MM Magazyn Przemysłowy | nr 6/2018: "Wiązka laserowa pod pełną kontrolą"




Wiązka laserowa jest jednocześnie bardzo precyzyjnym i bardzo wrażliwym narzędziem. Na niepożądaną zmianę jej parametrów mogą wpływać zarówno prace serwisowe i zmiana lokalizacji urządzenia, jak i zwykłe zużycie układów optycznych i mechanicznych maszyny. To zaś może prowadzić do powstawania braków i spadku jakości i wydajności produkcji. Dlatego kwestią niezwykłej wagi dla posiadaczy urządzeń laserowych jest okresowa kontrola parametrów owego niewidzialnego – bądź co bądź – narzędzia. Z pomocą przychodzą tu czujniki pomiarowe, które umożliwiają przeprowadzanie precyzyjnych pomiarów wiązki i promieniowania laserowego w rzeczywistych warunkach produkcyjnych.


Urządzenia laserowe znane są ze swojej niezawodności: wiązka laserowa jako narzędzie nie ulega zużyciu i może potencjalnie cechować się takimi samymi parametrami przez cały okres użytkowania źródła laserowego. Zużyciu lub zabrudzeniu ulegają jednak poszczególne komponenty systemu laserowego, w tym przede wszystkim szkiełka ochronne, lustra, dysze i soczewki. Zabrudzone lustra czy szkiełka ochronne optyki mogą zmienić przebieg wiązki i jej charakterystykę w ognisku, prowadząc do odchyłek i spadku efektywności pracy urządzenia. Zużycie nie jest jednak jedynym czynnikiem mogącym oddziaływać na parametry wiązki laserowej w ognisku. Ich mnogość powoduje, że szczególnego znaczenia nabiera kwestia badania owych parametrów – zarówno ad hoc, jak i w regularnych odstępach czasu.


Cel przeprowadzania pomiarów wiązki laserowej


Jednym z podstawowych zastosowań czujników do pomiaru parametrów wiązki laserowej jest pierwsze uruchomienie urządzenia. Każda nowo dostarczona maszyna laserowa wymaga wstępnej kalibracji w celu ustalenia właściwych parametrów pracy. Proces ten powinien obejmować także pomiar parametrów wiązki, aby stwierdzić, czy jej właściwości zgadzają się z tymi deklarowanymi przez producenta. Taka wstępna weryfikacja stanowi także punkt wyjścia do przeprowadzania przyszłych pomiarów: zebrane dane mogą zostać potem wykorzystane jako wartości referencyjne przy badaniu parametrów wiązki w sytuacji, gdy wyniki obróbki odbiegają od oczekiwanych.




Czujniki do pomiaru energii impulsów wiązki laserowej marki Coherent


Ponowna weryfikacja parametrów będzie konieczna również po przeprowadzeniu prac serwisowych na maszynie. Wymiana czy czyszczenie poszczególnych komponentów może bowiem istotnie wpłynąć na właściwości wiązki laserowej.


W aplikacjach wymagających najwyższej precyzji wykonania pomiary mogą być wykorzystywane do określenia poziomu stabilności termomechanicznej komponentów maszyny. Jeśli stabilność ta nie jest wystarczająca, np. ze względu na zużywanie się elementów optycznych prowadzenia wiązki, może to skutkować nagrzewaniem się i zmianą właściwości poszczególnych komponentów układów w trakcie obróbki laserowej, co z kolei może sprzyjać tzw. wędrowaniu wiązki w obszarze ogniska (focus shift). To zaś powoduje – niekiedy znaczne – odchyłki od zadanych parametrów, których zniwelowanie wymaga poznania ich przyczyn i zakresu.


W czasach rosnącej konkurencji i towarzyszącej jej presji na skrócenie czasu produkcji przy utrzymaniu wysokiej jakości i powtarzalności wyrobów pomiary parametrów wiązki zyskują na znaczeniu także jako element szeroko zakrojonych strategii optymalizacji procesów produkcyjnych. Okresowy pomiar parametrów wiązki przed i w trakcie obróbki umożliwia ich weryfikację na różnych etapach procesu wytwarzania, a tym samym dokładną analizę miejsc powstawania ewentualnych błędów i zmienności parametrów wiązki w czasie.


