SU1430931A1 - Сканатор дл лазерных технологических установок - Google Patents

Description

00

Xi

rf

rf

f

ff

-d

-d

Изобретение относитс  к устройствам дл  обработки изделий и материалов ,с помощью мощного непрерывного лазерного излучени , а именно к скана- торам дл  лазерных технологических установок, предназначенным дл  управлени  перемещением лазерного луча, и может быть использовано при изготовлении прецизионных износостойких узлов и деталей машин в ведущих област х машиностроени : авиационной, автотракторной, станкостроительной и в ремонтно-восстановительных работах дл  автоматизированной закалки, сварки, резки и термообработки поверхности металлических деталей, а также в измерительной технике, основанной на принципе сканир вани .

Цель изобретени  - поЕ;. -пение ско- рости и точности сканировани .

На фиг. Г показана структурна  схема сканатора и характеристика блока с насьЕЦением; на фиг. 2 - схема блока фазового сдвигаj на фиг. 3 и 4 - схема блока с насищением и- вариант выполнени  звена с насыщением} на фиг. 5 - амплитудно-частотна  характеристика сканатора.

Сканатор дл  лазерных технологических установок содержит корпус 1 с установленными в нем сканирующим элементом (зеркалом) 2 и возбудитель колебаний сканирутощего элемента. Сканирующий элемент 2 укреплен на коро- мысле 4 с возможностью поворота относительно корпуса 1. Сканатор снабжен симметрич 1О расположенными ударными парами 5, подвижные элементы которых жестко св заны с коромыслом 4 а не- подвижные укреплены в корпусе 1,например , с возможностью регулировани . Меду коромыслом 4 и корпусом 1 симйет- pmiHo установлены центрирующие упругие элементы 6, например пружины, оп редел ющие взаимное расположение пер- вых в статическом состо нии.

Возбудитель 3 колебаний сканирующего элемента может быть выполнен в виде симметрично расположенных элек- тромагнитов с управл ющими диодами 7, последовательно вкгаоченными с обмотками электромагнитов 8 и св занными с yci-шителем 9 мощности. В сканаторе предусмотрен, измерительный преобра- зователь 10 napaMeTjios движени  сканирующего элемента 2, например фотоэлектрический датчик перемещени  зеркала относительно корпуса , установленный в корпусе. Выход преобразовател  10 св зан с входом блока 11 фазового сдвига, а выход последнего  в л етс   входом блока 12 с насыщением, включающего звено 13 с насьЕцением. ВьЕКод последнего соединен с входом усилител  9 мощности.

Пример зависимости величины выходного сигнала X звена 13 от величины входного сигнала Х показан на фиг. 1 б сплошной , причем d - уровень насыщени , icf arctg К, К - начальный коэффициент усилени  звена.

Блок 1I фазового сдвига может быт выполнен в виде фазовращател  14 (фиг. 2а) с передаточной функцией, Hanpi-mep, v ( I-Tp)/( 1+Тр) , корректирующего звена 15 (фиг. 2б) с передаточной функцией, например, w (1+Ттр)()/(1+Т.р) () или фильтра 16 (фиг.2в) с передаточной функцией , например, v ( )/(l+4Tp+ ), где р d/dt - оператор дифференцировани , Т, Т,..., Т - посто нные времени звеньев. Возможны варианты реализации.блока 11 из трех указанных звеньев (фиг.2г-ж), при этом запускаетс  также параллельное включение звеньев 14-16.

Блок 12 с насыщением (фиг. За) целесообразно снабдить частотостаби- лизирующими элементами - частотомером 17, например, емкостным, и блоком 18 регулировани  уровн  насыщени , выходы которого св заны с управл ющими входами звена 13 с насыщением .

