บทนำเกี่ยวกับเครื่องวัดกระแสไฟฟ้าเลเซอร์

เครื่องสแกนเลเซอร์ หรือที่เรียกว่าเลเซอร์แกลวาโนมิเตอร์ ประกอบด้วยหัวสแกนแสง XY, ตัวขยายสัญญาณขับเคลื่อนอิเล็กทรอนิกส์ และเลนส์สะท้อนแสง สัญญาณที่ส่งมาจากตัวควบคุมคอมพิวเตอร์จะขับเคลื่อนหัวสแกนแสงผ่านวงจรขยายสัญญาณขับเคลื่อน ทำให้สามารถควบคุมการเบี่ยงเบนของลำแสงเลเซอร์ในระนาบ XY ได้ กล่าวโดยง่าย แกลวาโนมิเตอร์นี้คือแกลวาโนมิเตอร์แบบสแกนที่ใช้ในอุตสาหกรรมเลเซอร์ ศัพท์เฉพาะทางเรียกว่าระบบสแกนแกลวาโนมิเตอร์ความเร็วสูง หรือระบบสแกนแกลวาโนมิเตอร์ แกลวาโนมิเตอร์ที่ว่านี้อาจเรียกว่าแอมมิเตอร์ก็ได้ แนวคิดการออกแบบนั้นเหมือนกับแอมมิเตอร์ทุกประการ เลนส์ทำหน้าที่แทนเข็ม และสัญญาณจากหัววัดจะถูกแทนที่ด้วยสัญญาณ DC -5V-5V หรือ -10V-+10V ที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ เพื่อให้การทำงานเป็นไปตามที่กำหนดไว้ เช่นเดียวกับระบบสแกนแบบกระจกหมุน ระบบควบคุมทั่วไปนี้ใช้กระจกคู่หนึ่งที่เคลื่อนที่เข้าออกได้ ความแตกต่างคือ มอเตอร์สเต็ปเปอร์ที่ขับเคลื่อนชุดเลนส์นี้ถูกแทนที่ด้วยมอเตอร์เซอร์โว ในระบบควบคุมนี้ ใช้เซ็นเซอร์ตำแหน่ง แนวคิดการออกแบบและวงจรป้อนกลับเชิงลบช่วยให้มั่นใจได้ถึงความแม่นยำของระบบ และความเร็วในการสแกนและความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งซ้ำของระบบโดยรวมก็สูงขึ้นไปอีกระดับ หัวสแกนแบบกัลวาโนมิเตอร์ประกอบด้วยกระจกสแกน XY เลนส์สนาม กัลวาโนมิเตอร์ และซอฟต์แวร์การทำเครื่องหมายที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ เลือกส่วนประกอบทางแสงที่เหมาะสมตามความยาวคลื่นเลเซอร์ที่แตกต่างกัน ตัวเลือกที่เกี่ยวข้องอื่นๆ ได้แก่ ตัวขยายลำแสงเลเซอร์ เลเซอร์ ฯลฯ ในระบบสาธิตเลเซอร์ รูปคลื่นของการสแกนด้วยแสงเป็นการสแกนแบบเวกเตอร์ และความเร็วในการสแกนของระบบจะเป็นตัวกำหนดความเสถียรของรูปแบบเลเซอร์ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการพัฒนาสแกนเนอร์ความเร็วสูง โดยมีความเร็วในการสแกนสูงถึง 45,000 จุด/วินาที ทำให้สามารถสาธิตภาพเคลื่อนไหวเลเซอร์ที่ซับซ้อนได้

5.1 การเชื่อมข้อต่อด้วยเลเซอร์แกลวาโนมิเตอร์

5.1.1 คำจำกัดความและองค์ประกอบของรอยเชื่อมแบบกัลวาโนมิเตอร์:

