آبراهام لینکلن، شانزدهمین رئیس جمهور ایالات متحده، زمانی گفت: "شما می توانید همه مردم را گاهی اوقات فریب دهید، و می توانید برخی از مردم را همیشه فریب دهید، اما نمی توانید همه مردم را همیشه فریب دهید." [11 همین امر در هنگام نظارت بر عملکرد لیزرهای ادغام شده در یک سیستم صادق است. در تولیدات صنعتی می توان کل سیستم را برای یک دوره زمانی تحت نظر داشت یا بخشی از سیستم را می توان به صورت دائمی مانیتور کرد، اما نظارت دائمی بر کل سیستم غیرممکن است. در عصر صنعت 4.0، یعنی عصر ساخت هوشمند، درک تفاوت این دو بسیار مهم است.
صنعت 4. 0 در حال تغییر وضعیت تولید در همه جنبه های زندگی است. پیشرفت‌های فناوری به تولیدکنندگان کمک می‌کند تا تولید صنعتی را کارآمدتر، سریع‌تر و هوشمندانه‌تر انجام دهند. برای استفاده صحیح از ماشین های هوشمند، جمع آوری داده های مختلف، تجزیه و تحلیل و فیلتر کردن آنها برای بهبود فرآیند ضروری است. داده های بسیار کم مانع از بهبود فرآیند می شود، اما در عین حال، داده های بیش از حد ممکن است نتیجه معکوس داشته باشد.
سیستم های پردازش لیزری مجموعه ای از ویژگی های عملیاتی و مسائل مربوط به خود را دارند. داده های بیش از حد در مورد عملکرد لیزر می تواند معکوس باشد، زیرا می تواند طاقت فرسا و طاقت فرسا باشد.
چه زمانی معیارهای عملکرد لیزر را اندازه گیری کنیم؟
چهار روش برای اندازه گیری عملکرد لیزر وجود دارد. اولین رویکرد همان چیزی است که اکثر اپراتورهای سیستم لیزر ترجیح می دهند که تعمیر و نگهداری برنامه ریزی شده است. در این رویکرد، معیارهای عملکرد لیزر بر اساس زمان توقف برنامه ریزی شده لیزر، معمولاً سه ماهه، نیمه سالانه یا سالانه اندازه گیری می شود. در طول این مدت، معیارهای عملکرد لیزر اندازه‌گیری شده و با اندازه‌گیری‌های قبلی برای تجزیه و تحلیل روندهای عملیات لیزر مقایسه می‌شوند.
روش دوم اندازه گیری در هنگام شکست فرآیند است. به عنوان مثال، اگر در حین جوشکاری لیزری کیفیت جوش کاهش یابد، یا اگر برش با شکست مواجه شود یا در حین برش لیزری انجام نشود، می توان عملکرد لیزر را برای بازگرداندن سیستم لیزر به پارامترهای عملیاتی طراحی شده اندازه گیری کرد.
روش سوم و چهارم دقیقاً همان چیزی است که این مقاله به آن می پردازد - نظارت در فرآیند و نظارت در فرآیند. هر دو روش مزایا و معایب خود را دارند. اپراتورها باید ضمن تسلط بر روش پردازش بهینه لیزر، مزایا و معایب این دو روش را روشن کنند. علاوه بر این، اپراتورها همچنین باید درک کنند که کدام شاخص های لیزری برای اندازه گیری در طی فرآیندهای تولید صنعتی حیاتی هستند.
لیزر چگونه مواد را پردازش می کند؟
با توجه به الزامات بالا، مهم نیست که لیزر برای چه فناوری پردازشی استفاده می شود، اپراتورها باید بدانند که لیزر چگونه مواد را پردازش می کند. به عنوان مثال، برای اینکه بدانید کدام نوع لیزر برای جوشکاری مناسب است، حتی باید بدانید که لیزر چگونه قاب درب یک خودرو را جوش می دهد. ساده ترین راه برای درک این موضوع از طریق چگالی توان لیزر است.
تعریف چگالی توان به توان لیزر تابش شده به واحد سطح ماده اشاره دارد. چگالی توان معمولاً بر حسب W/cm2 بیان می‌شود، جایی که "W" مخفف توان "وات" است. برای لیزرهای پیوسته (CW)، مقدار آن مقدار توان است: برای لیزرهای پالسی، مقدار توان متوسط آن است. "cm2" نشان دهنده مساحت نقطه لیزر در صفحه کار است. به عنوان مثال، لیزر 100 وات با فوکوس نقطه ای 100 میلی متر دارای چگالی توان 1.27x103kW/cm2 است.
