Делительная машина маятникового типа для формирования штриховых структур на неплоских рабочих поверхностях

Полезная модель относится к области станкостроения, а именно, к устройствам для лазерной микрообработки оптических компонентов, в частности, к делительным машинам, и может быть использована при изготовлении штриховых структур, например дифракционных решеток, на неплоских рабочих поверхностях (сферических, асферических, в том числе тороидальных) с большой стрелкой прогиба (более 10 мм), необходимых для создания компактной светосильной спектральной аппаратуры (монохроматоров-осветителей, гиперспектрометров).
Известна круговая лазерная записывающая система (КЛЗС) для изготовления дифракционных решеток на сферических поверхностях, содержащая станину, каретку радиального перемещения, приводное устройство для перемещения каретки, рабочий стол, блок управления, датчик автофокусировки, при этом плоскость фокусировки красного лазера датчика автофокусировки совпадает с плоскостью фокусировки записывающего ультрафиолетового лазера и зеленого дополнительного лазера [Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр., 13-25 апреля 2015 г., Новосибирск: Междунар. науч. конф. «СибОптика-2015»: сб. материалов в 3 т. Т. 2. - Новосибирск: СГУГиТ, 2015, с. 65, рис. 1; с. 67, рис. 2].
Основными недостатками аналога являются конструктивно-технологические ограничения по величине стрелки прогиба (не более 1,25 мм) изготавливаемых штриховых структур на неплоских поверхностях, а также сложность схемы оптического канала, имеющего записывающий диодный ультрафиолетовый лазер, дополнительный зеленый лазер, используемый для записи котировочных элементов, а также красный лазер датчика автофокусировки.
Прототипом является делительная машина маятникового типа для изготовления периодических штриховых структур, преимущественно дифракционных решеток [Беляков Ю.М, Лукин А.В., Мельников А.Н. Устойчивость функционирования делительной машины маятникового типа к воздействию внешних факторов // Оптический журнал. 2007. Т. 74. №3. С. 23-28].
Данная делительная машина для изготовления периодических штриховых структур, преимущественно дифракционных решеток, содержит станину, делительную и резцовую каретки, приводы перемещения делительной и резцовой кареток, устройство для формирования штриха, выполненное в виде механизма подъема и опускания резца, блок управления приводами перемещения делительной и резцовой кареток, а также устройством для формирования штриха, и датчик линейного перемещения делительной каретки. Резцовая каретка выполнена в виде маятника, закрепленного не менее чем на двух опорах с трением упругости, а привод перемещения резцовой каретки - в виде привода обеспечения угловых автоколебаний резцовой каретки. Устройство для формирования штриха расположено на резцовой каретке ниже оси угловых автоколебаний резцовой каретки. На делительной каретке закреплена подложка изготавливаемой штриховой структуры, а на резцовой каретке - алмазный резец для формирования штрихов.
Основным недостатком прототипа являются ограниченные функциональные возможности, так как данная делительная машина обеспечивает изготовление дифракционных решеток на неплоских рабочих поверхностях с небольшой стрелкой прогиба - не более 0,2 мм - из-за того, что делительная каретка установлена с возможностью совершать только линейные перемещения, устройство для формирования штриха расположено ниже оси угловых автоколебаний резцовой каретки, а также из-за наличия опор с трением упругости, ограничивающих амплитуду угловых автоколебаний резцовой каретки в пределах ±1°.
Техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей делительной машины маятникового типа, а именно, обеспечение возможности формирования штриховых структур на неплоских рабочих поверхностях с большой стрелкой прогиба.
Технический результат достигается за счет того, что в делительной машине маятникового типа для формирования штриховых структур на неплоских рабочих поверхностях, содержащей станину с расположенными на ней делительной кареткой с приводом ее перемещения и датчиком положения делительной каретки, и резцовой кареткой, выполненной в виде маятника, с приводом ее перемещения, выполненным с возможностью обеспечения угловых автоколебаний резцовой каретки относительно ее оси, которая закреплена на опорах вращения, расположенных на станине, устройство для формирования штриха, расположенное на резцовой каретке, и блок управления указанными приводами и устройством для формирования штриха, согласно настоящей полезной модели, делительная каретка установлена на опорах вращения с возможностью поворота относительно оси, расположенной вдоль ее опор вращения, в плоскости, перпендикулярной плоскости угловых автоколебаний резцовой каретки, причем геометрическая ось поворота делительной каретки пересекается с геометрической осью, относительно которой резцовая каретка совершает угловые автоколебания, при этом резцовая каретка снабжена противовесом, расположенным на ее конце ниже оси угловых автоколебаний резцовой каретки, а устройство для формирования штриха, выполненное в виде лазерной головки, установлено на противоположном конце резцовой каретки относительно оси ее угловых автоколебаний. Датчик положения делительной каретки выполнен в виде датчика поворота. Противовес резцовой каретки выполнен с возможностью регулирования по массе и моменту инерции.
