ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ДЕФЛЕКТОР МАРКИРУЮЩЕГО ЛАЗЕРА
МЕХАТРОНИКА
УДК 621.383
И. А. КОШКИН, А. Б. СМИРНОВ
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ДЕФЛЕКТОР МАРКИРУЮЩЕГО ЛАЗЕРА
Исследован опытный образец двухкоординатного дефлектора с биморфными пьезоактюаторами. Проведена экспериментальная оценка его работоспособности. Предложен метод устранения погрешностей дефлектора при помощи системы управления путем коррекции напряжения.
Ключевые слова: технологическая лазерная установка, двухкоординатный дефлектор, биморфный пьезоэлектрический актюатор.
В настоящие время получили широкое распространение маркирующие лазерные уста-
новки для изготовления различных изображений на поверхности металлических и пластмас-
совых изделий (нанесение даты, штрих-кода, клейма производителя и т.д.). Малая зона теп-
лового воздействия, отсутствие механической нагрузки на изделие, износостойкость марки-
ровки, быстрая переналадка и отсутствие расходных материалов выгодно отличают лазерную
маркировку от механических и электрохимических способов нанесения изображений.
При лазерной маркировке детали 1 (рис. 1, а) генерируемый в лазерном излучателе 2
луч 6 попадает на отклоняющую его систему (дефлектор) 3 и, проходя через систему линз 4,
фокусируется в рабочей зоне 5 на поверхности детали.
а) 2
б)
α=0…5°
3y
4х
6 5
1
Y X
Рис. 1
Анализируя структуру маркирующей лазерной установки, можно сделать вывод, что главным фактором, влияющим на размеры и качество получаемого изображения, является система отклонения лазерного луча. На практике в качестве приводов систем отклонения лазерного излучения применяются электромагнитные и пьезоэлектрические дефлекторы.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 2
30 И. А. Кошкин, А. Б. Смирнов
Электромагнитные дефлекторы имеют максимальный угол качания ±12,5º и применяются для обработки поверхности размером от 50×50 до 250×250 мм при ширине следа 0,05—0,1 мм. В таких системах лазерный луч перемещается (сканирует) по двум координатам с помощью двух особо высокоточных электродвигателей с укрепленными на их осях зеркалами — сканаторов (рис. 1, б). Чаще всего используются гальванометрические сканаторы. Лазерный луч направляется на первое поворотное зеркало, укрепленное на валу X-сканатора, и отклоняется по оси x. Отклоненный таким образом луч попадает на второе зеркало Y-сканатора, установленное под углом 90° по отношению к первому. Y-сканатор осуществляет развертку луча по оси y. Такие отклоняющие системы предполагают использование очень легких зеркал.
Для отклонения лазерного луча на малые углы целесообразно применение отклоняющей системы на базе пьезопривода [см. лит.]. Это связано с тем, что обратный пьезоэффект линеен при малых значениях напряженности электрического поля, а быстродействие пьезоэлектрических приводов выше, чем электромагнитных.
Дефлекторы с пьезоприводами в большинстве случаев применяются для отклонения лазерного луча на углы до ±5º при обработке поверхности размером до 10×10 мм при ширине следа 0,015 мм. Основными производителями подобных систем являются компании “Microvision”, “Motion Instruments Piezo Systems” (обе — США) и “Physik Instrumente” (PI), “Piezosystem Jena” (обе — Германия). Однако при хорошем качестве исполнения эти системы отличаются высокой стоимостью.
На кафедре автоматов Санкт-Петербургского государственного политехнического университета совместно с ООО „Лазерный центр“ (Санкт-Петербург) был разработан и испытан опытный образец двухкоординатного дефлектора с биморфными пьезоактюаторами, предназначенный для маркировки миниатюрных ювелирных изделий с поверхностью обработки 2×2 мм. Следует отметить, что технические характеристики известных зарубежных отклоняющих систем в данном случае не подходят по ряду параметров — по углам качания, по отражаемым зеркалом длинам волн излучения, диаметру пятна отражаемого излучения, мощности излучения.
