УСТАНОВКА ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ ТОКОВЕДУЩИХ ДОРОЖЕК СТЕКЛОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕРЖАТЕЛЕЙ

Заявляемая полезная модель относится к лазерным технологическим установкам (ЛТУ), предназначенным для высокоточной обработки (резки) тонких металлических покрытий, нанесенных на стеклянные и керамические основания, и может быть использована для изготовления токоведущих дорожек стеклокерамических держателей, входящих в конструкцию вакуумных криостатируемых корпусов многоэлементных фотоприемников, работающих в ИК области спектра.
Известна лазерная технологическая установка, принятая в качестве прототипа (см., например, Рекламный проспект НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ» лазерная технологическая установка МЛ1, г.Зеленоград, 2006 г.)
Известная установка содержит оптический модуль на основе лазера, систему координатного прецизионного позиционирования с первым и вторым шаговыми электродвигателями, которые управляют координатными столиками для перемещения обрабатываемой детали по осям Х и Y соответственно, связанную с блоком управления приводами шаговых двигателей, состоящим из платы управления шаговыми двигателями, платы усилителей мощности и блока питания, который соединен с оптическим модулем на основе лазера и вычислительным комплексом, подающим управляющие сигналов через блок управления на приводы шаговых двигателей системы координатного прецизионного позиционирования.
Недостатком известной установки является наличие только двух координат перемещения обрабатываемого изделия, что значительно
ограничивает область их применения, особенно при работе с объемными сложно-профильными изделиями.
Еще одним недостатком этого прототипа является тепловое воздействие лазерного излучения на обрабатываемые изделия, что особенно сильно проявляется в тех случаях, когда необходимо производить фрезерование металлических покрытий, нанесенных на тонкие диэлектрические подложки (стекло, керамика и т.п.). Из-за низкой теплопроводности таких подложек воздействующее излучение может приводить к локальному их перегреву и появлению разрушений. Для решения данной проблемы приходится обеспечивать необходимый теплоотвод с обрабатываемых изделий, что значительно усложняет процесс лазерной резки.
Задачей заявляемой установки является устранение указанных недостатков для обеспечения возможности выполнения таких операций, как:
- лазерная микрообработка тугоплавких и труднообрабатываемых материалов тонких листов металлов, керамики и др. материалов со сложной формой поверхности;
- лазерная сварка и резка тонкого листового металла со сложной формой поверхности;
- фрезерование токоведущих дорожек в конструкциях вакуумных корпусов многоэлементных фотоприемников;
- размерная обработка полупроводниковых элементов. Предлагаемая полезная модель лазерной технологической установки решает задачу лазерной резки объемных сложно-профильных изделий при значительном уменьшении теплового воздействия на поверхность обрабатываемого изделия.
Для достижения указанной цели в предлагаемой ЛТУ используется лазер на парах меди, оптическая схема которого включает в себя в качестве резонаторного зеркала металлическое покрытие обрабатываемого изделия.
При пережигании в процессе резки металлического покрытия изделия мощность излучения лазера резко уменьшается, защищая тем самым поверхность обрабатываемого изделия от избыточного теплового воздействия.
Технический результат заявляемой установки лазерной резки токоведущих дорожек стеклометаллических держателей матричных фотоприемных устройств достигается посредством того, что в систему координатного прецизионного позиционирования для обеспечения позиционирования по четырем координатам дополнительно введены третий шаговый электродвигатель, управляющий координатным столиком для перемещения обрабатываемой детали по угловой координате φ в плоскости XY и четвертый шаговый электродвигатель, управляющий координатным столиком для перемещения обрабатываемой детали по угловой координате ω в плоскости перпендикулярной плоскости XY, которые связаны с блоком управления, оптический модуль выполнен на основе лазера на парах меди, луч которого постоянно направлен перпендикулярно к обрабатываемому участку поверхности детали, который используется в качестве отражающего зеркала, входящего в состав оптического резонатора лазера, а мощность излучения оптического модуля зависит от скорости перемещения луча лазера по детали.