Główni odbiorcy czujników do pomiaru wiązki laserowej




Dzięki odpowiednim złączom czujniki można sparować z kompatybilnym miernikiem lub dowolnym komputerem


Wszystkie te zabiegi mają jeden nadrzędny cel, którym jest poprawa pozycji konkurencyjnej przedsiębiorstwa na globalnych i regionalnych rynkach przez eliminację błędów, optymalizację prędkości obróbki oraz zwiększenie powtarzalności i dokładności wykonania produktów. Ma to szczególne znaczenie w produkcji seryjnej, np. w branży motoryzacyjnej, która jest jednym z największych odbiorców urządzeń laserowych, a także dedykowanych rozwiązań integrujących laser z systemami automatyzacji i robotami przemysłowymi.


Jej śladem podążają jednak także inne sektory, w tym przemysł produkcji opakowań, lotniczy czy metalowy, a nawet branża medyczna, która nieprzypadkowo pojawia się w tym zestawieniu. Jest ona bowiem segmentem, który przykłada szczególną wagę do precyzji wykonania detali. Mikroskopijne stenty i implanty tworzone przy wykorzystaniu technologii laserowej muszą cechować się powtarzalnością i dokładnością rzędu mikronów. W tego typu aplikacjach kwestia prędkości obróbki schodzi na dalszy plan, zaś pomiary wykorzystywane są przede wszystkim do dokładnego sparametryzowania wiązki i określenia jej niezmienności w przestrzeni i czasie w celu optymalizacji jakości poszczególnych wyrobów. Nie bez powodu właśnie ten sektor uznawany jest za jeden z bardziej przyszłościowych rynków dla laserowych systemów pomiarowych i szerzej: technologii laserowych sensu largo.


Ważnym odbiorcą tego typu systemów jest też niezmiennie sektor badań i rozwoju, w tym uczelnie, instytuty badawcze i prywatne laboratoria. Podobnie jak Internet narodził się w bazach wojskowych, tak technologie pomiarowe wiązki laserowej miały swój początek właśnie w laboratoriach, gdzie stosowano je najpierw do testowania prototypowych systemów laserowych, aby następnie płynnie przejść do analizy samych procesów obróbki laserowej pod kątem optymalizacji jej parametrów do potrzeb poszczególnych sektorów przemysłu. Dziś aplikacje te są nadal jednym z istotnych aspektów działalności jednostek badawczych, niekiedy przybierając formę działalności usługowej na rzecz konkretnych klientów przemysłowych.


Rodzaje mierzonych parametrów


Owemu prężnemu wzrostowi zakresu zastosowań czujników pomiarowych towarzyszy równoległy rozwój ich konstrukcji i funkcji w kierunku stworzenia szerokiej oferty systemów do pomiaru różnorodnych parametrów wiązki. I choć dziś nadal najpopularniejszym zastosowaniem owych systemów jest analiza mocy i/lub energii wiązki laserowej, oferowane na rynku czujniki mogą również mierzyć częstotliwość impulsów, parametry poszczególnych impulsów, w tym ich szerokość i kształt, moc szczytową, zakłócenia, odchyłki od zadanych parametrów, kierunek propagacji wiązki, a także jej ogólną charakterystykę z uwzględnieniem długości fali i kształtu w czasie i przestrzeni.




Budowa poszczególnych typów czujników: a) termoelektrycznych, b) piroelektrycznych, c) z matrycą fotodiodową


Ich możliwości dopełniają specjalistyczne kamery o zakresie pomiarowym odpowiadającym zakresowi długości fali źródła laserowego. Są one wykorzystywane do analizy promieniowania odbitego emitowanego przez laser. Badanie takie stanowi podstawę wyboru odpowiedniego wyposażenia ochronnego ograniczającego ryzyko ekspozycji na promieniowanie laserowe. Więcej informacji na temat zasad doboru tego typu produktów zamieszczono w numerze 4/2018 MM Magazynu Przemysłowego w artykule „ABC ochrony zdrowia przy laserowej obróbce materiałów”.


Ów szeroki zakres możliwości pomiarowych znajduje odzwierciedlenie w bogatej ofercie czujników dostępnych na rynku. Oferta ta jest bowiem tak sprofilowana, aby każdy użytkownik mógł dobrać urządzenie precyzyjnie dopasowane do potrzeb jego aplikacji. W praktyce oznacza to, że katalogi czujników do pomiaru parametrów wiązki laserowej obejmują setki pozycji różniących się od siebie zarówno zastosowaną technologią, jak i zakresem pomiarowym.


Główne typy czujników dostępnych na rynku


Najważniejszym kryterium różnicującym jest w tym przypadku wspomniana technologia pomiarowa, która pozwala podzielić dostępne na rynku czujniki na trzy główne typy: systemy termoelektryczne, piroelektryczne oraz oparte na fotodiodach.