Конструктивная схема двухкоординатной отклоняющей системы с биморфными пьезоактюаторами представлена на рис. 2, а, где 1 — корпус; 2 — упругий элемент; 3 — четыре биморфных пьезоэлемента (БП), жестко прикрепленные к корпусу; 4 — стакан качания; 5 — отражающее зеркало; 6 — юстировочный винт; 7 — винт регулировки положения пружин; 8 — пружины.
При подаче напряжения на биморфный пьезоактюатор свободный конец начинает изгибаться, упругий элемент давит на шарнир, наклоняя стакан качания вместе с отражающим зеркалом. При подаче напряжения противоположной полярности на пару симметрично расположенных БП (например, БП 1 и 2) они отклоняются в противоположные стороны, тем самым увеличивая амплитуду качания зеркала по сравнению со схемой, содержащей один БП на каждую координату.
Экспериментальный стенд (рис. 2, б) содержит исследуемую отклоняющую систему 1 и полупроводниковый лазер 3 (длина волны λ=0,64 мкм видимого спектра, цвет красный). Излучение попадает в центр отклоняющего зеркала 2, затем проецируется на лист бумаги 4, расположенный на расстоянии L =3 м и закрепленный на стене. При угле качания зеркала (α) на поверхности появляется изображение с разверткой А.
Для проведения экспериментов использовалось следующее оборудование: генератор звуковой ГЗ-33, милливольтметр В3-38, осциллограф С1-118, частотомер 43-33, источник питания „Актаком“ АТН-1031, тестер „UNI-T“ UT60A.
В задачу исследований входила оценка работоспособности разработанного дефлектора. В ходе экспериментов была проанализирована работа каждого пьезоэлемента в отдельности, в паре и все четыре вместе. Подача напряжения U осуществлялась пошагово от 15 до 40 В и от 40 до 15 В при частоте питающего напряжения 30 Гц. При изменении напряжения замеря-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 2
Пьезоэлектрический двухкоординатный дефлектор маркирующего лазера
31
лась ширина развертки на поверхности А. При известном расстоянии L (3 м) определялся
угол α. По данным эксперимента построены графики (рис. 3, а—в) зависимостей угла качания зеркала от напряжения, подаваемого на один (а), два (б) и четыре (в) биморфных пьезо-
актюатора. Анализируя графики, можно прийти к выводу, что угол α изменяется при увеличении напряжения (кривая 1) и его уменьшении (кривая 2).
а) α=0…5°
λ=0,5…2 мкм ∅8—10 мм
б)
3
5
б) 1
23
1 8
4 67 t=0,5 t=0,8
БП 3 y 5
L
БП 1
БП 2 x
4 α
2 A
БП 4
∅17 мм
Рис. 2
При изменении частоты напряжения изменение геометрических форм проецируемого
изображения не наблюдалось. Исследования при U = 3 В показали следующее:
— резонансная частота системы при включении БП 1 и 2 оказалась равной 580 Гц;
— при включении БП 3 и 4 — 560 Гц.
При напряжении 30 В и частоте 50 Гц потребляемая мощность одного пьезоэлемента
составила 0,9 Вт, а четырех пьезоэлементов — 3,6 Вт.
а) б) в)
α, …°
α, …°
α, …°
2,5
2 1,5 1
1 2
10
8 6 4
2 1
8
6
2 1
4
0,5 2 2
0 10 20 30 40 U, В 0 10 20 30 40 U, В 0
10 20 30 U, В
Рис. 3
На рис. 4, а показана развертка изображения на поверхности А, демонстрирующая расхождение между прямым и обратным ходом луча. Такая гистерезисная петля связана с неточностью изготовления механических узлов, которую можно компенсировать системой управления с помощью цепи обратной связи.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 2
32 И. А. Кошкин, А. Б. Смирнов
Режим работы отклоняющей системы реализуется методом построчной развертки при помощи системы управления (рис. 5). Для ее осуществления по координате x на БП 1 и 2 подается гармоническое напряжение, а по координате y на БП 3 и 4 подается напряжение с пошаговым изменением его для смещения строки. Создавая скачок напряжения, подаваемого на БП 3 и 4, на величину Uy1 и Uy2, можно совместить прямой и обратный ход луча (рис. 4, б).
