Lasercutter (Alt): Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 5. Januar 2016, 19:16 Uhr

Das Projekt ist eingestellt! Auf Grund von unüberwindbaren Schwierigkeiten mit dem Laserkopf (Stichwort: Thermische Linse) ist das Projekt eingestellt worden.

Lasercutter Release status: obsolete [box doku]

Description	Schneidlaser möglichst auch für Metalle
Author(s)	TeslaDennis , MadEnginner, André, Netzpfuscher, Tixiv
Last Version	0.2

Beschreibung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei diesem Projekt möchten wir einen Schneidlaser bauen, der stark genug ist, um Material zu schneiden oder Oberflächen zu gravieren. Die Leistung hängt maßgeblich vom eingesetzten Laser ab. Der finale Aufbau soll ähnlich einem X/Y-Plotter aufgebaut werden. Statt des Stifts wird der Laserstrahl auf das Material gelenkt. Haupteinsatzgebiet dürfte dann das direkte Erstellen von PCBs aus unbeschichteten Platten sein.

Aktueller Stand[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Laser wurde beschafft. Erste Gehversuche, den Laser pulsweise in Betrieb zu nehmen, sind erfolgreich abgeschlossen. Es wurde auf verschiedene Materialien "geschossen" um zu schauen "wat der denn so kann".

Wir haben mit der Hardware eines Rubinlasers den YAG probehalber in Betrieb genommen. Die Hardware ist für unseren Fall nicht zu gebrauchen. da sie zu wenig Leistung besitzt. Für einzelne Testschüsse war die Hardware aber zu gebrauchen. Wir werden die Baugruppen zerlegen und die Teile daraus wiederverwenden. Insbesondere den Zündübertrager mit Beschaltung und die Hochspannungsdioden.

Wir haben nun ein eigenes Zündnetzteil gebaut. (siehe Zündeinheit)

Der aktuelle Stand lässt sich im unten verlinkten YouTube-Video anschauen! Wir haben die einzelnen Komponenten erfolgreich aufgebaut und getestet und sind nun so weit diese in Baugruppen aufzuteilen und in Gehäuse einzubauen. Zur Zeit sind wir dabei, alle Baugruppen mit einer seriellen Schnittstelle auszurüsten, um die Kommunikation und Steuerung untereinander zu ermöglichen. Tixiv ist dabei, ein Bedienpanel für den Laser zu bauen, das die Steuerung aller Komponenten ermöglicht und über Displays Rückmeldung über den zustand der Anlage gibt.

Temporärer Aufbau der 19" Baugruppen.

Alle Versorgungskomponenten wurde in 19"-Baugruppen verbaut und sind derzeit in einem Holz-Rack verbaut. Dies ist aber nur eine vorübergehende Lösung. Der Bau eines Metall-Racks ist in Arbeit.

Ein alter A3-Stiftplotter wurde als mechanisches Grundgerüst verwendet, dabei wurde der Kopf auf den X-Schlitten montiert und auf dem Y-Schlitten ist statt der Stifthalterung nun die Linsen- und Spiegelhalterung. Von der alten Steuerung des Plotters wurde nur das Netzteil und die Schrittmotorsteuerkarte verwendet. Die Schrittmotorkarte wird über den Druckerport eines PCs angesteuert. Auf dem PC läuft die freie Maschinensteuerung EMC2.

Der Laser und die CNC-Software werden über eine Synchronisationsmodul synchronisiert. Das Modul überwacht die Steuersignale der Schrittmotoren und erzeugt daraus die Feuerbefehle.

Komponenten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das System wird aus vier Teilen bestehen:

Einem alten A3-Stiftplotter, der als XY-Tisch mit Laser dient
Der Steuerung in 19" Baugruppen
Ein Computer auf dem EMC2 läuft und das ganze mit Daten versorgt
Peripherie, der Laser braucht Kühlwasser und Druckluft.

Laserkopf[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Unser Nd:YAG-Laserkopf.

Linsenhalterung.

Bei dem Laserkopf handelt es sich um einen blitzlampengepumpten ND:YAG-Laser mit Wasserkühlung. Der Laser besitzt eine Ausgangsleistung von 15 Watt im Mittel und eine Pulsleistung von 40 Kilowatt, bei einer Wiederholrate von 20 Hz darf die Pumpenergie maximal 80J betragen. Die Zündspannung der Lampe wurde auf ca. 10kV bis 12kV geschätzt. Die Brennspannung der Lampe beträgt 600V bei einem Strom von 20mA. Bei einem Strom von 70mA sinkt sie auf etwa 200V. Für das Einleiten der Simmerentladung ist jedoch eine Spannung von etwa 1kV nötig.

Durch Messungen wurde eine Blitzdauer von 25µs ermittelt, das ist viel zu kurz; wünschenswert wären ~500µs. Dies soll mit einem Pulse-Forming-Network erreicht werden.

Netzteil[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Powernetzteil, wie wir es vorgefunden haben.

Für die im Laser verbaute Blitzlampe wird ein hoher Strom bei einer hohen Spannung benötigt. Der Strom wird durch einen Kondensator bereitgestellt, da die Blitzlampe, wie der Name schon sagt, nur pulsweise betrieben wird. In unserem Fall besteht der Kondensator aus zwei GeneralAtomics-Hochspannungskondensatoren mit 42µF bei maximal 5kV. Da die Blitzlampe jedoch nur mit einer Energie von 80J belastet werden darf, wird hier nur eine Ladespannung von 1400V benutzt. Bei voller Leistung müssen diese Kondensatoren 30mal pro Sekunde aufgeladen werden. Wenn man die Zeit für die Zündung der Lampe und die Entladung vernachlässigt, bedeutet dies, dass man maximal 50ms Zeit hat. Dies allein entspricht schon einer Ladeleistung von <math>P_min = \frac {\frac 1 2 \cdot C \cdot U^2} {t} = 1600W</math> Bei einer Zeitspanne von 40ms ergibt sich bereits eine benötigte Leistung von 2kW. Diese Anforderungen zeigen, dass der Eigenbau eines Schaltnetzteils dieses Kalibers nicht gerade einfach sein wird.

Durch einen glücklichen Ebay-Treffer bekamen wir einen großen Kupferdampflaser (Ausgangsleistung 26W grün, Pulsleistung 90kW), bei dem durch einen unglücklichen Zwischenfall die Laserröhre zerbrach. Doch so stand dessen Hochspannungsnetzteil zur Verfügung. Das Netzteil erzeugte in seinem alten Zuhause eine Spannung von 8kV bei einer Leistung von 6kW. Die Leistung ist ausreichend, nur leider ist die Spannung viel zu hoch. Also waren ein paar Modifikationen nötig.

Stromversorgung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Gerät stammt aus Amerika, dementsprechend ist es für 208V Drehstrom oder 230V einphasig ausgelegt. Das Problem ist, dass man die gesamte Leistung nicht so gut aus einer Phase ziehen kann. Also musste Drehstrom her, leider bekommen wir bei einer Vollweggleichrichtung keine 320V, also musste eine Dreipuls-Mittelpunktsgleichrichtung verwendet werden.

Ausserdem gab es noch eine improvisierte Einschaltstrombegrenzung aus drei 180Ohm-Widerständen, die später von einem Schütz überbrückt werden. Dies muss bisher manuell erfolgen, aber später macht dies die Netzteilsteuerung.

