Abraham Lincoln, 16. Prezydent Stanów Zjednoczonych, powiedział kiedyś: „Można oszukiwać wszystkich ludzi przez jakiś czas i można oszukiwać niektórych ludzi przez cały czas, ale nie można oszukiwać wszystkich przez cały czas”. [11To samo dotyczy monitorowania wydajności laserów zintegrowanych z systemem. W produkcji przemysłowej cały system może być monitorowany przez pewien okres czasu lub jego część może być monitorowana przez cały czas, ale nie jest możliwe monitorowanie całego systemu przez cały czas. W erze Przemysłu 4.0, czyli erze inteligentnej produkcji, bardzo ważne jest zrozumienie różnicy między nimi.
Przemysł 4.0 zmienia sytuację produkcyjną we wszystkich dziedzinach życia. Postęp technologiczny pomaga producentom prowadzić produkcję przemysłową wydajniej, szybciej i mądrzej. Aby właściwie zastosować inteligentne maszyny, należy zbierać różnorodne dane, analizować je i filtrować w celu usprawnienia procesu. Zbyt mała ilość danych utrudni doskonalenie procesów, ale jednocześnie zbyt duża ilość danych może przynieść efekt przeciwny do zamierzonego.
Systemy obróbki laserowej mają swój własny zestaw charakterystyk operacyjnych i związanych z nimi problemów. Zbyt duża ilość danych na temat wydajności lasera może przynieść efekt przeciwny do zamierzonego, ponieważ może być przytłaczająca i przytłaczająca.
Kiedy mierzyć wskaźniki wydajności lasera?
Istnieją cztery sposoby pomiaru wydajności lasera. Pierwsze podejście preferuje większość operatorów systemów laserowych, czyli konserwacja planowa. W tym podejściu wskaźniki wydajności lasera są mierzone na podstawie zaplanowanych przestojów lasera, zwykle co kwartał, pół roku lub rocznie. W tym czasie mierzone są wskaźniki wydajności lasera i porównywane z poprzednimi pomiarami w celu analizy trendów działania lasera.
Druga metoda polega na pomiarze podczas awarii procesu. Na przykład, jeśli jakość spoiny ulegnie pogorszeniu podczas spawania laserowego lub jeśli cięcie nie powiedzie się lub nie będzie możliwe podczas cięcia laserowego, można zmierzyć wydajność lasera, aby przywrócić systemowi laserowemu zaprojektowane parametry operacyjne.
Trzecia i czwarta metoda są dokładnie omówione w tym artykule – monitorowanie w procesie i monitorowanie w trakcie procesu. Obie metody mają swoje zalety i wady. Operatorzy muszą mieć jasność co do zalet i wad tych dwóch metod, jednocześnie opanowując optymalną metodę przetwarzania lasera. Ponadto operatorzy muszą również wiedzieć, które wskaźniki laserowe są niezbędne do pomiaru podczas przemysłowych procesów produkcyjnych.
Jak laser przetwarza materiały?
Zgodnie z wysokimi wymaganiami, niezależnie od technologii przetwarzania lasera, operatorzy muszą rozumieć, w jaki sposób laser przetwarza materiały. Na przykład, aby wiedzieć, który rodzaj lasera nadaje się do spawania, trzeba nawet zrozumieć, w jaki sposób laser spawa framugę drzwi samochodu. Najłatwiej to zrozumieć, obserwując gęstość mocy lasera.
Definicja gęstości mocy odnosi się do mocy lasera napromieniowanej na jednostkę powierzchni materiału. Gęstość mocy wyraża się zwykle w W/cm2, gdzie „W” oznacza moc „wat”. Dla laserów ciągłych (CW) jest to wartość mocy, dla laserów impulsowych jest to średnia wartość mocy. „cm2” oznacza powierzchnię plamki lasera na płaszczyźnie roboczej. Na przykład laser o mocy 100 W skupiony na plamce o wielkości 100 mm ma gęstość mocy 1,27x103kW/cm2.
Na gęstość mocy lasera wpływają zmiany mocy lasera lub wielkości światła padającego na materiał. Operatorzy laserów muszą mierzyć, analizować i rozumieć te dwie zmienne, aby zapewnić wydajne działanie procesu laserowego.
Ważne pomiary wskaźników wydajności lasera
Pomiaru światła laserowego dokonuje się zwykle za pomocą miernika mocy. Miernik mocy to czujnik, który zbiera światło lasera i przekształca je w sygnał elektryczny, następnie określa moc lub energię wytwarzaną przez wiązkę i na koniec przekazuje odczyt do miernika lub komputera w celu analizy. Proces ten trwa zwykle tylko kilka sekund, ale może się różnić w zależności od zastosowanej technologii. Pomiary te są bardzo ważne przy gromadzeniu i analizie danych, szczególnie na etapie produkcji lasera, ponieważ dane pozwalają użytkownikom zrozumieć, jak zmienia się wydajność lasera i jak te zmiany wpływają na zastosowanie lasera w procesie przetwarzania.
