MM Magazyn Przemysłowy | nr 11/2018: "Skanery galwanometryczne w znakowaniu laserowym"



Głowice galwanometryczne, w przeciwieństwie do statycznych głowic ogniskujących wiązkę laserową, zapewniają szybką zmianę toru i wysoką precyzję pozycjonowania wiązki. Wyposażone w sterowniki umożliwiające komunikację między systemem skanującym a źródłem laserowym, pozwalają na synchroniczne sterowanie układami w osi X i Y, a niekiedy także Z. To jednak nie wszystko: najnowsze układy galvo wyposażone są w sterowniki cyfrowe, które oferują zupełnie nowe możliwości w zakresie wydajności, precyzji i monitorowania procesów.


Choć historia galwanometru sięga 1826 r., to dzisiejsze skanery galwanometryczne – skrótowo określane jako galvo – niewiele mają wspólnego ze swoim pierwowzorem. Te pierwsze wykorzystywano do wykrywania napięcia elektrycznego, a ich funkcjonowanie opierało się na zasadzie oddziaływania elektromagnetycznego między nieruchomym uzwojeniem a ruchomym magnesem, który pod wpływem zmian napięcia elektrycznego wprawiał w ruch układ odchylających się luster. Dziś funkcję tę realizują silniki rotacyjne, sterowane elektronicznie na podstawie danych z systemu wizyjnego. Główną funkcją skanera zaś jest nie pomiar napięcia, lecz precyzyjne, szybkie sterowanie ruchem wiązki laserowej w procesach obróbki, m.in. laserowego spawania i znakowania..


Budowa głowicy galvo


Aby zrozumieć, jak działa głowica galwanometryczna, warto prześledzić jej budowę. Każdy skaner galvo składa się z pewnej grupy stałych elementów, wśród których najważniejszą rolę odgrywają lustra obrotowe. Większość głowic jest wyposażona w dwa lustra na osi obrotowej połączone z dwoma napędami rotacyjnymi ze sterowaniem analogowym lub cyfrowym. Na podstawie sygnałów z systemu wizyjnego sterownik kieruje pracą napędów, które odchylają lustra pod kątem do ±12,5º. Ugięta na lustrach wiązka laserowa przechodzi przez optykę ogniskującą, w tym przypadku soczewkę f-theta. Jej cechą charakterystyczną w porównaniu z typowymi soczewkami skupiającymi wiązkę jest „odwrócony” kształt, który sprawia, że soczewka ta nie tylko koncentruje promieniowanie laserowe, ale też tak je kształtuje, że ognisko wiązki znajduje się zawsze na tej samej wysokości, niezależnie od kąta jej padania.


Taka konstrukcja głowicy galvo – typowa dla większości dostępnych dziś na rynku skanerów galwanometrycznych – umożliwia obróbkę detali w dwóch wymiarach (wzdłuż osi X i Y). Do znakowania na powierzchniach nieregularnych (wypukłych, wklęsłych itd.) stosuje się niekiedy głowice 3D, w których soczewka f-theta zastąpiona jest ruchomą soczewką ogniskującą poruszającą się w przód i w tył, co umożliwia pozycjonowanie wiązki także w osi Z.


Średnica i jakość wiązki a wymiary komponentów


Dobór głowicy galvo jest zależny od jakości i średnicy wiązki laserowej. Jakość ta, wyrażana współczynnikiem Q = M2, określa zdolność wiązki do zachowania stałych parametrów na całej długości od oscylatora do ogniska. W idealnym przypadku M2 = 1 (tzw. wiązka gaussowska). W praktyce jednak każda wiązka wykazuje pewien kąt rozbieżności zależny od rodzaju rezonatora optycznego, co z kolei przekłada się na wielkość plamki w ognisku i końcową jakość obróbki (ostrość i czytelność wykonanego znaku). Wielkość plamki jest do pewnego stopnia determinowana także przez rozmiar pola roboczego: im dłuższą drogę musi pokonać wiązka od soczewki, tym większą ogniskową musi mieć soczewka f-theta i tym większa będzie plamka. Wpływ ten można częściowo ograniczyć przez zwiększenie pozostałych parametrów, tj. średnicy wiązki, rozmiarów luster i średnicy soczewki. Jeśli jednak średnica wiązki będzie zbyt duża, może to doprowadzić do powstawania strat mocy na wyjściu z rezonatora, spowodowanych zetknięciem się wiązki z komponentami układu. Stąd też średnica ta jest zawsze pewnym kompromisem między dążeniem do ograniczenia wielkości plamki a stratami mocy wiązki.