Das Netzteil und seine Modifikationen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Spulen, nachdem wir sie modifiziert haben.

Der Hochspannungstrafo besteht aus zwei dicken Primärwindungen und vier stark voneinander isolierten Sekundärwicklungen, von denen jede 8kV erzeugt. Die verschiedenen Wicklungen wurden im Original nach der Gleichrichtung parallelgeschaltet. Es sieht so aus, als wenn dies ein Universalmodul war, welches je nach Verdrahtung Ausgangsspannungen von 8kV bis zu 32kV erzeugen konnte. Darauf deuten auch die Auslegung der Gleichrichterdioden hin, denn jeder Zweig der Brückengleichrichter besteht aus vier in Reihe geschalteten 10kV Dioden. Ebenso ist das Hochspannungssteckersystem "Marke Eigenbau" auch für eine wesentlich größere Spannungs ausgelegt, wie man an der sehr langen Isolation des Steckers erkennen kann. Das Interessante ist, dass dieses Steckersystem eigentlich aus Pressfittingen für Rohre besteht und die Kontaktierung über eine an dem Koaxialkabel angelöteten Mutter und eine Feder erfolgt.

Zur Anpassung an die geänderte maximale Ausgangsspannung von nur etwa 1,5kV wurden die alten Sekundärwicklungen komplett entfernt. Dabei wurden aber die Anzahl der Windungen mitgezählt. So konnte die Ausgangsspannung einfach durch Anpassen des Verhältnisses geändert werden. Wegen der hohen zu erwartenden Ströme wurde die Wicklung mit 1,2mm-Kupferlackdraht ausgeführt.

Der alte Gleichrichter wäre dem hohen Strom auch nicht gewachsen gewesen, also musste auch hier ein neuer her. Dieser besteht aus einer Reihen- und Parallelschaltung von mehreren UF4007-Dioden (1kV 1A ultrafast --> 3 in Reihe, 4 Parallel). Ebenso musste der Strommesshunt auf der Sekundärseite gegen Masse entsprechend verkleinert werden. Mangels eines passenden 2,7Ohm-Shunts wurde eine Streifenrasterplatine mäanderförmig beschaltet, bis der Widerstand durch die Bahnen genau 2,7Ohm betrug. Dank der großen Oberfläche des Shunts kann dieser die entstehende Abwärme gut an das Öl abgeben. Leider mussten wir bei den ersten ernsthafteren Tests mit einer höheren Widerholrate feststellen, dass dies nicht der einzige Messshunt war. Während eines Testes kam es zu einem Ausstoß von magischem Rauch und der mittlerweile unterdimensionierte Shunt auf einer Karte des Netzteil rauchte ab. Nach Studium der Schaltpläne und Leiterbahnverfolgung auf einer undokumentierten Leiterkarte fanden wir die Ursache und konnten sie beheben.

Auch der Vorwiderstand zur Messung der Ausgangsspannung wurde von 200MOhm auf 50MOhm verkleinert. Ohne diese Änderungen hätte man über die externe Sollwert-Vorgabe nur einen sehr kleinen Aussteuerbereich zur Verfügung.

Über den "Charging Waveform"-Ausgang wurde ein Speicheroszilloskop angeschlossen und mal geschaut, wie schnell der Ladevorgang denn wirklich dauert. Wir waren überrascht: 14,8ms. Nach einer kleinen Messreihe kamen wir dann auf eine durchschnittliche Ladezeit von etwa 16ms. Wir haben also eine durchschnittliche Ladeleistung von 4,9kW. Dieser niedrigere Wert steht sicher im Zusammenhang mit unserer Mittelpunktsgleichrichtung. Ist aber mehr als ausreichend, wenn man die Pulsfrequenz von 20Hz bedenkt.

Achtung: Das Netzteil darf nur mit den Kondensatoren als Last betrieben werden, wird der Stecker abgezogen, brennen die Gleichrichterdioden im Öltank durch (= Sauerei) !

Steuerung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Unsere selbstgebaute Steuerplatine.

Unsere Steuerplatine und die Thyristorvollbrüche incl. Ansteuerung.

Zur Steuerung des Netzteil gibt es eine 25polige D-Sub-Buchse auf dessen Rückseite. Über diese Schnittstelle lassen sich viele Funktionen ansprechen, zum Beispiel:

Open-Collector-Statusausgänge (On, Off, Überlast, Interlock, Inhibit, End-of-Charge, ...)
Power-on/off-Taster (On NC, OFF NO -->Laut TeslaDennis üblich bei Selbsthaltenden Relaischaltungen)
Inhibit (stoppt das Netzteil)
"Analog Charging Waveform Out 'Voltage' " (Zugang zu internem Spannungsteiler ohne Tiefpass, siehe unten)
Sollwertvorgabe 0-8V (8V=maximale Ausgangsspannung) ToDo: Zusammenhang messen!
Anschlüsse für Messinstrumente (Strom und Spannung)
Interlock
...

Für's Erste wurde ein minimales Steuerpanel ~~entwickelt~~ zusammengezimmert, um das Netzteil testen zu können. Dies besteht aus Status-LEDs, Poti zur Sollwertvorgabe, Abgriffe für die Messsignale und Schalter für Inhibit (dauerhaft an oder externes Signal (Pulldown = Aus)). Ausgehend von den Untersuchungen wurde dann eine richtige Steuerung entwickelt, der Power Controller.

Power Controller[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Hauptaufgabe des Power Controllers ist die Steuerung der Leistungselektronik. Dazu gehört primär das Kondensatorladegerät. Er kann ausserdem 7 24V-Relais ansteuern, erzeugt das Zündsignal für die Thyristorbaugruppe und empfängt die Zündbefehle von der Synchronisationseinheit.

Netzteilsteuerung

Power: Spezielle Schaltung nötig, da Tastereingäne auf Schütztechnik ausgerichtet sind (Einschalten mit Schließer, Ausschalten mit Öffner); Grüne LEDs zur Anzeige des Status; µC-Port ???(wurde umgelötet) (H=An, L=Aus)

Statusüberwachung: Alle 8 Statusleitungen sind auf LEDs und Pullups geführt und können vom µC abgefragt werden; µC-Port C0: Off; µC-Port C1: No Current Reversal; µC-Port C2: Überlast; µC-Port C3: Interlock offen; µC-Port C4: Übertemperatur; µC-Port C5: On; µC-Port C6: End of charge; µC-Port C7: Inhibit aktiv

Sollwert-Vorgabe: 16Bit PWM (Timer1); Tiefpass (Grenzfrequnz?); einstellbarer Verstärkung 1-2-fach; maximale Ausgangsspannung einstellbar 5-10V (Begrenzung der maximalen Ladespannung im Fehlerfall); µC-Port D5 (OC1A)

Istwert-Messung: Spannungsfolger zur Entkopplung; Spannungsteiler 15V --> 2.36V (interne Referenz möglich); µC-Port PA7 (ADC7)

Schaltausgänge: Getrennte Versorgung über X13; 7x 500mA Open-Collektor-Ausgänge (ULN2003A); über Schieberegister an Hardware SPI; µC-Port PB4(SS): Latch; µC-Port PB3 : Output Enable mit externem Pullup

Kanal	Funktion
K1	Simmernetzteil
K2	Steuerspannung Kondensatorladegerät
K3	Leistungsversorgung Kondensatorladegerät
K4	-
K5	Pumpe
K6	-
K7	-

Ausgang Thyristormodul: µC-Port P -->Prüfen!

