レーザーガルバノメーター入門

レーザースキャナ（レーザーガルバノメータとも呼ばれる）は、XY光学スキャンヘッド、電子駆動アンプ、および光学反射レンズで構成されています。コンピュータコントローラから提供される信号は、駆動アンプ回路を介して光学スキャンヘッドを駆動し、それによってXY平面でのレーザービームの偏向を制御します。簡単に言えば、ガルバノメータはレーザー産業で使用されるスキャンガルバノメータです。専門用語では、高速スキャンガルバノメータガルバノスキャンシステムと呼ばれます。いわゆるガルバノメータは、電流計とも呼ばれます。その設計思想は、電流計の設計方法に完全に準拠しています。レンズが針に取って代わり、プローブの信号はコンピュータ制御の-5V-5Vまたは-10V-+10V DC信号に置き換えられ、所定の動作を完了します。回転ミラースキャンシステムと同様に、この典型的な制御システムは一対の格納ミラーを使用します。違いは、このレンズセットを駆動するステッピングモーターがサーボモーターに置き換えられていることです。この制御システムでは、位置センサが使用され、負帰還ループの設計思想によりシステムの精度がさらに確保され、システム全体の走査速度と繰り返し位置決め精度が新たなレベルに達します。ガルバノメータ走査マーキングヘッドは、主にXY走査ミラー、フィールドレンズ、ガルバノメータ、およびコンピュータ制御マーキングソフトウェアで構成されています。異なるレーザー波長に応じて、対応する光学部品を選択します。関連オプションには、レーザービームエキスパンダー、レーザーなども含まれます。レーザーデモンストレーションシステムでは、光学走査の波形はベクトル走査であり、システムの走査速度がレーザーパターンの安定性を決定します。近年、高速スキャナが開発され、走査速度は45,000ポイント/秒に達し、複雑なレーザーアニメーションをデモンストレーションすることが可能になりました。

5.1 レーザーガルバノメーター溶接継手

5.1.1 検流計溶接継手の定義と構成：

コリメーション集束ヘッドは、支持プラットフォームとして機械装置を使用します。この機械装置は前後に動き、異なる軌道の溶接を実現します。溶接精度はアクチュエータの精度に依存するため、精度が低い、応答速度が遅い、慣性が大きいなどの問題があります。ガルバノメータ走査システムは、偏向レンズを駆動するためにモーターを使用します。モーターは一定の電流で駆動され、高精度、慣性が小さい、応答が速いという利点があります。ビームがガルバノメータレンズに照射されると、ガルバノメータの偏向によってレーザービームが変化します。したがって、ガルバノメータシステムを通して、レーザービームは走査視野内の任意の軌道を走査できます。

ガルバノメータ走査システムの主要構成要素は、ビーム拡張コリメータ、集束レンズ、XY二軸走査ガルバノメータ、制御基板、およびホストコンピュータソフトウェアシステムです。走査ガルバノメータは主に、高速往復サーボモータによって駆動される2つのXYガルバノメータ走査ヘッドを指します。二軸サーボシステムは、X軸およびY軸サーボモータにコマンド信号を送信することにより、XY二軸走査ガルバノメータをそれぞれX軸およびY軸に沿って偏向させます。このようにして、XY二軸ミラーレンズの複合的な動きにより、制御システムは、設定されたパスに従ってホストコンピュータソフトウェアのプリセットグラフィックテンプレートに従ってガルバノメータ基板を介して信号を変換し、ワークピース平面上を高速に移動して走査軌跡を形成します。

5.1.2 検流計溶接継手の分類：

1. 前方焦点走査レンズ

集束レンズとレーザーガルバノメータの位置関係により、ガルバノメータのスキャンモードは、前方集束スキャン（下図1）と後方集束スキャン（下図2）に分けられます。レーザービームが異なる位置に偏向される（ビーム伝送距離が異なる）と光路差が生じるため、前者の集束モードのスキャンプロセス中のレーザー焦点面は、左図に示すように半球面になります。後集束スキャン方式は右図に示されています。対物レンズはF面レンズです。F面ミラーは特殊な光学設計になっています。光学補正を導入することで、レーザービームの半球状の焦点面を平面に調整できます。後集束スキャンは、レーザーマーキング、レーザー微細構造溶接など、高い加工精度と狭い加工範囲が要求される用途に主に適しています。

2.後焦点走査レンズ

走査領域が拡大するにつれて、f-θレンズの開口も拡大します。技術的および材料的な制約により、大口径f-θレンズは非常に高価であり、このソリューションは受け入れられません。対物レンズ前面ガルバノメータ走査システムと6軸ロボットを組み合わせたソリューションは、ガルバノメータ装置への依存度を低減でき、システムの精度がかなり高く、互換性も良好なため、比較的実現可能なソリューションです。このソリューションは、ほとんどのインテグレータに採用されています。採用されているのは、しばしば飛行溶接と呼ばれます。モジュールバスバーの溶接（ポールクリーニングを含む）には飛行アプリケーションがあり、処理幅を柔軟かつ効率的に拡大できます。

3.3D検流計：

前方焦点走査か後方焦点走査かにかかわらず、動的焦点合わせではレーザービームの焦点を制御することはできません。前方焦点走査モードでは、加工対象物が小さい場合、焦点レンズには一定の焦点深度範囲があるため、小さなフォーマットで焦点合わせ走査を実行できます。しかし、走査対象面が大きい場合、周辺部の点が焦点から外れ、レーザー焦点深度範囲を超えるため、加工対象物の表面に焦点を合わせることができません。したがって、走査面上の任意の位置でレーザービームを適切に焦点合わせする必要があり、視野が広い場合、固定焦点レンズの使用では走査要件を満たすことができません。動的焦点合わせシステムは、必要に応じて焦点距離を変更できる光学系のセットです。そのため、研究者らは、動的焦点合わせレンズを使用して光路差を補償し、凹レンズ（ビームエキスパンダー）を光軸に沿って直線的に移動させて焦点位置を制御し、加工対象面の異なる位置で光路差を動的に補償することを提案しています。 2Dガルバノメーターと比較して、3Dガルバノメーターは主に「Z軸光学系」を追加した構成となっており、2Dガルバノメーターのように工作機械などの搬送装置を変更する必要なく、溶接工程中に焦点位置を自由に調整して空間曲面溶接を行うことができます。ロボットの高さは溶接焦点位置の調整に使用されます。