چگالی توان لیزر تحت تأثیر تغییرات در توان لیزر یا اندازه نور اعمال شده به ماده است. اپراتورهای لیزر باید این دو متغیر را اندازه گیری، تجزیه و تحلیل و درک کنند تا از عملکرد کارآمد فرآیند لیزر اطمینان حاصل کنند.
اندازه گیری شاخص عملکرد لیزری مهم
اندازه گیری نور لیزر معمولاً توسط یک قدرت سنج انجام می شود. پاور سنج سنسوری است که نور لیزر را جمع آوری می کند و آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند، سپس توان یا انرژی تولید شده توسط پرتو را استنباط می کند و در نهایت قرائت را در اختیار یک متر یا کامپیوتر برای تجزیه و تحلیل قرار می دهد. این فرآیند معمولاً تنها چند ثانیه طول می کشد، اما بسته به فناوری مورد استفاده می تواند متفاوت باشد. این اندازه‌گیری‌ها برای جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل داده‌ها، به‌ویژه در مرحله تولید لیزر، بسیار مهم هستند، زیرا داده‌ها به کاربران اجازه می‌دهند بفهمند عملکرد لیزر چگونه تغییر می‌کند و این تغییرات چگونه بر کاربرد لیزر در فرآیند پردازش تأثیر می‌گذارد.
علاوه بر این، قطر پرتو لیزر نیز باید اندازه گیری شود. روش های زیادی برای محاسبه قطر تیر وجود دارد مانند روش D40، روش پیک 13.5% و روش لبه چاقو 10/90 و نتایج محاسباتی روش های مختلف بسیار متفاوت است. افراد از صنایع، سوابق و تجربیات مختلف از روش‌های محاسباتی مطابق با سناریوهای کاربردی خود استفاده می‌کنند.
هنگام محاسبه قطر تیر، مقدار گردی یا بیضی بودن تیر باید در نظر گرفته شود. درک شکل پرتو و نحوه توزیع انرژی در پروفیل پرتو مهم است. آیا این یک تیر گاوسی است یا یک تیر با سقف تخت؟ هنگام تلاش برای درک چگونگی استفاده از لیزر در فرآیند، اندازه گیری پارامترهای پرتو لیزر باید توسط یک سیستم اندازه گیری چرخ پرتو استاندارد صنعتی تکمیل شود.
علاوه بر قطر پرتو، کیفیت پرتو نیز باید در هنگام انتخاب لیزر، توسعه کاربرد لیزر و ادغام یا اشکال زدایی یک منبع لیزر در یک سیستم در نظر گرفته شود. در بیشتر موارد، هنگامی که لیزر به تولید می رسد، کیفیت پرتو آن به طور کلی دیگر تجزیه و تحلیل نمی شود، بنابراین بسیار مهم است که قبل از خروج لیزر از کارخانه، تجزیه و تحلیل کیفیت پرتو را تکمیل کنید.
کیفیت پرتو را می توان با مقدار M2 بیان کرد و مقدار M2 1.{3}} نشان دهنده بهینه بودن کیفیت پرتو لیزر است. محصول پارامتر پرتو (BPP{4}}xw، که در آن 0 نیمی از زاویه واگرایی میدان دور پرتو و w شعاع کمر پرتو است) و مقدار K (1/MM2) نیز می‌تواند برای بیان کیفیت پرتو لیزر استفاده شود. کیفیت پرتو و کارایی منابع لیزر بهبود یافته است. وقتی صحبت از فرآیندهای مختلف پردازش می شود، منابع لیزر مختلف مزایای خاص خود را دارند.
درک تغییرات در شاخص های عملکرد لیزر در طول فرآیند پردازش برای کاربران مهم است. اندازه گیری توان لیزر، اندازه پرتو و چگونگی و چرایی تغییر آنها در طول زمان برای درک کامل عملکرد سیستم و اطمینان از عملکرد طولانی مدت پایدارتر بسیار مهم است.
نظارت در فرآیند در مقابل نظارت در فرآیند
امروزه، ورودی داده ها تا حد امکان نزدیک به زمان واقعی مورد نیاز است. این به تکنیکی نیاز دارد که معمولاً به آن "نظارت در فرآیند" گفته می شود، که شامل نظارت بر اندازه گیری های عملکرد لیزر در حالی که فرآیند لیزر در حال انجام است. در زمینه تولید مواد افزودنی، به این تکنیک «مانیتورینگ درجا» می گویند.