Сущность полезной модели поясняется чертежами (фиг. 1 - фиг. 6).
На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемой делительной машины маятникового типа для формирования штриховых структур на неплоских рабочих поверхностях, на которой стрелками показана возможность поворота делительной каретки и угловых автоколебаний резцовой каретки.
На фиг. 2 и 3 изображены вид сбоку на делительную каретку и траектория движения устройства для формирования штриха (лазерной головки) в прямом и обратном рабочем ходе соответственно при формировании штриха в диаметральном сечении световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки изготавливаемой штриховой структуры (световая зона заключена между точками б и г фокусировки лазерного луча на выпуклой рабочей поверхности подложки), при этом показаны делительная каретка и устройство для формирования штриха.
На фиг. 4 изображено расположение делительной каретки во время работы предлагаемой делительной машины в начальном положении А, при этом формирование штриховой структуры выполняется в начальной краевой световой зоне выпуклой рабочей поверхности подложки.
На фиг. 5 изображено расположение делительной каретки во время работы предлагаемой делительной машины в среднем положении Б, при этом формирование штриховой структуры выполняется в диаметральном сечении световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки.
На фиг. 6 изображено расположение делительной каретки во время работы предлагаемой делительной машины в конечном положении В, при этом формирование штриховой структуры выполняется в конечной краевой световой зоне выпуклой рабочей поверхности подложки.
Делительная машина маятникового типа для формирования штриховых структур на неплоских рабочих поверхностях содержит станину 1, делительную каретку 2, резцовую каретку 3, приводы 4 и 5 перемещения, соответственно, делительной и резцовой кареток, устройство 6 для формирования штриха, выполненное в виде лазерной головки, блок 8 управления приводами 4, 5 и устройством 6 для формирования штриха, датчик поворота 9 делительной каретки 2, представляющий собой прецизионный энкодер (датчик положения), встроенный в состав поворотной платформы модели М-062. Вход датчика поворота 9 делительной каретки 2 сопряжен с делительной кареткой 2, а выход подключен к входу блока 8 управления, первый выход которого подключен к входу привода 4, сопряженного с делительной кареткой 2. Второй выход блока 8 управления подключен к входу устройства 6 для формирования штриха, а третий выход - к входу привода 5, выход которого сопряжен с резцовой кареткой 3.
Делительная каретка 2 с приводом 4 и датчиком поворота 9 расположена на станине 1. Делительная каретка 2 установлена на опорах 12 вращения с возможностью поворота относительно оси, расположенной вдоль опор 12 вращения и имеет столик 18, на котором закреплена подложка 10 изготавливаемой штриховой структуры. Делительная каретка 2 может быть снабжена телескопическим механизмом 16 для подстройки расположения подложки 10 изготавливаемой штриховой структуры относительно устройства 6 для формирования штриха. Делительная каретка 2 может быть снабжена противовесом 13, расположенным ниже ее геометрической оси поворота. Противовес 13 делительной каретки 2 выполнен с возможностью регулирования по массе и моменту инерции на этапе технологической настройки, до операции нарезки штриховой структуры, для обеспечения динамического равновесия делительной каретки 2 относительно ее геометрической оси поворота. Суммарный центр масс делительной каретки 2 и подложки 10 изготавливаемой штриховой структуры расположен на геометрической оси поворота делительной каретки 2.
Привод 4 выполнен с возможностью электронного управления процессом поворота делительной каретки 2 и построен на основе использования прецизионной поворотной платформы модели М-062, включающей в свой состав двигатель постоянного тока мощностью 3 Вт и безлюфтовую червячную передачу.
