Synchrone Genauigkeit

Eine Bearbeitung mittels Scanner und Positioniersystem setzt die Verwendung von zwei eigenständigen Steuerungen voraus: eine Steuerung für den Scanner und eine für das Positioniersystem. Folglich ist der Anwender gezwungen, sich mit beiden Steuerungsplattformen zu befassen, was nicht nur die Bedienbarkeit des Gesamtsystems kompliziert, sie wirft auch noch andere Probleme auf, wie z.B. mögliche Nahtfehler in der Kontur sowie deutlich längere Prozesszeiten. Nahtfehler, auch als Stitching-Effekt bekannt, sind das Resultat von Bewegungsfehlern des Galvo-Scanners, des Positioniersystems sowie der Ausrichtung zueinander. Nicht selten können diese Fehler sogar mit dem bloßen Auge erkannt werden und sind so groß, dass das Bauteil nicht mehr verwendet werden kann. Ebenso problematisch sind regelungsbedingte Einschwingeffekte des Servo-Positioniersystems. Mit dem Ziel eine möglichst optimale Genauigkeit im Bearbeitungsprozess zu erreichen, spielen diese Effekte bei der Positionierung des Bauteils zum nächsten Sichtfeld-Block eine durchaus wichtige Rolle. So lange wie das Servo-System braucht, um auf einen akzeptablen Positionswert einzuschwingen, so lange muss der Scanner warten, bis er den Markierprozess beginnen kann. Dadurch geht wertvolle Bearbeitungszeit verloren, die den Prozess insgesamt unnötigerweise verlangsamt. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass der Step-and-Scan-Betrieb keine optimale Bearbeitungsmöglichkeit zulässt. Viele Nachteile und Einschränkungen beeinflussen einen optimalen Bearbeitungsprozess und verlangen nach einer modernen Lösung, die die genannten Probleme berücksichtigt. Synchrone Scanner und Servobewegung Die Nmark-Reihe synchronisiert nicht nur die Bewegungen des Galvo-Scanners mit denen des Servo-Positioniersystems (Bild 1), sondern vereint zudem beide Bewegungsplattformen in einer einzigen Bedien- und Entwicklungsumgebung. Somit kann der Anwender in der gängigen CNC-Sprache (G-Code) programmieren und in einer damit ihm vertrauten Softwareumgebung arbeiten. Darüber hinaus ermöglicht die nahtlose Verbindung zwischen Galvo-System und Servoachsen simultane und koordinierte Bewegungsabläufe, da sowohl die Positionen des Galvos als auch die der Positionierachsen zu jeder Zeit bekannt sind. Die Steuerung ist damit in der Lage, das abzufahrende Bewegungsprofil selbsttätig auszuwerten und die entsprechenden Bewegungsanteile dem Scanner und den Positionierachsen vollautomatisch zuzuweisen. Durch diese Technik ist es im Prinzip möglich, das Sichtfeld des Galvo-Scanners unbegrenzt zu vergrößern. Das Infinite Field of View (IFoV) wird grundsätzlich von der gesamten Baureihe unterstützt, sowohl von dem Modell SSaM als auch CLS. SSaM (Synchronized Scanner and Motion) steht für synchronisierte Scanner- und Servobewegung und zeichnet sich durch hohe Flexibilität aus. So können Galvo-Scanner beliebiger Hersteller angesteuert werden, die das branchenübliche XY2-100-Kommunikationsprotokoll unterstützen. Als komplettes Steuerungsmodul bietet das Hardwaremodul zusätzliche Ein-/Ausgänge entweder auf Platinen-, Antriebs- oder externer Ebene (z.B. Ethernet). Zudem stehen dem Anwender diverse Konfigurationsmöglichkeiten zur optimalen Laseransteuerung zur Verfügung. Verzögerungszeiten im Laser oder Galvo-Scanner können durch Programmierung oder Parametrierung eingestellt werden, systemeigene Modi für CO2-, Faser-, und YAG-Laser können aufgerufen werden, zusätzliche Laserkonfigurationsoptionen (Pulsunterdrückung, Resonanzfrequenz, Sanft-Anfahr-Modi usw.) erleichtern die Integration jedes