 478 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób sterowania ruchem głowic laserowego urządzenia do cięcia i znakowania/grawerowania materiałów oraz urządzenie do stosowania tego sposobu, stosowany zwłaszcza do kształtów wykrojów mogących pozostawać w zależności geometrycznej do wykonanych oznaczeń. Znany jest sposób sterowania ruchem głowic laserowego urządzenia do cięcia, w którym głowicę tnącą wprawia się w ruch we współrzędnych (x,y) przez ruch wózka portalu i samego portalu, na których umieszczona jest ta głowica. Złożenie obu tych prostopadłych ruchów umożliwia przemieszczanie głowicy lasera tnącego wzdłuż dowolnych krzywych w płaszczyźnie równoległej do powierzchni materiału. Znane są laserowe urządzenia do cięcia wyposażone w głowicę lasera tnącego, która przemieszczana względem powierzchni materiału służy do jego przecinania. W urządzeniach tych głowica lasera tnącego umieszczona jest na wózku na belce portalu. Napędzany przez silnik i układ przeniesienia ruchu wózek może przemieszczać się wzdłuż belki portalu. Cały portal umieszczony jest na prowadnicach i napędzany jest innym silnikiem w taki sposób, że wykonuje ruch w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu wózka. Złożenie obu tych ruchów umożliwia przemieszczanie głowicy lasera tnącego wzdłuż dowolnych krzywych w płaszczyźnie równoległej do powierzchni materiału. Skupiona wiązka promieniowania laserowego emitowana przez głowicę lasera tnącego, działa na materiał powodując jego lokalny ubytek, co w połączeniu z ruchem głowicy tworzy linię rozkroju. Ta sama głowica lasera tnącego, po zastosowaniu innych parametrów niż właściwe do cięcia materiału, w taki sposób, że ubytek materiału występuje tylko na powierzchni materiału może być użyta do nanoszenia nieskomplikowanych oznaczeń. Procesy te nigdy nie mogą być prowadzone w tym samym czasie, a dynamika i jakość znakowania ograniczona jest masą elementów ruchomych oraz rodzajem zastosowanego układu sterowania. Przy pomocy opisanego układu można wykonać nie więcej niż kilkadziesiąt znaków alfanumerycznych na sekundę. Znane są też wysokowydajne laserowe urządzenia do znakowania wyposażone w szybkie głowice skanujące. W tym przypadku głowica skanująca złożona z dwóch napędzanych, kątowo wychylanych zwierciadeł połączona jest z laserem. Wiązka promieniowania laserowego, odbija się od każdego z tych zwierciadeł i przechodząc przez obiektyw skupiający kierowana jest w stronę obrabianego materiału. Taki układ pozwala na przemieszczanie wiązki lasera W dwóch kierunkach wzajemnie prostopadłych. Złożenie ruchów kątowych zwierciadeł umożliwia przemieszczanie wiązki lasera względem powierzchni materiału według dowolnych krzywych co w połączeniu z działaniem lasera o odpowiedniej mocy powoduje lokalny ubytek materiału lub zmianę jego barwy na powierzchni. Niewielka ruchoma masa wykorzystania do realizacji ruchu wiązki umożliwia wykonywanie nawet kilku tysięcy trwałych znaków alfanumerycznych na sekundę. Urządzenia tego typu służą do wykonywania precyzyjnych i złożonych oznaczeń w krótkim czasie na elementach w tym również elementach wycinanych wcześniej przy pomocy laserowych urządzeń do cięcia. W tym przypadku elementy takie po wycięciu są wyjmowane z urządzenia tnącego, transportowane, a następnie kolejno pozycjonowane w urządzeniu znakującym. Znane rozwiązania charakteryzują się niską wydajnością, koniecznością wykorzystania dwóch różnych urządzeń wraz z oprzyrządowaniem oraz dodatkowymi czynnościami związanymi z transportem i pozycjonowaniem. Celem wynalazku jest umożliwienie wykonywania operacji znakowania i cięcia na jednym urządzeniu, przez umieszczenie w jednym urządzeniu przyrządów do cięcia materiału oraz nanoszenia na jego powierzchni oznaczeń. Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że obiema głowicami steruje się jednocześnie, a miejsce cięcia materiału znajduje się w stałej odległości od środka obszaru znakowania, zaś tnie się z prędkością wypadkową o składowych w płaszczyźnie osi prostopadłych (xy), która to prędkość wypadkowa, równa jest prędkości, z którą porusza się środek układu współrzędnych obszaru znakowania, a wiązce lasera znakującego nadaje się wypadkową prędkość, będąca sumą wektorową składowych Vsx, Vsy, w płaszczyźnie osi prostopadłych ruchomego układu (x'y'), zależnych od prędkości kątowej zwierciadeł głowicy skanującej, która to wypadkowa prędkość, w układzie odniesienia jakim jest materiał obrabiany, jest składową wektora wypadkowej prędkości znakowania obu wypadkowych prędkości lasera tnącego oraz prędkości lasera znakującego.
