ГРАВИРОВАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ)
ETCHING DEVICE (VERSIONS)

Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в вибрационных и вибрационно-ударных устройствах для возбуждения управляемых по частоте и амплитуде механических колебаний, а также к области художественно-декоративной обработки твердых материалов, например, для нанесения изображений на твердые материалы путем направленного программно-управляемого разрушения их поверхности ударным или ударно-вращательным методом.
Известно гравировальное устройство ([1] Патент 67926 от 28.05.2007 г.), содержащее основание с закрепленной стойкой, к которой прикреплена одним концом плоская пружина, а другим - с одним из концов Г-образного ярма электромагнита, прикрепленного к пластине, жестко закрепленной на основании, к другому концу Г-образного ярма прикреплена цанга, в которой установлен ударный инструмент в виде иглы с алмазным наконечником. На основании через регулятор-эксцентрик установлен подшипник, фиксируемый винтом, с возможностью отслеживания рельефа заготовки. Зазор между заготовкой и острием иглы должен быть менее 0,02 мм с возможностью передачи цвета без искажений. Известно устройство для нанесения изображения на твердой поверхности ([2] Патент 2350476 от 13.02.2007 г.), содержащее корпус, первый электродвигатель, второй двигатель, инструмент, выполненный с возможностью вращения вокруг своей оси и соединенный с концом вала второго электродвигателя, коромысло и пружины. Коромысло с рычагами, верхние части которых взаимодействуют с пружинами, установлено на валу первого электродвигателя с возможностью углового колебательного движения относительно точки пересечения продольной оси коромысла и оси вращения вала первого электродвигателя. Пружины соединяют каждую боковую сторону коромысла с поверхностью корпуса.
Главным недостатком указанных устройств-прототипов является использование в них механических пружин в роли упругих элементов для накопления потенциальной энергии, например, в [1] - это плоская и цилиндрическая пружины, а в [2] - цилиндрические пружины. Это связано с тем, что у механических пружин, работающих длительное время в многократно повторяющихся динамических режимах растяжения-сжатия и ударных нагрузок, с течением времени снижается несущая способность, усталостная прочность, а также выносливость. Кроме того, число колебаний, выдерживаемых пружинами до разрушения, зависит не только от нагрузок, действующих на пружины, но и от амплитуды самих колебаний: чем больше амплитуда колебаний при данном максимальном напряжении, тем меньше число циклов выдерживают пружины. Все это приводит к снижению эффективности, долговечности и эксплуатационного ресурса устройства и, как следствие, качества выгравированного изображения.
Известно устройство - роторный привод ([3] Патент US 4,795,929 «Rotary Actuator» от 03.01.1989 года), имеющий постоянный магнитный якорь с диаметрально противоположными полюсами различной полярности, установленный между парой статорных элементов, по крайней мере, один из которых является электромагнитом, так, что имеет возможность вращаться между первым и вторым положением при создании выбранного распределения потока хотя бы в одном электромагнитном статорном элементе. Электромагнитный статорный элемент создан так, что он создает ассиметричное магнитное поле, которое больше вблизи одного из противоположных полей якоря, чем в другом. Электромагнитный статор состоит из сердцевины из мягкого железного материала и внутренней поверхностью повернут к ротору. Катушка намотана на сердцевину так, чтобы создавать на сердцевине магнитные силовые поля на каждой поверхности сердцевины. Ассиметричное поле потока создается путем предоставления внутренней стороны сердцевины большего сегмента, увеличивающего поле потока и плотность в заданном месте и поля поменьше для остальной части сердцевины. Предпочтительно больший сегмент поверхности сердцевины вытянут наружу и тесно расположен к поверхности якоря для выбранного дугового расстояния.