beliebigen Lasertyps in das Servo-Scanner-System. CLS (Closed Loop Scanner) ist die nächste Ausbaustufe, die neben den Funktionalitäten der SSaM-Reihe weitere Neuerungen enthält. Vor allem bekommt die Steuerung nun direkten Zugriff zu den Feedbacksignalen des Galvo-Scanners, was den Zugang zu vielen neue Funktionen und Optimierungsmöglichkeiten eröffnet. Damit eröffnen sich Vorteile bezüglich der Auslösung von externen Ereignissen (z.B. Abtastsensoren, Lasertrigger, usw.) auf Basis von Echtzeit-Positionsdaten des Servo-Positioniersystems. Ein positionsbasierender Trigger (PSO) schließt mögliche externe Probleme von vornherein aus. So verlieren z.B. die Geschwindigkeitsregelung und Einschwingzustände ihre Bedeutung, da der Prozess nur noch von der Echtzeit-Position bestimmt wird. Darüber hinaus reduziert sich die Latenzzeit zwischen dem Zeitpunkt, an dem sich die Achse an der Zielposition befindet und der tatsächlichen Auslösung der Ausgänge auf ein Minimum (Nanosekunden). Dadurch sind erheblich höhere Geschwindigkeiten als bei herkömmlichen Trackingverfahren möglich. Positionsrückmeldungen werden kombiniert Bei Kombinationen aus Scanner und Positioniersystem kommt es gewöhnlich zu einer ganzen Reihe von Komplikationen. Zum einen stellen die meisten Galvo-Systeme die Positionsrückmeldung ihres Rohdaten-Encoders extern nicht zur Verfügung. Stattdessen scheint das Gerät von außen betrachtet im offenen Regelmodus zu arbeiten, obwohl sich der Galvo tatsächlich in einem geschlossenen Regelkreis befindet. Auch stellt sich die Frage, welche Encoder-Rückmeldeeinheit die Basis für den PSO-Trigger sein soll, wenn sich sowohl Servo- als auch die Galvo-Einheit bewegt, um z.B. die IFoV-Funktionalität der Serie nutzen zu können. Als Teil der CLS-Technologie wird dieses Problem durch die zum Patent angemeldete Infinisync-Funktion gelöst. Die Positionsrückmeldung sowohl von den Servoachsen als auch des Galvo-Systems wird steuerungsseitig verarbeitet und miteinander kombiniert, wodurch die PSO-Pulsauslösung korrekt in Echtzeit erfolgt. Im Vergleich zu herkömmlichen Scansystemen, bei denen die Positionierung des Laserpunktes fast ausschließlich von der Geschwindigkeitsstabilität abhängt, stellt die PSO-Funktion einen Vorteil dar. Sollte die Vektorgeschwindigkeit der Scanner-Spiegel z.B. nur bis auf 0,01% kontrolliert werden können, würde das die Bearbeitungsqualität dramatisch verschlechtern. Bei einem Beschriftungsprozess mit einer Geschwindigkeit von 1m/s und einem Geschwindigkeitsfehler von 0,01% hätte das ein Versatz der Laserauslöseposition um ganze 100µm zur Folge. Damit wäre die Abweichung sogar größer, als viele Bauteile, wie sie typischerweise in der Mikromaterialbearbeitung hergestellt werden. Vorteil Systemkalibrierung Bei einer Kombination aus Servo- und Galvo-System kann eine Kalibrierung mit echten Messwerten vorgenommen werden. Während die meisten Galvo-Systeme eine ausschließlich rechnerisch basierte Korrekturtabelle, z.B. zur Beseitigung von durch F-Theta-Linsen verursachte tonnenförmige Verzerrungen verwenden, kann die CLS-Reihe mit einer auf Messwerten beruhenden Fehler-Nachschlagetabelle arbeiten. Dadurch können die Korrekturdateien des Positioniersystems mit der tatsächlichen Positionsrückmeldung der Galvo-Motoren perfekt abgeglichen werden. Diese Möglichkeit der kompletten Systemkalibrierung und die Fähigkeit der Steuerung, zusätzliche, darüber gelagerte Kalibrierungstabellen hinzuzufügen, bietet gegenüber anderen Wettbewerbslösungen einen enormen Genauigkeitsvorteil. (Druck mit Genehmigung von Industrial Laser Solutions/PennWell)