Abraham Lincoln, USA:s 16:e president, sa en gång: "Du kan lura alla människor ibland, och du kan lura några av folket hela tiden, men du kan inte lura alla människor hela tiden." [11Detsamma gäller vid övervakning av prestanda hos lasrar som är integrerade i ett system. I industriell produktion kan hela systemet övervakas under en tid, eller så kan en del av systemet övervakas hela tiden, men det är omöjligt att övervaka hela systemet hela tiden. I eran av Industry 4.0, det vill säga eran av smart tillverkning, är det mycket viktigt att förstå skillnaden mellan de två.
Industri 4.0 förändrar tillverkningssituationen i alla samhällsskikt. Tekniska framsteg hjälper tillverkare att bedriva industriell produktion effektivare, snabbare och smartare. För att korrekt tillämpa smarta maskiner är det nödvändigt att samla in olika data, analysera och filtrera dem för att förbättra processen. För lite data kommer att hindra processförbättringar, men samtidigt kan för mycket data vara kontraproduktivt.
Laserbehandlingssystem har sin egen uppsättning driftsegenskaper och relaterade problem. För mycket data om laserprestanda kan vara kontraproduktivt, eftersom det kan vara överväldigande och överväldigande.
När ska man mäta laserprestanda?
Det finns fyra sätt att mäta laserprestanda. Det första tillvägagångssättet är vad de flesta lasersystemoperatörer föredrar, vilket är planerat underhåll. I detta tillvägagångssätt mäts laserprestandamått baserat på schemalagd driftstopp för lasern, vanligtvis kvartalsvis, halvårsvis eller årligen. Under denna tid mäts laserprestandamått och jämförs med tidigare mätningar för att analysera laserdrifttrender.
Den andra metoden är att mäta under processfel. Till exempel, om svetskvaliteten försämras under lasersvetsning, eller om skärningen misslyckas eller inte kan utföras under laserskärning, kan laserns prestanda mätas för att återställa lasersystemet till de designade driftsparametrarna.
Den tredje och fjärde metoden är exakt vad den här artikeln kommer att diskutera - övervakning under process och övervakning under process. Båda metoderna har sina fördelar och nackdelar. Operatörer måste vara tydliga med fördelarna och nackdelarna med dessa två metoder samtidigt som de behärskar den optimala bearbetningsmetoden för lasern. Dessutom måste operatörerna också förstå vilka laserindikatorer som är avgörande att mäta under industriella produktionsprocesser.
Hur bearbetar lasern material?
Enligt höga krav, oavsett vilken processteknik lasern används till, måste operatörerna förstå hur lasern bearbetar material. Till exempel, för att veta vilken typ av laser som är lämplig för svetsning, måste du till och med förstå hur lasern svetsar dörrkarmen på en bil. Det enklaste sättet att förstå detta är genom lasereffekttäthet.
Definitionen av effekttäthet hänvisar till lasereffekten som bestrålas till en enhetsyta av material. Effekttäthet uttrycks vanligtvis i W/cm2, där "W" står för effekt "watt". För kontinuerliga (CW) lasrar är dess värde effektvärdet: för pulsade lasrar är det dess genomsnittliga effektvärde. "cm2" representerar området för laserpunkten på arbetsplanet. Till exempel har 100 W laser fokuserad till en punktstorlek på 100 mm en effekttäthet på 1,27x103kW/cm2.
Effekttätheten hos en laser påverkas av förändringar i lasereffekten eller ljusstorleken som appliceras på materialet. Laseroperatörer måste mäta, analysera och förstå dessa två variabler för att säkerställa en effektiv drift av laserprocessen.
Viktiga mätningar av laserprestandaindikatorer
Mätningen av laserljus görs vanligtvis med en effektmätare. En effektmätare är en sensor som samlar in laserljus och omvandlar det till en elektrisk signal, för att sedan sluta sig till effekten eller energin som produceras av strålen och slutligen levererar avläsningen till en mätare eller dator för analys. Denna process tar vanligtvis bara några sekunder, men den kan variera beroende på vilken teknik som används. Dessa mätningar är mycket viktiga för datainsamling och analys, särskilt i produktionsstadiet av lasern, eftersom data gör det möjligt för användare att förstå hur laserns prestanda förändras och hur dessa förändringar påverkar tillämpningen av lasern i bearbetningsprocessen.