В частности, привод включает пару электромагнитных статоров, каждый из которых имеет не магнитопроводимое ядро и катушку, взаимодействующих для создания первого и второго полюса. Статоры фиксированно закреплены на расстоянии друг против друга, их полюсы лежат на общей оси намагничивания, и имеют ассиметричную форму для предоставления большего силового поля одной стороне намагничивания, чем другой. Якорь, состоящий из цилиндрического постоянного магнита, имеющего противоположные первый и второй полюсы, лежащие вдоль диаметральной полюсной оси, закреплен с возможностью вращения между противоположными статорами так, что диаметральная полюсная ось изначально идет поперечно оси намагничивания статоров. Электрическая цепь выборочно подает напряжение электромагнитным статорам так, чтобы индуцировать на первом и втором полюсе управляемых статоров, прямо и обратно соответственно, для принуждения силового поля притягивать или отталкивать полюс вышеуказанного цилиндрического магнита, лежащего на той же стороне оси намагничивания, чтобы заставить якорь вращаться.
Также известно устройство - колебательный шаговый двигатель ([4] Патент US 5,126,605 «Oscillating Stepper Motor» от 30.06.1992 г.), включающий:
(а) однофазную кольцевую катушку статора, определяющую центральную цилиндрическую полость, указанная кольцевая катушка статора создает магнитное поле первой полярности, когда электрический ток проходит через нее в первом направлении;
(b) цилиндрический ротор, включающий роторный магнит, расположенный для вращательного движения относительно указанной кольцевой катушки статора в указанной центральной цилиндрической полости и соосно указанной кольцевой катушкой статора; указанный цилиндрический ротор, в зависимости от указанного магнитного поля первой полярности, создаваемого в указанной кольцевой катушке статора, может вращаться меньше чем на 180 градусов от стопорного положения к первому положению, определенному указанным магнитным полем указанной первой полярности; и
(c) стопорный магнит, фиксирование расположенный с учетом указанной катушки статора в указанной цилиндрической полости, для вращения указанного ротора к указанному стопорному положению, всегда, когда указанная кольцевая катушка статора обесточивается
В указанных устройствах [3], [4] роль упругих элементов выполняют магнитные составляющие, обеспечивающие поворот ротора из одного фиксированного положения в другое в пределах, ограниченных полюсами статора.
Недостатком устройств [3], [4] является то, что в них нет возможности настройки положения ротора относительно статора - это устойчивое положение изначально конструктивно задано, определяется взаимным расположением магнитного ротора и элементов статора. Во многих приложениях, например, при гравировании, необходима периодическая настройка начального устойчивого положения коромысла в плоскости колебаний для обеспечения оптимальной амплитуды колебаний.
Указанные совместные недостатки прототипов ставят задачу обеспечения периодической настройки устойчивого углового положения вала возбудителя колебаний, повышения надежности и эксплуатационного ресурса гравировального устройства, амплитуды и частоты колебаний рабочего инструмента, производительности, а следовательно, и качества его работы.
Эта задача решается тем, что в гравировальном устройстве, содержащем возбудитель колебаний, соединительные рычаги, упругие элементы и рабочий инструмент, вместо механических пружин в роли упругих элементов используются пассивные магнитные подвесы, представляющие собой систему из двух постоянных магнитов, расположенных друг к другу одноименными полюсами N-N или S-S, один из магнитов закреплен неподвижно, а другой - подвижно, и регулировочного элемента для настройки оптимального расстояния между магнитами. Не исключается использование электромагнитов вместо постоянных магнитов. Возможно использование в подвесах как аксиальных, так и диаметральных, двух или многополюсных постоянных магнитов.
На фиг.1 представлена схема гравировального устройства с возбудителем колебаний на базе электродвигателя.