Dodatkowo należy zmierzyć średnicę wiązki laserowej. Istnieje wiele sposobów obliczania średnicy belki, na przykład metoda D40, metoda szczytowa 13,5% i metoda krawędzi nożowej 10/90, a wyniki obliczeń różnymi metodami znacznie się różnią. Osoby z różnych branż, środowisk i doświadczeń stosują odpowiednie metody obliczeniowe zgodnie ze scenariuszami swoich zastosowań.
Przy obliczaniu średnicy belki należy wziąć pod uwagę wartość okrągłości lub eliptyczności belki. Ważne jest zrozumienie kształtu belki i sposobu rozkładu energii w profilu belki. Czy jest to wiązka Gaussa, czy wiązka o płaskim wierzchołku? Próbując zrozumieć, w jaki sposób laser jest wykorzystywany w procesie, pomiar parametrów wiązki laserowej powinien zostać uzupełniony za pomocą standardowego w branży systemu pomiaru koła wiązki.
Oprócz średnicy wiązki, przy wyborze lasera, opracowywaniu zastosowania lasera oraz integracji lub debugowaniu źródła lasera w systemie należy wziąć pod uwagę jego jakość. W większości przypadków po wprowadzeniu lasera do produkcji jakość jego wiązki nie jest już poddawana analizie, dlatego bardzo ważne jest zakończenie analizy jakości wiązki, zanim laser opuści fabrykę.
Jakość wiązki można wyrazić wartością M2, a wartość M2 równa 1.0 wskazuje, że jakość wiązki laserowej jest optymalna. Iloczyn parametrów wiązki (BPP=0xw, gdzie 0 to połowa kąta rozbieżności kąta dalekiego pola wiązki, a w to promień talii wiązki) i wartość K (1/MM2) mogą również służyć do wyrażania jakości wiązki laserowej. Poprawiła się jakość wiązki i wydajność źródeł laserowych. Jeśli chodzi o różne procesy przetwarzania, różne źródła lasera mają swoje zalety.
Ważne jest, aby użytkownicy rozumieli zmiany wskaźników wydajności lasera podczas procesu przetwarzania. Pomiar mocy lasera, rozmiaru wiązki oraz tego, jak i dlaczego zmieniają się one w czasie, ma kluczowe znaczenie dla pełnego zrozumienia wydajności systemu i zapewnienia bardziej stabilnej długoterminowej wydajności.
Monitorowanie w trakcie procesu a monitorowanie w trakcie procesu
Obecnie wymagane jest wprowadzanie danych w czasie możliwie najbardziej zbliżonym do rzeczywistego. Wymaga to techniki powszechnie określanej jako „monitorowanie w trakcie procesu”, która obejmuje monitorowanie pomiarów wydajności lasera w trakcie trwania procesu laserowego. W dziedzinie wytwarzania przyrostowego technika ta nazywana jest „monitorowaniem na miejscu”.
Odpowiednikiem „monitorowania w trakcie procesu” jest „monitorowanie w trakcie procesu”, które mierzy wydajność lasera pomiędzy procesami. Obie metody monitorowania mają swoje zalety i wady.
n-processmkai powiedział:
Monitorowanie w trakcie procesu lub monitorowanie na miejscu mierzy część wydajności lasera podczas pracy i produkcji. W systemie laserowym tworzony jest dedykowany podsystem testowy, który mierzy jedynie wydajność części lasera i analizuje ją w czasie rzeczywistym.
Monitorowanie w trakcie procesu ma istotne zalety. Po pierwsze, ponieważ podsystem jest zintegrowany z całym systemem, oba systemy mogą się łatwo komunikować. Informacje zwrotne na temat wydajności lasera w czasie rzeczywistym są dostarczane w sposób ciągły, dzięki czemu w razie potrzeby można szybko wprowadzić zmiany w całym systemie. Po drugie, podsystemy te są często projektowane specjalnie dla systemu, z którym są zintegrowane, i często są proste, zapewniając jedynie informację zwrotną wymaganą przez klienta. Zbierane przez nie informacje można łatwo przedstawić na interfejsie człowiek-maszyna widocznym dla operatora lasera. Dane te można również przechowywać i analizować, a na podstawie wyników analizy można wydawać ostrzeżenia, aby zapewnić bezpieczeństwo systemu i użytkowników lub zmniejszyć ilość złomowań.
Główną wadą monitorowania w trakcie procesu jest to, że te podsystemy mogą mierzyć tylko część wydajności lasera całego systemu laserowego. Część próbki jest pobierana zanim laser dotrze do obszaru obróbki i analizowana w trakcie obróbki. Niestety, wiele problemów pojawiających się podczas obróbki wynika często z degradacji funkcjonalnej elementów znajdujących się w pobliżu obszaru obróbki po pobraniu próbki do pomiaru laserowego. Jeśli element systemu ulegnie degradacji lub ulegnie uszkodzeniu podczas przetwarzania, próbka używana do pomiarów laserowych może nie zauważyć degradacji lub awarii, dostarczając fałszywe informacje zwrotne do systemu.