Pierwszy z nich – czujniki termoelektryczne – działają na zasadzie termopary, wykorzystując zjawisko Seebecka, które polega na powstawaniu siły elektromotorycznej (różnicy potencjałów) w obwodzie zawierającym dwa metale lub półprzewodniki pod wpływem różnicy temperatur na ich złączach. W czujnikach tego typu jedno złącze umieszczane jest w strefie pomiaru, a drugie utrzymywane jest w stałej temperaturze odniesienia. Warunkiem ich funkcjonowania jest wysokie przewodnictwo cieplne zastosowanego obwodu elektrycznego. Zaletą czujników termoelektrycznych są niewielkie rozmiary i duża dokładność pomiarów mocy ciągłej wiązki laserowej (CW) oraz energii długich impulsów (1 ms do 10 s). Wadą jest natomiast mała szybkość odpowiedzi, która uniemożliwia wykorzystanie ich do pomiarów energii krótszych impulsów.


Zjawisko powstawania siły elektromotorycznej pod wpływem zmian temperatury wykorzystywane jest także w czujnikach piroelektrycznych. W odróżnieniu od swoich dalekich kuzynów nie wymagają one jednak stosowania termopar, gdyż efekt zmiany temperatury wywoływany jest przez ogrzanie kryształu piroelektrycznego o właściwościach silnie izolacyjnych. Kryształ ten następnie powoli samoistnie się wychładza. Właściwość tę należy wziąć pod uwagę przy odczytywaniu wyniku pomiaru: w czujnikach tego typu strata ładunku przekłada się bowiem na spadek odczytów pomiarowych, dlatego właściwym wynikiem będzie ten odczytany przy maksymalnym wychyleniu wskaźnika pomiarowego. W przeciwieństwie do czujników termoelektrycznych systemy piroelektryczne wykorzystywane są głównie do pomiaru skumulowanej energii impulsu. Nie nadają się natomiast do pomiaru mocy wiązki w trybie pracy ciągłej ani rozkładu energii impulsu w czasie.


Słabości dwóch poprzednich typów czujników rekompensują systemy z matrycą fotodiodową, które są w stanie z dużą prędkością mierzyć energię impulsu, także w rozkładzie czasowym. W czujnikach tego typu siła elektromotoryczna generowana jest na skutek zmiany rozkładu elektronów w diodzie pod wpływem absorpcji światła wiązki laserowej. Jednak i te systemy mają swoje ograniczenia wynikające z niewielkich rozmiarów matrycy (zawężony obszar pomiarowy) oraz relatywnie małego zakresu rejestrowanych długości fali (od światła widzialnego po bliską podczerwień).




Czujnik PowerMax-Pro marki Coherent z nowatorską matrycą zbudowaną z warstw aktywnych


Ciekawostką w tym kontekście może być nowe rozwiązanie zaproponowane przez amerykańską firmę Coherent specjalizującą się w rozwijaniu technologii laserowych i pomiarowych. Zaprezentowany przez nią niedawno czujnik PowerMax-Pro – dzięki wykorzystaniu matrycy pomiarowej składającej się z cienkich warstw aktywnych – umożliwia przeprowadzanie szybkich pomiarów zarówno mocy wiązki w trybie CW, jak i skumulowanej energii impulsu oraz jej rozkładu w czasie. Bardzo krótki czas pomiaru (< 10 µs) oraz różnorodne wymiary matryc (> 30 mm) sprawiają, że czujnik może być stosowany w wielu aplikacjach i sektorach przemysłu.


Przebieg pomiaru parametrów wiązki laserowej


Niezależnie od zastosowanej technologii zasada przeprowadzania pomiarów przy wykorzystaniu czujników do pomiaru parametrów wiązki laserowej jest podobna: rozogniskowana wiązka pada na powierzchnię matrycy, która dzięki odpowiedniemu materiałowi wykonania absorbuje ją i przetwarza na impulsy rejestrowane i odczytywane przy wykorzystaniu dedykowanego oprogramowania. Przeprowadzenie tego typu pomiaru jest relatywnie proste i sprowadza się do kilku istotnych zasad, których przestrzeganie warunkuje długą żywotność czujnika oraz prawidłowy wynik pomiaru. Najważniejszą kwestią, o której należy pamiętać jest bez wątpienia fakt, że w urządzeniach tego typu pomiar nie może być wykonywany w ognisku wiązki, a więc w punkcie skumulowanego nagromadzenia energii na powierzchni. Dlatego przed jego rozpoczęciem należy się upewnić, że gęstość krytyczna wiązki (średnica i moc) w punkcie pomiaru nie przekraczają dopuszczalnych wartości dla danego czujnika.