Заявленная полезная модель поясняется блок-схемой установки лазерной резки токоведущих дорожек стеклометаллических держателей матричных фотоприемных устройств, представленной на фиг., где:
1 - модуль оптический на основе лазера на парах меди;
2 - вычислительный комплекс;
3 - блок управления приводами шаговых двигателей, состоящий из платы управления шаговыми двигателями, платы усилителей мощности и блока питания;
4 - система координатного прецизионного позиционирования;
5 - первый шаговый электродвигатель, управляющий координатным столиком для перемещения обрабатываемой детали по координате X;
6 - второй шаговый электродвигатель, управляющий координатным столиком для перемещения обрабатываемой детали по координате Y;
7 - третий шаговый электродвигатель, управляющий координатным столиком для перемещения обрабатываемой детали по угловой координате φ в плоскости XY;
8 - четвертый шаговый электродвигатель, управляющий координатным столиком для перемещения обрабатываемой детали по угловой координате ω в плоскости перпендикулярной плоскости XY.
Полезная модель установки лазерной резки токоведущих дорожек стеклометаллических держателей матричных фотоприемных устройств содержит оптический модуль 1 на основе лазера, систему координатного прецизионного позиционирования 4 с первым 5 и вторым 6 шаговыми электродвигателями которые управляют координатными столиками для перемещения обрабатываемой детали по осям Х и Y соответственно, связанную с блоком управления приводами шаговых двигателей 3, состоящего из платы управления шаговыми двигателями, платы усилителей мощности и блока питания, который соединен с оптическим модулем на основе лазера и вычислительным комплексом, подающим управляющие сигналы через блок управления 3 на приводы шаговых двигателей системы координатного прецизионного позиционирования 4, отличающаяся тем, что в систему координатного прецизионного позиционирования для обеспечения позиционирования по четырем координатам дополнительно введены третий 7 шаговый электродвигатель, управляющий координатным столиком для перемещения обрабатываемой детали по угловой координате φ в плоскости XY и четвертый 6 шаговый электродвигатель, управляющий координатным столиком для перемещения обрабатываемой детали по угловой координате ω в плоскости перпендикулярной плоскости XY, которые связаны с блоком
управления 3, оптический модуль 1 выполнен на основе лазера на парах меди, луч которого постоянно направлен перпендикулярно к обрабатываемому участку поверхности детали, который используется в качестве отражающего зеркала, входящего в состав оптического резонатора лазера, а мощность излучения оптического модуля зависит от скорости перемещения луча лазера по детали.
Установка работает следующим образом.
Излучение лазера фокусируется на поверхности обрабатываемого изделия по проекционной схеме, позволяющей наблюдать за процессом обработки.
Для создания на обрабатываемой поверхности резов требуемой конфигурации изделие перемещается в плоскости обработки с помощью прецизионных координатных столиков с приводами от шаговых электродвигателей.
Функционирование модуля оптического 1 на основе лазера в заявляемой модели реализуется только в том случае, когда поверхность обрабатываемого изделия строго перпендикулярна лучу лазера в течение всего процесса резки.
Для этого в систему координатного позиционирования 4 добавлены два вращающихся столика с третьим 7 и четвертым 8 шаговыми электродвигателями, которые совместно с линейно перемещающими столиками при работе установки постоянно обеспечивают перпендикулярность луча лазера к обрабатываемому участку поверхности изделия.
Разработанная и изготовленная лазерная технологическая установка используется для резки токоведущих дорожек стеклокерамических держателей матричных фотоприемных устройств (МФПУ). Типовой стеклокерамический держатель имеет цилиндрическую грибообразную форму и выполнен из стекла с толщиной стенки около 1 мм. На внешнюю поверхность держателя нанесено металлическое покрытие, состоящее из
трех слоев (Мо, Сu Ni), общей толщиной до 20 мкм. Разработанная установка обеспечивает фрезерование дорожек на металлическом покрытии шириной около 40 мкм по всему внешнему профилю держателя с точностью определения положения реза ±1,5 мкм.