PL 217 478 B1 3 Istota urządzenia według wynalazku polega na tym, że posiada laser znakujący połączony z głowicą skanującą wyposażoną w układ wychylnych zwierciadeł umożliwiających przemieszczanie wiązki laserowej wewnątrz obszaru znakowania, umieszczony wspólnie z głowicą lasera tnącego na wózku portalu usytuowanym na prowadnicach zamocowanych wzdłuż belki portalu, do której zamocowane są prostopadle prowadnice belki portalu. Wynalazek umożliwia, że głowica znakująco-grawerująca wykonuje oznaczenia w trakcie pracy głowicy tnącej w taki sposób, że gotowy wyrób powstaje przy wykorzystaniu jednego urządzenia, a dzięki jednoczesnej pracy głowic, czas wykonywania wyrobu jest ograniczony do minimum. Wynalazek jest bliżej objaśniony przykładowo na podstawie rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia laserowe urządzenie do cięcia i znakowania/grawerowania w widoku z przodu, a Fig. 2 - wykresy wektorowe prędkości przemieszczania się wiązek lasera tnącego i znakującego. Zgodnie ze sposobem obiema głowicami 2, 3 steruje się jednocześnie, a miejsce cięcia materiału C znajduje się w stałej odległości A od środka obszaru znakowania O', zaś tnie się z prędkością wypadkową Vp której składowe Vpx i Vpy odnoszą się do nieruchomego układu współrzędnych (x,y). Prędkość ta równa jest prędkości, z którą porusza się środek układu współrzędnych O' związany z ruchomym układem współrzędnych (x'y'). Wiązce promieniowania lasera znakującego 1 nadaje się wypadkową prędkość Vs, będąca sumą wektorową składowych Vsx i Vsy pochodzących od ruchu każdego ze zwierciadeł głowicy skanującej 2 w ruchomym układzie współrzędnych (x'y'). Wypadkowa prędkość V, w układzie odniesienia jakim jest materiał obrabiany i związany z nim nieruchomy układ współrzędnych (xy), jest wektorową sumą obu wypadkowych prędkości lasera tnącego Vp oraz prędkości lasera znakującego Vs. Wiązce lasera znakującego nadaje się więc wypadkową prędkość V, będąca sumą wektorową składowych zależnych od ruchu kątowego zwierciadeł głowicy skanującej 2 oraz prędkości wypadkowej Vp przemieszczania samej głowicy skanującej. Jak to jest przedstawione na Fig. 1 wózek portalu 5 umieszczony jest na prowadnicach 7 zamocowanych wzdłuż belki portalu 6. Na wózku portalu 5 umieszczona jest głowica lasera tnącego 3 oraz laser znakujący 1 z głowicą skanującą 2. Belka portalu 6 posadowiona jest na prowadnicach 8, zamocowanych prostopadle do prowadnic 7, po których porusza się wózek portalu 5. Głowica skanująca 2 złożona jest z dwóch napędzanych, kątowo wychylnych zwierciadeł i połączona jest z laserem znakującym 1. Wiązka promieniowania lasera znakującego, odbija się od każdego z tych zwierciadeł i przechodząc przez obiektyw skupiający kierowana jest w stronę obrabianego materiału 4. Wprawienie w ruch obrotowy jednego zwierciadła powoduje przemieszczenie wiązki promieniowania na powierzchni materiału w jednym kierunku. Ruch drugiego zwierciadła przemieszcza wiązkę w kierunku prostopadłym. Złożenie kątowych ruchów obrotowych zwierciadeł umożliwia przemieszczanie wiązki lasera względem powierzchni materiału według dowolnych krzywych. Laser o odpowiedniej mocy powoduje trwałe zmiany na powierzchni materiału i w rezultacie wykonanie odpowiedniego rysunku. Niewielka ruchoma masa wykorzystana do realizacji ruchu wiązki umożliwia wykonywanie nawet kilku tysięcy znaków alfanumerycznych na sekundę. W przypadku jednoczesnego ruchu belki portalu 6 oraz wózka portalu 5, następuje przemieszczanie głowicy lasera tnącego 3 wzdłuż dowolnych krzywych z chwilowa prędkością