Результат интеллектуальной деятельности: Генератор импульсов ионизации

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при создании мощных технологических электроразрядных лазеров импульсно-периодического действия на углекислом газе и окиси углерода с несамостоятельным тлеющим разрядом с импульсной емкостной ионизацией, например ([1] с. 165-169).

Известна схема управления мощностью излучения газового лазера, содержащая блок управления мощностью с резонатором. Управление производится путем изменения оптической среды резонатора. Это устройство не позволяет управлять мощностью излучения лазера пропорционально частоте импульсов ионизации (Способ управления мощностью излучения газового лазера, SU 1806475 A3, H01S3/104, 1995).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является генератор импульсов ионизации (Генератор импульсов ионизации, заявка на изобретение № 2021128271. Приоритет: 28.09.2021. Решение о выдаче патента от 24.05.2022).

Недостатком указанного решения является то, что такой генератор не обеспечивает работу лазера в режиме точной юстировки, который предназначен для получения максимальной мощности лазерного излучения в непрерывном режиме путем настройки выходного зеркала резонатора. При технологической работе лазера требуется периодическая юстировка из-за источников вибрации в самом лазере, таких как вакуумный насос и вентилятор (компрессор), которые приводят к разъюстировке выходного зеркала ([1] с. 238-239). При юстировке отключается автоматическая регулировка мощности лазерного излучения.

В прототипе это производится переключением тумблера SA1. При работе лазера в непрерывном режиме тумблер SA1 может быть установлен в положение 1 или 2. Если тумблер SA1 установлен в положение 2, то осуществляется автоматическая регулировка мощности излучения. В положении 1 выходной сигнал Уст W с выхода третьего повторителя напряжения 8 непосредственно поступает на вход генератора частоты ионизации 14, задавая мощность лазерного излучения. Автоматическая регулировка мощности излучения отсутствует и можно проводить юстировку излучения в режиме с предварительно установленными параметрами излучения. Такая грубая юстировка проводится вручную, требует высокой квалификации и не может обеспечить получение максимальной мощности излучения, а только приближается к ней. Для получения максимальной мощности излучения необходимо обеспечить отключение автоматической регулировки мощности и в режиме изменения параметров излучения непосредственно в процессе лазерной обработки (технологический режим), что позволит использовать алгоритмические методы поиска максимума мощности, например метод координатного спуска, градиентный метод или метод Ньютона ([2] с. 72-96), которые могут точно определить максимум мощности излучения.

Увеличение мощности излучения расширяет технологические возможности лазера, увеличивая толщину обрабатываемых материалов и скорость лазерной обработки.

С точки зрения практической реализации генератора импульсов ионизации необходимо дополнительно обеспечить точную юстировку излучения в режиме изменения параметров излучения непосредственно в процессе лазерной обработки для расширения технологических возможностей лазера.

Задачей изобретения и техническим результатом является расширение технологических возможностей лазера, позволяя в результате точной юстировки в режиме изменения параметров излучения непосредственно в процессе лазерной обработки (технологический режим), получить максимальную мощность излучения, что приводит к увеличению толщины обрабатываемых материалов и скорости лазерной обработки.