Dessutom måste diametern på laserstrålen mätas. Det finns många sätt att beräkna balkdiametern, såsom D40-metoden, 13,5%-toppmetoden och 10/90-knivseggsmetoden, och beräkningsresultaten för olika metoder varierar mycket. Människor från olika branscher, bakgrunder och erfarenheter använder motsvarande beräkningsmetoder enligt sina tillämpningsscenarier.
Vid beräkning av balkdiametern måste strålens rundhet eller elliptiska värde beaktas. Det är viktigt att förstå balkens form och hur energin fördelas i balkens profil. Är det en gaussisk balk eller en flat-top balk? När man försöker förstå hur lasern används i processen, bör mätningen av laserstråleparametrar slutföras av ett industristandardiserat strålhjulsmätningssystem.
Förutom strålens diameter måste strålkvaliteten också beaktas när man väljer en laser, utvecklar en laserapplikation och integrerar eller felsöker en laserkälla i ett system. I de flesta fall, när en laser väl har satts i produktion, analyseras dess strålkvalitet i allmänhet inte längre, så det är mycket viktigt att slutföra strålkvalitetsanalysen innan lasern lämnar fabriken.
Strålkvaliteten kan uttryckas med M2-värdet, och ett M2-värde på 1.0 indikerar att laserstrålekvaliteten är optimal. Strålparameterprodukten (BPP=0xw, där 0 är halvvinkeln för strålens fjärrfältsdivergensvinkel och w är strålens midjeradie) och K-värdet (1/MM2) kan också användas för att uttrycka laserstrålekvalitet. Strålkvaliteten och effektiviteten hos laserkällor har förbättrats. När det kommer till olika bearbetningsprocesser har olika laserkällor sina egna fördelar.
Det är viktigt för användare att förstå förändringarna i laserns prestandaindikatorer under bearbetningsprocessen. Att mäta lasereffekt, strålstorlek och hur och varför de förändras över tiden är avgörande för att fullständigt förstå systemets prestanda och säkerställa mer stabil långsiktig prestanda.
Processövervakning kontra processövervakning
Idag krävs datainmatning så nära realtid som möjligt. Detta kräver en teknik som vanligen kallas "övervakning under processen", vilket innebär övervakning av laserprestandamätningar medan laserprocessen pågår. Inom området för additiv tillverkning kallas denna teknik "in situ-övervakning".
Motsvarigheten till "in-process monitoring" är "at-proces monitoring", som mäter laserprestanda mellan processer. Båda övervakningsmetoderna har sina egna fördelar och nackdelar.
n-processmkai
Processövervakning eller in situ-övervakning mäter en del av laserns prestanda under drift och produktion. Ett dedikerat testdelsystem är inrättat i lasersystemet för att endast mäta prestanda för en del av lasern och analysera den i realtid.
Processövervakning har betydande fördelar. För det första, eftersom delsystemet är integrerat med hela systemet, kan de två kommunicera enkelt. Realtidsfeedback om laserprestanda levereras kontinuerligt, så justeringar av hela systemet kan göras snabbt vid behov. För det andra är dessa delsystem ofta designade specifikt för det system de är integrerade i och är ofta enkla och ger bara den feedback som kunden kräver. Informationen de samlar in kan enkelt presenteras på ett gränssnitt mellan människa och maskin som laseroperatören ser. Dessa data kan också lagras och analyseras, och varningar kan utfärdas baserat på analysresultaten för att säkerställa systemets och användarnas säkerhet, eller för att minska skrothastigheten.
Den största nackdelen med övervakning under process är att dessa delsystem bara kan mäta en del av laserns prestanda för hela lasersystemet. En del av provet samlas in innan lasern når bearbetningsområdet och analyseras under bearbetningen. Tyvärr orsakas många problem som uppstår under bearbetning ofta av funktionell försämring av komponenter nära bearbetningsområdet efter att lasermätprovet har samlats in. Om en komponent i systemet försämras eller misslyckas under bearbetning, kan provet som används för lasermätning missa försämringen eller felet, vilket ger falsk feedback till systemet.
