Lasermikrotyöstön reaaliaikainen pinnanseurantajärjestelmä
Hautala, Ville (2012)
2012
Automaatiotekniikan koulutusohjelma
Automaatio-, kone- ja materiaalitekniikan tiedekunta - Faculty of Automation, Mechanical and Materials Engineering
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2012-06-06
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201206071170
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201206071170
Tiivistelmä
Monissa mikrotyöstösovelluksissa laserin fokuskorkeuden tarkka hallinta on edellytys työstöprosessin onnistumiselle. Usein työkappaleen pinnanvaihtelut ovat suurempia kuin laserin syväterävyysalue, mikä johtaa epätasaiseen työstölaatuun tai prosessin epä-onnistumiseen. Ongelman ratkaisemiseksi kehitettiin korkeudensäätöjärjestelmä, joka mittaa työkappaleen pintaa reaaliaikaisesti ja muuttaa lasersäteen fokusoivan optiikan paikkaa mittaustulosten perusteella.
Testilaitteisto rakennettiin korkeudenseurantajärjestelmän toimintaperiaatteen arviointia sekä konfokaali- ja kolmiomittausanturien pinnanmittaustestejä varten. Näiden pohjalta rakennettiin toimiva prototyyppi suorituskyky- ja työstötestejä varten. Prototyyppi oli suunniteltu tasomaisille työkappaleille, joiden pinnanvaihtelu pysyy 400 µm sisällä. Työkappaleiden pinta-alalle ei ollut rajoituksia, mutta työstöradat olivat rajoitettu suoriin viivoihin. Työkappaleen pinnan mittaamiseen käytettiin optisia paikka-antureita ja pietsosähköisellä toimilaitteella siirrettiin optiikkaa. Pinnanmittaus suoritettiin työstö-liikkeen aikana ennen työstökohtaa, jotta toimilaitteelle jää riittävästi aikaa reagoida pinnankorkeuden vaihteluihin.
Prototyypin kykyä mukautua eri liikenopeuksiin testattiin käyttämällä nopeuksia väliltä 100 - 1700 mm/s pinnanvaihtelun ollessa yli 300 µm. Lisäksi alustavia työstötestejä tehtiin käyttäen teräs-, pii- ja safiirilevyjä, joita oli kallistettu hieman. Työstömatkat vaihtelivat 50 mm ja 150 mm välillä. Liikenopeuksia testattaessa laserin fokuskorkeuden vaihtelu pystyttiin pitämään 13 µm sisällä riippumatta nopeudesta. Materiaalin pro-sessointi onnistui koko työstöpinta-alalle huolimatta pinnanvaihteluista, ja ilman työ-kappaleiden tarkoituksellista kallistustakin saatiin työstö onnistumaan laajemmalla alalla verrattuna ilman korkeudensäätöä tehtyyn työstöön.
Suurin havaittu ongelma prototyypissä oli aaltomainen heilunta, mikä aiheutti fokuskor-keuden siirtymisen jaksoittain toivotun fokuskorkeuden ylä- tai alapuolelle. Tämä oli seurausta tukirakenteiden riittämättömästä jäykkyydestä sekä antureiden ja toimilaitteen suorituskyvyn jäämisestä odotettua heikommaksi. In many micromachining applications, precise laser height focus control is essential for the process success. Often workpiece surface changes are significantly greater than the laser’s depth of focus, which leads to uneven machining quality or the failure of the machining process. To resolve this problem a surface tracking system has been devel-oped that measures the workpiece surface in real time and changes the focusing optics position according to the measurement results.
A test setup was built for the working principle evaluation and to test if confocal and triangular types of sensors are suitable for the surface measurement. Based on the first tests, a prototype was constructed and used for the machining and performance tests. The prototype was designed for planar workpieces in which surface variation is below 400 µm. There were no limitations for the workpiece area, but machining paths were restricted for straight lines. Optical position sensors were used for the surface measure-ment and a piezoelectric actuator was used for displacement of the optics. The surface measurement was done during machining movement before the laser beam. The before-hand measurement provides sufficient time for the actuator to react on the surface height variations.