Раскрытие изобретения. Поставленная задача достигается использованием генератора частоты ионизации, последовательно соединенном с источником ионизации лазера, имеющим приемник излучения, а также шести резисторов, ограничителя мощности излучения, ограничителя сигнала управления, пороговой схемы, генератора низкой частоты, четырех повторителей, усилителя, двух тумблеров, измерителя мощности излучения, двух формирователей, компаратора, ключа, преобразователя напряжение-частота, трех реле и перемычки к которым добавляются два реле, причем выход третьего повторителя соединен с первым контактом пятого реле, третий контакт которого соединен с выходом четвертого повторителя, а второй контакт соединен с входом генератора частоты ионизации, третий контакт первого тумблера соединен с третьим контактом четвертого реле, первый контакт которого соединен с цифровым сигналом управляющим юстировкой, а второй контакт соединен полюсом пятой катушки реле, второй полюс которой и первый контакт первого тумблера соединены с общей точкой - землей, а второй контакт первого тумблера соединен с положительным напряжением питания, третий контакт второго тумблера соединен с полюсом четвертой катушки реле, второй полюс которой соединен с общей точкой - землей, первый резистор соединен с третьим контактом первого реле, первый контакт которого соединен с аналоговым сигналом управления частотой импульсного режима F ИППР, а второй контакт соединен с входом первого повторителя напряжения, второй резистор соединен с третьим контактом второго реле, первый контакт которого соединен с аналоговым сигналом управления коэффициентом заполнения импульсного режима К ЗАП, а второй контакт соединен с первым входом компаратора, третий резистор соединен с третьим контактом третьего реле, первый контакт которого соединен с аналоговым сигналом управления мощностью излучения лазера от устройства управления УПР W или технологического устройства УПР W ВН в зависимости от положения перемычки, а второй контакт соединен с входом второго повторителя напряжения, причем один полюс катушки первого, второго и третьего реле соединены с третьим контактом второго тумблера, а второй полюс катушки первого, второго и третьего реле и второй контакт второго тумблера соединены с общей точкой - землей, а первый контакт второго тумблера соединен с положительным напряжением питания, первый повторитель напряжения последовательно соединен с преобразователем напряжение-частота, выход которого связан со вторым входом компаратора, выход которого соединен с управляющим входом ключа, выход которого соединен с выходом второго повторителя, который последовательно соединен с входом третьего повторителя, при этом четвертый резистор, соединен с входом ограничителя мощности излучения, пятый резистор связан с входом ограничителя сигнала управления, шестой резистор соединен с входом пороговой схемы, при этом выход ограничителя мощности излучения соединен с входом третьего повторителя, выход которого соединен с первым входом усилителя, второй вход которого соединен с выходом измерителя мощности излучения, а выход связан с входом четвертого повторителя напряжения, выход которого соединен с выходом ограничителя сигнала управления, выход пороговой схемы соединен с входом генератора частоты ионизации, выход которого соединен с входами первого и второго формирователей, выходы которых соединены с источником ионизации лазера, выход приемника излучения которого соединен с входом измерителя мощности излучения.

Краткое описание чертежей. На фигуре изображена схема предложенного устройства, где 1 - первый повторитель напряжения, 2 - преобразователь напряжение-частота, 3 - компаратор, 4 - генератор низкой частоты, 5 - второй повторитель напряжения, 6 - ключ, 7 - ограничитель мощности излучения, 8 - третий повторитель напряжения, 9 - измеритель мощности излучения, 10 - усилитель, 11 - четвертый повторитель напряжения, 12 - ограничитель сигнала управления, 13 - пороговая схема, 14 - генератор частоты ионизации, 15 - первый формирователь импульсов, 16 - второй формирователь импульсов, 17 - лазер с источником ионизации, R1, R2, R3, R4, R5, R6 - переменные резисторы, SA1, SA2 - тумблеры, S1 перемычка, К1, К2, К3, К4, К5 катушки реле с контактами К1.1, К2.1, К3.1, К4.1, К5.1 соответственно.

Осуществление изобретения. Конструкция устройства в статическом состоянии содержит генератор частоты ионизации, последовательно соединенный с источником ионизации лазера, имеющим приемник излучения, а также шесть резисторов, ограничитель мощности излучения, ограничитель сигнала управления, пороговую схему, генератор низкой частоты, четыре повторителя, усилитель, два тумблера, измеритель мощности излучения, два формирователя, компаратор, ключ, преобразователь напряжение-частота, три реле и перемычка к которым добавляются два реле, причем выход третьего повторителя соединен с первым контактом пятого реле, третий контакт которого соединен с выходом четвертого повторителя, а второй контакт соединен с входом генератора частоты ионизации, третий контакт первого тумблера соединен с третьим контактом четвертого реле, первый контакт которого соединен с цифровым сигналом управляющим юстировкой, а второй контакт соединен полюсом пятой катушки реле, второй полюс которой и первый контакт первого тумблера соединены с общей точкой - землей, а второй контакт первого тумблера соединен с положительным напряжением питания, третий контакт второго тумблера соединен с полюсом четвертой катушки реле, второй полюс которой соединен с общей точкой - землей, первый резистор соединен с третьим контактом первого реле, первый контакт которого соединен с аналоговым сигналом управления частотой импульсного режима F ИППР, а второй контакт соединен с входом первого повторителя напряжения, второй резистор соединен с третьим контактом второго реле, первый контакт которого соединен с аналоговым сигналом управления коэффициентом заполнения импульсного режима К ЗАП, а второй контакт соединен с первым входом компаратора, третий резистор соединен с третьим контактом третьего реле, первый контакт которого соединен с аналоговым сигналом управления мощностью излучения лазера от устройства управления УПР W или технологического устройства УПР W ВН в зависимости от положения перемычки, а второй контакт соединен с входом второго повторителя напряжения, причем один полюс катушки первого, второго и третьего реле соединены с третьим контактом второго тумблера, а второй полюс катушки первого, второго и третьего реле и второй контакт второго тумблера соединены с общей точкой - землей, а первый контакт второго тумблера соединен с положительным напряжением питания, первый повторитель напряжения последовательно соединен с преобразователем напряжение-частота, выход которого связан со вторым входом компаратора, выход которого соединен с управляющим входом ключа, выход которого соединен с выходом второго повторителя, который последовательно соединен с входом третьего повторителя, при этом четвертый резистор, соединен с входом ограничителя мощности излучения, пятый резистор связан с входом ограничителя сигнала управления, шестой резистор соединен с входом пороговой схемы, при этом выход ограничителя мощности излучения соединен с входом третьего повторителя, выход которого соединен с первым входом усилителя, второй вход которого соединен с выходом измерителя мощности излучения, а выход связан с входом четвертого повторителя напряжения, выход которого соединен с выходом ограничителя сигнала управления, выход пороговой схемы соединен с входом генератора частоты ионизации, выход которого соединен с входами первого и второго формирователей, выходы которых соединены с источником ионизации лазера, выход приемника излучения которого соединен с входом измерителя мощности излучения.