Резцовая каретка 3 с приводом 5 ее перемещения также расположена на станине 1. На резцовой каретке 3, выполненной в виде маятника, установлено устройство 6 для формирования штриха. В устройстве 6 для формирования штриха (лазерной головке) используется миниатюрный диодный лазер серии Lambda Mini Fiber с рабочей длиной волны 405 нм и выходной мощностью 100 мВт. Привод 5 перемещения резцовой каретки 3 предназначен для обеспечения поперечного движения устройства 6 для формирования штриха в виде незатухающих угловых колебаний, что достигается в режиме угловых автоколебаний резцовой каретки 3. Привод 5 выполнен с возможностью обеспечения угловых автоколебаний резцовой каретки 3 относительно ее оси 15, которая закреплена на опорах 11 вращения, расположенных на станине 1. Опоры 11 вращения с осью 15 обеспечивают большую амплитуду угловых автоколебаний резцовой каретки 3 (в пределах ±20°). В плоскости, перпендикулярной плоскости угловых автоколебаний резцовой каретки 3, осуществляется поворот делительной каретки 2, причем геометрическая ось ее поворота пересекается с геометрической осью, относительно которой резцовая каретка 3 совершает угловые автоколебания. Резцовая каретка 3 выполнена в виде вертикально расположенной рамы и может быть снабжена телескопическим механизмом 17 для подстройки своих геометрических размеров по высоте в условиях конкретных размеров подложки 10 изготавливаемой штриховой структуры. Резцовая каретка 3 снабжена противовесом 14, расположенным на ее конце ниже оси 15 угловых автоколебаний резцовой каретки 3.
Противовес 14 резцовой каретки 3 выполнен с возможностью регулирования по массе и моменту инерции для того, чтобы резцовая каретка 3 обладала динамическими свойствами маятника с центром масс, расположенным ниже геометрической оси угловых автоколебаний резцовой каретки 3. Регулируемый противовес 14 позволяет подбирать частоту угловых автоколебаний резцовой каретки 3 с целью достижения оптимальной производительности нарезки штрихов. Устройство 6 для формирования штриха установлено на противоположном конце резцовой каретки 3 относительно оси 15 ее угловых автоколебаний. Резцовая каретка 3 позволяет совершать устройству 6 для формирования штриха, воспроизводимые быстрые, по отношению к повороту делительной каретки 2, угловые автоколебания с большой амплитудой в плоскости качания. Причем траектория движения сфокусированного лазерного луча 7 устройства 6 для формирования штриха в рабочем ходе практически равна радиусу кривизны выпуклой рабочей поверхности подложки 10.
Перед началом работы делительной машины предварительно рассчитывают амплитуду и частоту угловых автоколебаний резцовой каретки 3 исходя из требуемых размеров изготавливаемой на выпуклой рабочей поверхности подложки 10 штриховой структуры, геометрических размеров и динамических свойств резцовой каретки 3.
Делительная машина работает следующим образом.
Методом прямой лазерной записи (фотолитографии) дифракционную решетку получают непосредственно в материале подложки 10 - в стекле, в том числе LDW-стекле (Laser Direct Write), или в металле - в два этапа, при этом на первом этапе формируют маску-транспарант в тонком слое фоторезиста, хрома или халькогенида непосредственно на выпуклой рабочей поверхности подложки 10 сфокусированным лазерным лучом 7 с использованием делительной машины, а на втором этапе формируют штриховую структуру дифракционной решетки путем химического или ионного травления сквозь маску-транспарант.
В исходном нерабочем положении узлов и механизмов делительной машины делительная каретка 2 с противовесом 13, резцовая каретка 3 с противовесом 14, устройство 6 для формирования штриха, выполненное в виде лазерной головки, находятся в статическом состоянии и расположены в вертикальной плоскости, при этом лазерный луч выключен (см. фиг. 1, на которой стрелками показана возможность поворота делительной каретки 2 и угловых автоколебаний резцовой каретки 3). Предварительно, до операции формирования штрихов дифракционной решетки, осуществляют технологические операции по юстировке подложки 10 и настройке устройства 6 для формирования штриха.
В результате юстировки подложки 10 обеспечивается движение ее выпуклой рабочей поверхности по заданной траектории. В результате настройки устройства 6 для формирования штриха устанавливаются требуемая величина выходной оптической мощности сфокусированного лазерного луча 7, величина диаметра наименьшего кружка рассеяния сфокусированного лазерного луча 7 и требуемое расположение оптической оси сфокусированного лазерного луча 7 по нормали к выпуклой рабочей поверхности подложки 10.
При включении делительной машины блок 8 управления, с помощью привода 5 перемещения резцовой каретки 3, выводит резцовую каретку 3, выполненную в виде маятника на опорах 11 вращения, в режим угловых автоколебаний.
Делительная машина готова к операции формирования штрихов дифракционной решетки.
Цикл формирования штрихов дифракционной решетки рассмотрим на примере формирования штриховой структуры в диаметральном сечении световой зоны, расположенной между точками б и г фокусировки лазерного луча на выпуклой рабочей поверхности подложки 10 (см. фиг. 2 и 3, на которых резцовая каретка 3 не показана).
