[ Ophir ] 自動化雷射系統中的集成功率測量

越來越高的雷射功率被用於材料加工。千瓦級雷射系統已成為雷射切割、焊接和打磨的標準。在為此目的開發的許多自動化雷射系統中，獲取數據以確保過程的質量和效率。傳感器不斷檢查材料特性或目視掃描加工零件。然而，通常不可見的雷射束的參數並不容易測量，尤其是在較高功率範圍內。許多傳感器過於脆弱，無法承受雷射功率或惡劣的生產條件。連接到生產網絡也經常被證明太困難，儘管這是不間斷地收集和分析數據的先決條件。然而，MKS Instruments 已成功開發出應對這一挑戰的新測量技術；繼續閱讀以了解更多詳細信息。

高質量，最大吞吐量
可重複的加工過程和始終如一的高零件質量一直是關鍵的業務需求。不斷上漲的原材料成本、準時制生產以及對可持續性的日益重視等問題使工藝質量成為人們關注的焦點。同時，這些努力不得損害自動化生產過程中系統的可用性。解決方案？在運行過程中直接記錄盡可能多的測量值，並立即進行分析。這不僅可以持續驗證過程質量，還可以進行主動維護並避免機器停機 - 更不用說遵守職業安全要求，從而確保在測量時保護操作員。所以，我們問：

雷射功率和功率密度
材料加工的決定性因素是雷射束撞擊工件時的功率密度；此功率密度以瓦特每平方厘米 (W/cm2) 表示。為了焊接金屬，千瓦級的雷射束必須聚焦在毫米級的一點上，這使得功率密度達到幾 MW/cm2。如果雷射功率因組件故障而降低，或者如果光束直徑因雷射系統的熱效應而增加，則功率密度會迅速降低——這會對焊接過程產生不利影響。特殊的挑戰在於這種錯誤的焊接往往未被發現。在表面上，既看不到焊縫的深度，也看不到熱影響區的寬度。

標題圖片 1：製造過程中產生的灰塵顆粒進入了保護玻璃。這種污染會在雷射系統中引起熱效應，從而導致焦點偏移。這會導致功率密度下降；反過來，雷射系統的加工質量會下降。

連續測量
特別是在敏感的製造過程中，例如車身焊接，錯誤的焊接可能會帶來災難性的後果。即使是短時間定期維護系統本身也不足以保證質量。由於這只能通過每次換班時或每次加工操作前的通過/失敗測試來實現，因此必須將功率傳感器集成到系統中。挑戰是多方面的：

• 傳感器本身必須防止灰塵和污垢
• 傳感器不得過熱
• 工業接口和協議必須允許通過系統直接控制傳感器
• 安裝應該非常靈活，因為每個系統都是單獨設計的

不同的技術
隨著雷射應用的發展，測量技術近年來也有了長足的發展。用於測量雷射束的新技術，例如基於瑞利散射的非接觸方法或脈衝功率方法，使當今高功率雷射器的可靠測量成為可能。在過去的幾年中，MKS Instruments 已經開發出多種採用這些方法的 Ophir 設備，同時考慮到工業用戶的需求。

緊湊型功率計 Helios Plus 通過測量短脈衝來確定高達 12kW 的雷射功率。因為它可以在幾秒鐘內進行測量，所以該裝置可以在不需要任何水冷的情況下運行。另一方面，Ophir BeamWatch 集成系統基於雷射束的非接觸式測量。它結合了光束分析儀和功率計，並具有各種工業接口。並且，與 Helios Plus 一樣，已成功直接用於眾多生產線。

最近，該公司推出了 Ophir IPM-10KW 傳感器，這是另一種用於測量自動化雷射系統中雷射功率的解決方案。與之前的兩項開發一樣，該傳感器還提供工業接口並測量 100W 至 10kW 之間的各種雷射功率。該系統的一個新特點是它的模塊化設計。測量概念基於三個組件，可以根據集成商或用戶的需要進行組合：

1. 1. 水冷感測頭
2. 自動防護罩（IPM快門）
3. Profinet 或 EtherNet/IP 接口

因此大大簡化了將功率測量集成到雷射單元中。以前，需要使用長達 ​​30 米的電纜從單元到顯示單元——A/D 轉換器將結果從那裡轉發到機器人的控制單元——現在，測量設置簡單得多。測量數據通過通信接口報告給控制單元，控制單元直接與雷射機器人通信。

標題圖片 2：Ophir IPM-10k 功率計由三個可根據需要組合的組件組成。

可靠的加工
由於其耐用性和效率，高功率雷射器提供了無數的可能性，尤其是在材料加工方面。儘管如此，經驗表明，定期測量雷射參數對整個過程具有保護作用。一旦發現缺陷，通常可以迅速糾正。可直接集成到雷射加工單元中的堅固測量設備為加工質量提供了最佳保證。