CO2 laser, стабилизация параметров лазерного луча Опции

[andrey98]

Требуется датчик с частотой порядка 20Гц для стабилизации размера и положения лазерного пучка с длиной волны 10 микрон. Решение должно быть недорогим (в пределах 30 тыс. руб). Пока мне кажется наиболее целесообразным испольльзовать либо квадрантный ИК датчик с цилиндрической оптикой - вроде как в СД плейере система (минус дорогая оптика), либо матричный термопарный приемник 4х4 или с большим разрешением. Может у кого есть еще какие-то идеи?
Энергия там достаточная. Охлаждение недопустимо.

[Stanislav]

Простите, что вламываюсь в сугубо профессиональное обсуждение, но иногда взгляд со стороны может оказаться полезным.
Рассмотрите такое предложение. В качестве датчика применить недорогую фотоматрицу ИК диапазона с умеренным разрешением и цифровым выходом. С помощью нее можно наблюдать всю картину пространственных частот. Далее использовать методы цифровой сигнальной обработки для получения на выходе сразу управляющего воздействия на эффекторы. Синтез алгоритма анализа и регулирования не должен составить большого труда, при его реализации можно использовать недорогой DSP с видеопортом, вроде BlackFin ($14). При выдаче выходного управляющего воздействия с частотой 20 Гц его хватит и на обмолот матрицы большого размера. Для устранения неоднозначности фокусировки, по-моему, никакой оптики вообще не потребуется (возможно, ошибаюсь), только луч должен всегда попадать на матрицу под углом. В противном случае, можно применить и цилиндрическую линзу. Такую систему можно сделать и адаптивной к разного рода возмущениям, при этом не потребуется никакой дорогостоящей оптики и механики.
Общую стоимость выходного продукта (датчик+анализатор+регулятор),не считая НИР и ОКР, можно оценить где-то в районе 100-150 бакинских.

[net]

Простите, что вламываюсь в сугубо профессиональное обсуждение, но иногда взгляд со стороны может оказаться полезным.
Рассмотрите такое предложение. В качестве датчика применить недорогую фотоматрицу ИК диапазона с умеренным разрешением и цифровым выходом. С помощью нее можно наблюдать всю картину пространственных частот. Далее использовать методы цифровой сигнальной обработки для получения на выходе сразу управляющего воздействия на эффекторы. Синтез алгоритма анализа и регулирования не должен составить большого труда, при его реализации можно использовать недорогой DSP с видеопортом, вроде BlackFin ($14). При выдаче выходного управляющего воздействия с частотой 20 Гц его хватит и на обмолот матрицы большого размера. Для устранения неоднозначности фокусировки, по-моему, никакой оптики вообще не потребуется (возможно, ошибаюсь), только луч должен всегда попадать на матрицу под углом. В противном случае, можно применить и цилиндрическую линзу. Такую систему можно сделать и адаптивной к разного рода возмущениям, при этом не потребуется никакой дорогостоящей оптики и механики.
Общую стоимость выходного продукта (датчик+анализатор+регулятор),не считая НИР и ОКР, можно оценить где-то в районе 100-150 бакинских.

осталось дело за малым найди дешевую матрицу на 10 микрон
а так никаких проблем нет

для справки матрица на 1.5 мкм стоит от 10000 зеленых и не продается по ограничениям департамента

кремний(из которого делают ИК матрицы) работает до 1 микрона (примерно)
дальше по законам физики требуются другие материалы

[Stanislav]

осталось дело за малым найди дешевую матрицу на 10 микрон 
а так никаких проблем нет 

для справки матрица на 1.5 мкм стоит от 10000 зеленых и не продается по ограничениям департамента

кремний(из которого делают ИК матрицы) работает до 1 микрона (примерно)
дальше по законам физики требуются другие материалы

Понятно. А что, навроде болометрических и впрямь ничего нет?
ЗЫ. Перепутал 1 мкМ и 10 мкМ...
ЗЗЫ. А нельзя ли сделать на приемном конце механическую развертку (на том же дефлекторе)? У аналог девиц видел интегральное электростатически управляемое зеркало ф 1мм.
Хотя, 1 мм наверное, маловато...