а)
8 мм 600 мм
б)
Ux
Прямой ход
Обратный ход
БП 1
Uy Uy1 Uy2
Рис. 4
t t
БП 3 БП 2
Uy
Блок управления
Ux
Компьютер
БП 4
Лазерный излучатель
Рис. 5
Экспериментальные исследования опытного образца пьезоэлектрического двухкоординатного дефлектора дали следующие результаты:
— углы качания зеркала α = ±5º по двум координатам удовлетворяют требованиям задачи;
— траектории луча на поверхности А прямолинейны как при прямом, так и при обратном ходе луча; траектория представляет собой замкнутую петлю в виде параллелограмма.
Длительные испытания показали хорошую стабильность параметров развертки. Зависимость амплитуды угла качания от напряжения линейна в рабочем диапазоне частот. Таким образом, опытный макет дефлектора показал свою работоспособность, однако нуждается в доработке.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 2
Исследование пьезоэлектрического схвата с резонансным очувствлением и микропозиционированием 33
ЛИТЕРАТУРА
Смирнов А. Б. Мехатроника и робототехника. Системы микроперемещений с пьезоэлектрическими приводами: Учеб. пособие. СПб: Изд-во СПбГПУ, 2003. 160 с.
Иван Андреевич Кошкин Аркадий Борисович Смирнов
Сведения об авторах — аспирант; Санкт-Петербургский государственный политехнический уни-
верситет, кафедра автоматов; E-mail: kia@newlaser.ru — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный поли-
технический университет, кафедра автоматов; E-mail: 123smirnov@list.ru
Рекомендована кафедрой мехатроники СПбГУ ИТМО
Поступила в редакцию 15.06.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 2
УДК 621.383
И. А. КОШКИН, А. Б. СМИРНОВ
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ДЕФЛЕКТОР МАРКИРУЮЩЕГО ЛАЗЕРА
Исследован опытный образец двухкоординатного дефлектора с биморфными пьезоактюаторами. Проведена экспериментальная оценка его работоспособности. Предложен метод устранения погрешностей дефлектора при помощи системы управления путем коррекции напряжения.
Ключевые слова: технологическая лазерная установка, двухкоординатный дефлектор, биморфный пьезоэлектрический актюатор.
В настоящие время получили широкое распространение маркирующие лазерные уста-
новки для изготовления различных изображений на поверхности металлических и пластмас-
совых изделий (нанесение даты, штрих-кода, клейма производителя и т.д.). Малая зона теп-
лового воздействия, отсутствие механической нагрузки на изделие, износостойкость марки-
ровки, быстрая переналадка и отсутствие расходных материалов выгодно отличают лазерную
маркировку от механических и электрохимических способов нанесения изображений.
При лазерной маркировке детали 1 (рис. 1, а) генерируемый в лазерном излучателе 2
луч 6 попадает на отклоняющую его систему (дефлектор) 3 и, проходя через систему линз 4,
фокусируется в рабочей зоне 5 на поверхности детали.
