Der Kollimationsfokussierkopf nutzt eine mechanische Vorrichtung als Trägerplattform und bewegt sich innerhalb dieser Vorrichtung hin und her, 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 zur Linsenablenkung. Der Motor wird mit einem bestimmten Strom betrieben und zeichnet sich durch hohe Genauigkeit, geringe Trägheit und schnelle Reaktionszeit aus. Trifft der Lichtstrahl auf die Galvanometerlinse, ändert die Ablenkung des Galvanometers den Reflexionswinkel des Laserstrahls. Dadurch kann der Laserstrahl mithilfe des Galvanometersystems jede beliebige Trajektorie im Sichtfeld abtasten. Der im Roboterschweißsystem verwendete Vertikalkopf ist eine Anwendung, die auf diesem Prinzip basiert.
Die Hauptkomponenten desGalvanometer-AbtastsystemDie Komponenten umfassen den Strahlaufweitungskollimator, die Fokussierlinse, das XY-Zweiachsen-Scangalvanometer, die Steuereinheit und das Host-Computersystem. Das Scangalvanometer besteht im Wesentlichen aus zwei XY-Galvanometer-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 das Steuerungssystem das Signal der Galvanometerplatine gemäß der voreingestellten Grafikvorlage der Host-Computersoftware und dem festgelegten Pfadmodus umwandeln und so schnell eine Scanbahn auf der Werkstückebene erzeugen.
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Entsprechend der Positionsbeziehung zwischen Fokussierlinse und Lasergalvanometer lässt sich der Scanmodus des Galvanometers in Frontfokussierungsscanning (linkes Bild) und Rückfokussierungsscanning (rechtes Bild) unterteilen. Aufgrund der unterschiedlichen optischen Weglängen, die bei der Ablenkung des Laserstrahls an verschiedene Positionen entstehen (unterschiedliche Strahlübertragungsstrecken), ist die Laserfokalebene im Frontfokussierungsscanning eine halbkugelförmige Fläche (siehe linkes Bild). Das Rückfokussierungsscanning-Verfahren ist im rechten Bild dargestellt; hierbei wird eine Planfeldlinse verwendet. Planfeldlinsen zeichnen sich durch eine spezielle optische Konstruktion aus.
Durch optische Korrektur lässt sich die halbkugelförmige Brennebene des Laserstrahls in eine Ebene ausrichten. Rückfokussiertes Scannen eignet sich vor allem für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Bearbeitungsgenauigkeit und geringem Bearbeitungsbereich, wie z. B. Lasermarkierung und Lasermikrostrukturschweißen. Mit zunehmender Scanfläche steigt auch die Linsenapertur. Aufgrund technischer und materialbedingter Einschränkungen sind Linsen mit großer Apertur jedoch sehr teuer, weshalb diese Lösung nicht praktikabel ist. Die Kombination eines Galvanometer-Scansystems vor dem Objektiv mit einem Sechs-Achs-Roboter stellt eine praktikable Lösung dar, die die Abhängigkeit von der Galvanometerausrüstung reduziert und gleichzeitig eine hohe Systemgenauigkeit und gute Kompatibilität ermöglicht. Diese Lösung, oft auch als „Flying Welding“ bezeichnet, wird von den meisten Systemintegratoren eingesetzt. Das Schweißen von Modulstromschienen, einschließlich der Polreinigung, ist ein Anwendungsbeispiel für Flying Welding und ermöglicht eine flexible und effiziente Erweiterung des Bearbeitungsbereichs.
Ob Front- oder Rückfokus-Scanning – die Fokussierung des Laserstrahls ist bei dynamischem Fokussieren nicht möglich. Im Frontfokus-Scanning-Modus ermöglicht die Fokussierlinse bei kleinen Werkstücken dank ihres begrenzten Fokussiertiefenbereichs präzises Scannen. Bei großen Scanflächen hingegen sind die Randbereiche unscharf und können nicht auf der Werkstückoberfläche fokussiert werden, da sie die obere und untere Grenze der Laserfokussiertiefe überschreiten. Daher ist die Verwendung einer Linse mit fester Brennweite ungeeignet, wenn der Laserstrahl an jeder Position der Scanfläche und in einem großen Sichtfeld scharf fokussiert werden soll.
Das dynamische Fokussiersystem ist ein optisches System, dessen Brennweite je nach Bedarf angepasst werden kann. Durch den Einsatz einer dynamischen Fokussierlinse zum Ausgleich des optischen Wegunterschieds bewegt sich die Konkavlinse (Strahlaufweiter) linear entlang der optischen Achse, um die Fokusposition zu steuern. Dadurch wird der optische Wegunterschied der zu bearbeitenden Oberfläche an verschiedenen Positionen dynamisch kompensiert. Im Vergleich zum 2D-Galvanometer verfügt das 3D-Galvanometer über ein zusätzliches „Z-Achsen-Optiksystem“. Dieses ermöglicht es dem 3D-Galvanometer, die Fokusposition während des Schweißprozesses frei zu verändern und räumlich gekrümmte Oberflächen zu schweißen, ohne dass die Schweißfokusposition wie beim 2D-Galvanometer durch Verändern der Höhe des Trägers (z. B. Werkzeugmaschine oder Roboter) angepasst werden muss.
Das dynamische Fokussiersystem kann den Defokussierungsgrad ändern, die Spotgröße anpassen, eine Fokussierung entlang der Z-Achse realisieren und eine dreidimensionale Bearbeitung ermöglichen.
Der Arbeitsabstand ist der Abstand von der vordersten mechanischen Kante der Linse zur Brennebene bzw. Scanebene des Objektivs. Verwechseln Sie diesen Abstand nicht mit der effektiven Brennweite (EFL) des Objektivs. Diese wird von der Hauptebene – einer hypothetischen Ebene, in der das gesamte Linsensystem das Licht bricht – zur Brennebene des optischen Systems gemessen.
Veröffentlichungsdatum: 04.06.2024