Предложенное устройство выполнено следующим образом. По первому варианту гравировальное устройство содержит электродвигатель 1, например, шаговый, на обмотки управления которого с блока управления (на фиг.1 не показан) поступают управляющие импульсы 2. На вал 3 электродвигателя 1 установлено коромысло 4, на конце которого установлен рабочий инструмент 15. Электродвигатель 1 с коромыслом 4 расположен внутри неподвижного корпуса 6. Коромысло 4 снабжено рычагом 7, к которому жестко соединены дисковые постоянные магниты 8 и 12. Коромысло 4 вместе с рычагом 7 выполнено с возможностью совершать угловые колебательные движения относительно оси вращения вала 3 электродвигателя 1. Для измерения амплитуды колебаний коромысла 4, а следовательно, и рабочего инструмента 15, используется, если это требует алгоритм управления, датчик углового положения 14, установленный на вал 3 электродвигателя 1. Параллельно магнитам 8 и 12 установлены постоянные магниты 9 и 11, каждый из которых жестко связан с регулировочным элементом 10 и 13, соответственно. В роли регулировочного элемента может выступать, например, передача винт - гайка или ей подобная по действию. Постоянные магниты 8, 9 в совокупности с регулировочным элементом 10 образуют первый пассивный магнитный подвес, а постоянные магниты 11, 12 в совокупности с регулировочным элементом 13 образуют второй пассивный магнитный подвес. Магнитные подвесы могут взаимодействовать с коромыслом 4 через рычаг 7, как показано на фиг.1, при этом оси 17 и 18 всех магнитов проходят вдоль оси 19. Возможен другой вариант расположения магнитных подвесов относительно коромысла 4. При этом магниты 8 и 12 крепятся неподвижно к коромыслу 4 сверху и снизу параллельно его оси 5, а магниты 9 и 11 крепятся параллельно им так, чтобы оси 17 и 18 всех магнитов 8, 9, 11, 12 проходили вдоль вертикальной оси 16. Не исключаются и другие комбинации расположения магнитных подвесов, а также самих постоянных магнитов друг относительно друга.
В роли возбудителя колебаний может выступать любой электродвигатель постоянного или переменного тока. а также двигатель с любым рабочим телом, например, пневмо- или гидродвигатель, а также электромагнитная катушка с сердечником или вибровозбудитель любой конструкции и типа. Постоянные магниты 8, 9, 11, 12 могут быть с аксиальными полюсами, диаметрально расположенными полюсами, двух или многополюсными и т.п.(фиг.4).
Возможен вариант, когда вместо постоянных магнитов используются электромагниты и/или их комбинации. В роли рабочего инструмента 15 может быть гравировальная игла или другой инструмент как ударного, так и ударно-вращательного действия.
1
2
1
2
По второму варианту гравировальное устройство содержит двигатель 1, который выступает в роли возбудителя колебаний, на обмотки управления которого поступает сигнал управления 2. В торцевой части вала 6 двигателя 1 неподвижно закреплен постоянный магнит 17, например, дисковой формы с диаметрально расположенными полюсами (фиг.4), который может вращаться вместе с валом 6 двигателя 1. На вал 3 установлено коромысло 4 с рабочим инструментом 15 с возможностью совершать угловые колебательные движения в вертикальной плоскости. На коромысле 4 параллельно магниту 17 неподвижно закреплен постоянный магнит 18 с диаметрально расположенными полюсами, образуя с двигателем 1, магнитом 17 и регулировочным элементом 23 первый, активный, магнитный подвес. С коромыслом 4 также жестко соединены два других постоянных магнита 8 и 12. Параллельно магнитам 8 и 12 установлены постоянные магниты 9 и 11, каждый из которых соединен с регулировочным элементом 10 и 13, соответственно. Постоянные магниты 8, 9 в совокупности с регулировочным элементом 10 образуют второй, пассивный, магнитный подвес, а постоянные магниты 11, 12 в совокупности с регулировочным элементом 13 образуют третий, пассивный, магнитный подвес. Не исключаются и другие комбинации расположения магнитных подвесов относительно коромысла 4. Для измерения амплитуды колебаний коромысла 4, а следовательно, и рабочего инструмента 15, используется, если это требует алгоритм управления, датчик углового положения 14, установленный на вал 3. В роли возбудителя колебаний 1 может выступать любой электродвигатель постоянного или переменного тока, а также двигатель с любым рабочим телом, например пневмодвигатель или гидродвигатель и т.