а) 2
б)
α=0…5°
3y
4х
6 5
1
Y X
Рис. 1
Анализируя структуру маркирующей лазерной установки, можно сделать вывод, что главным фактором, влияющим на размеры и качество получаемого изображения, является система отклонения лазерного луча. На практике в качестве приводов систем отклонения лазерного излучения применяются электромагнитные и пьезоэлектрические дефлекторы.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 2
30 И. А. Кошкин, А. Б. Смирнов
Электромагнитные дефлекторы имеют максимальный угол качания ±12,5º и применяются для обработки поверхности размером от 50×50 до 250×250 мм при ширине следа 0,05—0,1 мм. В таких системах лазерный луч перемещается (сканирует) по двум координатам с помощью двух особо высокоточных электродвигателей с укрепленными на их осях зеркалами — сканаторов (рис. 1, б). Чаще всего используются гальванометрические сканаторы. Лазерный луч направляется на первое поворотное зеркало, укрепленное на валу X-сканатора, и отклоняется по оси x. Отклоненный таким образом луч попадает на второе зеркало Y-сканатора, установленное под углом 90° по отношению к первому. Y-сканатор осуществляет развертку луча по оси y. Такие отклоняющие системы предполагают использование очень легких зеркал.
Для отклонения лазерного луча на малые углы целесообразно применение отклоняющей системы на базе пьезопривода [см. лит.]. Это связано с тем, что обратный пьезоэффект линеен при малых значениях напряженности электрического поля, а быстродействие пьезоэлектрических приводов выше, чем электромагнитных.
Дефлекторы с пьезоприводами в большинстве случаев применяются для отклонения лазерного луча на углы до ±5º при обработке поверхности размером до 10×10 мм при ширине следа 0,015 мм. Основными производителями подобных систем являются компании “Microvision”, “Motion Instruments Piezo Systems” (обе — США) и “Physik Instrumente” (PI), “Piezosystem Jena” (обе — Германия). Однако при хорошем качестве исполнения эти системы отличаются высокой стоимостью.
На кафедре автоматов Санкт-Петербургского государственного политехнического университета совместно с ООО „Лазерный центр“ (Санкт-Петербург) был разработан и испытан опытный образец двухкоординатного дефлектора с биморфными пьезоактюаторами, предназначенный для маркировки миниатюрных ювелирных изделий с поверхностью обработки 2×2 мм. Следует отметить, что технические характеристики известных зарубежных отклоняющих систем в данном случае не подходят по ряду параметров — по углам качания, по отражаемым зеркалом длинам волн излучения, диаметру пятна отражаемого излучения, мощности излучения.
Конструктивная схема двухкоординатной отклоняющей системы с биморфными пьезоактюаторами представлена на рис. 2, а, где 1 — корпус; 2 — упругий элемент; 3 — четыре биморфных пьезоэлемента (БП), жестко прикрепленные к корпусу; 4 — стакан качания; 5 — отражающее зеркало; 6 — юстировочный винт; 7 — винт регулировки положения пружин; 8 — пружины.
При подаче напряжения на биморфный пьезоактюатор свободный конец начинает изгибаться, упругий элемент давит на шарнир, наклоняя стакан качания вместе с отражающим зеркалом. При подаче напряжения противоположной полярности на пару симметрично расположенных БП (например, БП 1 и 2) они отклоняются в противоположные стороны, тем самым увеличивая амплитуду качания зеркала по сравнению со схемой, содержащей один БП на каждую координату.
Экспериментальный стенд (рис. 2, б) содержит исследуемую отклоняющую систему 1 и полупроводниковый лазер 3 (длина волны λ=0,64 мкм видимого спектра, цвет красный). Излучение попадает в центр отклоняющего зеркала 2, затем проецируется на лист бумаги 4, расположенный на расстоянии L =3 м и закрепленный на стене. При угле качания зеркала (α) на поверхности появляется изображение с разверткой А.
Для проведения экспериментов использовалось следующее оборудование: генератор звуковой ГЗ-33, милливольтметр В3-38, осциллограф С1-118, частотомер 43-33, источник питания „Актаком“ АТН-1031, тестер „UNI-T“ UT60A.