Każda zmiana średnicy wiązki laserowej powyżej pewnego, dokładnie zdefiniowanego zakresu wymaga wymiany pozostałych komponentów, tj. soczewki f-theta i luster obrotowych. Określone klasy soczewek i luster mogą bowiem pracować tylko w danym zakresie średnic wiązki (np. dla D = 10–15 mm średnica soczewki wynosi 48 mm). Wynika to z tego, że źrenica wejściowa soczewki f-theta musi być równa iloczynowi średnicy wiązki i współczynnika rozchodzenia się wiązki lub większa (EP ≥ D1 x T). Wielkość luster jest zaś wprost zależna od maksymalnej średnicy wiązki padającej na lustra D3 ≥ D1 × T.


Zalety i ograniczenia technologii galvo


Głowice galvo stosowane są dziś najczęściej w dwóch procesach: spawania i znakowania laserowego. Swoją popularność zawdzięczają przede wszystkim wysokiej prędkości i dokładności obróbki uzyskiwanej dzięki możliwości sterowania torem wiązki bez zmiany położenia samej głowicy. W przeciwieństwie do klasycznych głowic skanujących, przemieszczanych na osiach liniowych, w systemach galwanometrycznych poruszają się jedynie lustra (a w przypadku głowic 3D – lustra i soczewka), co znacznie ogranicza czas potrzebny na pozycjonowanie głowicy, a jednocześnie zwiększa precyzję prowadzenia wiązki w przestrzeni.


Dzięki elektronicznemu sterowaniu ruchami luster oraz sprzężeniu systemów wizyjnych i sterowania źródłem laserowym układy oparte na galvo umożliwiają także korektę pozycji wiązki w czasie rzeczywistym. System wizyjny na bieżąco porównuje pozycję zadaną z rzeczywistą, a w razie stwierdzenia odchyłki wysyła sygnał do sterownika napędów, które z kolei zmieniają kąt nachylenia luster i tym samym korygują pozycję wiązki laserowej. W bardziej zaawansowanych systemach (ze sterowaniem cyfrowym) korekta ta obejmuje nie tylko pozycję, ale i moc źródła, umożliwiając dostosowanie jej do pozycji wiązki, prędkości znakowania i jego wektorów.


Skanery galwanometryczne mają jednak także ograniczenia wynikające z ich konstrukcji i zasady działania. Pierwsze dotyczy wspomnianej już wielkości pola roboczego ograniczanej przez średnicę wiązki, wymiary poszczególnych układów oraz kąt odchylenia luster. Obecnie w sprzedaży dostępne są głowice umożliwiające znakowanie detali o maksymalnych wymiarach 300 × 300 mm. Większe pola robocze wymagają zastosowania kilku równolegle pracujących źródeł laserowych ze sprzężonymi systemami galvo.


Drugie ograniczenie dotyczy ogólnej wydajności znakowania. Stanowi ona wypadkową kilku parametrów: maksymalnej prędkości skanowania w danym kierunku, czasu potrzebnego na zmianę kierunku i opóźnienia głowicy w celu kompensacji bezładności luster, co ma istotny wpływ na dokładne wypełnianie narożników. Powstające w efekcie straty czasu są częściowo kompensowane przez oszczędności generowane dzięki możliwości płynnej zmiany danych wejściowych i rodzaju znakowanych detali bez przestojów na przetwarzanie danych. Ma to istotne znaczenie w procesach obróbki seryjnej, a także w przypadku realizacji kilku procesów w ramach jednego cyklu obróbczego (np. cięcia i znakowania tabliczek znamionowych w tym samym czasie).


