Zweiachsige Ablenkeinheit für einen Laserstrahl Masterarbeiten

Labor Automatisierung und Dynamik AuD

Prof. Dr.-Ing. J. Höcht

Masterarbeit_SS2018.doc

1. Projekt Laserstrahl-Ablenkeinheit – Stand SS 2018

Bei Ablenkeinheiten für Laserstrahlen, („Laserscannern„) zur Bearbeitung unterschiedlichster Materialien

wird der Laserstrahl derzeit über zwei hintereinander geschaltete Drehspiegel geleitet, die elektronisch gekop-

pelt sind. Bei Laserstrahlen hoher Energie und mehreren Zentimeter Durchmesser werden sehr große Spiegel

benötigt, so daß herkömmliche Scanner sehr klobig sind, ganz abgesehen von den erheblichen Kosten für

zwei Spiegel.

Im Labor Automatisierung und Dynamik AuD wird daher derzeit an der Entwicklung eines Ablenksystems

mit einem einzigen Spiegel gearbeitet, der in zwei Achsen beweglich ist. Dazu wird ein Spiegel kardanisch

aufgehängt und durch zwei elektromagnetische Aktorenpaare bewegt. Derzeit wird an zwei unterschiedlichen

Antriebssystemen und zwei unterschiedliche Meßprinzipien gearbeitet: Das erste Antriebsprinzip bedient sich

je zweier Hubmagneten pro Achse (Abb. 2), das zweite beruht auf dem Prinzip des Drehstrom-Synchronmotors

(Abb. 3).

Stand der Technik:

Laserscanner mit

zwei zueinander

senkrechten Ab-

lenkspiegeln

Erster (kurzer) Ablenkspiegel

Zweiter (langer) Ablenkspiegel

Abgelenkter Laserst

rahl

Galvanometer-Antrieb („Galvo“)

Abb. 1 Ablenkung des Laserstrahls durch zwei um ±±±± 22.5° drehbare Spiegel

Abb. 2 Antrieb mit je einem Hubmagneten-paar pro Achse

Abb. 3 Antrieb mit einem rotationssymmetrischen und einem sphärischen Synchronantrieb

Zweiachsige Ablenkeinheit für einen Laserstrahl Masterarbeiten

Labor Automatisierung und Dynamik AuD

Prof. Dr.-Ing. J. Höcht

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Bei der Ablenkeinheit mit Hubmagneten kommt als Meßprinzip aus Platzgründenen allein die kapazitive

Lagemessung aus zwei Drehkondensatorenpaaren je Achse in Betracht, während der Synchronantrieb auch

Platz für die optische Lagmessung mit Vier-Quadranten-Diode bietet.

2. Aktuelle Arbeiten an den Ablenksystemen

Derzeit wird an beiden Ablenksystemen gearbeitet. Für den Antrieb mit den Hubmagneten existiert ein

funktionsfähiges Modell, dessen beide Achsen derzeit im Rahmen einer Masterarbeitn mit einem schnellen

Mikrocontroller C2000 von TI in Betrieb genommen wurden. Dabei wird die Lage beider Achsen geregelt.

Das Funktionsmodell mit den Synchronantrieben wurde im Rahmen einer Bachelorarbeit und einer

nachfolgenden Masterarbeit fertiggestellt. Darüber hinaus wurde am vereinfachten Funktionsmodell des

Synchronantriebs (Abb. 7) die Regelung mit allen nötigen Schaltkreisen entwickelt. Dabei übernahm ein

Arduino die Aufgabe des Reglers. Die zusätzliche Hardware zur Lagemessung und Ansteuerung des

Synchronmotors wurden als Brettschaltung aufgebaut (Abb. 6).

Abb. 4 Optische Lagemessung mit Vierquadranten-Diode

Äußerer und innerer Rahmen Hubmagnet

Abb. 5 Drehkondensatorenpaar zur Lagemessung

Abb. 6 Brettschaltung zur Lagemessung

Abb. 7 Vereinfachtes Funktions-modell des Synchron-Antriebs

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Der Mikrocontroller Arduino ist den Anforderungen an Präzision und Schnelligkeit der Ablenkeinheit nicht

gewachsen. Deshalb übernimmt die Regelung ein schneller Mikrocontroller aus der C2000-Familie von TI.

Diese Regelung wurde am Funktionsmodell mit den Hubmagneten entwickelt und die Ablenkeinheit

zweiachsig in Betrieb genommen. Auch hier sind der Modul „Lagemessung“ und „Leistungsteil“ als Brett-

schaltung aufgebaut.

Die endgültige Ablenkeinheit, ob in der Variante mit Hubmagneten oder mit Synchronantrieb, wird aus drei

Modulen bestehen:

- Mikrocontroller C2000

- Meßplatine für kapazitive Lagemessung und alternativ optische Lagemessung

- Leistungsplatine für die Ansteuerung der Hubmagneten und alternativ für den Synchronantrieb

Die Leistungsplatine und die Meßplatine für die kapazitive Lagemessung sind derzeit in der Endphase der

Entwicklung und sollen bis Mitte April zusammen mit dem C2000-Mikrcontroller funktionsfähig sein.

Auf der Basis der bisherigen Entwicklung sind zwei Masterarbeiten zu vergeben:

Diese beiden Masterarbeiten sollen von einer Projektgruppe unterstützt werden, die aus Bachelorstudenten

MB und FA sowie aus Masterstudenten der Studienrichtungen MB und FE bestehen.

München, 14.3.2018

Prof. Dr.-Ing. J. Höcht

Digitale Regelung einer Ablenkeinheit mit sphärischem Synchronantrieb und optischer Lagemessung

1. Aufbau einer zweiten Ablenkeinheit mit sphärischem Synchronantrieb

2. Einbau, Inbetriebnahme und elektronische Anpassung der optischen zweiachsigen Lagemeßeinrichtung an

den TI-Mikroconroller C2000 für beide Achsen

3. Entwicklung und Inbetriebnahme der Platine „Optische Messung“

Digitale Regelung einer Ablenkeinheit mit Hubmagnet-Antrieb und kapazitiver Lagemessung

1. Aufbau einer zweiten Ablenkeinheit mit Hubmagneten und kapazitiver Lagemessung

2. Inbetriebnahme dieser Ablenkeinheit mit der fertigen Leistungs- und Meßplatine für kapazitive

Lagemessung mit dem Mikrocontroller

3. Strukturelle Optimierung der zweiachsigen Regelung mit Hilfe von geeigneten Beobachtern