Eingang Feuersignal von Synchronisation: Wird behandelt wir Feuerbefehl von Panel; µC-Port PA45

Reservesignale: Sollwertvorgabe 16bit-PWM (OC1B) und einstellbarer Verstärker 0-5..10V; Istwert-Erfassung ADC6 (PA5); IOs auf Stiftleiste PA1-4, PB0-2

Zündeinheit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Testaufbau in der Übersicht.

Die Zündspannung, in unserem Fall über 10kV, wird nur kurz, zum Zünden der Lampe benötigt. Diese hohe Spannung wird seriell über einen Impulstransformator eingekoppelt. Sekundärseitig ist der Trafo mit dem Kondensator in Reihe an die Lampe angeschlossen. Primärseitig wird über einen Thyristor und einen Kondensator ein kurzer Strompuls in den Trafo geschickt, damit dieser sekundär eine hohe Spannung aufbaut. Diese Spannung addiert sich zur Ladespannung des Haupt-Kondensators und übersteigt damit die Zündspannung der Lampe, wodurch diese leitend wird.

Die Zündeinheit besteht aus einem Schaltnetzteil das aus 24VDC 500VDC generiert. Mit diesem Netzteil wird ein Kondensator aufgeladen, der mit Hilfe eines Thyristors in den Zündübertrager entladen werden kann. Die Zündeinheit wird von einem AVR gesteuert, der folgende Aufgaben übernimmt:

Steuerung des Schaltnetzteils und Abschaltung des selbigen bei Erreichen der Ladeschlussspannung (500V).
Zündbereitschaft signalisieren
Auslösen eines Zündpulses als Reaktion auf externes Triggersignal

Simmern[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Unter Simmern bezeichnet man das Vorhandensein einer dauerhaft brennenden Entladung in der Blitzröhre, der Simmerentladung. Beim Zünden der Röhre kommt es immer zum sogenannten Absputtern von Elektrodenmaterial. Dieses Material setzt sich dann auf dem Glaskolben ab und führt zu einer Verdunkelung der Röhre von innen. Durch diese Verdunkelung sinkt zum einen die Lichtausbeute der Blitzröhre und zum anderen steigt hierdurch die thermische Belastung der Glaswände stark an. Kurzum, die Lebensdauer sinkt. Wenn nun aber die Röhre nur einmal mit einer geringem Strombelastung gezündet wird und fortan ein konstanter Lichtbogen brennt, kommt es zu einer viel geringeren Absputterung. Die Folge ist eine mehr als zehnfache Lebensdauer der Röhre. Um diese Entladung nach dem Zünden aufbauen zu können, benötigt das Simmernetzteil eine hohe Leerlaufspannung. So benötigten wir zum Zünden der Simmerentladung eine Spannung von mindestens 1kV. Brennt die Entladung ersteinmal sinkt der Spannungsbedarf stark ab (negativer Widerstand der Gasentladung). Bei einem Strom von 70mA wird zum Beispiel nur noch eine Spannung von etwa 200V benötigt. Um nun einen Stromimpuls zu erzeugen, benötigen wir einen Schalter, welcher die Kondensatorbank abtrennt. Durch diesen muss bei jedem Laserpuls der gesamten Pulsstrom fließen. Dazu gibt es aber ein eigenes Kapitel.

Leider erwies sich das Simmern als alles andere als trivial, hier ein kleiner Abriss unserer Versuche:

Der erste Versuch war schon sehr abenteuerlich, die Leerlaufspannung wurde durch einen 230V/400V Trenntrafo mit einer anschließenden Spannungsverdopplung erzeugt und der Strom wurde über einen Vorwiderstand begrenzt. Obwohl dieser einfache Aufbau bereits funktionierte, war er alles andere als optimal, denn für die 14W Simmerleistung (200V 70mA) wurde die vierfache Leistung in dem Vorwiderstand verheizt.

Der zweite Versuch war ein induktiv strombegrenzter Royer-Wandler (ZVS mit großer Induktivität). Leider ließ sich diese Schaltung nicht dazu überreden seinen Strom weit genug zu senken. So kamen wir immer auf Kurzschlussströme im 200mA Bereich.

Der dritte Versuch lehnte sich an ein billiges HeNe-Lasernetzteil an. Denn bei diesen wird die Zündspannung durch eine Kaskade erzeugt und durch die entsprechende Dimensionierung der Kondensatoren wird der Ausgangsstrom begrenzt. Ein schneller Aufbau aus 4 Kondensatoren(20µF MP) und 8 Dioden(2x UF4007 in Reihe) brachte einen Simmerstrom von 230mA. Als nächstes werden wir die Kondensatoren schrittweise verkleinert und mit einer kapazitiven Strombegrenzung experimentieren. Leider haben sich die Kaskaden als ungeeignet erwiesen. Dies trifft auf die "normale" wie auch auf die frequenzgesteuerte Kaskade zu, es handelt sich also um eine Sackgasse.

Unser Simmernetzteil.

Dank Tixiv haben nun ein umgebautes PC-Schaltnetzteil, das einen einstellbaren Konstantstrom zur Verfügung stellt. Dazu wurden der Trafo und der nachfolgende Sekundärteil des Netzteils komplett entfernt. Als Trafo wurde ein 1:10-Übertrager gewickelt, ein Gleichrichter gebaut, eine Mindestlast eingebaut und die Regelung angepasst. Dazu wird dem Fehlerverstärker über ein Poti die Referenzspannung sowie über einen Shunt der Simmerstrom zugeführt. Das Netzteil kann rechnerisch einen Strom von bis zu 333mA liefern. Die Leerlaufspannung ist über 2kV, muss aber dank des neugewickelten kleineren Trafos noch einmal neu gemessen weden. Für den Simmerbetrieb ist ein Mindeststrom von 47mA nötig, jedoch ist diese Entladung erst ab 100mA so stabil, dass sie nach dem Feuern des Laserpulses weiterhin brennt. Zusätzlich ist noch eine Drossel im Bereich von 400mH nötig, um den Simmerstrom zu glätten.

Nach der letzten Testreihe wissen wir, dass das Simmernetzteil hervorragend funktioniert. Zu sehen im letzten Video, welches unten verlinkt ist. Der Simmerstrom lässt sich stufenlos von 0 bis ca 170mA einstellen. 100mA ergeben eine stabile Simmerentladung. Die große 400mH-Luftspule wog mehrere Kilogramm und wurde inzwischen auf einem Ferritkern neu gewickelt. So konnten das Gewicht und das Volumen stark reduziert werden. Die bei der Planung gerechneten 400mH wurden bis auf 3% Abweichung genau getroffen.

Bedienpanel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Bedienpanel besteht zur Zeit aus jeder Menge Tastern, 7-Segmentanzeigen und Displays. Über die Taster können alle Funktionen der Baugruppen manuell gesteuert werden, es kann aber auch in den Automatikmodus geschaltet werden. Auf den 7-Segmentaneigen kann man den Simmerstrom, die Ladespannung/Energie und die Pulswiederholrate ablesen bzw. einstellen. Auf den Displays bekommt man Statusrückmeldungen zu den Baugruppen. Es ist ein vorläufiges Panel zum Testen des Aufbaus, das später dann "in Ordentlich" gebaut wird, um in den Laser fest eingebaut zu werden.

