PDF-Datenblatt zum Laserscope UFF 100 - Prometec

LASERSCOPE UFF 100
Laserstrahl-Diagnostiksystem für Hochleistungslaser
Das LASERSCOPE UFF 100 ermittelt die
Strahlparameter von Bearbeitungslasern:
⇒ Messung bis 25 kW Laserleistung oder
3 x 10 7 W/cm 2 Leistungsdichte im
fokussierten CO 2
-Strahl
⇒ CO 2
- und Nd:YAG-Laser, gepulst und im
cw-Betrieb
⇒ fokussiert und unfokussiert
⇒ 2D- und 3D-Darstellung
⇒ Modenstruktur und Leistungsdichte
Funktionsprinzip zum Abscannen des Lasers im Focus
Rotierende Hohlnadel mit Detektor auf Vorschubschlitten,
kleinste Schrittweite 12,5 µm
⇒ Strahlgeometrie mit Durchmesser,
Rayleighlänge und Strahllage
⇒ Strahlkennzahl M 2 bzw. K
Strahl-Diagnostik im fokussierten Laserstrahl
Strahl-Diagnostik im unfokussierten Laserstrahl
PDA.223.067.GE

Systemeigenschaften
Beim LASERSCOPE UFF 100 handelt es sich um ein
Diagnostikgerät zur Vermessung und Überwachung von
Laseranlagen mit hoher Leistung für die Materialbearbeitung.
Durch einfachen Austausch der Rotationsköpfe sind mit dem
Gerät sowohl Messungen im fokussierten als auch im
unfokussierten Strahl bei verschiedenen Leistungen und
Wellenlängen im cw-Betrieb, aber auch im gepulsten Betrieb
von 25 Hz möglich.
Zur Qualitätssteigerung und -sicherung der Produkte, die auf
Laserstrahlbearbeitungsanlagen gefertigt werden, ist die optimale
und gleichbleibende Einstellung der Laserstrahlparameter,
z.B. Fokusradius, Fokuslage, Leistungsdichteverteilung,
Rayleighlänge usw., in relativ engen Grenzen von
großer Bedeutung. Neben den Parametern der Laserstrahlquelle
wie Resonatorjustage, Resonatordruck, Entladungsstrom
usw. können insbesondere die optischen Komponenten
zwischen der Laserstrahlquelle und der Bearbeitungsstelle,
z.B. Umlenkspiegel, Strahlweichen, Strahlführungsrohre,
Fokussiereinheiten usw., einen erheblichen
Einfluß auf die Intensitätsverteilung im Fokus nehmen.
Durch eine Diagnostik der fokussierten Laserstrahlung, wie
sie mit dem LASERSCOPE UFF 100 bis zu Leistungsdichten
von über 10 7 W/cm 2 und von über 25 kW Strahlleistung im
Fokus möglich ist, kann die Laseranlage optimal für die
Bearbeitungsaufgabe eingerichtet und überprüft werden.
Der Einsatz des Gerätes unmittelbar vor der Fokussiereinheit
ermöglicht neben der Diagnostik des unfokussierten
Strahls eine permanente Überwachung des Lasersystems
sowie der gesamten Bearbeitungsanlage. Eine gleichbleibende
Produktqualität und Prozeßsicherheit ist die Folge.
Das Laser-Diagnostiksystem LASERSCOPE UFF 100 ist also
ein unerläßliches Meßsystem für den Anwender und Entwickler
von Hochleistungslaseranlagen. Ferner dient es zur
Abnahme, Inbetriebnahme sowie zum Service und zur Überwachung
von Laseranlagen.
Funktionsprinzip
Wie die Titelbilder zeigen, arbeitet das LASERSCOPE UFF
100 mit einer schräg gestellten, kurzen Hohlnadel zur Diagnostik
des fokussierten Strahls und alternativ mit einer langen
horizontalen Hohlnadel zur Diagnostik des unfokussierten
Strahls. Durch einfaches Umstecken der Rotationsköpfe für
den fokussierten bzw. unfokussierten Strahl innerhalb weniger
Minuten rüstet das LASERSCOPE UFF 100 automatisch
zwischen diesen beiden Meßmöglichkeiten um.
