Надежность двухосевых сканирующих головок, применяемых в аддитивном производстве

Представлена двухосевая сканирующая система („сканатор“), предназначенная для использования в аддитивном производстве и осуществления селективного лазерного плавления металлических порошков. Сканатор состоит из трех самостоятельных узлов — коллиматора, сканирующей головки и F-theta-объектива, соединенных между собой. Цель работы — расчетно-экспериментальное обоснование принимаемых основных технических решений с точки зрения обеспечения надежности сканатора на этапе разработки конструкции и выпуска рабочей конструкторской документации. В соответствии со стандартами по надежности проведен анализ схемного решения и требований по надежности, рассмотрены причины возможных отказов и предельных состояний сканатора в процессе работы, представлены расчеты в обоснование работоспособности сканатора как в процессе эксплуатации, так и в условиях хранения и транспортирования. Приведены результаты тепловых расчетов коллиматора, сканирующей головки и F-theta-объектива. Описано влияние на оптические узлы конструкции низких (при хранении) и высоких (при эксплуатации) температур. Для сканирующих зеркал, установленных в сканирующей головке и подвергающихся воздействию больших угловых ускорений, выполнены прочностные расчеты, в том числе методом конечных элементов с применением программного обеспечения ANSYS. По результатам работы обоснована надежность элементов и сканатора в целом. Предложена методика расчета надежности сканатора. Изложены меры, рекомендованные для внесения изменений в конструкцию с целью повышения ее надежности. Выработанные рекомендации были реализованы в процессе изготовления опытного образца сканатора.

1. Yoder P. R., Jr., Vukobratovich D. Opto-Mechanical Systems Design. CRC Press, 2015. 867 р.

2. Handbook of Optical and Laser Scanning / Ed. G. F. Marshall and G. E. Stutz. CRC Press: Taylor & Francis Group, LLC, 2012. 789 p.

3. https://www.cambridgetechnology.com/

4. https://www.scanlab.de/

5. https://www.raylase.de/

6. http://sino-galvo.com/

7. Надежность технических систем. Справочник / Под ред. И. А. Ушакова М.: Радио и связь, 1985. 608 с.

8. Кузнецов Н. Л. Надежность электрических машин: Учеб. пособие. М.: Изд. дом МЭИ, 2006. 432 с.

9. Гольдберг О. Д., Хелемская С. П. Надежность электрических машин. М.: Изд. центр „Академия“, 2010. 288 с.

10. Столов Л. И., Афанасьев А. Ю. Моментные двигатели постоянного тока. М.: Энергоатомиздат, 1989. 224 с.

11. Гридин В. М. Электромагнитные характеристики моментных бесконтактных двигателей постоянного тока // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. № 2. С. 75—86.

12. Гридин В. М. Бесконтактный двигатель постоянного тока с коммутацией обмотки двумя транзисторами // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2017. № 4. C. 54—63. DOI: 10.18698/0236-3933-2017-4-54-63.

13. Кенио Т., Нагамори С. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1989. 184 с.

14. Осин И. Л., Юферов Ф. М. Электрические машины автоматических устройств. М.: Изд. дом МЭИ, 2003. 424 с.

15. Баранов М. В., Бродовский В. Н., Зимин А. В., Каржавов Б. Н. Электрические следящие приводы с моментным управлением исполнительными двигателями. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. 240 с.

16. Лифанов В. А. Расчет электрических машин малой мощности с возбуждением от постоянных магнитов: Учеб. пособие. Челябинск: Изд. центр ЮУрГУ, 2010. 164 с.

17. Лютаревич А. Г., Долингер С. Ю., Чепурко Н. Ю., Хацевский К. В., Лохман Е. А. Вопросы проектирования электродвигателей постоянного тока с высококоэрцитивными магнитами // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 5. С. 1—9 [Электронный ресурс]: science-education.ru/ru/article/view?id=15250, 12.08.2022.

18. Овсянников В. Н. Моментный двигатель с ограниченным углом поворота ротора: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Самара, 2014. 180 с.

19. Godineau K., Lavernhe S., Tournier C. Calibration of galvanometric scan heads for additive manufacturing with machine assembly defects consideration // Additive Manufacturing, 2019. N 1. P. 1—10. DOI: 10.1016/j.addma.2019.02.003.

20. Расчет показателей надежности радиоэлектронных средств / С. М. Боровиков, И. Н. Цырельчук, Ф. Д. Троян; Под ред. С. М. Боровикова. Минск: БГУИР, 2010. 68 с.