[net]

осталось дело за малым найди дешевую матрицу на 10 микрон 
а так никаких проблем нет 

для справки матрица на 1.5 мкм стоит от 10000 зеленых и не продается по ограничениям департамента

кремний(из которого делают ИК матрицы) работает до 1 микрона (примерно)
дальше по законам физики требуются другие материалы

Понятно. А что, навроде болометрических и впрямь ничего нет?
ЗЫ. Перепутал 1 мкМ и 10 мкМ...
ЗЗЫ. А нельзя ли сделать на приемном конце механическую развертку (на том же дефлекторе)? У аналог девиц видел интегральное электростатически управляемое зеркало ф 1мм.
Хотя, 1 мм наверное, маловато...

конечно можно
только оптические механизмы с механикой - требуют высокие точности и стоят ВСЕГДА дорого
например банальный пъезик вроде все хорошо и просто - но его крепление - его основа приклеивают на ситал или еще чегото чтобы не было вибрации и звона и тд и тп
вообщем стоимость сразу уползает
когда делается оптическая система стоимость электроники всегда мизерная
но всегда почемуто ограничивают бюджет
банальный клин просветленный стоит дороже чем вся электроника с видео матрицей и процесором если рассмотреть до 1 микрона диапазон
так что надо всегда конкретно рассматривать

для примера устройтсво перемещение на пьезике на 100 мкм с 1 нанометровой точностью стоит порядка 3000 зеленых - на этом обычно делают автофокус у микроскопов - там на параллелограме из пьезика делают подвижку объектива
вообщем перефразируем пифагора - дайте мне денег и я сделаю все
а все дело в том что вечно приходится из дерьма конфетку делать

[Stanislav]

...только оптические механизмы с механикой - требуют высокие точности и стоят ВСЕГДА дорого

...для примера устройтсво перемещение на пьезике на 100 мкм с 1 нанометровой точностью стоит порядка 3000 зеленых - на этом обычно делают автофокус у микроскопов - там на параллелограме из пьезика делают подвижку объектива

Простите, но здесь-то зачем такая точность ? Ведь стоит задача получения растра... Функциональную зависимость угла отклонения зеркала от напряжения и температуры можно "зашить" в анализатор, чтобы отделаться от ОС. Кроме того, можно поискать и в интегральном исполнении: у кого-то видел оптические кросс-коммутаторы на основе микрозеркал, матрица, по-моему, 16х16 (хотя, о цене не знаю).
В любом случае, на квадрантном датчике очень уж большой точности не получится.

[net]

...только оптические механизмы с механикой - требуют высокие точности и стоят ВСЕГДА дорого

...для примера устройтсво перемещение на пьезике на 100 мкм с 1 нанометровой точностью стоит порядка 3000 зеленых - на этом обычно делают автофокус у микроскопов - там на параллелограме из пьезика делают подвижку объектива

Простите, но здесь-то зачем такая точность ? Ведь стоит задача получения растра... Функциональную зависимость угла отклонения от напряжения и температуры можно "зашить" в анализатор, чтобы отделаться от ОС. Кроме того, можно поискать и в интегральном исполнении: у кого-то видел оптические кросс-коммутаторы на основе микрозеркал, матрица, по-моему, 16х16 (хотя, о цене не знаю).
В любом случае, на квадрантном датчике очень уж большой точности не получится.

на квадрантном датчике получают(реально работает) секундные точности

тема оптики нужно рассматривать всегда очень конкретно а не вообще - там слишком много ньюансов и парадоксов

[Stanislav]

на квадрантном датчике получают(реально работает) секундные точности

А на каком расстоянии от источника?

[net]

на квадрантном датчике получают(реально работает) секундные точности

А на каком расстоянии от источника?

звезда

[Stanislav]

А на каком расстоянии от источника?

звезда

И-и, не интересно. Установка для резки металла - не звезда. Уверен, на ней точность будет меньше минимум на порядок (это если оптика хорошая).

[net]

А на каком расстоянии от источника?

звезда

И-и, не интересно. Установка для резки металла - не звезда. Уверен, на ней точность будет меньше минимум на порядок (это если оптика хорошая).

из других(работающих ) примеров
7 секунд на 500 метрах
и 2 секунды на 10 см

добавлю про звезду - это все отлаживалось в комнате размером метров 10
оптики они такие затейники -

[Stanislav]

из других(работающих ) примеров
7 секунд на 500 метрах
и 2 секунды на 10 см 

Последний пример - действительно круто. Непонятно даже, что служило источником... И как боролись с неравномерностью чувствительности по площади датчика, ведь он должен, насколько я понимаю, давать точно определенную зависимость выхода от положения пятна на нем? Если же работать "по поддержанию нуля", тогда более понятно. Но все равно, лазерное пятно постоянно меняет свою форму...

