Сканатор для лазерных технологических установок

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51) 4 0 02 В 26/1О

I г

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ Й ОТКРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3972971/31-10 . (22) 04,11.85 (46) 15 10. 88. Бюл. Р 38 (71) Институт машиноведения им. А.А. Благонравова (72) В.И. Бабицкий, M.Å. Герц, Ю.А. Иванов, В.С. Майоров, Н.С. Макаров и А.Н. Тресвятский (53) 535.8(088.8) (56) Кольцов И.M. и др. Оптико-механическое устройство для отклоне— ния светового луча. — Приборы и техника эксперимента, 1973, У 5, с. 213-214.

Авторское свидетельство СССР

К 1042468, кл. G 02 В 27/17, 1982. (54) СКАНАТОР ДЛЯ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК (57) Изобретение относится к технике обработки изделий и материалов, с помощью мощного непрерывного лазерного излучения, а именно к сканаторам, предназначенным для управления пере— мещения лазерного пучка. Цель изобI ретения — повышение производительно„,, SU„„1430931 А 1 сти и точности сканирования. Сканатор для лазерных технологических установок снабжен сканирующим зеркалом

2, установленным на коромысле 4, и ударными парами 5, связанными с коромь|слом 4 и корпусом 1. Предусмотрен привод 3 с симметрично расположенными электромагнитами 8, к обмоткам ко— торых подключен усилитель мощности 9.

Сканатор дополнительно снабжен последовательно соединенными измерительным преобразователем 10 параметров движения сканирующего зеркала 2, блоком фазового сдвига 11 и блоком 12 с насыщением, подключенным выходом к входу усилителя мощности 9. В результате обратной связи в системе возникает самовозбуждение, выход на стационарный режим колебаний с частотой, в несколько раз превьппающей собственную частоту механической системы, и поддержание этого виброударного режима при изменении параметров системы., Допускается перестройка введенных бло- „, ков для регулирования частоты и ампли- туды сканирования. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1430931

Изобретение относится к устройствам для обработки изделий и материалов,с помощью мощного непрерывного лазерного излучения а именно к сканаЭ

5 торам для лазерных технологических установок, предназначенным для управ— ления перемещением лазерного луча, и может быть использовано при изготовлении прецизионных износостойких узлов и деталей машин в ведущих областях машиностроения: авиационной, автатракторной, станкостроительной и в ремонтно-восстановительных рабатах для автоматизированной закалки, 15 сварки, резки и термоабрабатки поверхности металлических деталей, а также в измерительной технике, основанной на принципе сканирования, Цель изобретения — пов:.-пение cKo — 20 рости и точности сканирования.

На фиг. 1 показана структурная схема сканатора и характеристика блока с насьпцением! на фиг. 2 — схема блока фазового сдвига, на фиг. 3 и

4 — схема блока с насьпцением и вариант выполнения звена с насьпцением, на Фиг. 5 — амплитудно-частотная характеристика сканатора.

Сканатор дпя лазерных техналогиче- 30 ских установок содержит корпус 1 с установленными в нем сканирующим элементом (зеркалом) 2 и возбудитель колебаний сканирующего элемента. Сканирующий элемент 2 укреплен на коромысле 4 с возможностью поворота относительно корпуса 1. Сканатор снабжен симметрично расположенными ударными парами 5, падвюкные элементы которых жестко связаны с коромыслом 4 а не- 40 подвижные укреплены в корпусе l,например, с вазможностью регулирования. Между коромыслом 4 и корпусам 1 симметрична установлены центрирующие упругие элементы 6, напржчер пружины, on-45 ределяющие взаимное расположение первых в статическом состоянии.

Возбудитель 3 колебаний сканирующего элемента может быть выполнен в виде симметрично расположенных электромагнитов с управляющими диодами 7, последовательно включенными с обмотками электромагнитов 8 и связанными с усилителем 9 мощности. В сканаторе предусмотрен измерительный преобразователь 10 параметров движения сканирующего элемента 2, например фотоэлектрический датчик перемещения зеркала относительно корпуса 1, установленный в корпусе. Выход преобразователя 10 связан с входом блока ll фазового сдвига, а выход последнего является входом блока 12 с насьпцением, включающего звено 13 с насьпцением.

Выход последнего соединен с входом усилителя 9 мощности.

Пример зависимости величины выходного сигнала Х звена 13 от величины входного сигнала Х„ показан на фиг.!б сплошной лиуией, причем d. — уровень насьпцения, s.ñ(= aj."ctg К, К вЂ” начальный коэффициент усиления звена.