п. Постоянные магниты 8, 9, 11, 12, 17, 18 могут быть с аксиальными полюсами (фиг.3), с диаметральным расположением полюсов, двухполюсные (фиг.4,а) или многополюсные (фиг.4,б). Для регулирования амплитуды колебаний рабочего инструмента в соответствии с параметрами точек гравируемого изображения, гравировальное устройство снабжено вторым возбудителем колебаний, например, электромагнитной катушкой 20 с сердечником 16 и якорем 7, жестко соединенным с коромыслом 4. При поступлении тока в катушку 20 электромагнита коромысло 4 с рабочим инструментом 15 дополнительно перемещается к сердечнику 16 электромагнита. Амплитуда этого перемещения пропорциональна яркости элементарной точки гравируемого изображения. Предложенное устройство работает следующим образом. По первому варианту, на обмотки управления возбудителя колебаний, например, шагового электродвигателя 1 (фиг.1), статор которого представляет собой многополюсное электромеханическое устройство, поступает периодическая последовательность импульсов управления 2 в виде широтно-импульсной модуляции (ШИМ), частотно-импульсной модуляции (ЧИМ), амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) или их комбинации с заданными шириной, периодом или амплитудой, соответствующими яркости точек гравируемого изображения. Во время действия импульса управления вал 3 двигателя 1 начинает поворачиваться вокруг своей оси (фиг.1). Вал 3 приводит в движение коромысло 4 и связанные с ним магниты 8 и 12 пассивных магнитных подвесов, которые оказывают динамическое подпружинивание коромысла 4. Угловое движение коромысла 4 относительно оси вращения вала 3 двигателя 1 ограничено действием магнитов 9 и 11, расположенных параллельно магнитам 8 и 12, соответственно, своими одноименными полюсами друг к другу. В случае использования постоянных магнитов с диаметрально расположенными полюсами возможно частичное совмещение их одноименных полюсов, то есть частичное перекрывание магнитных полей полюсов. С помощью регулировочных элементов 10 и 13 настраиваются необходимые зазоры δ и δ между магнитами 8, 9 и 11, 12 магнитных подвесов. Управление элементами 10, 13 может быть выполнено как вручную, используя показания датчика положения 14, так и автоматически, с помощью следящего привода, если это требует алгоритм управления. Магниты 8, 9, 11 и 12 выбирают по величине требуемой магнитной индукции, а расположение магнитных подвесов относительно друг друга и величины зазоров δ и δ настраиваются с помощью элементов 10 и 13 таким образом, чтобы обеспечить оптимальные по амплитуде и частоте колебания коромысла 4, а следовательно, и рабочего инструмента 15. Например, таким оптимальным свойством может быть максимум амплитуды колебаний коромысла, а следовательно, и рабочего инструмента в вертикальной плоскости колебаний. С момента окончания предыдущего и до поступления следующего импульса управления коромысло под действием упругих сил отталкивания магнитов 8, 9 и 11, 12 начинает движение в обратном направлении. Момент времени завершения обратного хода коромысла 4 и подачи следующего рабочего управляющего импульса, соответствующего параметрам точки гравируемого изображения, определяется, если это требует алгоритм управления, с помощью датчика углового положения 14 вала 3 двигателя 1. Таким образом, коромысло 4 вместе с рабочим инструментом 15 начинает совершать колебательные движения в вертикальной плоскости перпендикулярно поверхности заготовки 21, на которую переносится изображение 22. В отличие от механических пружин, упругие силы взаимодействия в которых линейно зависят от величины деформации, например, по закону Гука, силы отталкивания постоянных магнитов нелинейно зависят от расстояния между ними, что дает возможность использования переменного коэффициента динамической упругости, а значит, и более широкого спектра амплитуды и частоты колебаний рабочего инструмента.