Генератор низкой частоты 4 включает первый повторитель напряжения 1, второй повторитель напряжения 5, преобразователь напряжение-частота 2, компаратор 3, ключ 6, переменные резисторы R1, R2, R3, перемычку S1 и контакты К1.1, К2.1, К3.1 реле К1, К2, К3 соответственно. Переменные резисторы R1, R2, R3 представляют собой регулировочные резисторы СП5-35Б ([3] с. 263-265). Повторители напряжения 1, 5, 8, 11 используются в качестве буфера (преобразователя сопротивления), обладая большим входным и малым выходным сопротивлениями. Повторители напряжения 1, 5, 8, 11 реализованы на базе операционного усилителя КР140УД708 ([4] с. 160). Преобразователь напряжение-частота реализован на базе операционных усилителей КР140УД608, К553УД2 и транзистора КП302АМ ([5] с. 119 схема 4). Компаратор 3 представляет собой однопороговую схему сравнения, реализованную на базе операционного усилителя К553УД2 ([4] с. 213-214). Ключ 6, представляет собой транзисторный ключ, реализованный на транзисторе КТ3102БМ ([4] с. 90-92). Реле К1, К2, К3, К4, К5 реализованы на реле РЭС-55А ([6] с. 586-589). Перемычка S1 представляет собой проволочную перемычку, которая может быть установлена в двух положениях 1-3 или 2-3. Переменные резисторы R4, R5, R6 представляют собой регулировочные резисторы СП3-30к ([3] с. 217-222). Ограничители 7, 12 представляет собой диодный ограничитель на диоде КД 521А, управляемый компаратором, реализованным на операционном усилителе КР140УД708 ([4] с. 74, с 213-214). Измеритель мощности излучения 9 представляет собой дифференциальный усилитель сигнала приемника излучения лазера 17, реализованный на операционном усилителе 153УД5 ([5] с. 166). Усилитель 10 представляет собой инвертирующий усилитель, реализованный на операционном усилителе КР140УД608 ([4] с. 157-159). Тумблеры SA1, SA2 реализованы на тумблере МТ1. Пороговая схема 13 представляет собой транзисторный ключ на транзисторе КТ3102БМ, управляемый компаратором на операционном усилителе К553УД2 ([4] с. 90-92, 213-214). Генератор частоты ионизации 14 реализован по схеме аналогичной генератору низкой частоты 4 и настроен на генерацию импульсов с изменяемой частотой 500-5000 Гц и скважностью 50%. Формирователи импульсов 15, 16 представляют собой компараторы, реализованные на операционных усилителях К553 УД2 ([4] с. 213-214). Лазер 17 представляет собой лазер комбинированного действия «Лантан-3» ([1] с. 165-169).

Действие устройства основано на том, что генератор низкой частоты 4 формирует импульсы частотой 10-500 Гц с регулируемым коэффициентом заполнения и амплитудой 0-10 В. При коэффициенте заполнения 100% генератор вырабатывает постоянное напряжение регулируемой амплитуды, и режим работы лазера становится непрерывным. Амплитуда импульсов задает мощность излучения лазера.

Для работы лазера в режиме с предварительно установленными параметрами лазерного излучения (наладочный режим), тумблер SA2 переводится в первое положение НАЛ, реле К1, К2 и К3 включены, их вторые контакты соединены с третьими (К1.1, К2.1 и К3.1) и подключены к переменным резисторам R1, R2 и R3 соответственно.