Sam pomiar realizowany jest automatycznie w trakcie emisji wiązki laserowej. Należy jedynie pamiętać, aby czas emisji (realizacji programu) odpowiadał co najmniej minimalnemu czasowi wykonywania pomiaru określonemu w instrukcji urządzenia pomiarowego. W przypadku układów optycznych galwo zaleca się ponadto dynamiczną zmianę pozycji wiązki w trakcie przeprowadzania pomiaru.




Obraz promieniowania rozproszonego o długości fali 1064 nm zarejestrowany kamerą bliskiej podczerwieni


Wynik można odczytać w dedykowanym programie komputerowym. W starszych typach czujników należało ponadto pamiętać, aby zachować odpowiedni odstęp czasowy między pomiarami niezbędny do wychłodzenia urządzenia. W dostępnych dziś na rynku rozwiązaniach problem ten został zniwelowany dzięki zintegrowanym układom chłodzenia powietrzem lub wodą. Pierwsze z nich stosuje się zwykle w czujnikach do pomiarów relatywnie małej mocy/energii wiązki laserowej. Poza wykorzystaniem naturalnego obiegu powietrza układy takie mogą być wyposażone we wbudowany wentylator wymuszający ruch powietrza. Z kolei zintegrowane układy chłodzenia wodą stosowane są z reguły w czujnikach do pomiaru dużych mocy oraz pracujących w aplikacjach wymagających dłuższej pracy urządzenia (np. w celu sprawdzenia stabilności termicznej źródła laserowego).


Kierunki rozwoju czujników pomiaru wiązki laserowej




Przebieg impulsu o długości 6,2 ms, częstotliwości 2,5 Hz i długości fali 1064 nm mierzony za pomocą miernika Coherent FieldmaxII z detektorem OP-2 IR


Jeśli aplikacja wymaga regularnej kontroli jakości i parametrów wiązki laserowej, czujnik można na stałe zamontować na stanowisku obróbki laserowej. Tego typu stały monitoring może być coraz częściej realizowany także przy wykorzystaniu technologii Bluetooth, która coraz odważniej wkracza również do sektora produkcji systemów pomiarowych, umożliwiając ich pełną integrację z systemami sterowania maszyn i całego zakładu. Spełniając założenia koncepcji inteligentnej fabryki, połączone w jedną sieć czujniki są w stanie zdalnie przeprowadzać pomiary parametrów wiązki laserowej, na bieżąco informować o swoim stanie, a nawet aktywnie komunikować się z innymi systemami pomiarowymi. Funkcje te można wykorzystać np. w procesach spawania laserowego z użyciem czujników kontroli ścieżki spoiny i jakości wykonania połączenia w trybie online. Połączone w jedną sieć czujniki mogą potencjalnie dostarczać pełnych informacji nie tylko na temat samej spoiny, ale także jakości wiązki, co umożliwiłoby płynną regulację mocy wiązki w zależności od wyników procesu spawania.


Zastępując stosowane dzisiaj powszechnie złącza USB/RS umożliwiające połączenie czujnika z komputerem lub standardowym miernikiem, technologia Bluetooth mogłaby zrewolucjonizować podejście do pomiarów, a w opinii ekspertów – także obniżyć ich koszty jednostkowe choćby przez redukcję liczby personelu odpowiedzialnego za ich przeprowadzanie czy niezbędnego w tych procesach sprzętu. Nie jest to jednak jedyny kierunek zmian obserwowanych ostatnio na tym prężnie rozwijającym się rynku. Wyraźnie dostrzec tu można również tendencję do „uprzemysłowienia” oferty czujników, tj. wyposażania ich w wytrzymałe obudowy, wydajne chłodzenie i zintegrowane złącza kompatybilne z podstawowymi typami interfejsów stosowanych w sektorze przetwórczym.




Interfejs programu PowerMax USB/RS Sensor System firmy Coherent do pomiaru mocy/energii wiązki laserowej


Zmianie ulega również samo oprogramowanie komputerowe: uzupełniane o nowe przydatne funkcje pozwala na uzyskanie szczegółowych informacji na temat parametrów wiązki oraz ich pełną wizualizację na ekranie dowolnego komputera, tabletu lub – coraz częściej – smartfona. Wspólnym mianownikiem tych zmian jest dążenie do sprostania wyzwaniom nowoczesnej produkcji i szerzej: Przemysłu 4.0, który zakłada pełną integrację wszystkich urządzeń w ramach jednej sieci oraz aktywną komunikację i interakcję między poszczególnymi komponentami maszyn i systemów.


 

PolandEnglish