همتای "نظارت در فرآیند" "مانیتورینگ در فرآیند" است که عملکرد لیزر را بین فرآیندها اندازه گیری می کند. هر دو روش نظارت مزایا و معایب خاص خود را دارند.
n-processmkai
مانیتورینگ در حین فرآیند یا مانیتورینگ درجا بخشی از عملکرد لیزر را در طول عملیات و تولید اندازه گیری می کند. یک زیرسیستم تست اختصاصی در سیستم لیزری راه اندازی شده است تا فقط عملکرد بخشی از لیزر را اندازه گیری کند و آن را در زمان واقعی تجزیه و تحلیل کند.
نظارت در فرآیند دارای مزایای قابل توجهی است. اول، از آنجایی که زیرسیستم با کل سیستم یکپارچه شده است، این دو می توانند به راحتی با هم ارتباط برقرار کنند. بازخورد بلادرنگ در مورد عملکرد لیزر به طور مداوم ارائه می شود، بنابراین در صورت نیاز می توان تنظیمات را در کل سیستم به سرعت انجام داد. دوم، این زیرسیستم ها اغلب به طور خاص برای سیستمی طراحی می شوند که در آن یکپارچه شده اند و اغلب ساده هستند و فقط بازخورد مورد نیاز مشتری را ارائه می دهند. اطلاعاتی که آنها جمع آوری می کنند را می توان به راحتی در رابط انسان و ماشین که توسط اپراتور لیزر مشاهده می شود ارائه کرد. این داده ها همچنین می توانند ذخیره و تجزیه و تحلیل شوند و بر اساس نتایج تجزیه و تحلیل می توان هشدارهایی برای اطمینان از ایمنی سیستم و کاربران و یا کاهش نرخ ضایعات صادر کرد.
نقطه ضعف اصلی نظارت در فرآیند این است که این زیرسیستم ها فقط می توانند بخشی از عملکرد لیزر کل سیستم لیزر را اندازه گیری کنند. بخشی از نمونه قبل از رسیدن لیزر به منطقه پردازش جمع آوری می شود و در طول پردازش آنالیز می شود. متأسفانه، بسیاری از مشکلاتی که در طول پردازش ایجاد می‌شوند، اغلب به دلیل تخریب عملکردی اجزای نزدیک به منطقه پردازش پس از جمع‌آوری نمونه اندازه‌گیری لیزری ایجاد می‌شوند. اگر یک جزء در سیستم در طول پردازش تخریب شود یا از کار بیفتد، نمونه مورد استفاده برای اندازه گیری لیزری ممکن است تخریب یا خرابی را از دست بدهد و بازخورد نادرستی را به سیستم ارائه دهد.
یکی دیگر از معایب نظارت در فرآیند، مشکل در کالیبره کردن اجزای اندازه‌گیری نوری است. از آنجایی که زیرسیستم ها با سیستم کلی یکپارچه هستند، حذف اجزا برای کالیبراسیون مجدد اغلب دشوار یا غیرممکن است. اجزای اندازه گیری توان باید مرتباً کالیبره شوند (Ophir کالیبراسیون را هر 12 ماه توصیه می کند) تا از دقت اندازه گیری اطمینان حاصل شود.
چنین زیرسیستم های اندازه گیری همچنین بازخورد حسی اضافی را به سیستم لیزر برای نشان دادن عملکرد لیزر بدون تکیه بر اندازه گیری های واقعی عملکرد لیزر ارائه می دهند. به عنوان مثال، یک مانیتور دما روی شیشه پوشش نزدیک به منطقه پردازش نصب شده است تا از اجزای لیزر محافظت کند. هنگامی که زباله های پردازشی بیش از حد روی شیشه پوشش وجود دارد و زباله ها انرژی لیزر را جذب می کنند و باعث افزایش دما می شوند، مانیتور دما به کاربران لیزری یادآوری می کند و اطلاعات ارزشمندی را در اختیار سیستم و کاربران قرار می دهد.