หัวปรับโฟกัสลำแสงใช้กลไกเชิงกลเป็นแท่นรองรับ กลไกเชิงกลจะเคลื่อนที่ไปมาเพื่อทำการเชื่อมในแนวเส้นทางต่างๆ ความแม่นยำในการเชื่อมขึ้นอยู่กับความแม่นยำของตัวขับเคลื่อน ดังนั้นจึงมีปัญหาต่างๆ เช่น ความแม่นยำต่ำ ความเร็วในการตอบสนองช้า และแรงเฉื่อยสูง ระบบสแกนด้วยกัลวาโนมิเตอร์ใช้มอเตอร์ในการขับเคลื่อนเลนส์เพื่อเบี่ยงเบน มอเตอร์ถูกขับเคลื่อนด้วยกระแสไฟฟ้าที่กำหนด และมีข้อดีคือมีความแม่นยำสูง แรงเฉื่อยต่ำ และการตอบสนองที่รวดเร็ว เมื่อลำแสงตกกระทบเลนส์กัลวาโนมิเตอร์ การเบี่ยงเบนของกัลวาโนมิเตอร์จะเปลี่ยนลำแสงเลเซอร์ ดังนั้นลำแสงเลเซอร์จึงสามารถสแกนเส้นทางใดๆ ก็ได้ในขอบเขตการมองเห็นของการสแกนผ่านระบบกัลวาโนมิเตอร์

ส่วนประกอบหลักของระบบสแกนด้วยกัลวาโนมิเตอร์ ได้แก่ ตัวขยายลำแสง เลนส์โฟกัส กัลวาโนมิเตอร์สแกนสองแกน XY บอร์ดควบคุม และระบบซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์หลัก กัลวาโนมิเตอร์สแกนส่วนใหญ่หมายถึงหัวสแกนกัลวาโนมิเตอร์ XY สองหัว ซึ่งขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์เซอร์โวแบบลูกสูบความเร็วสูง ระบบเซอร์โวแบบสองแกนจะขับเคลื่อนกัลวาโนมิเตอร์สแกนสองแกน XY ให้เบี่ยงเบนไปตามแกน X และแกน Y ตามลำดับ โดยการส่งสัญญาณคำสั่งไปยังมอเตอร์เซอร์โวแกน X และ Y ด้วยวิธีนี้ ผ่านการเคลื่อนที่ร่วมกันของเลนส์กระจกสองแกน XY ระบบควบคุมสามารถแปลงสัญญาณผ่านบอร์ดกัลวาโนมิเตอร์ตามแม่แบบกราฟิกที่ตั้งไว้ล่วงหน้าของซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์หลักตามเส้นทางที่กำหนด และเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วบนระนาบชิ้นงานเพื่อสร้างวิถีการสแกน

5.1.2 การจำแนกประเภทของรอยเชื่อมด้วยเครื่องวัดกระแสไฟฟ้า:

1. เลนส์สแกนโฟกัสหน้า

จากการพิจารณาความสัมพันธ์เชิงตำแหน่งระหว่างเลนส์โฟกัสและแกลวาโนมิเตอร์เลเซอร์ โหมดการสแกนของแกลวาโนมิเตอร์สามารถแบ่งออกเป็น การสแกนแบบโฟกัสหน้า (ภาพที่ 1 ด้านล่าง) และการสแกนแบบโฟกัสหลัง (ภาพที่ 2 ด้านล่าง) เนื่องจากความแตกต่างของเส้นทางแสงเมื่อลำแสงเลเซอร์เบี่ยงเบนไปยังตำแหน่งต่างๆ (ระยะการส่งผ่านลำแสงแตกต่างกัน) พื้นผิวโฟกัสของเลเซอร์ในระหว่างกระบวนการสแกนแบบโฟกัสก่อนหน้านี้จึงเป็นพื้นผิวทรงครึ่งวงกลม ดังแสดงในภาพด้านซ้าย วิธีการสแกนแบบโฟกัสหลังแสดงในภาพด้านขวา เลนส์วัตถุเป็นเลนส์แบบ F-plan กระจกแบบ F-plan มีการออกแบบทางแสงแบบพิเศษ โดยการปรับแก้ทางแสง พื้นผิวโฟกัสทรงครึ่งวงกลมของลำแสงเลเซอร์สามารถปรับให้แบนราบได้ การสแกนแบบโฟกัสหลังเหมาะสำหรับงานที่ต้องการความแม่นยำในการประมวลผลสูงและช่วงการประมวลผลขนาดเล็ก เช่น การทำเครื่องหมายด้วยเลเซอร์ การเชื่อมโครงสร้างจุลภาคด้วยเลเซอร์ เป็นต้น