1
2
Динамика колебательного движения гравировального устройства зависит от геометрического расположения магнитных подвесов относительно коромысла 4, величины зазоров δ и δ, величин магнитной индукции постоянных магнитов, которые влияют на качество работы гравировального устройства.
4
4
1
2
3
По второму варианту на вход двигателя 1 поступает последовательность управляющих импульсов 2, под действием которых вал 6 двигателя 1 начинает вращаться с заданной скоростью в заданном направлении. Вместе с валом 6 начинает вращаться постоянный дисковый магнит 17, жестко связанный с валом 6 двигателя 1. Когда магнит 17 проходит над магнитом 18, неподвижно установленным на коромысле 4, и их полюса совпадают, например, N-N или S-S, то появляется отталкивающая сила, которая, действуя на коромысло 4, заставляет его вращаться в одну сторону, например, по часовой стрелке, а пассивные магнитные подвесы обеспечивают динамическое подпружинивание коромысла 4. С момента, когда одноименные полюса магнитов 17 и 18 начинают расходиться, и до полного совпадения разноименных полюсов, S-N, коромысло 4 под действием сил притяжения магнитов 17 и 18, а также под действием сил отталкивания магнитов 8, 9, 11, 12 начинает движение в противоположном направлении, например, против часовой стрелки. Так как магниты 8, 9, 11, 12 пассивных магнитных подвесов всегда работают на отталкивание и расположены с противоположных сторон коромысла 4, то силы их взаимного отталкивания не дают магнитам 17 и 18 активного магнитного подвеса прилипнуть друг к другу в процессе взаимодействия. В отличие от первого варианта, где возбудитель колебаний работает в реверсивном режиме, характеризующемся большими затратами времени на разгон, остановку и торможение, во втором варианте колебания коромысла и рабочего инструмента возбуждаются двигателем 1, постоянно вращающимся только в одном направлении с заданной скоростью, что позволяет значительно уменьшить постоянную времени гравировального устройства и увеличить частоту и амплитуду колебаний рабочего инструмента. При отсутствии управляющего импульса между вершиной рабочего инструмента 15 и поверхностью заготовки 21 все время сохраняется постоянный заданный зазор δ, то есть инструмент колеблется в вертикальной плоскости, не касаясь вершиной наконечника поверхности заготовки. В случае появления управляющего импульса электромагнитная катушка 20 с сердечником 16 сообщает коромыслу 4 с рабочим инструментом 15 дополнительную энергию на перемещение путем притяжения якоря 7, которая тратится на преодоление рабочего зазора δ и разрушение поверхности с амплитудой, а значит, и силой, пропорциональной яркости точки 22 гравируемого изображения. С помощью регулировочных элементов 10, 13, 23 устанавливаются необходимые зазоры δ, δ, δ между магнитами 8, 9, 11, 12, 17, 18 всех трех магнитных подвесов. Управление элементами 10, 13, 23 может быть выполнено как вручную, используя показания датчика положения 14, так и автоматически с помощью следящего привода, если это требует алгоритм управления. Датчик положения 14 позволяет обеспечить синфазность обоих движений: колебательного движения рабочего инструмента 15, вызванного активным магнитным подвесом 1, 17, 23, и приращения на удар, вызванного током в катушке 20. Таким образом, разделение движения на две составляющие - колебание рабочего инструмента с заданной частотой и дополнительное перемещение его на удар - позволяет значительно увеличить амплитуду и частоту колебаний рабочего инструмента, быстродействие системы, производительность работы, а также снизить энергозатраты на управление.
Предлагаемые варианты гравировального устройства, описанные выше, относятся к одному из примеров предпочтительного осуществления изобретения. Также возможны другие варианты конструктивного исполнения гравировального устройства.