نظارت در فرآیند
نظارت در فرآیند معمولاً از مجموعه جداگانه ای از محصولات برای اندازه گیری در ناحیه پردازش لیزر و تجزیه و تحلیل کل سیستم لیزر استفاده می کند. این سیستم‌های نظارتی می‌توانند از محصولات جداگانه برای اندازه‌گیری توان لیزر، انرژی و تجزیه و تحلیل کیفیت پرتو تشکیل شوند، یا می‌توانند از محصولاتی تشکیل شوند که می‌توانند این پارامترها را به طور همزمان آزمایش کنند (شکل 2 را ببینید). این سیستم های بازرسی می توانند به یکدیگر وابسته یا مستقل از یکدیگر باشند، در سیستم کلی یکپارچه شوند، یا سیستم می تواند به طور منظم بین فرآیندها نگهداری شود.
مشابه با نظارت درجا، نظارت در فرآیند دارای مزایا و معایب خود است. مزیت اصلی مانیتورینگ در فرآیند، ارزیابی کامل تر از کل عملکرد لیزر در سیستم است. 100% پرتو لیزر برای اندازه‌گیری توان یا انرژی جمع‌آوری می‌شود و نقطه متمرکز نیز می‌تواند تجزیه و تحلیل شود تا تحلیل جامعی از عملکرد لیزر در آن نقطه از زمان به کاربر ارائه دهد. این داده ها را می توان در سراسر سیستم ذخیره، ذخیره یا ثبت کرد و سپس برای تجزیه و تحلیل روند به آن دسترسی داشت تا از بازیابی سیستم پس از خرابی اطمینان حاصل شود و کارایی اصلی سیستم حفظ شود. جمع آوری داده ها با استفاده از این روش در نهایت تصویر کاملی از کاربرد لیزر در اختیار کاربر قرار می دهد، اما این کار هزینه دارد.
بارزترین نقطه ضعف نظارت در فرآیند، خرابی است. از آنجایی که اندازه گیری بر روی کل لیزر انجام می شود، برای انجام اندازه گیری، لیزر باید از تولید خارج شود. اگر سیستم اندازه گیری لیزری در دستگاه ادغام شود، معمولاً مشکل بزرگی نیست، اما زمان پول است. با این حال، در حالی که ادغام یک سیستم اندازه گیری لیزری در سیستم کلی راحت است، ممکن است پرهزینه باشد و گاهی اوقات حتی غیر ضروری در نظر گرفته شود. اگر در سیستم کلی ادغام نشود، محصولات اندازه گیری لیزری می توانند به عنوان ابزار تعمیر و نگهداری استفاده شوند. با این حال، برای انجام اندازه‌گیری‌ها، لیزر باید از تولید خارج شود، و زمانی که پرسنل تعمیر و نگهداری با عملکرد ابزار لیزر آشنا نباشند، اندازه‌گیری‌ها بسیار زمان‌بر هستند، که ممکن است منجر به اندازه‌گیری‌های کمتر و یا حتی عدم اندازه‌گیری شود. همه
علاوه بر این، محصولات دیگری نیز وجود دارند که می توانند اطلاعاتی در مورد این فرآیند در اختیار کاربران قرار دهند. به عنوان مثال، چندین شرکت محصولاتی را ارائه می دهند که می توانند فرآیند جوشکاری را در زمان واقعی با استفاده از فناوری های مختلف تجزیه و تحلیل کنند. این سیستم‌ها محدودیت‌های «go/no-go» یا «pass/no-go» را در فرآیند جوشکاری اعمال می‌کنند که به کاربران امکان می‌دهد بدانند چه زمانی ممکن است سیستم دچار مشکل شود، تولید محصولات با کیفیت بالاتر را تضمین می‌کند و نرخ ضایعات را کاهش می‌دهد.
اطمینان از عملکرد پایدار لیزر در طول چرخه عمر خود برای به حداکثر رساندن و حفظ ثبات و کارایی فرآیند، افزایش طول عمر لیزر و بهبود بازده سرمایه گذاری سیستم بسیار مهم است. تنها با اندازه گیری عملکرد لیزر در میدان کار در محل کار، کاربران می توانند دقیقاً بدانند لیزر چگونه کار می کند.
هر دو روش اندازه گیری در فرآیند و حین فرآیند دارای مزایا و معایب خاص خود هستند، اما هر دو روش می توانند اطلاعات مهم پردازش لیزری را ارائه دهند. محصولاتی که شاخص‌های عملکرد لیزر را اندازه‌گیری می‌کنند، دائماً در حال تکامل هستند، کارکرد آسان‌تر و بادوام‌تر می‌شوند. با اندازه گیری چندین شاخص عملکرد کلیدی لیزر، کاربران درک اصل کار لیزر و انجام تعمیر و نگهداری عملکرد طولانی مدت لیزر را آسان تر خواهند کرد.