An der dem Laserstrahl zugewandten Seite ist in die Hohlnadel
eine zum Laserstrahl koaxiale Bohrung bis zum Nadelhohlraum
eingebracht. Die durch die Bohrung eintretende
Laserstrahlung wird in der Hohlnadel zur Rotationsachse
geführt und dort von einem Detektor erfaßt. Bei der Drehbewegung
der Hohlnadel senkrecht zur Strahlachse wird der
Laserstrahl entlang der Kreisbahn der Bohrung abgetastet.
Über eine präzise gesteuerte Vorschubbewegung des Schlittens
wird der Strahlquerschnitt durchfahren und entlang mehrerer
Schnittlinien diagnostiziert. Die Detektorsignale werden
digitalisiert, über einen im Sensorkopf integrierten 16 Bit-
Prozessor zwischengespeichert und dann über eine serielle
Standardschnittstelle an einen Personal-Computer zur Weiterverarbeitung
sowie Darstellung der Intensitätsverteilung
übergeben.
Beispiele für die Laserstrahldiagnostik mit dem LASERSCOPE UFF 100 an einem industriellen CO 2
-Laser

Diagnostik-Ergebnis: Durch fehlerhaft justierte Optik
stark astigmatischer Laserstrahl!
Die Darstellung kann dabei wahlweise entweder in Form einer
isometrischen Projektion der dreidimensionalen
Leistungsdichteverteilung oder einer modifizierten Form einer
Höhenliniendarstellung erfolgen. Während die isometrische
Projektion ein anschauliches Bild der Intensitätsverteilung
vermittelt, ist die modifizierte Form der Höhenliniendarstellung
besonders geeignet zur Ermittlung des
Strahlradius bzw. der Strahlfläche. Strahldegradationen, die
zu einer asymmetrischen Verzerrung führen, sind in dieser
Darstellungsart besonders gut diagnostizierbar. In der praktischen
Arbeit mit dem LASERSCOPE UFF 100 hat sich gezeigt,
daß diese Darstellungsart bevorzugt wird.
Die Berechnung des Strahlradius erfolgt automatisch. Zu seiner
Bestimmung wird die Intensitätsverteilung an einer Linie
mit konstanter Intensität geschnitten, in der 86% der gesamten
Strahlleistung liegen. Aus der so bestimmten Strahlfläche
wird bei rotationssymmetrischer Verteilung der Strahlradius
berechnet.
Technische Ausstattung und technische Daten
• Vollautomatische Ermittlung der Strahllage und der
Meßfenstergröße innerhalb der Apertur (Einrichten)
• Überwachung des Laserstrahls mit frei wählbaren
Überwachungsgrenzen für die Strahllage in x- und y-Richtung,
den Strahlradius und die Strahlleistung
• Darstellung der Leistungsdichteverteilung durch Schnitte,
isometrischer Projektion, Höhenlinien, Falschfarben
oder im Vergleich zu einer Referenzaufnahme
• Direkte Bestimmung von Strahlquerschnittsfläche, Strahlradius
nach der 86%-Methode, Strahllage und nach Eingabe
der Strahlleistung: die Strahlleistungsdichte
• Automatische Berechnung und Darstellung abgeleiteter
Laserstrahl-Kenngrößen (ab Software V 3.0):
- Diagnostik der Strahlkaustik und Ermittlung eines Diagramms
mit der großen und kleinen Halbachse im
Fokusbereich durch manuelles Verschieben des
Sensorkopfes in z-Richtung
- Bestimmung der Strahldivergenz und der Strahlkennzahl
K bzw. M 2 durch Mehrfachmessungen entlang
der Strahlachse
- Bestimmung der Rayleighlänge aus der Strahlkaustik
• Serienaufnahmen mit frei wählbarer Anzahl und Häufigkeit
der Messungen, freie Wahl der Mittelwertsbildung und
der Filter sowie automatischem Abspeichern der Daten
auf einen Massenspeicher
• Ausgabe der Bilddarstellungen und der errechneten Daten
für Matrixdrucker, Laserjet und HP-Deskjet sowie als
PCX-Dateien
• Möglichkeit der Bereitstellung des Datenfeldes für anderweitige
Datenaufbereitungen über Turbo-Pascal oder
ASCII-Format
• Software für DOS-PC Rechner mit VGA-Grafik und einer
seriellen Schnittstelle (RS 232) zum Anschluß des Sensorkopfes
• Direkte Übernahme der gemessenen Laserleistung vom
Laserleistungsmeßgerät LASERMETER
• Standard-Detektor geeignet zur Diagnostik von CO 2
- und
CO-Laserstrahlung
• Schnelle Umrüstung für Messungen im fokussierten und
unfokussierten Strahl sowie für verschiedene Wellenlängen
für die Grobanpassung an die Laserstrahlleistungsdichte.
