L2-monitorowanie.pdf

(1114 KB) Pobierz
Technologie laserowe – Monitorowanie procesów laserowych
mgr inż. Piotr Jurewicz (piotr.jurewicz@pwr.edu.pl)
Laboratorium - Monitorowanie procesów laserowych (L2)
1. Wstęp:
Procesy obróbki laserowej są procesami wysoce zautomatyzowanymi. Głowice laserowe
zainstalowane w obrabiarkach CNC lub robotach przemysłowych umożliwiają automatyczną
obróbkę przy minimalnym udziale człowieka. Takie systemy wymagają jednak odpowiednich
układów monitorowania i sterowania procesami celem zapewnienia odpowiedniej jakości
wyrobów lub wykrywania wad w trakcie procesu.
Należy rozróżnić monitorowanie i sterowanie. Monitorowanie polega jedynie na obserwacji
pewnych sygnałów powstających w trakcie procesu. Mogą być one podstawą do przerwania
procesu w przypadku wykrycia defektu (np.: wykrycie pęknięcia materiału na podstawie emisji
akustycznej). Należy jednak podkreślić,
że
o monitorowaniu mówi się gdy sygnały zbierane w
trakcie procesu nie są wykorzystywane do sterowania nim.
Sterowanie jest rozwinięciem monitorowania o pętlę sprzężenia zwrotnego. Sygnały
zbierane w trakcie procesu są wykorzystywane by zmieniać jego parametry podczas obróbki.
W przypadku procesów laserowych sygnałami najczęściej wykorzystywanymi do sterowania
są: temperatura, promieniowanie jeziorka roztopionego materiału oraz informacja o położeniu
obrabianego elementu względem głowicy.
2. Parametry monitorowane w trakcie procesu
Najważniejszymi parametrami mierzonymi przed i w trakcie procesów laserowych są moc
i położenie wiązki lasera. Dodatkowo w trakcie samego procesu stosuje się pomiary
promieniowania widzialnego i ultrafioletowego oraz temperatury celem wykrywania
niezgodności i sterowania parametrami obróbki.
2.1.Moc i profil mocy wiązki
Moc lasera to ilość energii emitowanej przez całą jego wiązkę w jednostce czasu. Profil
mocy to z kolei rozkład mocy wiązki w przestrzeni wokół jej osi, zazwyczaj mierzony w
ognisku wiązki.
Istnieje kilka metod pomiarowych wiązki laserowej, począwszy od prostych metod
inżynierskich a na zautomatyzowanych metodach pomiarowych skończywszy. Analizę wiązki
wysokiej mocy można dokonywać przy użyciu papieru
światłoczułego
(lasery na ciele stałym)
lub przez wytopienie jej
śladu
w przeźroczystym polimerze (laser CO
2
). Na skutek impulsu o
wysokiej mocy na papierze
światłoczułym
powstaje obraz względnego rozkładu gęstości mocy.
Technologie laserowe – Monitorowanie procesów laserowych
a)
b)
Rysunek 1: Obraz rozkładu intensywności promieniowania zarejestrowany za pomocą: a) papieru
światłoczułego
b)
polimeru
Badania oparte o wytopienia
śladu
w polimerze polegają na interpretacji geometrii 3D
powstałego zagłębienia. Tam gdzie gęstość mocy jest największa polimer odparowuje
najsilniej, im gęstość mocy jest mniejsza, tym ilość odparowanego polimeru będzie mniejsza.
W ten sposób w bryle polimeru powstaje zagłębienie odwzorowujące rozkład intensywności
promieniowania. Metoda wykorzystująca polimer stanowi jednak zagrożenie dla zdrowia ze
względu na uwalnianie się toksycznych gazów podczas próby. Może też prowadzić do
zanieczyszczenia układu optycznego lasera. Obie metody dają wynik tylko w sposób
przybliżony z powodu niewystarczającej dokładności i subiektywnej oceny wyniku przez
operatora.
Do zgrubnego określania położenia osi optycznej wiązki stosowana jest tak zwana próba
krzyżowa. Polega ona na ustawieniu w torze wiązki maski (przesłony) w postaci krzyża z drutu
oraz papieru
światłoczułego.
Na skutek impulsu o wysokiej mocy i krótkim czasie trwania na
papierze powstaje obraz względnego rozkładu gęstości mocy. Przecięcie drutów przebiega w
osi optycznej, druty przesłaniają wiązkę laserową, stąd w miejscu gdzie one się znajdowały
papier nie zmienia barwy, natomiast w miejscu gdzie pada wiązka laserowa papier czarnieje
(rysunek 2). Jeżeli
środek
wiązki laserowej nie pokrywa się z przecięciem się krzyżyka to
świadczy
to,
że
wiązka nie biegnie w osi optycznej i trzeba ją skorygować. Po korekcji
położenia wykonuje się ponownie próbę krzyżową i sprawdza położenie wiązki względem osi
optycznej. Tą czynność powtarza się aż do uzyskania zadowalających rezultatów.
Technologie laserowe – Monitorowanie procesów laserowych
Rysunek 2: Wyniki próby krzyżowej
Na podobnej zasadzie można również zgrubnie ustalić położenie ogniska wiązki, jak
zostało to pokazane na rysunek 3. Zmieniając położenie głowicy względem materiału (B)
zmienia się też położenie ogniska względem powierzchni materiału. Oddziaływująca na
materiał krótkimi impulsami odwzorowujemy wielkość plamki laserowej padającej na materiał.