Блок ll фазового сдвига может быть выполнен в виде фазовращателя 14 (фиг. 2а) с передаточной функцией, например, w =, (I-Тр)/(1+Tp), корректирующего звена 15 (фиг. 2б) с передаточной функцией, например, w = (I+T„p)(1+Т р)/(1+Т р) (1+Т р) или

Фильтра 16 (фиг; 2в) с передаточной функцией, например, w = (1+Т р )/(1+4Tp+

+Т р ), где р = d/dt — оператор дифференцирования, Т, Т„,..., Т„ — постоянные времени звеньев. Возможны варианты реализации блока 11 из трех указанных звеньев (фиг.2г — ж), при этом запускается также параллельное включение звеньев 14-16.

Блок 12 с насьпцением (фиг. За) целесообразно снабдить частотостабилизирующими элементами — частотомером 17, например, емкостным, и блоком 18 регулирования уровня насьпцения, выходы катор6го связаны с управляющими входами звена 13 с насыщением.

Блок 18 регулирования уровня насыщения (фиг. Зб) состоит, например, из элемента !9 деления, источника

20 постоянного сигнала, например напряжения, и усилителегг 21 и 22 постоянного напряжения, один из которых (22) является инвертирующим, соединенных между собой определенным образом. На фиг. 4а приведена схема звена 13 с насьпцением. Блок 12 мажет быть снабжен генератором 23 периодических сигналов, например, генераторам напряжения (фиг. 4б), выход которого связан с выходом звена

13.

Сканатор целесообразна выполнить с регулируемыми блоками 11 и 12 или с с регулируемыми звеньями 14-16 (фиг. 2) блокам 18 с источником 20

143093!

55 (фиг. 3), генератором 23 и элементами схемьt (фиг. 4а), определяющими уровень насыщения.

Сканатор может быть оснащен возбудителем колебаний сканирующего элемента иного типа, например электродинамическим, пневматическим, гидравлическим и др., элементы 9 — 12 или их часть также могут быть выполнены в виде элементов пневмогидроавтоматики.

Принцип работы сканатора заключается в следующем.

Сфокусированный лазерный пучок

П,(фиг. !а) от мощного технологиче— ского лазера (не показан) отклоняется зеркалом 2, а отраженный от него пучок П направляется на деталь (не показана).,ависимость амплитуды а, угла отклонения у лазерного пучка

П от частоты колебаний f KopoMblc ла 4 с зеркалом 2 показана на фиг.5 сплошной линией. Максимальная скорость сканирования (угловая скорость зеркала 2) при заданной средней мощности возбудителя 3 достигается на частоте Гр и соответствует точке А амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фиг.5. Действие возмущений в известном устройстве (прототипе) приводит к срыву виброударного режима А и к выходу сканатора на безударный гармонический режим с амплитудой точки Б фиг. 5. Поэтому в известном устройстве заведом снижают частоту до величины,, что соответствует точке В фиг. 5.

Однако таким образом обеспечивается лишь устойчивость при малых возмущениях. Резкие флюктуации тех или иных возмущений могут привести к срыву режима В и установлению режима Г. Для восстановления вибро— ударного режима необходимо вновь осуществлять затягивание по частоте или жесткое возбуждение.

В предлагаемом сканаторе оптимальный пилообразный режим (точка А) является единственным устойчивым режимом. Изменение параметров сканатора или возмущающих воздействий может привести к отклонениям по частоте режима от Г, но не к срыву виброударного pemma. Эти отклонения соответствуют, например, точкам А и А " на фиг. 5,При изменении в меньшую или большую амплитуды напряжения на элелектромагнитах. Величины этих отклоне ний могут быть уменьшены до зада иных пределов.

Сигнал с преобразователя 10 изменяется по фазе в блоке 11, ограничивается по амплитуде в блоке 12 и после усилителя 9 мощности подается на электромагниты 8, приводящие в движение коромысло 4 с зеркалом 2. В системе происходит самвозбуждение, выход на стационарный режим автоколебаний и era поддержание при изменении параметров системы. В данной системе реализуется качественно новый режим пилообразных колебаний с частотой f<, в несколько раз большей собственной частоты f„ ìåõàíè÷åñêîé системы— коромысла А на упругих элементах 6.