Dies erfolgt durch sehr einfachen Austausch
von Rotationskopf mit Hohlnadel
• Hohe mechanische Präzision zur genauen Bestimmung
der Strahllage
• Mechanische Schnittstelle zum PROMETEC Leistungsmeßgerät
mit Strahlvernichter LASERMETER
• Netzanschluß: 230/115V, ± 5%, 50/60 Hz, 60 VA
• Abmessungen: (L x B x H) 381 x 226 x 89 mm 3
• Gewicht: 6,6 kg
Optionen
• Detektoren zur Diagnostik von anderen Laserstrahlungen
wie Nd:YAG und sichtbare Strahlung sowie solche für sehr
kleine und sehr hohe CO x
-Strahlung
• Hohlnadeln bzw. Rotationsköpfe mit Bohrungen in Sondergröße
sowie Matrixnadeln zur Diagnostik hochdivergenter
bzw. integrierter Strahlungen
• Triggerausgang vom LASERSCOPE UFF 100 zur Strahlquelle,
um bei 25 Hz zu diagnostizieren
• Softwaremodul zur externen Steuerung des
LASERSCOPE UFF 100 von der Maschinensteuerung.
Überwachungsmeldungen des Laserstrahls mit frei wählbaren
Überwachungsgrenzen für folgende Strahlkenngrößen
lassen sich abrufen:
Strahllage in x- und y-Richtung, Strahlradius, relative
Strahlleistung. Eine zweite RS 232-Schnittstelle im DOS-
PC Rechner oder der PLC-Schnittstellenkartensatz ist erforderlich
• PLC-Schnittstellenkartensatz zur parallelen Datenverbindung
zwischen Maschinen PLC und dem UFF 100
DOS-PC
• Zur Diagnostik hochdivergenter Hochleistungslaser mit
großem Strahldurchmesser steht eine wassergekühlte
Kühlblende mit 60 mm Apertur als Austauschdeckel zum
Sensorkopf zur Verfügung
• Massiver Aufbewahrungskoffer für Sensorkopf, Kabel und
Zubehör

fokussierte Laserstrahlung
unfokussierte Laserstrahlung
Möglicher Bohrungsdurchmesser der Hohlnadel 10 15 20 30 50 mm ± 3 µm max. ± 10% 0,1 0,3 0,5 mm ± 5%
Meßzeit (µs) für eine Schnittlinie (81 Meßpunkte
innerhalb der Fensterbreite)
81 - 648 350 - 3500
Meßzeit für ein Bild bei 41 Schnittlinien (s) 1,6 1,6
3,2 für Fenstergröße 60²
Drehzahl der Nadel (1 / min) 1500 1500
Maximaler Strahldurchmesser (mm) 4 60
Meßfenstergrößen (quadratisch in mm 2 ) 0,5 2 1 2 2 2 4 2 6 2 10 2 20 2 30 2 40 2 60 2
Meßbare Laserstrahlleistung 10 W bis 25 kW* 50 W** bis 25 kW
Meßbare Laserleistungsdichte 100 bis 3 x 10 7 W/cm 2 * 500 bis 2 x 10 6 W/cm 2
* Für Strahldurchmesser unter 1 mm beträgt das maximal zulässige Produkt aus Strahlleistung und mittlerer Strahlleistungsdichte
3 x 10 10 W 2 /cm 2
** bei Hohlnadel von 0,5 mm Durchmesser
LASERSCOPE UFF 100: Sensorkopf, Personal-Computer und Drucker
Das System basiert auf Entwicklungen des Fraunhofer-Institutes für Lasertechnik in Aachen. Technische Änderungen vorbehalten. ©1997
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