добавлю про звезду - это все отлаживалось в комнате размером метров 10
оптики они такие затейники -

Да, но для получения точечного источника (отнесения на бесконечность) все-таки нужна очень хорошая оптика, какую представить себе невозможно для промышленной установки, поэтому непонятно, что подразумевать под секундной угловой точностью в этом случае. Кроме того, убежден, что такая точность была получена в видимом диапазоне длин волн.

Также была упомянута проблема многомодовости. В случае применения отклоняемого зеркала, мне кажется, она может быть решена проще (линз может не потребоваться вовсе).

[andrey98]

из других(работающих ) примеров
7 секунд на 500 метрах
и 2 секунды на 10 см 

Последний пример - действительно круто. Непонятно даже, что служило источником... И как боролись с неравномерностью чувствительности по площади датчика, ведь он должен, насколько я понимаю, давать точно определенную зависимость выхода от положения пятна на нем? Если же работать "по поддержанию нуля", тогда более понятно. Но все равно, лазерное пятно постоянно меняет свою форму...

добавлю про звезду - это все отлаживалось в комнате размером метров 10
оптики они такие затейники -

Да, но для получения точечного источника (отнесения на бесконечность) все-таки нужна очень хорошая оптика, какую представить себе невозможно для промышленной установки, поэтому непонятно, что подразумевать под секундной угловой точностью в этом случае. Кроме того, убежден, что такая точность была получена в видимом диапазоне длин волн.

Также была упомянута проблема многомодовости. В случае применения отклоняемого зеркала, мне кажется, она может быть решена проще (линз может не потребоваться вовсе).

Вообщем, мы в начале продумывали поставить относительно быстрый сенсор и развертку на гальвано сканерах - отказались, поскольку датчик быстрый стоит недешево. Более того, все это монтировать надо на режущей голловке, которая бегает с приличным ускорением.
Вообщем, сейчас рассмативаем вариант - набрать из дискретных интегральных термапарных датчиков матрицу 5Х5 на печатной плате, с чувствительной областью больше размера пятна (это около 25мм), затем поставить микроконтроллер (типа Сигнала, например) который будет данные снимать и обрабатывать и передавать по последовательному интерфейсу в исполнительное устройство.

[Stanislav]

Вообщем, мы в начале продумывали поставить относительно быстрый сенсор и развертку на гальвано сканерах - отказались, поскольку датчик быстрый стоит недешево. Более того, все это монтировать надо на режущей голловке, которая бегает с приличным ускорением.
Вообщем, сейчас рассмативаем вариант - набрать из дискретных интегральных термапарных датчиков матрицу 5Х5 на печатной плате, с чувствительной областью больше размера пятна (это около 25мм), затем поставить микроконтроллер (типа Сигнала, например) который будет данные снимать и обрабатывать и передавать по последовательному интерфейсу в исполнительное устройство.

Если я правильно понял из предшествующего обсуждения, Вашей задачей является удержание лазерного пятна заданных параметров в заданном месте каретки? И при этом каретка может двигаться поступательно как ей вздумается? Если так, тогда вопрос: вычисляется ли
управляющее воздействие на корректоры наклона и дефокуса исходя только из отклонения формы и положения луча, или есть и другие воздействия (напр., механическая связь оси лазера и положения каретки или электрическая от приводов каретки)? Не являясь ни в коей мере специалистом по оптике, могу подсказать что-либо полезное при решении задачи управления в целом.

[net]

Вообщем, мы в начале продумывали поставить относительно быстрый сенсор и развертку на гальвано сканерах - отказались, поскольку датчик быстрый стоит недешево. Более того, все это монтировать надо на режущей голловке, которая бегает с приличным ускорением.
Вообщем, сейчас рассмативаем вариант - набрать из дискретных интегральных термапарных датчиков матрицу 5Х5 на печатной плате, с чувствительной областью больше размера пятна (это около 25мм), затем поставить микроконтроллер (типа Сигнала, например) который будет данные снимать и обрабатывать и передавать по последовательному интерфейсу в исполнительное устройство.

Если я правильно понял из предшествующего обсуждения, Вашей задачей является удержание лазерного пятна заданных параметров в заданном месте каретки? И при этом каретка может двигаться поступательно как ей вздумается? Если так, тогда вопрос: вычисляется ли
управляющее воздействие на корректоры наклона и дефокуса исходя только из отклонения формы и положения луча, или есть и другие воздействия (напр., механическая связь оси лазера и положения каретки или электрическая от приводов каретки)? Не являясь ни в коей мере специалистом по оптике, могу подсказать что-либо полезное при решении задачи управления в целом.