Kolejną wadą monitorowania w trakcie procesu jest trudność w kalibracji optycznych elementów pomiarowych. Ponieważ podsystemy są zintegrowane z całym systemem, często usunięcie komponentów w celu ponownej kalibracji jest trudne lub niemożliwe. Aby zapewnić dokładność pomiaru, elementy służące do pomiaru mocy muszą być często kalibrowane (Ophir zaleca kalibrację co 12 miesięcy).
Takie podsystemy pomiarowe zapewniają również dodatkowe sensoryczne sprzężenie zwrotne do systemu laserowego, aby wskazać wydajność lasera bez polegania na rzeczywistych pomiarach wydajności lasera. Na przykład na szybie osłonowej w pobliżu obszaru przetwarzania zainstalowano czujnik temperatury, aby chronić elementy lasera. Gdy na szklanej pokrywie znajduje się zbyt wiele zanieczyszczeń powstałych po obróbce i pochłaniają one energię lasera, powodując wzrost temperatury, monitor temperatury przypomni użytkownikom lasera i dostarczy cennych informacji systemowi i użytkownikom.
Monitorowanie w trakcie procesu
Monitorowanie procesu zazwyczaj wykorzystuje oddzielny zestaw produktów do wykonywania pomiarów w obszarze obróbki laserowej i analizy całego systemu laserowego. Te systemy monitorowania mogą składać się z oddzielnych produktów do pomiaru mocy lasera, energii i analizy jakości wiązki lub mogą składać się z produktów, które mogą jednocześnie testować te parametry (patrz rysunek 2). Te systemy kontroli mogą być współzależne lub niezależne od siebie, zintegrowane z całym systemem lub system może być regularnie konserwowany pomiędzy procesami.
Podobnie jak monitorowanie in situ, monitorowanie w trakcie procesu ma swoje zalety i wady. Główną zaletą monitorowania w trakcie procesu jest pełniejsza ocena całej wydajności lasera w systemie. 100% wiązki lasera jest zbierane w celu pomiaru mocy lub energii, a skupiony punkt może być również analizowany, aby zapewnić użytkownikowi wszechstronną analizę wydajności lasera w tym momencie. Dane te można zapisywać, przechowywać lub rejestrować w całym systemie, a następnie uzyskać do nich dostęp w celu analizy trendów, aby zapewnić przywrócenie systemu po awarii i utrzymanie pierwotnej wydajności systemu. Gromadzenie danych przy użyciu tej metody ostatecznie daje użytkownikowi pełny obraz wykorzystania lasera, ale wiąże się z pewnymi kosztami.
Najbardziej oczywistą wadą monitorowania w trakcie procesu są przestoje. Ponieważ pomiar wykonywany jest na całym laserze, w celu wykonania pomiaru laser musi zostać wycofany z produkcji. Jeśli laserowy system pomiarowy jest zintegrowany z maszyną, zwykle nie jest to duży problem, ale czas to pieniądz. Jednakże, choć zintegrowanie laserowego systemu pomiarowego z całym systemem jest wygodne, może być kosztowne, a czasami nawet uważane za niepotrzebne. Jeśli nie zostaną zintegrowane z całym systemem, laserowe produkty pomiarowe mogą być używane jako narzędzia konserwacyjne. Jednak w celu wykonania pomiarów laser musi zostać wycofany z produkcji, a gdy personel konserwacyjny nie jest zaznajomiony z obsługą narzędzia laserowego, pomiary są bardzo czasochłonne, co może skutkować rzadszą częstotliwością pomiarów lub nawet brakiem pomiarów przy Wszystko.
Ponadto istnieją inne produkty, które mogą dostarczyć użytkownikom informacji na temat procesu. Na przykład kilka firm oferuje produkty, które mogą analizować proces spawania w czasie rzeczywistym przy użyciu różnych technologii. Systemy te wdrażają w procesie spawania ograniczenia typu „go/no-go” lub „pass/no-go”, dzięki czemu użytkownicy wiedzą, kiedy w systemie mogą wystąpić problemy, zapewniając wytwarzanie produktów o wyższej jakości i zmniejszając ilość złomów.
Zapewnienie stabilnej pracy lasera przez cały jego cykl życia ma kluczowe znaczenie dla maksymalizacji i utrzymania spójności i wydajności procesu, przedłużenia żywotności lasera i poprawy zwrotu z inwestycji w system. Tylko poprzez pomiar wydajności lasera w terenie w miejscu pracy użytkownicy mogą dokładnie wiedzieć, jak działa laser.
Zarówno metody pomiaru w trakcie, jak i w trakcie procesu mają swoje zalety i wady, ale obie metody mogą dostarczyć ważnych informacji na temat przetwarzania laserowego. Produkty mierzące wskaźniki wydajności lasera stale się rozwijają, stają się łatwiejsze w obsłudze i trwalsze. Mierząc wiele kluczowych wskaźników wydajności lasera, użytkownikom łatwiej będzie zrozumieć zasadę działania lasera i przeprowadzić długoterminową konserwację wydajności lasera.