Skanery galwanometryczne ze sterowaniem cyfrowym


Ogólną wydajność znakowania można zwiększyć poprzez zastosowanie układów ze sterowaniem cyfrowym, które nie tylko repozycjonują wiązkę, ale też są w stanie optymalnie dostosować jej parametry do konkretnej sytuacji obróbczej. W przeciwieństwie do sterowników analogowych, bazujących na mechanizmie zamkniętej pętli i stałej strukturze sterowania z ograniczoną liczbą predefiniowanych parametrów, sterowniki cyfrowe wyposażone są w zaawansowane algorytmy sterowania bazujące na symulacji modelu galvo. Dzięki temu inteligentnie reagują na określoną sytuację, a zakres monitorowanych przez nie stanów obejmuje nie tylko rzeczywistą pozycję wiązki w porównaniu z pozycją zadaną, ale także m.in. napięcie, prądy czy temperaturę. Informacje te – zbierane przez czujniki – przesyłane są następnie do sterownika, a stamtąd za pomocą protokołów komunikacyjnych – do centralnego systemu sterowania, gdzie są na bieżąco porównywane ze stanem typowym (wzorcem). W razie stwierdzenia odchyłek (np. zbytniego wzrostu temperatury) system automatycznie zatrzyma laser, chroniąc tym samym wrażliwe komponenty i zapobiegając powstawaniu braków. Najbardziej jaskrawym przykładem użycia tej funkcji mogą być laserowe operacje oczu.


Rozszerzone funkcje komunikacji i diagnostyki mogą być wykorzystywane także do zdalnego monitoringu stanu realizowanego z poziomu centrali sterowniczej lub w chmurze. Funkcja ta umożliwia np. integratorom zdalne sprawdzanie poprawności działania systemu bez konieczności wizyty u klienta.


Optymalizacja procesu znakowania bez użycia lasera


Jednym z przykładów układu galvo ze sterowaniem cyfrowym są głowice skanujące z serii intelliSCANde i intelliSCANse firmy SCANLAB. Poza funkcjami automatycznej diagnostyki i cyfrowej komunikacji ze sterowaniem źródłem laserowym i urządzeniami peryferyjnymi skanery te umożliwiają symulacje przebiegu procesu znakowania w interfejsie użytkownika bez konieczności przeprowadzania testów w rzeczywistych warunkach produkcyjnych. Symulacja taka może być realizowana na podstawie ruchu głowicy przy wyłączonym źródle laserowym lub bez udziału głowicy – na bazie czystej symulacji komputerowej. Uzyskane wyniki porównywane są z modelem wzorcowym, a wszelkie stwierdzone odchyłki toru i prędkości wiązki są wizualizowane za pomocą różnych kolorów bezpośrednio na modelu wzorcowym. Pozwala to na dostosowanie parametrów pracy źródła laserowego do współczynnika bezwładności luster głowicy, a tym samym na optymalizację procesu znakowania bez strat materiałowych i czasowych.


W przeciwieństwie do funkcji dynamicznej zmiany algorytmów sterowania w celu realizacji procesów znakowania „on the fly”, która odgrywa istotną rolę przede wszystkim w produkcji seryjnej, możliwość tworzenia symulacji procesu znakowania przed jego realizacją ma szczególne znaczenie w obróbce jednostkowej, w tym m.in. przy wdrażaniu nowych procesów oraz świadczeniu usług laserowego znakowania detali o różnych wymiarach i geometriach.


Jak wskazują producenci, kolejnym milowym krokiem w rozwoju systemów opartych na głowicach galwanometrycznych będzie możliwość zdalnej aktualizacji oprogramowania i sterowników skanerów pozwalająca na uzupełnienie ich o nowe algorytmy sterowania i zindywidualizowane funkcje tworzone na potrzeby konkretnego klienta.




Komentarz


W przeciwieństwie do systemów 2D głowice skanujące 3D oferują możliwość znakowania w trybie online na powierzchniach innych niż płaskie. Proces ten jest realizowany dzięki dynamicznym układom relokacji ogniska wiązki laserowej wzdłuż osi Z w zależności od położenia detalu. W praktyce funkcję tę wypełniają specjalne moduły oprogramowania (np. Fast Focusing Module firmy Coherent | Rofin), które bardzo szybko poruszają soczewką ogniskującą wiązkę, co z kolei umożliwia dynamiczną zmianę położenia ogniska.


Alternatywnie można zastosować systemy wizyjne i pomiarowe, które na bieżąco automatycznie sprawdzają położenie detalu względem pozycji referencyjnej i na tej podstawie odpowiednio korygują program CNC. Jest to jednak procedura czasochłonna, znacznie wydłużająca całkowity czas znakowania. Dlatego producenci laserów pracują nad technologią, która umożliwiłaby obróbkę w tzw. trybie on-the-fly. Jednym z możliwych rozwiązań jest opomiarowanie detalu przed wprowadzeniem go do stacji obróbczej. Dzięki temu jeden detal mógłby być mierzony, a drugi znakowany z zachowaniem wysokiej płynności tego procesu.



PolandEnglish