Переменный резистор R1 через буфер на первом повторителе 1 задает напряжение, определяющее частоту импульсного режима, которое поступает на вход преобразователя напряжение-частота 2. На выходе преобразователя напряжение-частота 2 формируется пилообразное напряжение амплитудой 0-10 В, которое поступает на вход 2 компаратора 3. Переменный резистор R2 задает напряжение определяющее коэффициент заполнения, которое поступает на вход 1 компаратора 3. На выходе компаратора 3 формируются прямоугольные импульсы с частотой и коэффициентом заполнения определяемыми резисторами R1 и R2 соответственно, которые поступают на управляющий вход ключа 6. Переменный резистор R3 через буфер на втором повторителе напряжения 5 задает напряжение, определяющее мощность излучение лазера, которое шунтируется на землю ключом 6 с частотой и коэффициентом заполнения определяемыми резисторами R1 и R2. Таким образом, на выходе второго повторителя 5 формируется импульсный сигнал с частотой, коэффициентом заполнения и амплитудой заданными резисторами R1, R2 и R3 соответственно.

Для работы лазера в режиме изменения параметров излучения непосредственно в процессе лазерной обработки (технологический режим), тумблер SA2 переводится во второе положение ТЕХ, реле К1, К2 и К3 выключены, их вторые контакты соединены с первыми (К1.1, К2.1 и К3.1) и подсоединены к аналоговым сигналам F ИППР, К ЗАП И УПР W соответственно. Частота импульсного режима задается аналоговым сигналом F ИППР, коэффициент заполнения импульсного режима - аналоговым сигналом К ЗАП, а мощность излучения лазера - аналоговым сигналом УПР W или УПР W ВН. Перемычка S1 позволяет управлять мощностью излучения лазера либо аналоговым сигналом управления от системы управления УПР W (положение перемычки S1 1-3), либо аналоговым сигналом управления от технологического устройства УПР W ВН (положение перемычки S1 2-3), например координатного стола, портала, вращателя или робота. Работа лазера в режиме изменения параметров излучения непосредственно в процессе лазерной обработки расширяет технологические возможности лазера.

Ограничитель мощности излучения 7 ограничивает максимальную мощность излучения W, определяемую амплитудой импульсов, при проведении наладочных работ и возникновении аварийных ситуаций, повышая надежность работы лазера. Переменный резистор R4 задает напряжение, определяющее максимальное значение мощности излучения лазера W_макс. Ограничитель мощности излучения 7 ограничивает напряжение на входе третьего повторителя 8 на уровне W< W_макс. Выходной сигнал Уст W с выхода третьего повторителя напряжения 8, задающий мощность лазерного излучения и параметры импульсно-периодического режима, поступает на неинвертирующий вход 1 усилителя 10 и контакт 1 реле К5. Контакт 3 реле К5 соединен с выходом четвертого повторителя напряжения 11, а контакт 2 - с входом генератора частоты импульсов ионизации 14. Состояние реле К5 определяется режимом работы лазера.

При работе лазера в импульсно-периодическом режиме реле К5 выключено и его второй контакт соединен с первым (К5.1). В этом случае выходной сигнал Уст W с выхода третьего повторителя напряжения 8 поступает непосредственно на вход генератора частоты ионизации 14, задавая мощность лазерного излучения и параметры импульсно-периодического режима. Автоматическая регулировка мощности излучения в импульсно-периодическом режиме отсутствует.

При работе лазера в непрерывном режиме реле К5 может быть выключено или включено. Если реле К5 выключено то его второй контакт соединен с первым (К5.1) и выходной сигнал Уст W с выхода третьего повторителя напряжения 8 поступает непосредственно на вход генератора частоты ионизации 14, задавая мощность лазерного излучения. Автоматическая регулировка мощности излучения отсутствует. Если реле К5 включено то его второй контакт соединен с третьим (К5.1) и на вход генератора частоты ионизации 14 поступает сигнал с выхода четвертого повторителя напряжения 11. Сигнал Уст W с выхода третьего повторителя напряжения 8 подается на неинвертирующий вход 1 усилителя 10. На инвертирующий вход 2 усилителя 10 подается сигнал с измерителя мощности лазерного излучения 9. На вход измерителя мощности лазерного излучения 9 подается сигнал с приемника излучения лазера 17. Усилитель 10, включенный по схеме инвертирующего усилителя, усиливает разность этих сигналов и через четвертый повторитель напряжения 11 выдает управляющий сигнал Упр F, задающий частоту импульсов ионизации, на вход генератора частоты ионизации 14. Таким образом, осуществляется автоматическая регулировка мощности излучения в непрерывном режиме работы лазера, что расширяет его технологические возможности.

