Сканатор для лазерных технологических установок Советский патент 1988 года по МПК G02B26/10 

00

Xi

rf

rf

f

ff

-d

-d

Изобретение относится к устройствам для обработки изделий и материалов ,с помощью мощного непрерывного лазерного излучения, а именно к скана- торам для лазерных технологических установок, предназначенным для управления перемещением лазерного луча, и может быть использовано при изготовлении прецизионных износостойких узлов и деталей машин в ведущих областях машиностроения: авиационной, автотракторной, станкостроительной и в ремонтно-восстановительных работах для автоматизированной закалки, сварки, резки и термообработки поверхности металлических деталей, а также в измерительной технике, основанной на принципе сканир вания.

Цель изобретения - поЕ;. -пение ско- рости и точности сканирования.

На фиг. Г показана структурная 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 выполнения звена с насыщением} на фиг. 5 - амплитудно-частотная характеристика сканатора.

Сканатор для 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 связаны с коромыслом 4 а не- подвижные укреплены в корпусе 1,например, с возможностью регулирования. Меду коромыслом 4 и корпусом 1 симйет- pmiHo установлены центрирующие упругие элементы 6, например пружины, оп ределяющие взаимное расположение пер- вых в статическом состоянии.

Возбудитель 3 колебаний сканирующего элемента может быть выполнен в виде симметрично расположенных элек- тромагнитов с управляющими диодами 7, последовательно вкгаоченными с обмотками электромагнитов 8 и связанными с yci-шителем 9 мощности. В сканаторе предусмотрен, измерительный преобра- зователь 10 napaMeTjios движения сканирующего элемента 2, например фотоэлектрический датчик перемещения зеркала относительно корпуса , установленный в корпусе. Выход преобразователя 10 связан с входом блока 11 фазового сдвига, а выход последнего яв ляетс я входом блока 12 с насыщением, включающего звено 13 с насьЕцением. ВьЕКод последнего соединен с входом усилителя 9 мощности.

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

Блок 1I фазового сдвига может быт выполнен в виде фазовращателя 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 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 насыщением (фиг. За) целесообразно снабдить частотостаби- лизирующими элементами - частотомером 17, например, емкостным, и блоком 18 регулирования уровня насыщения, выходы которого связаны с управляющими входами звена 13 с насыщением.

Блок 18 регулирования уровня насыщения (фиг. Зб) состоит, например, из элемента 19 деления, источника 20 постоянного сигнала, например напряжения, и усилителей 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 может быть снабжен генератором 23 периодических сигналов, например, генератором напряжения (фиг. 4б), выход которого связан с выходом звена 13.

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

(фиг. З), генератором 23 и элементами схемы (фиг. 4а), определяющими уровень насыщения.

Сканятор 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 заключается в следующем.

Сфокусированный лазерный пучок П,(фиг. а) от мощного технологического лазера (не показан) отклоняется зеркалом 2, а отраженный от него пучок П направляется на деталь (не показана) .:Jaвиcимocть амплитуды л угла отклонения (/ лазерного пучка П2 от частоты колебаний f коромысла 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 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 обеспечивается лишь устойчивость при малых возмущениях. Резкие флюктуации тех или иных возмущений могут привести к срыву режима В и установлению режима Г. Для восстановления виброударного режима необходимо вновь осуществлять затягивание по частоте или жесткое возбуждение.

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

5 О 0 5

0 с

5

нений могут быть уменьшены до заданных 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 его поддержание при изменении параметров системы. В данной системе реализуется 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 насыщения d частоты fр. Точность воспроизведения требуемых фазовых соотношений повьшгается по мере усложнения схемы блока 11 от схем фиг. 2а- в 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-fр. Остальные звенья 19-23 блока 12 служат для стабилизации частоты fр.

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 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. Напряжения на входах п и m звена формируют, соответственно положительный и отрицательньпЧ уровни насыщения характеристики звена 13 после прохождения сигналов через усилители. 21 и 22.

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

насыщением (фиг. 4б), когда реализуется известный для близких к гармоническим колебаниям эффект захватьша- ния частотой вынуждающего периодического воздействия частоты автоколебаний. Однако в отличие от известного в данном случае это явление возникае 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 , может осуществляться одним звеном 13 изменением уровня насьщения 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 все вариантах следует перестроить также звенья 14-16, при этом перестройка блока 18 может осуществляться, например, изменением величины сигнала Кт 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

последовательно соединенными с источником постоянного напряжения и элементом деления, другой вход которого является входом блока регулирования уровня насьлцения, а выходы

последнего соединены через соответствующие усилители напряжения с выходом элемента деления.

а

JJ.

фаг. 2

12

JL

f

/77

20

X

X/

2f

Xs .3

fi т

(TJwe.V

P f