Блок 18 регулировани  уровн  насыщени  (фиг. Зб) состоит, например, из элемента 19 делени , источника 20 посто нного сигнала, например напр жени , и усилителей 21 и 22 посто нного напр жени , один из которых (22)  вл етс  инвертирующим, соединенных между собой определенным образом . На фиг, 4а приведена схема звена .13 с насьпцением. Блок 12 может быть снабжен генератором 23 периодических сигналов, например, генератором напр жени  (фиг. 4б), выход которого св зан с выходом звена 13.

Сканатор целесообразно выполнить с регулируемыми блоками 11 и 12 или с регулируемыми звень ми 14-16 (фиг. 2) блоком 18 с источником 20

(фиг. З), генератором 23 и элементами схемы (фиг. 4а), определ ющими уровень насыщени .

Скан тор может быть оснащен возбудителем колебаний сканирующего элемента иного типа, например электродинамическим , пневматическим, гидрав личecки i и др., элементы 9-12 или их часть также могут быть выполнены в виде элементов пневмогидроавтома- тики.

Принцип работы сканатора заключаетс  в следующем.

Сфокусированный лазерный пучок П,(фиг. а) от мощного технологического лазера (не показан) отклон етс  зеркалом 2, а отраженный от него пучок П направл етс  на деталь (не показана) .:Jaвиcимocть амплитуды л угла отклонени  (/ лазерного пучка П2 от частоты колебаний f коромысла 4 с зеркалом 2 показана на фиг.5 сплошной линией. Максимальна  скорость сканировани  (углова  скорость зеркала 2) при заданной средней мощности возбудител  3 достигаетс  на частоте fp и соответствует точке А амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фиг.5. Действие возмуще- НИИ в известном устройстве (прототипе ) приводит к срыву виброударного режима А и к выходу сканатора на безударкьм гармонический режим с амплитудой точки Б фиг. 5. Поэтому в известном устройстве заведом снижают частоту до величины fp,, что соответствует точке В фиг. 5. таким образом обеспечиваетс  лишь устойчивость при малых возмущени х. Резкие флюктуации тех или иных возмущений могут привести к срыву режима В и установлению режима Г. Дл  восстановлени  виброударного режима необходимо вновь осуществл ть зат гивание по частоте или жесткое возбуждение.

В предлагаемом сканаторе оптимальный пилообразный режим (точка А)  вл етс  единственным устойчивым режи- мом. Изменение параметров сканатора или возмущающих воздействий может привести к отклонени м но частоте режима от fр, но не к срьшу виброударного режима. Эти отклонени  соответ- ствуют, например, точкам А и А на фиг. 5.При изменении в меньшую или больщую амплитуды напр жени  на эле- лектромагнитах.Величины этих откло

5 О 0 5

0 с

5

нений могут быть уменьшены до заданных пределов.

Сигнал с преобразовател  10 измен етс  по фазе в блоке 11, ограничиваетс  по амплитуде в блоке 12 и после усилител  9 мощности подаетс  на электромагниты 8, привод щие в движение коромысло 4 с зеркалом 2. В системе происходит самвозбуждение, выход на стационарный режим автоколебаний и его поддержание при изменении параметров системы. В данной системе реализуетс  качественно новый режим пилообразных колебаний с частотой fp , в несколько раз большей собственной частоты fj, механической системы - ко.ромысла А на упругих элементах 6.

Блок 1 1 обеспечивает реллиташ-по максимально возможной прИ данном уровне насыщени  d частоты fр. Точность воспроизведени  требуемых фазовых соотношений повьшгаетс  по мере усложнени  схемы блока 11 от схем фиг. 2а- в до фиг. 2ж. Звено 14 рекомендуетс  использовать при значительных, а звень  15 и 16 при малых величинах требуемого фазового сдвига. Звено 16 служит также дл  исключени  нежелательных частотных диапазонов сканатора , св занных с наличием побочных резонансов, например, на собственной частоте коромысла-балки.

Звено 13 блока 12 обеспечивает требуемый уровень возбуждени  привода дл  реализации частоты-fр. Остальные звень  19-23 блока 12 служат дл  стабилизации частоты fр.