конечно можно и как вы предлагаете делать по положению каретки в пространстве делать управление лучом - но стоимость при такой точности системы будет дорогой - как мне кажется - поэтому дешевле по положению луча в квадрантнике делать -
в принципе надо всю задачу смотреть - скорость точность и тд и тп
требется ли обслуживание и тд и тп
вообщем то всегда есть желание начать говорить не о том что спрашивали - а о постановке задачи и правильном подходе ее решения - но тут столько ньюансов - что может быть правильным неправильное решение
можно например совместить 10 мкм и ИК лазеры через оптическую систему с авто калибровкой совмещения например перед началом работы и пропуская луч через единую систему вести настройку по ИК лазеру

[Stanislav]

конечно можно и как вы предлагаете делать по положению каретки в пространстве делать управление лучом - но стоимость при такой точности системы будет дорогой - как мне кажется - поэтому дешевле по положению луча в квадрантнике делать -
в принципе надо всю задачу смотреть - скорость точность и тд и тп
требется ли обслуживание и тд и тп

Я делать так и не предлагаю вовсе, просто внимательно тему прочитал...

вообщем то всегда есть желание начать говорить не о том что спрашивали - а о постановке задачи и правильном подходе ее решения - но тут столько ньюансов - что может быть правильным неправильное решение 
можно например совместить 10 мкм и ИК лазеры через оптическую систему с авто калибровкой совмещения например перед началом работы и пропуская луч через единую систему вести настройку по ИК лазеру

Предлагаю подождать ответа автора темы.

[andrey98]

[

quote=Stanislav,Oct 30 2005, 15:18]

конечно можно и как вы предлагаете делать по положению каретки в пространстве делать управление лучом - но стоимость при такой точности системы будет дорогой - как мне кажется - поэтому дешевле по положению луча в квадрантнике делать -
в принципе надо всю задачу смотреть - скорость точность и тд и тп
требется ли обслуживание и тд и тп

Я делать так и не предлагаю вовсе, просто внимательно тему прочитал...

Спасбо за интересное обсуждение!

Изначально заказчик предполагал провести измерение разъюстировок при перемещении каретки и управялть приводами корректора по данным этих измерений. Затем от этого отказались (по видимомому нет стабильности разъюстировок).
Теперь предполагается поставить датчик на головку. Точность по положению и размеру пучка нужна 0.5мм (при размере пучка 25мм). Рассотяние от лазера до головки меняется от 1 до 20м. Пучок сейчас может уходить до 5мм. По размеру пучка (дефокусу) данных нет (можно только вычислить теоретически). Время настройки системы - не более 0.5 с.
Естественно в систему можно завести видимый лазер, но это не решит проблему размера пучка, поскольку дуплицировать расходимость (и модовый состав) СО2 лазера весьма затруднительно.
Что касется каретки, то ей управляет система ЧПУ, наверно туда можно как-то врезаться, но не желательно.

[Stanislav]

................
Изначально заказчик предполагал провести измерение разъюстировок при перемещении каретки и управялть приводами корректора по данным этих измерений. Затем от этого отказались (по видимомому нет стабильности разъюстировок).
Теперь предполагается поставить датчик на головку. Точность по положению и размеру пучка нужна 0.5мм (при размере пучка 25мм). Рассотяние от лазера до головки меняется от 1 до 20м. Пучок сейчас может уходить до 5мм. По размеру пучка (дефокусу) данных нет (можно только вычислить теоретически). Время настройки системы - не более 0.5 с.
Естественно в систему можно завести видимый лазер, но это не решит проблему размера пучка, поскольку дуплицировать расходимость (и модовый состав) СО2 лазера весьма затруднительно.
Что касется каретки, то ей управляет система ЧПУ, наверно туда можно как-то врезаться, но не желательно.

Простите, но Вы не ответили на главный вопрос (пост 31), а именно: опишите все связи между положением оси пучка и каретки. Вообще-то, не мешало бы вкратце узнать о самОм тех. процессе - лично мне он совершенно незнаком.