Система четырехкоординатного прецизионного позиционирования собрана из четырех соединенных друг с другом подвижных столиков, каждый из которых перемещается от своего шагового двигателя: два столика обеспечивают перемещение обрабатываемого изделия по линейным координатам Х и Y, два других столика обеспечивают вращение изделия в двух плоскостях с угловыми координатами ω и φ. Линейное перемещение столиков осуществляется с помощью безлюфтового соединения винт-гайка и направляющих типа "ласточкин хвост". Вращающиеся столики связаны с шаговыми двигателями через червячные редукторы, что обеспечивает точность углового перемещения изделия по координате ω не менее 7,5", а по координате φ не менее 0,7′.
Блок управления приводами шаговых электродвигателей состоит из платы управления шаговыми двигателями, платы усилителей мощности и блока питания.
Плата управления шаговыми двигателями собрана на микросхемах дискретной логики и формирует импульсные последовательности сигналов, задающие временные характеристики подачи питающих напряжений на фазовые обмотки шаговых двигателей. Выбранная схема формирования импульсных сигналов реализует «полушаговый» режим управления шаговыми двигателями, что позволяет получить дискретность линейного перемещения обрабатываемого изделия 3,125 мкм.
Частота импульсных сигналов и тактовая диаграмма их переключения, определяющие скорость и направление перемещения шаговых двигателей, задаются сигналами управления от вычислительного комплекса.
Для защиты установки от механических повреждений при сбоях программного обеспечения в конструкции трех координатных столиков предусмотрены концевые выключатели, электрически связанные со схемой отключения питания шаговых двигателей, расположенной на плате управления.
Плата управления шаговыми двигателями выполнена на КМОП микросхемах 561 серии, отличающихся высокой помехоустойчивостью и малыми токами потребления.
Питание фазных обмоток шаговых двигателей осуществляется от платы усилителей мощности, собранной на мощных составных транзисторах 2Т827Б. Транзисторы работают в ключевом режиме и управляются сигналами с платы управления шаговыми двигателями.
Для выбранного импульсного режима работы блока управления приводами максимальная рассеиваемая мощность по цепям питания каждого шагового двигателя не превышает 8 Вт.
Блок питания блока управления приводами шаговых двигателей выполнен по классической схеме на трансформаторе ТН46-220, диодном мосте КВРС10005 и фильтрующих конденсаторах К50-35-10В 10000 мкФ.
Для связи блока управления приводами шаговых двигателей с вычислительным комплексом и фазными обмотками четырех шаговых электродвигателей предусмотрены соответствующие разъемы и кабели.
Была изготовлена и исследована экспериментальная лазерная технологическая установка. На изготовленной установке получены следующие технические характеристики:
- дискретность линейного перемещения, мкм
3,125
- точность линейного перемещения, мкм
±1,5
- дискретность углового перемещения
по координате ω, угл. сек
16
- дискретность углового перемещения
по координате φ, угл. мин
1,4
- точность углового перемещения
по координате ω, угл. сек
7,5
- точность углового перемещения
- по координате φ, угл. мин
0,7
- максимальный диапазон перемещения
по координате X, мм.
100
- максимальный диапазон перемещения
по координате Y, мм
45
- максимальная линейная скорость перемещения
объекта относительно луча лазера, мм/сек
6,25
- максимальная угловая скорость перемещения
объекта относительно луча лазера, угл. град/сек
9
- диапазон углового перемещения
по координате ω, угл. град
0÷360
- диапазон углового перемещения
по координате φ, угл. град
0÷135
- максимальная мощность лазерного излучения, Вт
2
- максимальная потребляемая мощность блока
управления приводами шаговых двигателей, Вт, не более
40
Предлагаемая установка обеспечивает высокие функциональные возможности за счет использования прецизионного позиционирования по четырем координатам, что позволяет обрабатывать объемные сложно-профильные изделия, отличается повышенной точностью обработки изделия и наличием в установке защиты поверхности обрабатываемого изделия от избыточного теплового воздействия за счет применения лазера с изменяющимся оптическим резонатором.