Ограничитель сигнала управления 12 ограничивает максимальную частоту импульсов ионизации при возникновении аварийных ситуаций, повышая надежность работы лазера. Переменный резистор R5 задает напряжение, определяющее максимальное значение частоты ионизации лазера F_мах. Ограничитель сигнала управления 12 ограничивает напряжение на входе повторителя 11 на уровне F< F_мах.

Пороговая схема 13 предназначена для включения-выключения генератора частоты ионизации 14 с порогового значения сигнала управления Упр F. Это повышает помехозащищенность лазера, исключая срабатывание генератора частоты ионизации 14 от помех. Переменный резистор R6 задает напряжение, определяющее пороговое значение частоты ионизации лазера F пор. Пороговая схема 13 обеспечивает надежное включение-выключение генератора с частоты F>F_пор. Управляемый напряжением генератор частоты ионизации 14 вырабатывает импульсы ионизации F_пор<F< F_мах частотой 500-5000 Гц и скважностью 50%.

Первый формирователь импульсов 15 и второй формирователь импульсов 16 формируют импульсы Вых F1 и Вых F2 по фронту и спаду импульсов ионизации соответственно. Эти импульсы поступают на тиратроны источника ионизации лазера 17, которые формируют высоковольтные импульсы ионизации. Формирователи импульсов 15, 16 обеспечивают подачу только импульсов определенной длины на тиратрон, повышая надежность его работы. Формирование двух серий импульсов ионизации Вых F1 и Вых F2 позволяет повысить частоту следования импульсов ионизации, применяя два тиратрона в источнике ионизации, что расширяет технологические возможности лазера.

При работе лазера в режиме с предварительно установленными параметрами лазерного излучения (наладочный режим), тумблер SA2 переводится в первое положение НАЛ, реле К4 включено, его второй контакт соединен с третьим (К4.1) и катушка реле К5 подключена к тумблеру SA1.

Если режим юстировки выключен, тумблер SA1 находится в положении ВЫКЛ, реле К5 включено, его второй контакт соединен с третьим (К5.1) и подсоединен к выходу четвертого повторителя 11 с которого сигнал Упр F поступает на генератор частоты ионизации 14. Осуществляется автоматическая регулировка мощности излучения, юстировка невозможна.

В режиме грубой юстировки тумблер SA1 находится в положении ВКЛ, реле К5 выключено, его второй контакт соединен с первым (К5.1) и на генератор частоты ионизации 14 подается сигнал Уст W с выхода третьего повторителя 8. Автоматическая регулировка мощности излучения отсутствует, возможна юстировка излучения.

При работе лазера в режиме изменения параметров излучения непосредственно в процессе лазерной обработки (технологический режим), тумблер SA2 переводится в второе положение ТЕХ, реле К4 выключено, его второй контакт соединен с первым (К4.1) и катушка реле К5 подключена к цифровому сигналу управляющему юстировкой ЮСТИРОВКА.

Если режим юстировки выключен, сигнал ЮСТИРОВКА имеет высокий уровень «лог. 1», реле К5 включено, его второй контакт соединен с третьим (К5.1) и подсоединен к выходу четвертого повторителя 11 с которого сигнал Упр F поступает на генератор частоты ионизации 14. Осуществляется автоматическая регулировка мощности излучения и юстировка невозможна.

В режиме точной юстировки сигнал ЮСТИРОВКА имеет низкий уровень «лог. 0», реле К5 выключено, его второй контакт соединен с первым (К5.1) и на генератор частоты ионизации 14 подается сигнал Уст W с выхода третьего повторителя 8. Автоматическая регулировка мощности излучения отсутствует, возможна юстировка излучения. В режиме точной юстировки система управления, используя алгоритмические методы поиска максимумов, может вывести лазер на максимальную мощность, управляя шаговыми двигателями, установленными в блоке выходного зеркала ([1], с. 167), что приводит к увеличению толщины обрабатываемых материалов и скорости лазерной обработки.

Таким образом, предложенное устройство расширяет технологические возможности лазера.

Список использованных источников

1. Технологические лазеры. Справочник. В 2 т. / под общ. ред. Г.А. Абильситова. - М.: Машиностроение, 1991. - Т. 1. - 432 c.

2. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. - М.: Мир, 1975. - 536 с.

3. Резисторы. Справочник. / под общ. ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. - М.: Радио и связь, 1987. - 352 с.

4. Искусство схемотехники. В 2 т. / П. Хоровиц, У. Хилл. - М.: Мир, 1984. - Т.1. - 598 с.

5. Применение прецизионных аналоговых ИС. / А.Г. Алексенко и др. - М.: Радио и связь, 1981. - 224 с.

6. Справочная книга радиолюбителя-конструктора. / Под ред. Н.И.Чистякова. - М.: Радио и связь, 1990. - 624 с.