En annan nackdel med övervakning under process är svårigheten att kalibrera de optiska mätkomponenterna. Eftersom delsystem är integrerade med det övergripande systemet är det ofta svårt eller omöjligt att ta bort komponenter för omkalibrering. Effektmätningskomponenter måste kalibreras ofta (Ophir rekommenderar kalibrering var 12:e månad) för att säkerställa mätnoggrannhet.
Sådana mätsubsystem ger också ytterligare sensorisk återkoppling till lasersystemet för att indikera laserprestanda utan att förlita sig på faktiska mätningar av laserprestanda. Till exempel är en temperaturvakt installerad på täckglaset nära bearbetningsområdet för att skydda laserkomponenterna. När det finns för mycket bearbetningsskräp på täckglaset och skräpet absorberar laserenergin, vilket gör att temperaturen stiger, kommer temperaturvakten att påminna laseranvändare och ge värdefull information till systemet och användarna.
Övervakning vid process
Vid-processövervakning använder vanligtvis en separat uppsättning produkter för att ta mätningar i laserbehandlingsområdet och analysera hela lasersystemet. Dessa övervakningssystem kan vara sammansatta av separata produkter för mätning av lasereffekt, energi och strålkvalitetsanalys, eller så kan de vara sammansatta av produkter som kan testa dessa parametrar samtidigt (se figur 2). Dessa inspektionssystem kan vara beroende av varandra eller oberoende av varandra, integrerade i det övergripande systemet, eller så kan systemet underhållas regelbundet mellan processerna.
I likhet med in situ-övervakning har processövervakning sina för- och nackdelar. Den största fördelen med processövervakning är en mer fullständig bedömning av hela laserprestanda i systemet. 100 % av laserstrålen samlas in för effekt- eller energimätning, och den fokuserade punkten kan också analyseras för att ge användaren en omfattande analys av laserns prestanda vid den tidpunkten. Dessa data kan sparas, lagras eller loggas i hela systemet och sedan nås för trendanalys för att säkerställa systemåterställning efter ett fel och bibehålla den ursprungliga systemets effektivitet. Att samla in data med denna metod ger i slutändan användaren en komplett bild av laserns användning, men det kostar dock.
Den mest uppenbara nackdelen med processövervakning är driftstopp. Eftersom mätningen utförs på hela lasern måste lasern tas ur produktion för att kunna utföra mätningen. Om lasermätsystemet är integrerat i maskinen är det oftast ingen stor sak, men tid är pengar. Men även om det är bekvämt att integrera ett lasermätningssystem i det övergripande systemet, kan det vara kostsamt och ibland till och med anses onödigt. Om de inte är integrerade i det övergripande systemet kan lasermätprodukter användas som underhållsverktyg. Lasern måste dock tas ur produktion för att göra mätningarna och när underhållspersonal inte är bekant med laserverktygets funktion är mätningarna mycket tidskrävande, vilket kan resultera i mindre frekventa mätningar eller till och med inga mätningar kl. alla.
Dessutom finns det andra produkter som kan ge användarna information om processen. Till exempel erbjuder flera företag produkter som kan analysera svetsprocessen i realtid med hjälp av en mängd olika tekniker. Dessa system implementerar "go/no-go" eller "pass/no-go"-gränser på svetsprocessen, vilket gör att användarna kan veta när systemet kan ha problem, vilket säkerställer produktion av produkter av högre kvalitet och minskar skrothastigheten.
Att säkerställa att lasern fungerar stabilt under hela sin livscykel är avgörande för att maximera och bibehålla konsistensen och effektiviteten i processen, förlänga laserns livslängd och förbättra systemets avkastning på investeringen. Endast genom att mäta laserns prestanda i fält på arbetsplatsen kan användarna veta exakt hur lasern fungerar.
Både under- och processmätningsmetoder har sina egna fördelar och nackdelar, men båda metoderna kan ge viktig laserbearbetningsinformation. Produkter som mäter laserprestandaindikatorer utvecklas ständigt, blir lättare att använda och mer hållbara. Genom att mäta flera nyckelprestandaindikatorer för lasern kommer användarna att finna det lättare att förstå laserns arbetsprincip och utföra långsiktigt underhåll av laserns prestanda.