Блок 8, подавая управляющие сигналы, синхронизирует работу трех основных систем - привода 4 перемещения делительной каретки 2, привода 5 перемещения резцовой каретки 3 и устройства 6 для формирования штриха, выполненного в виде лазерной головки.
На устройство 6 для формирования штриха подан управляющий сигнал, в результате чего лазерный луч выключен, а устройство 6 для формирования штриха находится в крайнем левом положении а вне указанной световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки 10, при этом делительная каретка 2 расположена неподвижно.
Далее резцовая каретка 3 перемещает устройство 6 для формирования штриха в положение б, совпадающее с началом световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки 10. С блока 8 на устройство 6 поступает управляющий сигнал, в результате чего сфокусированный лазерный луч 7 начинает формировать штрих последовательно и непрерывно от положения 6, проходя положение в, до положения г включительно, совпадающего с окончанием световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки 10.
Затем, в положении г, с блока 8 на устройство 6 поступает управляющий сигнал, в результате чего лазерный луч выключается. В момент достижения резцовой кареткой 3 с устройством 6 для формирования штриха положения г на привод 4 перемещения делительной каретки 2 подается управляющий сигнал, в результате чего делительная каретка 2 с подложкой 10 начинает совершать поворот на расстояние, равное периоду штриховой структуры в угловой мере. При этом величина поворота делительной каретки 2 контролируется датчиком 9. Далее резцовая каретка 3 перемещает устройство 6 для формирования штриха в крайнее правое положение д вне указанной световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки 10.
Достигнув крайнего правого положения д, устройство 6 для формирования штриха останавливается. Таким образом, устройство 6, для формирования штриха пройдя траекторию своего движения от положения а до положения д, завершило прямой рабочий ход. Достигнув крайнего правого положения д, устройство 6 для формирования штриха начинает перемещаться в противоположном направлении - от положения д к положению а, совершая обратный рабочий ход (см. фиг. 3, на которой резцовая каретка 3 не показана).
В момент достижения резцовой кареткой 3 с устройством 6 для формирования штриха положения г делительная каретка 2 с подложкой 10 переместилась на заданный угловой шаг, равный периоду изготавливаемой штриховой структуры в угловой мере, и остановилась. В положении г, совпадающем с началом световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки 10 в обратном рабочем ходе, на устройство 6 для формирования штриха поступает управляющий сигнал от блока 8 управления, в результате чего сфокусированный лазерный луч 7 начинает формировать штрих последовательно и непрерывно от положения г, проходя положение в, до положения б.
В этом случае положение б совпадает с окончанием световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки 10 в обратном рабочем ходе. Затем, в положении б, на устройство 6 для формирования штриха подается управляющий сигнал, в результате чего лазерный луч выключается. В момент достижения резцовой кареткой 3 с устройством 6 для формирования штриха положения б на привод 4 перемещения делительной каретки 2 подается управляющий сигнал, в результате чего делительная каретка 2 с подложкой 10 начинает совершать поворот на расстояние, равное периоду штриховой структуры в угловой мере. При этом величина поворота делительной каретки 2 контролируется датчиком 9. Затем резцовая каретка 3 перемещает устройство 6 для формирования штриха в крайнее левое положение а вне указанной световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки 10. Достигнув крайнего левого положения а, устройство 6 останавливается. Таким образом, устройство 6 для формирования штриха, пройдя траекторию своего движения от положения д до положения а, завершило свой обратный рабочий ход.
Далее описанный выше цикл перемещения устройства 6 для формирования штриха - от положения а до положения д в прямом рабочем ходе (см. фиг. 2) и от положения д до положения а в обратном рабочем ходе (см. фиг. 3) - при работе предлагаемой делительной машины повторяется.
Процесс формирования всей штриховой структуры выполняется аналогично процессу, описанному выше, при этом делительная каретка 2 проходит последовательно траекторию (с соответствующими остановками на момент формирования каждого штриха) от своего начального положения А (см. фиг. 4) через положение Б, соответствующее диаметральному сечению световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки 10 (см. фиг. 5) до своего конечного положения В (см. фиг. 6).
Использование предлагаемой делительной машины маятникового типа обеспечит возможность изготовления дифракционных решеток на неплоских рабочих поверхностях с большой стрелкой прогиба (например, 50 мм) для компактной светосильной спектральной аппаратуры (монохроматоров-осветителей, гиперспектрометров) за счет поворота делительной каретки, угловых автоколебаний резцовой каретки с большой амплитудой, а также изменения места расположения устройства формирования штриха на резцовой каретке.