Mechanik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Mechanik des Plotters

Der Laserkopf auf seinem Schlitten.

Der Umlenkspiegel und der Linsenhalter mit Druckluftanschluss.

Die Mechanik besteht aus einem modifizierten Roland XY-Plotter. Die Dokumentenauflage wurde ausgeschnitten, um einen Durchlass für den Laserstrahl zu bekommen. Anstatt des Stiftes wurde ein Halter für die Sammellinse gefräst, welche zum Schutz gegen Funkenflug mit Pressluft beaufschlagt werden kann. Der Laserstrahl wird über einen 45°-Spiegel in die Linse geleitet. Der Laserkopf fährt auf der X-Achse mit, dafür mussten die Befestigungen mit 10mm Aluminium verstärkt werden. Die Steuerplatine des Plotters wird in einen 19"-Einschub eingebaut, welcher dann mit der restlichen Steuerung in einem Rack sitzt.

Synchronisationeinheit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Diese Einheit überwacht die Steuersignale der Schrittmotorsteuerkarte und löst bei Bedarf einen Feuerimpuls aus. Dabei wird nach jedem Schuss ein Kreis definiert, bewegt sich der Laserkopf aus diesem Kreis heraus, wird ein neuer Impuls generiert. Die erzeugten Feuersignale werden in den Power Controller eingespeist.

Folgende Einstellungen sind im Moment möglich

Scharfschaltung
Radius
Pulspausen
Parametersätze laden und speichern
Überwachung der Z-Achse (Auf-Bewegung-->Laser aus, Ab-Bewegung-->Laser an)

Es fehlt noch:

Eintauchfunktion (beim Senken der Z-Achse, mehrere Schüsse auf eine Stelle)
Verbindung mit dem Bus
Neues Busprotokoll

Materialbearbeitung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Absorptionskoeffizienten (1-R) verschiedener Metalle
Fe...............0,35
Al...............0,10
Cu ..............0,06
(Quelle: Reinhard Iffländer, Festkörperlaser zur Materialbearbeitung, Springer Verlag)

Wie man sieht, lässt sich Eisen relativ gut und Kupfer relativ schlecht bearbeiten, da die Laserstrahlung recht stark reflektiert wird. Das ganze deckt sich recht gut mit den experimentellen Ergebnissen, die wir bisher gewonnen haben. So ließ sich Eisen besser abtragen als Aluminium und Kupfer.

Steuerung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mittlerweile wurde die Steuerung des Roland-Plotters auf Grund von Problemen komplett entfernt. Die originale Steuerung macht zur Initialisierung eine schnelle Fahrt quer über den Tisch bis zum Anschlagschalter. Aufgrund des hohen Gewichtes der zu bewegenden Komponenten und der extremen Beschleunigung zu Beginn der Kalibrierungsfahrt kommt der Schrittmotorkontroller aus dem Tritt. Danach kann die X-Achse nicht mehr sauber verfahren werden. Uns blieb also nichts anderes übrig, als die komplette Steuerung des Plotters zu umgehen. Wir setzen daher jetzt direkt an der Leistungsplatine an, die Steuerplatine entfällt.

Auf der Leistungsplatine sitzen zwei 5-Phasen-Schrittmotor-Steuer-ICs (IC-Bez. hier), für jede Achse einer. Die 5-phasigen Schrittmotoren werden im Halbschritt per Takt/Richtung angesteuert, so dass eine einfache Steuerung per Parallelport möglich ist.

Zusammen mit einem Linux-PC mit EMC ließen sich die beiden Achsen nach wenigen Stunden Arbeit per PC steuern. Jetzt fehlen noch die Anschlag-Schalter und eine genaue Kalibrierung, um den Plotter vollständig unter Softwarekontrolle zu haben.

Die nötigen Feuerbefehle werden von der neuen Synchonisationseinheit erzeugt.

Da beim Abfeuern des Lasers Müll in die Ansteuerung der Schrittmotoren eingekoppelt hat, muss jetzt die Optokopplerkarte verwendet werden. Diese wird Lasercutter-seitig mit 5V aus dem Zünd-Sync versorgt und rechnerseitig aus dem PC-Netzteil. Aufgrund des schlechten Signals hinter den Optokopplern wurde eine Karte mit Schmitt Triggern eingebaut, die wieder Rechteck-Signale erzeugen.

Pinbelegung Parallelport:

Pin	Funktion
2	X-Step
3	X-Dir
4	Y-Step
5	Y-Dir
6	Amplifier-Enable
7	Z-Step
8	Z-Dir
9	Frei
24	GND
25	GND

Verschiedenes[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wir möchten uns bei dem Lehrstuhl für Terahertztechnologie und Photonik und dem Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik der Ruhr-Universität-Bochum für die Bereitstellung von Informationen, Material und Werkzeug bedanken.
Weiterhin bedanken wir uns bei Professor Wittrock und seinem Team des Instituts für Optische Technologien für die Übergabe eines ausgedienten Forschungslasers.

Videos[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die ersten Versuche
Ziele: Papier mit Tonerschicht, Platinen-Basismaterial, verschiedene Bleche und der legendäre tanzende Gleichrichter

Neues Netzteil und mehr Versuche
Ziele: IC, Vorhängeschloss, Metallprofil ausserhalb des Fokus

Simmerbetrieb und 20Hz Pulsfrequenz
Ziele: Holz, Bauteile, Tackernadeln, Keramikwiderstand

EMC2
Die ersten Versuche mit der neuen Steuerung EMC2

Teil 4: CNC Steuerung
Der erste erfolgreiche Test von EMC mit Laser und der neuen Synchonisationseinheit