На выходе частотомера 17 формируетс  сигнал, пропорциональный частоте колебаний. При отклонени х рабочей частоты от fp блок 18 измен ет уровень насыщени  и восстанавливает режим А. Элемент 19 делени  формирует сигнал Xj X з/Х i, , пропорциональный периоду колебаний и равный отношению сигнала X з Кз const О источника 20 к. сигналу X K4f (К4 - const 0) на выходе частотомера 17. Напр жени  на входах п и m звена формируют, соответственно положительный и отрицательньпЧ уровни насыщени  характеристики звена 13 после прохождени  сигналов через усилители . 21 и 22.

Менее стабильной по скорости сканировани , но более простой схемой стабилизации частоты сканатора  вл етс  пример реализации блока 12 с

насыщением (фиг. 4б), когда реализуетс  известный дл  близких к гармоническим колебани м эффект захватьша- ни  частотой вынуждающего периодического воздействи  частоты автоколебаний . Однако в отличие от известного в данном случае это  вление возникае при пилообразном законе движени  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 сканировани  при посто нной амплитуде , может осуществл тьс  одним звеном 13 изменением уровн  насьщени  d, увеличение которого приводит к увеличению скорости сканировани . В варианте фиг. 4б следует также изменить период выходного сигнала источника 23.

Дл  более точной настройки во все вариантах следует перестроить также звень  14-16, при этом перестройка блока 18 может осуществл тьс , например , изменением величины сигнала Кт источника 20.

Регулировка амплитуды сканировани  при посто нной скорости в определенных пределах может осуществл тьс  изменением зазора в ударных парах 5 перемещением элементов, установленных в корпусе. Изменение амплитуды и частоты сканировани  осуществл етс  соответствующей комплексной перестройкой указанных звеньев.

Claims (7)

1. Сканатор дл  лазерных технологических установок, содержащий сканирующий элемент, установленный с возможностью перемещени  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 взаимодействи  между собой при перемещении сканирующего элемента, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что, с целью повьшени  скорости и точности сканировани , в него введены из.epитeльный преобразователь параметров движени  сканирующего элемента, блок фазового сдвига, блок с насыщением в виде звена с насыщением и усилитель мощности, выход которого по1,ключен к управл ющему входу возбудител  колебаний ска- нирующего элемента.

2.Сканатор по п. 1, о т л и ч а- ю щ и и с   тем, что блок фазового сдвига выполнен в виде фазовращател  или корректирующего звена или фильтРа .

3.Сканатор по п.1 , о т л и ч а- ю щ и и с   тем, что блок фазового сдвига выполнен в виде последовательно соедиенных фазовращател , корректирующего звена и фильтра.

4.Сканатор по пп. 1-3, о т л и- чающийс  тем, что блок фазового сдвига выполнен регулируемым.

5.Сканатор поп.1,отлича- ю щ и и с   тем, что, с целью стабилизации частоты сканировани , блок с насыщением дополнительно снабжен . последовательно соединенными частотомером и блоком регулировани  уровн  насыщени , подключенным выходами к дополнительным управл ющим В;Ходам звена с насыщением, вход которого соединен с входом частотомера.

6. Сканатор по п.5, о т л и ч а- ю щ и. и с   тем, что блок регулировани  уров н  насыщени  снабжен инвертирующим и неинвертирующим усилител ми посто нного напр жени ,

последовательно соединенными с источником посто нного напр жени  и элементом делени , другой вход которого  вл етс  входом блока регулировани  уровн  насьлцени , а выходы

последнего соединены через соответствующие усилители напр жени  с выходом элемента делени .

7. Сканатор по п. 1, отличающийс  тем, что блок с насыщением сйабжен генератором периодических сигналов, подключенным к выходу звена с насьщ1ением.

а

JJ.

фаг. 2

12

JL

f

/77

20

X

X/

2f

Xs .3

fi т

(TJwe.V

P f