2.เลนส์สแกนโฟกัสด้านหลัง

เมื่อพื้นที่การสแกนเพิ่มขึ้น รูรับแสงของเลนส์ f-theta ก็จะเพิ่มขึ้นด้วย เนื่องจากข้อจำกัดทางเทคนิคและวัสดุ เลนส์ f-theta ที่มีรูรับแสงขนาดใหญ่จึงมีราคาแพงมาก และวิธีการนี้จึงไม่เป็นที่ยอมรับ ระบบสแกนด้วยกัลวาโนมิเตอร์ด้านหน้าเลนส์วัตถุร่วมกับหุ่นยนต์หกแกนจึงเป็นวิธีการที่ค่อนข้างเป็นไปได้ ซึ่งสามารถลดการพึ่งพาอุปกรณ์กัลวาโนมิเตอร์ มีความแม่นยำของระบบในระดับสูง และมีความเข้ากันได้ดี วิธีการนี้ได้รับการนำไปใช้โดยผู้ประกอบระบบส่วนใหญ่ การนำไปใช้มักเรียกว่าการเชื่อมแบบบิน (Flight Welding) การเชื่อมโมดูลบัสบาร์ รวมถึงการทำความสะอาดขั้ว มีการใช้งานแบบบิน ซึ่งสามารถเพิ่มความกว้างของการประมวลผลได้อย่างยืดหยุ่นและมีประสิทธิภาพ

3.3D แกลวาโนมิเตอร์:

ไม่ว่าจะเป็นการสแกนแบบโฟกัสหน้าหรือแบบโฟกัสหลัง การโฟกัสของลำแสงเลเซอร์นั้นไม่สามารถควบคุมได้สำหรับการโฟกัสแบบไดนามิก สำหรับโหมดการสแกนแบบโฟกัสหน้า เมื่อชิ้นงานที่จะทำการประมวลผลมีขนาดเล็ก เลนส์โฟกัสจะมีช่วงความลึกโฟกัสที่จำกัด จึงสามารถทำการสแกนแบบโฟกัสได้ในรูปแบบขนาดเล็ก อย่างไรก็ตาม เมื่อระนาบที่จะสแกนมีขนาดใหญ่ จุดที่อยู่ใกล้ขอบจะอยู่นอกโฟกัสและไม่สามารถโฟกัสบนพื้นผิวของชิ้นงานที่จะทำการประมวลผลได้ เนื่องจากเกินช่วงความลึกของการโฟกัสของเลเซอร์ ดังนั้น เมื่อต้องการให้ลำแสงเลเซอร์โฟกัสได้ดีในทุกตำแหน่งบนระนาบการสแกนและมีขอบเขตการมองเห็นกว้าง การใช้เลนส์ที่มีความยาวโฟกัสคงที่จึงไม่สามารถตอบสนองความต้องการในการสแกนได้ ระบบโฟกัสแบบไดนามิกจึงเป็นชุดของระบบออปติคอลที่มีความยาวโฟกัสสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามต้องการ ดังนั้น นักวิจัยจึงเสนอให้ใช้เลนส์โฟกัสแบบไดนามิกเพื่อชดเชยความแตกต่างของเส้นทางแสง และใช้เลนส์เว้า (ตัวขยายลำแสง) เพื่อเคลื่อนที่เชิงเส้นไปตามแกนแสงเพื่อควบคุมตำแหน่งโฟกัสและทำให้พื้นผิวที่จะทำการประมวลผลได้รับการชดเชยแบบไดนามิกสำหรับความแตกต่างของเส้นทางแสงในตำแหน่งต่างๆ เมื่อเปรียบเทียบกับกัลวาโนมิเตอร์ 2 มิติ องค์ประกอบของกัลวาโนมิเตอร์ 3 มิติส่วนใหญ่จะเพิ่ม "ระบบแสงแกน Z" เข้าไป ทำให้กัลวาโนมิเตอร์ 3 มิติสามารถเปลี่ยนตำแหน่งโฟกัสได้อย่างอิสระในระหว่างกระบวนการเชื่อมและทำการเชื่อมพื้นผิวโค้งในอวกาศได้โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนตัวพา เช่น เครื่องมือกล ฯลฯ เหมือนกับกัลวาโนมิเตอร์ 2 มิติ ความสูงของหุ่นยนต์จะถูกใช้เพื่อปรับตำแหน่งโฟกัสการเชื่อม