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 установки для изготовления различных изображений на поверхности металлических и пластмассовых изделий (нанесение даты, штрих-кода, клейма производителя и т.д.). Малая зона теплового воздействия, отсутствие механической нагрузки на изделие, износостойкость маркировки, быстрая переналадка и отсутствие расходных материалов выгодно отличают лазерную маркировку от механических и электрохимических способов нанесения изображений.

При лазерной маркировке детали 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.

/

2

а=0...5°

6

Рис. 1

Электромагнитные дефлекторы имеют максимальный угол качания ±12,5° 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 Х-сканатора, и отклоняется по оси х. Отклоненный таким образом луч попадает на второе зеркало 7-сканатора, установленное под углом 90° по отношению к первому. 7-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 ±5° 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 пьезо-актюаторами 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 À=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 (а) на поверхности появляется изображение с разверткой А.

Для проведения экспериментов использовалось следующее оборудование: генератор звуковой Г3-33, 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-

Пьезоэлектрический двухкоординатный дефлектор маркирующего лазера 31

лась ширина развертки на поверхности А. При известном расстоянии Ь (3 м) определялся угол а. 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 а изменяется при увеличении напряжения (кривая 1) и его уменьшении (кривая 2).

Рис. 2

При изменении частоты напряжения изменение геометрических форм проецируемого изображения не наблюдалось. Исследования при и = 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.

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.

Режим работы отклоняющей системы реализуется методом построчной развертки при помощи системы управления

8 мм 600 мм

б)

Рис. 5

Экспериментальные исследования опытного образца пьезоэлектрического двухкоорди-натного дефлектора дали следующие результаты:

— углы качания зеркала а = ±5° 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.

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

Рекомендована кафедрой мехатроники СПбГУ ИТМО

Сведения об авторах аспирант; Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, кафедра автоматов; E-mail: kia@newlaser.ru д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, кафедра автоматов; E-mail: 123smirnov@list.ru

Поступила в редакцию 15.06.09 г.

УДК 621.865.8 - 781.2.001.63

А. Б. Смирнов, И. А. Крушинский

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СХВАТА С РЕЗОНАНСНЫМ ОЧУВСТВЛЕНИЕМ И МИКРОПОЗИЦИОНИРОВАНИЕМ

Рассмотрен миниатюрный пьезоэлектрический схват, позволяющий осуществлять микропозиционирование захватываемых объектов и имеющий очувствление без дополнительных датчиков. Показана возможность применения схвата в составе экспериментального стенда для проведения лабораторных работ. Экспериментально определена зависимость микропозиционирования от управляющего электрического напряжения и исследован метод очувствления схвата путем включения пальца схвата в режиме датчика.

Ключевые слова: пьезоэлектрический схват, биморфный пьезоэлектрический актюатор, микропозиционирование, очувствление, экспериментальный стенд.

Существующие типы схватов — электромеханические, гидравлические, пневматические — предназначены и, как правило, специально разработаны для решения конкретных задач. Однако многие из этих схватов имеют большие размеры и массу, что делает их непригодными для использования в составе микроманипуляторов и мобильных микророботов. Отсутствие адекватных микроманипуляционных систем для широкого спектра задач — от высокоточного монтажа микрокомпонентов в радиоэлектронике до сборки микромеханических устройств — послужило основанием для проведения исследования, результаты которого представлены в настоящей статье.

Для сборки и монтажа микроустройств необходимы микроманипуляторы и микрозахватные устройства, позволяющие обеспечить высокую точность и надежность позиционирования микродеталей. Для решения этих задач разработан пьезоэлектрический схват [1], конструкция которого представлена на рис.1, а. Благодаря изменению управляющего напряжения на пьезоэлектрических пальцах схвата, можно реализовать точные перемещения захваченной детали, не применяя дополнительный привод.

Для изготовления схвата были использованы два биморфных пьезоэлектрических ак-тюатора (БПА), расположенные параллельно и соединенные с несущей алюминиевой консолью. В экспериментальной модели (рис. 1, б) несущая консоль установлена на неподвижную платформу, в рабочих же образцах она должна быть установлена на манипулятор (см. рис. 2).