Links[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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-{{Workinprogress}}<!-- keine Inhalte vor diesem Kommentar! (Kopf-Banner) -->
+Das Projekt ist eingestellt! Auf Grund von unüberwindbaren Schwierigkeiten mit dem Laserkopf (Stichwort: Thermische Linse) ist das Projekt eingestellt worden.
 {{ProjektInfoBox
 |name        = Lasercutter
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-|description = Schneidlaser für möglichst auch Metalle
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 ==Beschreibung==
-Bei diesem Projekt möchten wir einen Schneidlaser bauen der stark genug ist um Material zu schneiden oder Oberflächen zu gravieren. Die Leistung hängt maßgeblich vom eingesetzten Laser ab. Der finale Aufbau soll ähnlich einem X-Y-Plotter aufgebaut werden. Statt des Stifts wird der Laserstrahl auf das Material gelenkt. Haupteinsatzgebiet dürfte dann das direkte erstellen von PCB's aus unbeschichteten Platten sein.
+Bei diesem Projekt möchten wir einen Schneidlaser bauen, der stark genug ist, um Material zu schneiden oder Oberflächen zu gravieren. Die Leistung hängt maßgeblich vom eingesetzten Laser ab. Der finale Aufbau soll ähnlich einem X/Y-Plotter aufgebaut werden. Statt des Stifts wird der Laserstrahl auf das Material gelenkt. Haupteinsatzgebiet dürfte dann das direkte Erstellen von PCBs aus unbeschichteten Platten sein.
 ==Aktueller Stand==
 Der Laser wurde beschafft.
-Erste Gehversuche den Laser Pulsweise in Betrieb zu nehmen sind erfolgreich abgeschlossen.
+Erste Gehversuche, den Laser pulsweise in Betrieb zu nehmen, sind erfolgreich abgeschlossen.
 Es wurde auf verschiedene Materialien "geschossen" um zu schauen "wat der denn so kann".
 Wir haben mit der Hardware eines Rubinlasers den YAG probehalber in Betrieb genommen.
-Die Hardware ist für unseren Fall nicht zu gebrauchen da sie zu wenig Leistung besitzt. Für einzelne Testschüsse war die Hardware aber zu gebrauchen.
+Die Hardware ist für unseren Fall nicht zu gebrauchen. da sie zu wenig Leistung besitzt. Für einzelne Testschüsse war die Hardware aber zu gebrauchen.
 Wir werden die Baugruppen zerlegen und die Teile daraus wiederverwenden. Insbesondere den Zündübertrager mit Beschaltung und die Hochspannungsdioden.
 Wir haben nun ein eigenes Zündnetzteil gebaut. (siehe Zündeinheit)
+Der aktuelle Stand lässt sich im unten verlinkten YouTube-Video anschauen!
+Wir haben die einzelnen Komponenten erfolgreich aufgebaut und getestet und sind nun so weit diese in Baugruppen aufzuteilen und in Gehäuse einzubauen.
+Zur Zeit sind wir dabei, alle Baugruppen mit einer seriellen Schnittstelle auszurüsten, um die Kommunikation und Steuerung untereinander zu ermöglichen.
+Tixiv ist dabei, ein Bedienpanel für den Laser zu bauen, das die Steuerung aller Komponenten ermöglicht und über Displays Rückmeldung über den zustand der Anlage gibt.
+[[Bild:Lasercutter HolzRack ansicht vorne.jpg|thumb|Temporärer Aufbau der 19" Baugruppen.]]
+Alle Versorgungskomponenten wurde in 19"-Baugruppen verbaut und sind derzeit in einem Holz-Rack verbaut. Dies ist aber nur eine vorübergehende Lösung. Der Bau eines Metall-Racks ist in Arbeit.
+Ein alter A3-Stiftplotter wurde als mechanisches Grundgerüst verwendet, dabei wurde der Kopf auf den X-Schlitten montiert und auf dem Y-Schlitten ist statt der Stifthalterung nun die Linsen- und Spiegelhalterung.
+Von der alten Steuerung des Plotters wurde nur das Netzteil und die Schrittmotorsteuerkarte verwendet. Die Schrittmotorkarte wird über den Druckerport eines PCs angesteuert.
+Auf dem PC läuft die freie Maschinensteuerung EMC2.
+Der Laser und die CNC-Software werden über eine Synchronisationsmodul synchronisiert. Das Modul überwacht die Steuersignale der Schrittmotoren und erzeugt daraus die Feuerbefehle.
 ==Komponenten==
-Das System wird aus drei Teilen bestehen:
+Das System wird aus vier Teilen bestehen:
-* Dem XY-Tisch mit Laser
+* Einem alten A3-Stiftplotter, der als XY-Tisch mit Laser dient
-* Der Steuerung (bevorzugt in 19" Baugruppen)
+* Der Steuerung in 19" Baugruppen
-* Ein Computer der das ganze mit Daten versorgt
+* Ein Computer auf dem EMC2 läuft und das ganze mit Daten versorgt
 * Peripherie, der Laser braucht Kühlwasser und Druckluft.
 ===Laserkopf===
-Bei dem Laserkopf handelt es sich um einen Blitzlampengepumpten ND:YAG Laser mit Wasserkühlung.
+[[Bild:NdYAG Laserkopf.JPG|thumb|Unser Nd:YAG-Laserkopf.]]
+[[Bild:IMG 20110202 090604.jpg|thumb|Linsenhalterung.]]
+Bei dem Laserkopf handelt es sich um einen blitzlampengepumpten ND:YAG-Laser mit Wasserkühlung.
 Der Laser besitzt eine Ausgangsleistung von 15 Watt im Mittel und eine Pulsleistung von 40 Kilowatt,
 bei einer Wiederholrate von 20 Hz darf die Pumpenergie maximal 80J betragen.
 Die Zündspannung der Lampe wurde auf ca. 10kV bis 12kV geschätzt.
 Die Brennspannung der Lampe beträgt 600V bei einem Strom von 20mA. Bei einem Strom von 70mA sinkt sie auf etwa 200V.
-Für das einleiten der Simmerentladung ist jedoch eine Spannung von etwa 1kV nötig.
+Für das Einleiten der Simmerentladung ist jedoch eine Spannung von etwa 1kV nötig.
+Durch Messungen wurde eine Blitzdauer von 25µs ermittelt, das ist viel zu kurz; wünschenswert wären ~500µs. Dies soll mit einem Pulse-Forming-Network erreicht werden.
 ===Netzteil===
-Für die im Laser verbaute Blitzlampe wir ein hohen Strom auch eine hohe Spannung benötigt.
+[[Bild:Powernetzteil aus Kupfergaslaser.jpg|thumb|Das Powernetzteil, wie wir es vorgefunden haben.]]
+Für die im Laser verbaute Blitzlampe wird ein hoher Strom bei einer hohen Spannung benötigt.
 Der Strom wird durch einen Kondensator bereitgestellt, da die Blitzlampe,
 wie der Name schon sagt, nur pulsweise betrieben wird.
-In unserem Fall besteht der Kondensator aus zwei GeneralAtomics Hochspannungskondensatoren mit 42µF
+In unserem Fall besteht der Kondensator aus zwei GeneralAtomics-Hochspannungskondensatoren mit 42µF
 bei maximal 5kV. Da die Blitzlampe jedoch nur mit einer Energie von 80J belastet werden darf,
 wird hier nur eine Ladespannung von 1400V benutzt.
 Bei voller Leistung müssen diese Kondensatoren 30mal pro Sekunde aufgeladen werden.
-Wenn man die Zeit für die Zündung der Lampe und die Entladung vernachlässigt bedeutet
+Wenn man die Zeit für die Zündung der Lampe und die Entladung vernachlässigt, bedeutet
-dies man hat maximal 50ms Zeit. Dies allein entspricht schon einer Ladeleistung von
+dies, dass man maximal 50ms Zeit hat. Dies allein entspricht schon einer Ladeleistung von
 <math>P_min = \frac {\frac 1 2 \cdot C \cdot U^2} {t}  = 1600W</math>
-Bei einer Zeitspanne von 40ms ergibt sich schon eine benötigte Leistung von 2kW.
+Bei einer Zeitspanne von 40ms ergibt sich bereits eine benötigte Leistung von 2kW.
-Diese Anforderungen zeigen schon das der Eigenbau eines Schaltnetzteils diesen Kalibers nicht gerade einfach sein wird.
+Diese Anforderungen zeigen, dass der Eigenbau eines Schaltnetzteils dieses Kalibers nicht gerade einfach sein wird.
-Durch einen Unglücklichen Zufall haben wir aber ein Hochspannungsnetzteil über. Es stammt aus dem großen
+Durch einen glücklichen Ebay-Treffer bekamen wir einen großen Kupferdampflaser (Ausgangsleistung 26W grün, Pulsleistung 90kW), bei dem durch einen unglücklichen Zwischenfall die Laserröhre zerbrach. Doch so stand dessen Hochspannungsnetzteil zur Verfügung. Das Netzteil erzeugte in seinem alten Zuhause eine Spannung von 8kV bei einer Leistung von 6kW.
-Kupferdampf-Laser (Spitzname Todeslaser, da Ausgangsleistung 26W grün und Pulsleistung 90kW), dessen Beryliumoxid-Röhre
-leider zerbrach. Das Netzteil machte in seinem alten Zuhause eine Spannung von 8kV bei einer Leistung von 6kW.
 Die Leistung ist ausreichend, nur leider ist die Spannung viel zu hoch. Also waren ein paar Modifikationen nötig.
+====Stromversorgung====
+Das Gerät stammt aus Amerika, dementsprechend ist es für 208V Drehstrom oder 230V einphasig ausgelegt. Das Problem ist, dass man die gesamte Leistung nicht so gut aus einer Phase ziehen kann. Also musste Drehstrom her, leider bekommen wir bei einer Vollweggleichrichtung keine 320V, also musste eine Dreipuls-Mittelpunktsgleichrichtung verwendet werden.
+Ausserdem gab es noch eine improvisierte Einschaltstrombegrenzung aus drei 180Ohm-Widerständen,
+die später von einem Schütz überbrückt werden. Dies muss bisher manuell erfolgen, aber später macht dies die Netzteilsteuerung.
 ====Das Netzteil und seine Modifikationen====
-Der Hochspannungstrafo besteht aus zwei dicken Primärwindungen und vier stark voneinander isolierten Sekundärwichlungen, von denen jede 8kV erzeugt. Die verschiedenen Wicklungen wurden im Orginal nach der Gleichrichtung parallel geschaltet. Es sieht so aus, als wenn dies ein Universalmodul war, welches je nach Verdrahtung Ausgangsspannungen von 8kV bis zu 32kV erzeugen konnte. Darauf deuten auch die Auslegung der Gleichrichterdioden hin, denn jeder Zweig der Brückgleichrichter besteht aus vier in Reihe geschalteten 10kV Dioden. Ebenso ist das Hochspannungssteckersystem Marke Eigenbau auch für eine wesentlich größere Spannungs ausgelegt, wie man an der sehr langen Isolation des Steckers erkennen kann. Das interessante ist, dass dieses Steckersystem eigetnlich aus Pressfittingen für Rohre besteht und die Kontaktierung über eine an der Koaxialkabel angelötete Mutter und eine Feder erfolgt.
+[[Bild:Powernetzteil aus kupfergaslaser neu gewickelt.JPG|thumb|Die Spulen, nachdem wir sie modifiziert haben.]]
+Der Hochspannungstrafo besteht aus zwei dicken Primärwindungen und vier stark voneinander isolierten Sekundärwicklungen, von denen jede 8kV erzeugt. Die verschiedenen Wicklungen wurden im Original nach der Gleichrichtung parallelgeschaltet. Es sieht so aus, als wenn dies ein Universalmodul war, welches je nach Verdrahtung Ausgangsspannungen von 8kV bis zu 32kV erzeugen konnte. Darauf deuten auch die Auslegung der Gleichrichterdioden hin, denn jeder Zweig der Brückengleichrichter besteht aus vier in Reihe geschalteten 10kV Dioden. Ebenso ist das Hochspannungssteckersystem "Marke Eigenbau" auch für eine wesentlich größere Spannungs ausgelegt, wie man an der sehr langen Isolation des Steckers erkennen kann. Das Interessante ist, dass dieses Steckersystem eigentlich aus Pressfittingen für Rohre besteht und die Kontaktierung über eine an dem Koaxialkabel angelöteten Mutter und eine Feder erfolgt.
 Zur Anpassung an die geänderte maximale Ausgangsspannung von nur etwa 1,5kV wurden die alten Sekundärwicklungen komplett entfernt.
-Dabei wurden aber die Anzahl der Windungen mitgezählt.
+Dabei wurden aber die Anzahl der Windungen mitgezählt. So konnte die Ausgangsspannung einfach durch Anpassen des Verhältnisses geändert werden. Wegen der hohen zu erwartenden Ströme wurde die Wicklung mit 1,2mm-Kupferlackdraht ausgeführt.
-So kann die Ausgangsspannung einfach durch Anpassen der Verhältnisses geändert werden.
-Wegen der hohen zu erwartenden Ströme wurde die Wicklung mit 1,2mm Kupferlackdraht ausgeführt.
+Der alte Gleichrichter wäre dem hohen Strom auch nicht gewachsen gewesen, also musste auch hier ein neuer her. Dieser besteht aus einer Reihen- und Parallelschaltung von mehreren UF4007-Dioden (1kV 1A ultrafast --> 3 in Reihe, 4 Parallel). Ebenso musste der Strommesshunt auf der Sekundärseite gegen Masse entsprechend verkleinert werden.
+Mangels eines passenden 2,7Ohm-Shunts wurde eine Streifenrasterplatine mäanderförmig beschaltet, bis der Widerstand durch die Bahnen genau 2,7Ohm betrug. Dank der großen Oberfläche des Shunts kann dieser die entstehende Abwärme gut an das Öl abgeben.
+Leider mussten wir bei den ersten ernsthafteren Tests mit einer höheren Widerholrate feststellen, dass dies nicht der einzige Messshunt war. Während eines Testes kam es zu einem Ausstoß von magischem Rauch und der mittlerweile unterdimensionierte Shunt auf einer Karte des Netzteil rauchte ab. Nach Studium der Schaltpläne und Leiterbahnverfolgung auf einer undokumentierten Leiterkarte fanden wir die Ursache und konnten sie beheben.
+Auch der Vorwiderstand zur Messung der Ausgangsspannung wurde von 200MOhm auf 50MOhm verkleinert. Ohne diese Änderungen hätte man über die externe Sollwert-Vorgabe nur einen sehr kleinen Aussteuerbereich zur Verfügung.
-Der alte Gleichrichter wäre dem hohen Strom auch nicht gewachsen gewesen, also musste auch hier ein neuer her. Dieser besteht aus einer Reihen- und Parallelschaltung von mehreren UF4007 Dioden (1kv 1A). Ebenso musste der Strommesshunt auf der Sekundärseite gegen Masse entsprechend verkleinert werden.
+Über den "Charging Waveform"-Ausgang wurde ein Speicheroszilloskop angeschlossen und mal geschaut, wie schnell der Ladevorgang denn wirklich dauert. Wir waren überrascht: 14,8ms. Nach einer kleinen Messreihe kamen wir dann auf eine durchschnittliche Ladezeit von etwa 16ms. Wir haben also eine durchschnittliche Ladeleistung von 4,9kW. Dieser niedrigere Wert steht sicher im Zusammenhang mit unserer Mittelpunktsgleichrichtung. Ist aber mehr als ausreichend, wenn man die Pulsfrequenz von 20Hz bedenkt.
-Mangels eines passenden 2,7Ohm Shunts wurde eine Streifenrasterplatine Mäanderförmig Beschaltet bis der Widerstand durch die Bahnen genau 2,7Ohm
-betrug. Dank der großen Oberfläche des Shunts kann dieser die entstehende Abwärme gut an das Öl abgeben.
-Auch der Vorwiderstand zur Messung der Ausgangsspannung wurde von 200MOhm auf 50MOhm verkleinert. Ohne diese Änderungen hat man über die externe Sollwert-Vorgabe nur einen sehr kleinen Aussteuerbereich zur Verfügung.
+Achtung: Das Netzteil darf nur mit den Kondensatoren als Last betrieben werden, wird der Stecker abgezogen, brennen die Gleichrichterdioden im Öltank durch (= Sauerei) !
 ====Steuerung====
+[[Bild:Lasercutter controlpanel Test.JPG|thumb|Unsere selbstgebaute Steuerplatine.]]
+[[Bild:Lasercutter control unten.JPG|thumb|Unsere Steuerplatine und die Thyristorvollbrüche incl. Ansteuerung.]]
 Zur Steuerung des Netzteil gibt es eine 25polige D-Sub-Buchse auf dessen Rückseite.
-Über diese Schnittstelle lassen sich viele Funktionen ansprechen. Wie zum Beispiel:
+Über diese Schnittstelle lassen sich viele Funktionen ansprechen, zum Beispiel:
-* Open Kollektor Statusausgänge (On, Off, Überlast, Interlock, Inhibit, End-of-Charge, ...)
+* Open-Collector-Statusausgänge (On, Off, Überlast, Interlock, Inhibit, End-of-Charge, ...)
-* Poweronoff -Taster (On NC, OFF NO -->Laut TeslaDennis üblich bei Selbsthaltenden Relaischaltungen)
+* Power-on/off-Taster (On NC, OFF NO -->Laut TeslaDennis üblich bei Selbsthaltenden Relaischaltungen)
-* Inhibit (Stoppt das Netzteil)
+* Inhibit (stoppt das Netzteil)
 * "Analog Charging Waveform Out 'Voltage' " (Zugang zu internem Spannungsteiler ohne Tiefpass, siehe unten)
 * Sollwertvorgabe 0-8V (8V=maximale Ausgangsspannung) ToDo: Zusammenhang messen!
@@ Zeile 92: / Zeile 117: @@
 * ...
-Fürs erste wurde ein minimales Steuerpanel gebaut, um das Netzteil testen zu können.
+Für's Erste wurde ein minimales Steuerpanel <del>entwickelt</del> zusammengezimmert, um das Netzteil testen zu können.
-Dies besteht aus Status LEDs, Poti zur Sollwertvorgabe, Abgriffe für die Messsignale und Schalter für Inhibit
+Dies besteht aus Status-LEDs, Poti zur Sollwertvorgabe, Abgriffe für die Messsignale und Schalter für Inhibit
-(dauerhaft an oder externes Signal (Pulldown = Aus))
+(dauerhaft an oder externes Signal (Pulldown = Aus)). Ausgehend von den Untersuchungen wurde dann eine richtige Steuerung entwickelt, der Power Controller.
+===Power Controller===
+Die Hauptaufgabe des Power Controllers ist die Steuerung der Leistungselektronik. Dazu gehört primär das Kondensatorladegerät. Er kann ausserdem 7 24V-Relais ansteuern, erzeugt das Zündsignal für die Thyristorbaugruppe und empfängt die Zündbefehle von der Synchronisationseinheit.
-====Stromversorgung====
+<u>'''Netzteilsteuerung'''</u>
-Das Gerät stammt aus Amiland, dem entsprechend ist es für 208V Drehstrom oder 230V einphasig ausgelegt. Das Problem ist, dass man die gesamte
+;Power
-Leistung nicht so gut aus einer Phase ziehen kann. Also musste Drehstrom her, leider bekommen wir bei einer
+:Spezielle Schaltung nötig, da Tastereingäne auf Schütztechnik ausgerichtet sind (Einschalten mit Schließer, Ausschalten mit Öffner)
-Vollweggleichrichtung keine 320V, also musste eine Dreipuls-Mittelpunktsgleichrichterung verwendet werden.
+:Grüne LEDs zur Anzeige des Status
+:µC-Port ???(wurde umgelötet) (H=An, L=Aus)
+;Statusüberwachung
+:Alle 8 Statusleitungen sind auf LEDs und Pullups geführt und können vom µC abgefragt werden
+:µC-Port C0: Off
+:µC-Port C1: No Current Reversal
+:µC-Port C2: Überlast
+:µC-Port C3: Interlock offen
+:µC-Port C4: Übertemperatur
+:µC-Port C5: On
+:µC-Port C6: End of charge
+:µC-Port C7: Inhibit aktiv
+;Sollwert-Vorgabe
+:16Bit PWM (Timer1)
+:Tiefpass (Grenzfrequnz?)
+:einstellbarer Verstärkung 1-2-fach
+:maximale Ausgangsspannung einstellbar 5-10V (Begrenzung der maximalen Ladespannung im Fehlerfall)
+:µC-Port D5 (OC1A)
+;Istwert-Messung
+:Spannungsfolger zur Entkopplung
+:Spannungsteiler 15V --> 2.36V (interne Referenz möglich)
+:µC-Port PA7 (ADC7)
+;Schaltausgänge
+:Getrennte Versorgung über X13
+:7x 500mA Open-Collektor-Ausgänge (ULN2003A)
+:über Schieberegister an Hardware SPI
+:µC-Port PB4(SS): Latch
+:µC-Port PB3    : Output Enable mit externem Pullup
+{| class="wikitable"
+|-
+! Kanal!! Funktion
+|-
+| K1|| Simmernetzteil
+|-
+| K2|| Steuerspannung Kondensatorladegerät
+|-
+| K3|| Leistungsversorgung Kondensatorladegerät
+|-
+| K4|| -
+|-
+| K5|| Pumpe
+|-
+| K6|| -
+|-
+| K7|| -
+|}
-Ausserdem gab es noch eine improvisierte Einschaltstrombegrenzung aus 3 180Ohm Widerständen,
+;Ausgang Thyristormodul
-die später von einem Schütz überbrückt werden. Dies muss bisher manuell erfolgen, aber später macht dies dann ein Zeitrelais.
+:µC-Port P -->Prüfen!
-====Messungen====
+;Eingang Feuersignal von Synchronisation
-Nachdem sich das Netzteil nun über das Panel steuern lässt konnten auch ein paar Messungen gemacht werden.
+:Wird behandelt wir Feuerbefehl von Panel
-Dazu wurde unsere Kondensatorbank und ein Entladewiderstand angeklemmt. Ausserdem leisteten noch ein Multimeter (bis 1000V)
+:µC-Port PA45
-und ein elektrostatisches Voltmeter (maximaler Anzeigewert 4kV) gute Dienste.
-Der erste Eindruck ließ sich am besten mit ''''WOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOWWWWWWWWWWW'''' beschreiben: On-Taste und die End-of-charge LED leuchtet!
-Über den "Charging Waveform"-Ausgang wurde also ein also ein Speicheroszilloskop angeschlossen und mal geschaut wie schnell es denn wirklich ist. Wir waren überrascht: 14,8ms. Nach einer kleinen Messreihe kamen wir dann auf einen durchschnittliche Ladezeit von etwa 15,9ms. Wir haben also eine durchschnittliche Ladeleistung von 4,9kW. Dieser niedrigere Wert steht sicher im Zusammenhang mit unserer Mittelpunktsgleichrichtung. Ist aber mehr als ausreichend, wenn man die Pulsfrequenz von 20Hz bedenkt.
