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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
Masterarbeit_SS2018.doc
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
Zweiachsige Ablenkeinheit für einen Laserstrahl Masterarbeiten
Labor Automatisierung und Dynamik AuD
Prof. Dr.-Ing. J. Höcht
Masterarbeit_SS2018.doc
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
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