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监控激光束性能

发布时间:2019/12/24 11:02

监控激光束性能

光束聚焦能力如何帮助在线评估光束质量

发布于:2019年12月24日

发布人:江苏科茂自动化有限公司

关于:激光切割机

激光

在过去的20年中,用于切割,钻孔,焊接,标记和熔覆的工业激光器的使用已大大增加。与实验室的表弟不同,工业激光器在设计时并未考虑到连续监控的问题。通常假定激光器以最高性能运行,而实际上却并非如此。除非熟练的操作员能够迅速发现问题并采取纠正措施,否则可能会生产大量不合格零件,从而大大降低利润率。

影响光束质量的因素

激光驱动制造过程的目的是在适当的时候传递正确数量的能量,并将其正确分布在目标区域上。工业激光器,特别是Nd:YAG激光器,在多模操作中起作用,因此确定光束质量至关重要。

虽然可以在制造激光器时确定光束质量,但是在光束的整个使用寿命中光束质量不会保持不变。内部组件(例如腔镜,闪光灯,二极管和传输光学器件)会随时间变化,并且每个组件都会影响激光器的性能。另外,对于使用闪光灯的激光器,改变功率水平几乎总是会改变光束的模式结构。

随着激光制造被推向更高的性能水平,光束质量通常意味着可接受和不可接受零件之间的差异。
激光
这些模拟的(左)光束轮廓和实际的(右)光束轮廓似乎都正确聚焦,但是模拟的光束轮廓实际上是五个子轮廓的组合(如下所示),没有一个子轮廓显示了峰值性能。
 

光束质量评估技术

在研发实验室中,已有十多年的精密仪器可以完全表征激光束,从而决定其质量。但是,由于这种仪器不能承受车间环境,因此很难在制造级别上集成。结果,操作员经常使用非电子技术来评估光束质量,例如烧纸,荧光板或卡片或直接测试烧伤。尽管这些方法价格便宜,但它们并没有揭示出可能影响最终使用性能的细微差别。


非电子技术依靠人眼来评估产生的图像,因此是主观的。即使眼睛能够很好地看到许多对数的亮度,它也只能区分出几种线性的灰色阴影,而这些阴影通常可以在这些阴影中找到。此外,非电子方法是静态的,因此它们不会显示短期波动。

电子束轮廓分析是评估光束质量的另一种方法。此过程可测量光束的空间强度,并可以二维或三维显示图像。但是,它不能测量良好光束质量的基本属性。如图1中的两个图像所示,看起来良好的光束轮廓并不一定意味着光束的聚焦性也很好。
激光
将在线激光监控系统改造为现有的激光或改造为新的激光,包括分束器,密封管,转向镜和分析仪/监控器模块。

在线光束聚焦技术

实际上,光束的可聚焦性是明确确定传递到工作表面的有用能量的一个参数。光束聚焦能力因子(M2)已在研发实验室中使用了很多年,用以表征激光能量的聚焦能力。

激光束强度通常与光束的可聚焦性直接相关,因为如果能量不能在激光输出处聚焦到合适的大小,它将不会以期望的效果到达工作表面。现在,此参数已在ISO 9001方法(11146)中进行了描述,一些激光器制造商在组装过程中使用该参数来产生出生证明,该证书可以永久存储以显示新激光器的性能。它也可以用于调优或用作故障排除的诊断工具。

仪器的最新进展允许将在线光束聚焦性技术改造为现有激光器或改造为新激光器。该系统包括分束器,密封管,转向镜和分析仪/监控器模块(请参见图2)。这些永久安装的附件几乎可以放置在激光器或其安装板上的任何位置。分析仪/监控器模块易于拆卸,可用于同一设施中的多个激光器。该仪器适用于工作在1,064纳米波长的连续波(CW)和脉冲Nd:YAG激光器。
激光
分析结果显示在屏幕上,因此操作员可以根据光束轮廓,聚焦曲线和实时M2计算来监视激光器的性能。

该仪器对离开激光的少量能量进行采样(0.4%),并通过ISO 9001批准的方法计算光束的聚焦因子。一旦进行了此计算,仪器就可以通过测量X和Y方向上的光束宽度并应用先前确定的曲线参数来实时计算光束聚焦系数。

结果显示在屏幕上,因此操作员可以监视激光的实时性能(请参见图3)。可定制的显示还允许操作员将瞬时值与参考值的瞬时值以及二维光束轮廓进行比较。实时查看时,此显示可为激光器的真实性能提供新的见解。

能力和局限性

可以将在线激光束性能监视器与汽车的发动机监视器进行比较。如果发动机运转正常,但汽车无法行驶,则可以合理地认为问题出在车辆的其他部分。同样,如果激光器的工作参数在可接受的范围内,则任何导致不合格零件的事件都可以追溯到输送系统或目标光学器件。相反,如果激光器的工作参数超出可接受的范围,则应暂停该过程,直到确定并纠正激光器问题的根源为止。

在多激光器安装中,从一个激光器收集的数据可用于使性能与其他激光器相匹配,因此当设置为相同的工作参数时,它们都产生基本相同的性能。由于可以在以后存储和调用数据,因此可以提供ISO 9001要求的必要证据,证明以可接受且可重复的方式执行了激光加工。

当尝试指纹识别故障并将其与特征图像相关联时,此数据也很有用。当激光技术人员需要诊断运行不正常的激光器时,这可能很有价值。数据的趋势分析可以用于统计过程控制中,并且可以预测关键零件的维护间隔。

当然,该仪器具有局限性。首先,由于分析是在激光器的出口进行的,因此无法确定传送或聚焦光学系统是否有任何故障。其次,改造要求在安装分束光学器件时停止使用激光器。最后,与非电子设备相比,这种仪器的安装成本更高。

到底发生了什么

现在可以在线使用激光束性能监视功能。它可以立即警告操作员发生故障。它提供性能文档以及有效的调整和调整,并支持统计过程控制。最重要的是,在线监控可以告诉操作员激光系统真正发生了什么。

江苏科茂自动化有限公司 www.jskemao.cn