W przypadku kiedy
średnica
plamki jest najmniejsza (2), wówczas ogniska wiązki laserowej
znajduje się na powierzchni materiału.
Rysunek 3: Schemat zgrubnego pomiaru położenia ogniska wiązki
Technologie laserowe – Monitorowanie procesów laserowych
Metody opisane w tym podrozdziale2.1 pozwalają na pomiar położenia ogniska wiązki
lasera przed procesem i są zwykle stosowane po każdym przenoszeniu układu, przy instalacji
nowego sprzętu oraz przy zmianach w układzie optycznym. Pomiary położenia ogniska w
trakcie procesu wymagają innego podejścia.
2.2. Położenie głowicy względem materiału obrabianego w trakcie procesu
Tak jak w przypadku technologii ubytkowych, dokładność technologii laserowych
zależy w dużej mierze od dokładności prowadzenia narzędzia względem obrabianego
materiału. W przypadku technologii laserowych jako narzędzie należy rozumieć wiązkę lasera.
W pozycjonowaniu lasera można wyróżnić dwa problemy. Pierwszym z nich jest zapewnienie
odpowiedniego ustawienia ogniska lasera względem powierzchni przedmiotu obrabianego. W
przypadku technologii takich jak spawanie, cięcie, grawerowanie i stopowanie nawet
niewielkie przesunięcie ogniska od lub w głąb materiału może mieć duży wpływ na wynik
obróbki.
Jako
że
monitorowanie kaustyki wiązki w trakcie procesu jest bardzo trudne, zazwyczaj
przyjmuje się,
że
położenie ogniska wiązki względem głowicy jest stałe i reguluje się położenie
głowicy względem obrabianego materiału. Najpopularniejszymi systemami do pomiaru
odległości są czujniki triangulacyjne i dalmierze laserowe.
Drugim problemem związanym z pozycjonowaniem lasera jest odpowiednie
prowadzenie wiązki w płaszczyźnie powierzchni obrabianej. Problem ten występuje głównie w
procesie spawania laserowego, w którym wiązka zogniskowana do niewielkiej plamki (np.:
600µm) musi w równym stopniu przetopić krawędzie dwóch łączonych elementów. Do
śledzenia
linii obróbki stosuje się zazwyczaj czujniki bezstykowe: systemy triangulacji
laserowej i kamery.
2.3.Promieniowanie widzialne i ultrafioletowe
W trakcie wielu procesów laserowych w wyniku interakcji wiązki z materiałem
powstaje intensywne promieniowanie widzialne. W przypadku technologii, w których powstaje
plazma występuje również promieniowanie ultrafioletowe. Intensywność obu tych sygnałów
może być wykorzystana do monitorowania i sterowania procesem.
Promieniowanie widzialne jest wykorzystywane głównie w procesach, w których
występuje płynne jeziorko metalu, to jest spawaniu, napawaniu i hartowaniu. Wykorzystując
odpowiednie głowice z zwierciadłem półprzepuszczalnym możliwa jest obserwacja obrabianej
powierzchni w osi lasera. Na przykład w procesie napawania laserowego wykorzystuje się
system wizyjny mierzący wielkość jeziorka roztopionego metalu do sterowania mocą lasera tak
by wielkość ta była stała. W analogiczny sposób można sterować wielkością kanału parowego
w procesie spawania.
Technologie laserowe – Monitorowanie procesów laserowych
Kamera
Filtr
Układ optyczny
Zwierciadło
półprzepuszczalne
Tor wiązki lasera
Tor światła z procesu
Głowica laserowa
Soczewka
Obrabiany przedmiot
a)
b)
Rysunek 4: Głowica do spawania laserowego z układem monitorowania: a) zdjęcie b) schemat
Jak wspomniano wyżej, w technologiach, w których w wyniku interakcji lasera z
materiałem
powstaje plazma, można wykorzystać promieniowanie ultrafioletowe do ich
monitorowania i sterowania. Procesami, w których stosuje się takie układy są głównie drążenie
wieloimpulsowe i spawanie laserowe. W przypadku spawania laserowego promieniowanie
ultrafioletowe niesie informację o wielkości
ściegu
spoiny, penetracji materiału czy zapadaniu
się grani spoiny.
Do pomiaru obu rodzajów promieniowania stosuje się kamery.
2.4.Temperatura
Również pomiar temperatury przedmiotu obrabianego może dostarczyć użytecznych
informacji dotyczących procesu. Zazwyczaj mierzy się jedynie temperaturę miejsca interakcji
lasera z materiałem. Pomiar temperatury często jest stosowany w procesach hartowania
powierzchniowego i napawania do regulacji mocy lasera, tak by temperatura jeziorka
pozostawała stała na całej obrabianej powierzchni. W spawania laserowym wykorzystuje się
pomiar temperatury do obserwacji grani spoiny i wykrywania pełnego przetopu krawędzi.
Czujniki temperatury dzieli się na stykowe i bezstykowe. Czujniki stykowe to
termopary i termoelementy, a bezstykowe to przede wszystkim pirometry. W monitorowaniu
temperatury w trakcie obróbki wiązką lasera dużą popularnością cieszą się pirometry ze
względu na brak wpływu na proces. Pirometr jest czujnikiem wyznaczającym temperaturę
obserwowanej powierzchni na podstawie promieniowania podczerwonego przez nią
emitowanego. Zależność między temperaturą a gęstością wyemitowanej mocy opisuje wzór:

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin