Ein Laserscanner, auch Lasergalvanometer genannt, besteht aus einem XY-Abtastkopf, einem elektronischen Ansteuerverstärker und einer optischen Reflexionslinse. Das vom Computersteuergerät bereitgestellte Signal steuert den Abtastkopf über den Ansteuerverstärker und regelt so die Ablenkung des Laserstrahls in der XY-Ebene. Vereinfacht gesagt handelt es sich um ein in der Laserindustrie eingesetztes Scangalvanometer. Die Fachbezeichnung lautet Hochgeschwindigkeits-Scangalvanometer oder Galvo-Scansystem. Das sogenannte Galvanometer kann auch als Amperemeter bezeichnet werden. Sein Aufbau entspricht dem eines Amperemeters. Anstelle des Zeigers wird die Linse verwendet, und das Tastsignal wird durch ein computergesteuertes Gleichspannungssignal (-5 V bis 5 V oder -10 V bis +10 V) ersetzt, um die vorgegebene Aktion auszuführen. Wie bei einem Scansystem mit rotierenden Spiegeln verwendet dieses typische Steuerungssystem ein Paar einziehbarer Spiegel. Der Unterschied besteht darin, dass der Schrittmotor, der diese Linsen antreibt, durch einen Servomotor ersetzt wird. In diesem Steuerungssystem kommt ein Positionssensor zum Einsatz. Die Konstruktionsidee und die negative Rückkopplungsschleife gewährleisten die Genauigkeit des Systems zusätzlich, und die Scangeschwindigkeit sowie die Wiederholgenauigkeit des Gesamtsystems erreichen ein neues Niveau. Der Galvanometer-Scan-Markierungskopf besteht im Wesentlichen aus einem XY-Scanspiegel, einer Feldlinse, einem Galvanometer und einer computergesteuerten Markierungssoftware. Die optischen Komponenten werden entsprechend der jeweiligen Laserwellenlänge ausgewählt. Zu den weiteren Optionen gehören Laserstrahlaufweiter, Laser usw. Im Laserdemonstrationssystem ist die optische Scanform ein Vektorscan, und die Scangeschwindigkeit des Systems bestimmt die Stabilität des Lasermusters. In den letzten Jahren wurden Hochgeschwindigkeitsscanner mit Scangeschwindigkeiten von bis zu 45.000 Punkten pro Sekunde entwickelt, die die Demonstration komplexer Laseranimationen ermöglichen.
5.1 Lasergalvanometer-Schweißverbindung
5.1.1 Definition und Zusammensetzung der Galvanometerschweißverbindung:
Der Kollimationsfokussierkopf nutzt eine mechanische Vorrichtung als Trägerplattform. Diese Vorrichtung bewegt sich vor und zurück, um Schweißungen mit unterschiedlichen Trajektorien zu ermöglichen. Die Schweißgenauigkeit hängt von der Genauigkeit des Aktuators ab, was zu Problemen wie geringer Genauigkeit, langsamer Reaktionszeit und hoher Trägheit führen kann. Das Galvanometer-Scansystem verwendet einen Motor, der die Linse zur Ablenkung bewegt. Der Motor wird mit einem bestimmten Strom betrieben und zeichnet sich durch hohe Präzision, geringe Trägheit und schnelle Reaktionszeit aus. Trifft der Laserstrahl auf die Galvanometerlinse, verändert die Ablenkung des Galvanometers den Laserstrahl. Dadurch kann der Laserstrahl mithilfe des Galvanometersystems jede beliebige Trajektorie im Scanfeld abtasten.
Die Hauptkomponenten des Galvanometer-Scansystems sind ein Strahlaufweitungskollimator, eine Fokussierlinse, ein XY-Zweiachsen-Scangalvanometer, eine Steuereinheit und die zugehörige Software. Das Scangalvanometer besteht im Wesentlichen aus zwei XY-Scanköpfen, die von Hochgeschwindigkeits-Servomotoren angetrieben werden. Das Zweiachsen-Servosystem steuert die Auslenkung des XY-Zweiachsen-Scangalvanometers entlang der X- und Y-Achse durch Ansteuerung der Servomotoren. Durch die kombinierte Bewegung der XY-Zweiachsen-Spiegellinse kann die Steuereinheit das Signal der Galvanometerplatine anhand der voreingestellten Grafikvorlage der Software und des vorgegebenen Pfades umwandeln und so schnell eine Scanbahn auf der Werkstückebene abfahren.
5.1.2 Klassifizierung von Galvanometerschweißverbindungen:
1. Frontfokussierende Scanlinse
Entsprechend der Positionsbeziehung zwischen Fokussierlinse und Lasergalvanometer lässt sich der Scanmodus des Galvanometers in Frontfokussierungs-Scanning (Abbildung 1) und Rückfokussierungs-Scanning (Abbildung 2) unterteilen. Aufgrund der unterschiedlichen optischen Weglängen beim Ablenken des Laserstrahls (unterschiedliche Strahlübertragungsstrecken) ist die Fokusfläche des Lasers im Frontfokussierungs-Scanning eine Halbkugel (siehe Abbildung links). Das Postfokussierungs-Scanning ist in der Abbildung rechts dargestellt. Die Objektivlinse ist eine F-Plan-Linse. Der F-Plan-Spiegel verfügt über eine spezielle optische Konstruktion. Durch optische Korrektur lässt sich die halbkugelförmige Fokusfläche des Laserstrahls ebnen. Das Postfokussierungs-Scanning eignet sich besonders für Anwendungen, die eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit und einen kleinen Bearbeitungsbereich erfordern, wie z. B. Lasermarkierung und Lasermikrostrukturschweißen.
2.Hintere Fokussierlinse
Mit zunehmender Scanfläche steigt auch die Apertur des F-Theta-Objektivs. Aufgrund technischer und materialbedingter Einschränkungen sind F-Theta-Objektive mit großer Apertur jedoch sehr teuer, weshalb diese Lösung nicht praktikabel ist. Ein objektives Galvanometer-Scansystem in Kombination mit einem Sechs-Achs-Roboter stellt eine vergleichsweise praktikable Lösung dar. Es reduziert die Abhängigkeit von der Galvanometerausrüstung, bietet eine hohe Systemgenauigkeit und gute Kompatibilität. Diese Lösung wird von den meisten Systemintegratoren eingesetzt und oft als Flugschweißen bezeichnet. Das Schweißen von Modulstromschienen, einschließlich der Polreinigung, eignet sich für Flugschweißverfahren, wodurch die Bearbeitungsbreite flexibel und effizient erhöht werden kann.
3,3D-Galvanometer:
Unabhängig davon, ob es sich um front- oder rückfokussiertes Scannen handelt, lässt sich der Fokus des Laserstrahls bei dynamischer Fokussierung nicht steuern. Im frontfokussierten Scanmodus ermöglicht die Fokussierlinse bei kleinen Werkstücken ein fokussiertes Scannen mit kleinem Format, da sie einen bestimmten Fokustiefenbereich aufweist. Bei großen Scanflächen hingegen sind die Punkte am Rand unscharf und können nicht auf der Werkstückoberfläche fokussiert werden, da sie den Fokustiefenbereich des Lasers überschreiten. Wenn der Laserstrahl also an jeder Position der Scanfläche und in einem großen Sichtfeld scharf fokussiert werden soll, genügt die Verwendung einer Linse mit fester Brennweite nicht den Anforderungen. Ein dynamisches Fokussystem besteht aus optischen Systemen, deren Brennweite sich bedarfsgerecht anpassen lässt. Daher schlagen Forscher vor, eine dynamische Fokussierlinse zur Kompensation des optischen Wegunterschieds zu verwenden und eine Konkavlinse (Strahlaufweiter) linear entlang der optischen Achse zu bewegen, um die Fokusposition zu steuern und so den optischen Wegunterschied an verschiedenen Positionen dynamisch zu kompensieren. Im Vergleich zum 2D-Galvanometer verfügt das 3D-Galvanometer über ein zusätzliches optisches System entlang der Z-Achse. Dadurch kann es die Fokusposition während des Schweißprozesses flexibel verändern und auch gekrümmte Oberflächen schweißen, ohne dass – wie beim 2D-Galvanometer – ein Wechsel des Trägers, beispielsweise einer Werkzeugmaschine, erforderlich ist. Die Höhe des Roboters dient zur Justierung der Schweißfokusposition.
Veröffentlichungsdatum: 23. Mai 2024