Ьлок 11 обес| ечивает реализацию максимально возможной при данном уровне насыщения d частоты fp. Точность воспроизведения требуемых фазовых соотношений повышается по мере усложнения схемы блока !1 от схем фиг. 2ав до фиг. 2ж. Звено 14 рекомендуется использовать при значительных, а звенья 15 и 16 при малых величинах требуемого фазового сдвига. Звено 16 служит также для исключения нежелательных частотных диапазонов сканатора, связанных с наличием побочных резонансов, например, на собственной частоте коромысла-балки.

Звено 13 блока 12 обеспечивает требуемый уровень возбуждения привода для реализации частоты Г. Остальные звенья 19-23 блока 12 служат для стабилизации частоты .

На выходе частотомера 17 формируется сигнал, пропорциональный частоте колебаний. При отклонениях рабочей частоты от fp блок 18 изменяет уровень насыщения и восстанавливает режим А. Элемент 19 деления формирует сигнаг, X > = X 3/Х, = К 3/К Г, пропорциональный периоду колебаний и равный отношению сигнала Х з = Кз= const > О источника 20 к сигналу Х „= K

m звена формируют. соответственно положительный и отрицательный уровни насьпцения характеристики звена 13 после прохожцения сигналов через усилители. 21 и 22.

Менее стабильной по скорости сканирования, но более простой схемой стабилизации частоты сканатора является пример реализации блока 12 с

1430931

5 насыщениeM (фиг. 4б), когда реализуется известный для близких к гармоническим колебаниям эффект захватывания частотой вынуждающего периодического воздействия частоты автоколебаний. Однако в отличие от известного в данном случае это явление возникает при пилообразном законе движения на частотах, в несколько раз больших собственной частоты механической системы. Сигнал от источника 23 может быть в несколько раз меньше сигнала на выходе звена 13.

Регулирование скорости сканирования при постоянной амплитуде а может осуществляться одним звеном 13 изменением уровня насьпцения d, увеличение которого приводит к увеличению скорости сканирования. В варианте фиг. 4б следует также изменить период выходного сигнала источника 23.

Для более точной настройки во всех вариантах следует перестроить также звенья 14-16, при этом перестройка блока 18 может осуществляться, например, изменением величины сигнала

К источника 20.

Регулировка амплитуды сканирования при постоянной скорости в определенных пределах может осуществляться изменением зазора в ударных парах 5 перемещением элементов, установленных в корпусе. Изменение амплитуды и частоты сканирования осуществляется соответствующей комплексной перестройкой указанных звеньев.

Формула изобретения

l. Сканатор для лазерных технологических установок, содержащий сканирующий элемент, установленный с возможностью перемещения относительно корпуса, возбудитель колебаний сканирующего элемента, присоеди- денный к корпусу, ударные пары, элементы которых установлены соответ Ственно на сканирующем, элементе и в корпусе с возможностью взаимодействия между собой при перемещении сканирующего элемента, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения скорости и точности сканирования, в него введены изм ерительный преобразователь параметров движения

5 сканирующего элемента, блок фазового сдвига, блок с насьпцением н виде звена с насьпцением и усилитель мощности, выход которого подключен к управляющему входу возбудителя колебаний сканирующего элемента.

2. Сканатор по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что блок фазового сдвига выполнен в виде фазовращателя или корректирующего звена или фильт15 P °

3. Сканатор по и. l, о т л и ч аю шийся тем, что блок фазового сдвига выполнен в виде последовательно соедиенных фазовращателя, корректирующего звена и фильтра.

4. Сканатор по пп. 1-3, о т л ич а ю шийся тем, что блок фазового сдвига выполнен регулируемым.

5. Сканатор по п.l, о т л и ч а

25 ю шийся тем, что, с целью стабилизации частоты сканирования, блок с насьпцением дополнительно снабжен последовательно соединенными частотомером и блоком регулирования уровня насьпцения, подключенным выходами к дополнительным управляющим входам звена с насьпцением, вход которого соединен с входом частотомера.

6. Сканатор по п,5, о т л и ч аю щ и. и с я тем, что блок регули— рования уровня насьпцения снабжен инвертирующим и неинвертирующим усилителями постоянного напряжения, р0 последовательно соединенными с источником постоянного напряжения и элементом деления, другой вход которого является входом блока регулирования уровня насыщения,, а выходы последнего соединены через соответствующие усилители напряжения с выходом элемента деления.

7. Сканатор по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что блок с насьпцением сяабжен генератором периодических сигналов, подключенным к выходу звена с насьпцением.

1430931

1430931 и п

Составитель Ю. Алешин

Редактор Л. Пчолинская Техред Л. Сердюкова Корректор М. Васильева

Заказ 5342/50

Тираж 533 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4