Vp, zależną od kierunku i prędkości każdego z ruchów składowych Vpx oraz Vpy, pokazanych na Fig. 2. Głowica lasera tnącego, ogniskując na powierzchni materiału 4 wiązkę promieniowania laserowego, powoduje jego lokalny ubytek, co w połączeniu z jej wcześniej opisanym ruchem tworzy linię rozkroju materiału 1'. W tym samym czasie przemieszczany jest laser znakujący 1, z głowicą skanującą 2, który na obszarze znakowania 2', będącym chwilowym położeniem pola znakowania, wykonuje oznaczenia na powierzchni. Jak to wynika z Fig. 2 środek obszaru znakowania O' jest położony w stałej odległości A od punktu C będącego miejscem działania na materiał wiązki tnącej, kierowanej na materiał przez głowicę lasera tnącego 3. Prędkość Vp jest chwilową wypadkową prędkością z jaką porusza się wiązka lasera tnącego po powierzchni materiału. Z tą samą prędkością porusza się środek układu współrzędnych obszaru znakowania O'. Głowica skanująca 2, lasera znakującego 1, posiada układ kątowo wychylnych zwierciadeł, który powoduje, że wiązka lasera znakującego przemieszczana jest z prędkością Vs. Prędkość Vs jest chwilową wypadkową prędkością składowych Vsx oraz Vsy w ruchomym układzie (x'y'), będących składowymi prędkości liniowej wiązki lasera znakującego, pozostającymi w zależności od ruchu kątowego zwierciadeł głowicy skanującej.
4 PL 217 478 B1 Rzeczywista prędkość wiązki lasera znakującego dla obserwatora związanego z nieruchomym układem odniesienia jakim jest materiał obrabiany jest wektorową sumą obu wypadkowych prędkości lasera tnącego Vp oraz prędkości lasera znakującego Vs. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób sterowania ruchem głowic laserowego urządzenia do cięcia i znakowania/grawerowania materiałów w arkuszach, w którym głowicę tnącą i laser znakujący wprawia się w ruch w wyniku złożenia ruchu wózka portalu (5) i ruchu samego portalu (6) we współrzędnych (xy), znamienny tym, że obiema głowicami (2, 3) steruje się jednocześnie, a miejsce cięcia materiału (C) utrzymuje się w stałej odległości (A) od środka obszaru znakowania (O'), zaś tnie się z prędkością wypadkową Vp o składowych Vpx i Vpy, w płaszczyźnie osi prostopadłych (xy), która to prędkość wypadkowa Vp równa jest prędkości z którą porusza się środek układu współrzędnych (O') obszaru znakowania (2'), a wiązce lasera znakującego (1) nadaje się wypadkową prędkość Vs, będąca sumą wektorową składowych Vsx, Vsy, w płaszczyźnie osi prostopadłych ruchomego układu (x'y'), zależnych od prędkości kątowej zwierciadeł głowicy skanującej (2), która to wypadkowa prędkość Vs, w układzie odniesienia jakim jest materiał obrabiany, jest składową wektora wypadkowej prędkości znakowania V obu wypadkowych prędkości lasera tnącego Vp oraz prędkości lasera znakującego Vs. 2. Laserowe urządzenie do cięcia i znakowania/grawerowania materiałów w arkuszach, zawierające głowicę lasera tnącego, umieszczoną na wózku portalu, przesuwanym na prowadnicach na belce portalu, która umieszczona jest na prowadnicach osadzonych prostopadle, znamienne tym, że posiada laser znakujący (1) połączony z głowicą skanującą (2) wyposażoną w układ wychylnych zwierciadeł umożliwiających przemieszczanie wiązki laserowej wewnątrz zaznaczonego obszaru znakowania (2'), umieszczony wspólnie z głowicą lasera tnącego (3) na wózku portalu (5) usytuowanym na prowadnicach (7) zamocowanych wzdłuż belki portalu (6), do której zamocowane są prostopadłe prowadnice (8) w stosunku do prowadnic (7).
PL 217 478 B1 5 Rysunki
6 PL 217 478 B1 ' Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)