[andrey98]

................
Изначально заказчик предполагал провести измерение разъюстировок при перемещении каретки и управялть приводами корректора по данным этих измерений. Затем от этого отказались (по видимомому нет стабильности разъюстировок).
Теперь предполагается поставить датчик на головку. Точность по положению и размеру пучка нужна 0.5мм (при размере пучка 25мм). Рассотяние от лазера до головки меняется от 1 до 20м. Пучок сейчас может уходить до 5мм. По размеру пучка (дефокусу) данных нет (можно только вычислить теоретически). Время настройки системы - не более 0.5 с.
Естественно в систему можно завести видимый лазер, но это не решит проблему размера пучка, поскольку дуплицировать расходимость (и модовый состав) СО2 лазера весьма затруднительно.
Что касется каретки, то ей управляет система ЧПУ, наверно туда можно как-то врезаться, но не желательно.

Простите, но Вы не ответили на главный вопрос (пост 31), а именно: опишите все связи между положением оси пучка и каретки. Вообще-то, не мешало бы вкратце узнать о самОм тех. процессе - лично мне он совершенно незнаком.

Не очень понятно какие-такие взаимосвязи. Лазер сам по себе стационарен, и связан со столом на котором устанавливается заготовка. Дале от лазера через систему зеркал (2 установлены на каретке) излучение попадает в режущую голоку, и там фокусируется на заготовку. Режущая головка перемещается над столом по 2-м координатам (X-Y). Эти координаты известны (по крайней мере системе ЧПУ) с точностью 0.1 -0.05мм. В нужный момент лазер включается и система проводит лучем по контуру реза. Сама резка происходит с подачей кислорода в зону резки. Тогда прогретый лазером металл попросту сгорает.
Вот в кратце весь процесс.
Т.к. и размер пятна и его положение связаны с положением каретки (при заданной мощности лазера), то требования по скорости настройки для них одинаковы. И вытекают из требований к производительности станка.Т.е. по видимому заказчик может мирится с паузой в 0.5с после установки головки в рабочую позицию до начала реза. (реально там потерь не будет практически совсем, поскольку и сейчас там есть пауза некоторая).
Нам кажется, что размер пятна не так существенен для технологии, как уход его положения, но заказчик по точности наведения их не различает, поэтому надо соответсвовать ТЗ.
На счет обслуживания - главное требование, чтобы установка могла работать с выключенной системой стабилизации с сохранением исходных параметров.
Конструкция должна быть жесткой и не капризной, т.к. должна работать в цеху. Требования по максимальным ускорениям, пока до нас не довели.

[Stanislav]

Не очень понятно какие-такие взаимосвязи. Лазер сам по себе стационарен, и связан со столом на котором устанавливается заготовка. Дале от лазера через систему зеркал (2 установлены на каретке) излучение попадает в режущую голоку, и там фокусируется на заготовку. Режущая головка перемещается над столом по 2-м координатам (X-Y).  Эти координаты известны (по крайней мере системе ЧПУ) с точностью 0.1 -0.05мм. В нужный момент лазер включается и система проводит лучем по контуру реза. Сама резка происходит с подачей кислорода в зону резки. Тогда прогретый лазером металл попросту сгорает.
Вот в кратце весь процесс.
Т.к. и размер пятна и его положение связаны с положением каретки (при заданной мощности лазера), то требования по скорости настройки для них одинаковы. И вытекают из требований к производительности станка.Т.е. по видимому заказчик может мирится с паузой в 0.5с после установки головки в рабочую позицию до начала реза. (реально там потерь не будет практически совсем, поскольку и сейчас там есть пауза некоторая).
...

Теперь более понятно (к сожалению, в предыдущем обсуждении не был указан ряд существенных моментов).
Положения луча связано с положением каретки во-первых (оптико)механически - подвижное зеркало(ла), во-вторых, с помощью корректора положения пятна со следящей системой.
Решение задачи управления в этом случае проще, чем можно было ожидать, исходя из обсуждения, и, думаю, его реализация не составит большой проблемы. Как и было Вами верно отмечено, главная загвоздка - датчик. Здесь, к сожалению, мало чем могу помочь... Может, пирометрические или болометрические датчики будут лучше термопар? У мураты посмотрите... Еще, по-моему, проблема с шагом датчиков - если они расположены в виде квадратной матрицы 5х5 с и пучок с ф25мм имеет близкое к равномерному распределение интенсивности по пятну, как отследить его смещение и дефокус ~0,5мм? Может, расположить чувствительные элементы в виде креста с "дыркой" посередине и гораздо меньшим шагом?
Простите, если советы слишком наивны.