Tests were made using machining speeds from 100 mm/s up to 1700 mm/s while the surface variance was over 300 µm. Preliminary machining tests were made using steel, silicon and sapphire plates that were slightly tilted. Machining distances varied from 50 mm to 150 mm. When testing the different moving speeds, the laser focus height vari-ance was maintained under 13 µm range regardless of the moving speed. The laser ma-terial processing was successful in the entire working area despite of the large surface variance. Machining process was successful in wider area compared to machining done without the surface tracking even without tilting the workpieces,
The biggest issue in the prototype was wavelike motion that caused the focus height shift periodically slightly below or above the desired focus height. This was due to in-sufficient supporting structure rigidity and the sensors and the actuator not reaching to the expected performance level.
Testilaitteisto rakennettiin korkeudenseurantajärjestelmän toimintaperiaatteen arviointia sekä konfokaali- ja kolmiomittausanturien pinnanmittaustestejä varten. Näiden pohjalta rakennettiin toimiva prototyyppi suorituskyky- ja työstötestejä varten. Prototyyppi oli suunniteltu tasomaisille työkappaleille, joiden pinnanvaihtelu pysyy 400 µm sisällä. Työkappaleiden pinta-alalle ei ollut rajoituksia, mutta työstöradat olivat rajoitettu suoriin viivoihin. Työkappaleen pinnan mittaamiseen käytettiin optisia paikka-antureita ja pietsosähköisellä toimilaitteella siirrettiin optiikkaa. Pinnanmittaus suoritettiin työstö-liikkeen aikana ennen työstökohtaa, jotta toimilaitteelle jää riittävästi aikaa reagoida pinnankorkeuden vaihteluihin.
Prototyypin kykyä mukautua eri liikenopeuksiin testattiin käyttämällä nopeuksia väliltä 100 - 1700 mm/s pinnanvaihtelun ollessa yli 300 µm. Lisäksi alustavia työstötestejä tehtiin käyttäen teräs-, pii- ja safiirilevyjä, joita oli kallistettu hieman. Työstömatkat vaihtelivat 50 mm ja 150 mm välillä. Liikenopeuksia testattaessa laserin fokuskorkeuden vaihtelu pystyttiin pitämään 13 µm sisällä riippumatta nopeudesta. Materiaalin pro-sessointi onnistui koko työstöpinta-alalle huolimatta pinnanvaihteluista, ja ilman työ-kappaleiden tarkoituksellista kallistustakin saatiin työstö onnistumaan laajemmalla alalla verrattuna ilman korkeudensäätöä tehtyyn työstöön.
Suurin havaittu ongelma prototyypissä oli aaltomainen heilunta, mikä aiheutti fokuskor-keuden siirtymisen jaksoittain toivotun fokuskorkeuden ylä- tai alapuolelle. Tämä oli seurausta tukirakenteiden riittämättömästä jäykkyydestä sekä antureiden ja toimilaitteen suorituskyvyn jäämisestä odotettua heikommaksi.
A test setup was built for the working principle evaluation and to test if confocal and triangular types of sensors are suitable for the surface measurement. Based on the first tests, a prototype was constructed and used for the machining and performance tests. The prototype was designed for planar workpieces in which surface variation is below 400 µm. There were no limitations for the workpiece area, but machining paths were restricted for straight lines. Optical position sensors were used for the surface measure-ment and a piezoelectric actuator was used for displacement of the optics. The surface measurement was done during machining movement before the laser beam. The before-hand measurement provides sufficient time for the actuator to react on the surface height variations.
Tests were made using machining speeds from 100 mm/s up to 1700 mm/s while the surface variance was over 300 µm. Preliminary machining tests were made using steel, silicon and sapphire plates that were slightly tilted. Machining distances varied from 50 mm to 150 mm. When testing the different moving speeds, the laser focus height vari-ance was maintained under 13 µm range regardless of the moving speed. The laser ma-terial processing was successful in the entire working area despite of the large surface variance. Machining process was successful in wider area compared to machining done without the surface tracking even without tilting the workpieces,
The biggest issue in the prototype was wavelike motion that caused the focus height shift periodically slightly below or above the desired focus height. This was due to in-sufficient supporting structure rigidity and the sensors and the actuator not reaching to the expected performance level.