مقدمة عن الجلفانومتر الليزري

يتكون الماسح الضوئي الليزري، المعروف أيضًا باسم الجلفانومتر الليزري، من رأس مسح ضوئي XY، ومضخم إشارة إلكتروني، وعدسة عاكسة ضوئية. تُشغّل الإشارة الصادرة من وحدة التحكم الحاسوبية رأس المسح الضوئي عبر دائرة مضخم الإشارة، وبالتالي تتحكم في انحراف شعاع الليزر في المستوى XY. ببساطة، الجلفانومتر هو جلفانومتر مسح ضوئي يُستخدم في صناعة الليزر. ويُطلق عليه علميًا اسم جلفانومتر المسح الضوئي عالي السرعة أو نظام مسح الجلفانومتر. يُمكن أيضًا تسمية الجلفانومتر بمقياس التيار. وتتبع فكرة تصميمه تمامًا طريقة تصميم مقياس التيار. تحل العدسة محل الإبرة، وتُستبدل إشارة المجس بإشارة تيار مستمر يتم التحكم فيها بواسطة الحاسوب، إما -5 فولت أو -10 فولت، لإتمام العملية المحددة مسبقًا. ومثل نظام المسح بالمرآة الدوارة، يستخدم نظام التحكم النموذجي هذا زوجًا من المرايا القابلة للسحب. ويكمن الاختلاف في استبدال المحرك المتدرج الذي يُشغّل هذه المجموعة من العدسات بمحرك مؤازر. في نظام التحكم هذا، يُستخدم مستشعر تحديد المواقع. وتضمن فكرة التصميم وحلقة التغذية الراجعة السلبية دقة النظام، كما تصل سرعة المسح ودقة تحديد المواقع المتكررة للنظام بأكمله إلى مستوى جديد. يتكون رأس الوسم بالمسح الجلفاني بشكل أساسي من مرآة مسح XY، وعدسة مجال، وجلفانومتر، وبرنامج وسم يتم التحكم فيه بواسطة الحاسوب. يتم اختيار المكونات البصرية المناسبة وفقًا لأطوال موجات الليزر المختلفة. تشمل الخيارات ذات الصلة أيضًا موسعات شعاع الليزر، وأجهزة الليزر، وما إلى ذلك. في نظام عرض الليزر، يكون شكل موجة المسح الضوئي عبارة عن مسح متجهي، وتحدد سرعة مسح النظام استقرار نمط الليزر. في السنوات الأخيرة، تم تطوير ماسحات ضوئية عالية السرعة، حيث تصل سرعات المسح إلى 45000 نقطة/ثانية، مما يجعل من الممكن عرض رسوم متحركة معقدة بالليزر.

5.1 وصلة اللحام باستخدام الجلفانومتر الليزري

5.1.1 تعريف وتكوين وصلة اللحام الجلفانومترية:

يستخدم رأس التركيز المتوازي جهازًا ميكانيكيًا كمنصة داعمة. يتحرك هذا الجهاز ذهابًا وإيابًا لتحقيق لحام مسارات مختلفة. تعتمد دقة اللحام على دقة المحرك، مما يؤدي إلى مشاكل مثل انخفاض الدقة، وبطء الاستجابة، وكبر القصور الذاتي. يستخدم نظام المسح الجلفانومتري محركًا لتحريك العدسة وانحرافها. يعمل المحرك بتيار محدد، ويتميز بدقة عالية، وقصور ذاتي منخفض، واستجابة سريعة. عند تسليط شعاع الليزر على عدسة الجلفانومتر، يؤدي انحراف الجلفانومتر إلى تغيير مسار شعاع الليزر. وبالتالي، يمكن لشعاع الليزر مسح أي مسار ضمن مجال رؤية المسح من خلال نظام الجلفانومتر.

تتكون المكونات الرئيسية لنظام مسح الجلفانومتر من مُجمِّع شعاع التوسيع، وعدسة التركيز، وجلفانومتر مسح ثنائي المحور XY، ولوحة التحكم، ونظام برمجيات الحاسوب الرئيسي. ويُقصد بجلفانومتر المسح رأسي مسح XY، اللذين يتم تشغيلهما بواسطة محركات سيرفو ترددية عالية السرعة. يقوم نظام السيرفو ثنائي المحور بتحريك جلفانومتر المسح ثنائي المحور XY للانحراف على طول المحورين X وY على التوالي، وذلك عن طريق إرسال إشارات تحكم إلى محركات السيرفو الخاصة بكل محور. وبهذه الطريقة، ومن خلال الحركة المشتركة لعدسة المرآة ثنائية المحور XY، يستطيع نظام التحكم تحويل الإشارة عبر لوحة الجلفانومتر وفقًا للنموذج الرسومي المُعد مسبقًا في برنامج الحاسوب الرئيسي، وذلك وفقًا للمسار المحدد، والتحرك بسرعة على سطح قطعة العمل لتشكيل مسار المسح.