В задачу исследований входила оценка работоспособности разработанного дефлектора. В ходе экспериментов была проанализирована работа каждого пьезоэлемента в отдельности, в паре и все четыре вместе. Подача напряжения U осуществлялась пошагово от 15 до 40 В и от 40 до 15 В при частоте питающего напряжения 30 Гц. При изменении напряжения замеря-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 2
Пьезоэлектрический двухкоординатный дефлектор маркирующего лазера
31
лась ширина развертки на поверхности А. При известном расстоянии L (3 м) определялся
угол α. По данным эксперимента построены графики (рис. 3, а—в) зависимостей угла качания зеркала от напряжения, подаваемого на один (а), два (б) и четыре (в) биморфных пьезо-
актюатора. Анализируя графики, можно прийти к выводу, что угол α изменяется при увеличении напряжения (кривая 1) и его уменьшении (кривая 2).
а) α=0…5°
λ=0,5…2 мкм ∅8—10 мм
б)
3
5
б) 1
23
1 8
4 67 t=0,5 t=0,8
БП 3 y 5
L
БП 1
БП 2 x
4 α
2 A
БП 4
∅17 мм
Рис. 2
При изменении частоты напряжения изменение геометрических форм проецируемого
изображения не наблюдалось. Исследования при U = 3 В показали следующее:
— резонансная частота системы при включении БП 1 и 2 оказалась равной 580 Гц;
— при включении БП 3 и 4 — 560 Гц.
При напряжении 30 В и частоте 50 Гц потребляемая мощность одного пьезоэлемента
составила 0,9 Вт, а четырех пьезоэлементов — 3,6 Вт.
а) б) в)
α, …°
α, …°
α, …°
2,5
2 1,5 1
1 2
10
8 6 4
2 1
8
6
2 1
4
0,5 2 2
0 10 20 30 40 U, В 0 10 20 30 40 U, В 0
10 20 30 U, В
Рис. 3
На рис. 4, а показана развертка изображения на поверхности А, демонстрирующая расхождение между прямым и обратным ходом луча. Такая гистерезисная петля связана с неточностью изготовления механических узлов, которую можно компенсировать системой управления с помощью цепи обратной связи.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 2
32 И. А. Кошкин, А. Б. Смирнов
Режим работы отклоняющей системы реализуется методом построчной развертки при помощи системы управления (рис. 5). Для ее осуществления по координате x на БП 1 и 2 подается гармоническое напряжение, а по координате y на БП 3 и 4 подается напряжение с пошаговым изменением его для смещения строки. Создавая скачок напряжения, подаваемого на БП 3 и 4, на величину Uy1 и Uy2, можно совместить прямой и обратный ход луча (рис. 4, б).
а)
8 мм 600 мм
б)
Ux
Прямой ход
Обратный ход
БП 1
Uy Uy1 Uy2
Рис. 4
t t
БП 3 БП 2
Uy
Блок управления
Ux
Компьютер
БП 4
Лазерный излучатель
Рис. 5
Экспериментальные исследования опытного образца пьезоэлектрического двухкоординатного дефлектора дали следующие результаты:
— углы качания зеркала α = ±5º по двум координатам удовлетворяют требованиям задачи;
— траектории луча на поверхности А прямолинейны как при прямом, так и при обратном ходе луча; траектория представляет собой замкнутую петлю в виде параллелограмма.
Длительные испытания показали хорошую стабильность параметров развертки. Зависимость амплитуды угла качания от напряжения линейна в рабочем диапазоне частот. Таким образом, опытный макет дефлектора показал свою работоспособность, однако нуждается в доработке.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 2
Исследование пьезоэлектрического схвата с резонансным очувствлением и микропозиционированием 33
ЛИТЕРАТУРА
Смирнов А. Б. Мехатроника и робототехника. Системы микроперемещений с пьезоэлектрическими приводами: Учеб. пособие. СПб: Изд-во СПбГПУ, 2003. 160 с.
Иван Андреевич Кошкин Аркадий Борисович Смирнов
Сведения об авторах — аспирант; Санкт-Петербургский государственный политехнический уни-
верситет, кафедра автоматов; E-mail: kia@newlaser.ru — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный поли-
технический университет, кафедра автоматов; E-mail: 123smirnov@list.ru
Рекомендована кафедрой мехатроники СПбГУ ИТМО
Поступила в редакцию 15.06.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 2