5.1.2 تصنيف وصلات اللحام الجلفانومترية:

1. عدسة المسح الضوئي ذات التركيز الأمامي

بحسب العلاقة الموضعية بين عدسة التركيز وجهاز قياس الغلفانومتر الليزري، يمكن تقسيم نمط مسح الغلفانومتر إلى مسح التركيز الأمامي (الشكل 1 أدناه) ومسح التركيز الخلفي (الشكل 2 أدناه). ونظرًا لوجود اختلاف في المسار البصري عند انحراف شعاع الليزر إلى مواضع مختلفة (أي اختلاف مسافة انتقال الشعاع)، يكون سطح بؤرة الليزر أثناء عملية مسح نمط التركيز الأمامي سطحًا نصف كروي، كما هو موضح في الشكل الأيسر. أما طريقة مسح التركيز اللاحق فتظهر في الصورة على اليمين. العدسة الشيئية المستخدمة هي عدسة مستوية F. تتميز مرآة F المستوية بتصميم بصري خاص. وبإجراء تصحيح بصري، يمكن تعديل سطح بؤرة شعاع الليزر من نصف كروي إلى مسطح. يُعد مسح التركيز اللاحق مناسبًا بشكل أساسي للتطبيقات التي تتطلب دقة معالجة عالية ونطاق معالجة صغير، مثل الوسم بالليزر ولحام البنية المجهرية بالليزر، وما إلى ذلك.

2.عدسة المسح الضوئي ذات التركيز الخلفي

مع ازدياد مساحة المسح، تزداد فتحة عدسة f-theta. ونظرًا للقيود التقنية والمادية، فإن عدسات f-theta ذات الفتحة الكبيرة باهظة الثمن، ولذلك لا يُعتمد هذا الحل. يُعد نظام المسح الأمامي بالجلفانومتر للعدسة الموضوعية، المُدمج مع روبوت سداسي المحاور، حلاً عمليًا نسبيًا، إذ يُقلل الاعتماد على جهاز الجلفانومتر، ويتمتع بدقة نظام عالية، وتوافق جيد. وقد اعتمد معظم مُكاملِي الأنظمة هذا الحل، والذي يُشار إليه غالبًا باسم اللحام أثناء الطيران. يُستخدم هذا النوع من اللحام في لحام قضبان التوصيل في الوحدات، بما في ذلك تنظيف الأقطاب، مما يُتيح زيادة عرض المعالجة بمرونة وكفاءة.

مقياس غلفاني ثلاثي الأبعاد:

بغض النظر عن نوع المسح، سواء كان أماميًا أو خلفيًا، لا يمكن التحكم في تركيز شعاع الليزر في وضع التركيز الديناميكي. في وضع المسح الأمامي، عندما تكون قطعة العمل المراد معالجتها صغيرة، تتمتع عدسة التركيز بنطاق عمق بؤري محدد، مما يسمح بإجراء مسح دقيق حتى مع الأحجام الصغيرة. أما عند مسح سطح كبير، فإن النقاط القريبة من المحيط ستكون خارج نطاق التركيز، ولن تتمكن العدسة من التركيز على سطح قطعة العمل لأنها تتجاوز نطاق عمق تركيز الليزر. لذلك، عندما يكون مطلوبًا تركيز شعاع الليزر بدقة في أي موضع على سطح المسح، ويكون مجال الرؤية واسعًا، فإن استخدام عدسة ذات بُعد بؤري ثابت لا يفي بمتطلبات المسح. نظام التركيز الديناميكي عبارة عن مجموعة من الأنظمة البصرية التي يمكن تغيير بُعدها البؤري حسب الحاجة. لذلك، يقترح الباحثون استخدام عدسة تركيز ديناميكية لتعويض فرق المسار البصري، واستخدام عدسة مقعرة (موسع شعاع) تتحرك خطيًا على طول المحور البصري للتحكم في موضع التركيز، مما يحقق تعويضًا ديناميكيًا لفرق المسار البصري في المواضع المختلفة على سطح قطعة العمل المراد معالجتها. بالمقارنة مع الجلفانومتر ثنائي الأبعاد، يتميز الجلفانومتر ثلاثي الأبعاد بإضافة نظام بصري محوري (محور Z)، مما يتيح له تغيير موضع التركيز بحرية أثناء عملية اللحام، وإجراء لحام الأسطح المنحنية، دون الحاجة إلى تغيير الحامل، كآلة التشغيل مثلاً، كما هو الحال في الجلفانومتر ثنائي الأبعاد. ويُستخدم ارتفاع الروبوت لضبط موضع تركيز اللحام.