+;Reservesignale
+:Sollwertvorgabe 16bit-PWM (OC1B) und einstellbarer Verstärker 0-5..10V
+:Istwert-Erfassung ADC6 (PA5)
+:IOs auf Stiftleiste PA1-4, PB0-2
 ===Zündeinheit===
+[[Bild:Lasercutter Testaufbau.jpg|thumb|Der Testaufbau in der Übersicht.]]
 Die Zündspannung, in unserem Fall über 10kV, wird nur kurz, zum Zünden der Lampe benötigt.
-Diese hohe Spannung wird seriell über einen Impulstransformator eingekoppelt. Sekundärseitig ist der Trafo mit dem Kondensator in reihe an die Lampe angeschlossen. Primärseitig wird über einen Thyristor und einen Kondensator ein kurzer Strompuls in den Trafo geschickt, damit dieser eine sekundär hohe Spannung aufbauen kann. Diese Spannung addiert sich zur Ladespannung des Haupt-Kondensators und über steigt damit die Zündspannung der Lampe, wodurch diese leitend wird.
+Diese hohe Spannung wird seriell über einen Impulstransformator eingekoppelt. Sekundärseitig ist der Trafo mit dem Kondensator in Reihe an die Lampe angeschlossen. Primärseitig wird über einen Thyristor und einen Kondensator ein kurzer Strompuls in den Trafo geschickt, damit dieser sekundär eine hohe Spannung aufbaut. Diese Spannung addiert sich zur Ladespannung des Haupt-Kondensators und übersteigt damit die Zündspannung der Lampe, wodurch diese leitend wird.
-Die Zündeinheit besteht aus einem Schaltnetzteil das aus 24VDC 500VDC generiert. Mit diesem Netzteil wird ein Kondensator aufgeladen der mit Hilfe eines Thyristors in den Zündübertrager entladen werden kann. Die Zündeinheit wird von einem AVR gesteuert der folgende Aufgaben übernimmt:
+Die Zündeinheit besteht aus einem Schaltnetzteil das aus 24VDC 500VDC generiert. Mit diesem Netzteil wird ein Kondensator aufgeladen, der mit Hilfe eines Thyristors in den Zündübertrager entladen werden kann. Die Zündeinheit wird von einem AVR gesteuert, der folgende Aufgaben übernimmt:
-* Steuerung des Schaltnetzteils und abschaltung des selbigen bei erreichen der Ladeschlussspannung (500V).
+* Steuerung des Schaltnetzteils und Abschaltung des selbigen bei Erreichen der Ladeschlussspannung (500V).
-* Überwachung des Schaltnetzteils
+* Zündbereitschaft signalisieren
-* Kommunikation mit des Steuerung des Lasersystems
 * Auslösen eines Zündpulses als Reaktion auf externes Triggersignal
-* Abschaltung der gesamten Zündeinheit im Fehlerfall
-Die Zündeinheit besitzt vier Anschlüsse um Signale zu Empfangen uns zu senden:
+===Simmern===
-* eine RS232 Schnittstelle
+Unter Simmern bezeichnet man das Vorhandensein einer dauerhaft brennenden Entladung in der Blitzröhre, der Simmerentladung.
-* einen Triggereingang der einen Zündpuls auslöst
+Beim Zünden der Röhre kommt es immer zum sogenannten Absputtern von Elektrodenmaterial. Dieses Material setzt sich dann auf dem Glaskolben ab und führt zu einer Verdunkelung der Röhre von innen. Durch diese Verdunkelung sinkt zum einen die Lichtausbeute der Blitzröhre und zum anderen steigt hierdurch die thermische Belastung der Glaswände stark an. Kurzum, die Lebensdauer sinkt.
-* einen Fehlerausgang der sobald der AVR eine Fehlfunktion feststellt auf High gesetzt wird
+Wenn nun aber die Röhre nur einmal mit einer geringem Strombelastung gezündet wird und fortan ein konstanter Lichtbogen brennt, kommt es zu einer viel geringeren Absputterung. Die Folge ist eine mehr als zehnfache Lebensdauer der Röhre. Um diese Entladung nach dem Zünden aufbauen zu können, benötigt das Simmernetzteil eine hohe Leerlaufspannung. So benötigten wir zum Zünden der Simmerentladung eine Spannung von mindestens 1kV. Brennt die Entladung ersteinmal sinkt der Spannungsbedarf stark ab (negativer Widerstand der Gasentladung). Bei einem Strom von 70mA wird zum Beispiel nur noch eine Spannung von etwa 200V benötigt.
-* einen Eingang mit dem das gesamte Zündgerät ein- und ausgeschaltet werden kann.
+Um nun einen Stromimpuls zu erzeugen, benötigen wir einen Schalter, welcher die Kondensatorbank abtrennt. Durch diesen muss bei jedem Laserpuls der gesamten Pulsstrom fließen. Dazu gibt es aber ein eigenes Kapitel.
+Leider erwies sich das Simmern als alles andere als trivial, hier ein kleiner Abriss unserer Versuche:
-Alle Ein- und Ausgänge sind über Optokoppler galvansch getrennt.
+Der erste Versuch war schon sehr abenteuerlich, die Leerlaufspannung wurde durch einen 230V/400V Trenntrafo mit einer anschließenden Spannungsverdopplung erzeugt und der Strom wurde über einen Vorwiderstand begrenzt. Obwohl dieser einfache Aufbau bereits funktionierte, war er alles andere als optimal, denn für die 14W Simmerleistung (200V 70mA) wurde die vierfache Leistung in dem Vorwiderstand verheizt.
-===Simmern===
+Der zweite Versuch war ein induktiv strombegrenzter Royer-Wandler (ZVS mit großer Induktivität). Leider ließ sich diese Schaltung nicht dazu überreden seinen Strom weit genug zu senken. So kamen wir immer auf Kurzschlussströme im 200mA Bereich.
-Unter simmern bezeichnet man das Vorhandensein einer dauerhaft brennenden Entladung in der Blitzröhre, der Simmerentladung.
-Bei dem Zünden der Röhre kommt es immer zu einem Absputtern von Elektrodenmaterial. Dieses Material setzt sich dann auf dem Glaskolben ab und führt zu einer Verdunkelung der Röhre von innen. Durch diese Verdunkelung sinkt zum einen die Lichtausbeute der Blitzröhre und zum anderen steigt hierdurch die thermische Belastung der Glaswände stark an. Kurzum, die Lebensdauer sinkt.
+Der dritte Versuch lehnte sich an ein billiges HeNe-Lasernetzteil an. Denn bei diesen wird die Zündspannung durch eine Kaskade erzeugt und durch die entsprechende Dimensionierung der Kondensatoren wird der Ausgangsstrom begrenzt. Ein schneller Aufbau aus 4 Kondensatoren(20µF MP) und 8 Dioden(2x UF4007 in Reihe) brachte einen Simmerstrom von 230mA. Als nächstes werden wir die Kondensatoren schrittweise verkleinert und mit einer kapazitiven Strombegrenzung experimentieren.
-Wenn nun aber die Röhre nur einmal mit einer geringem Strombelastung gezündet wird und fortan ein konstanter Lichtbogen brennt kommt es zu einer viel geringere Absputterung. Die Folge ist eine mehr als zehnfache Lebensdauer der Röhre.
+Leider haben sich die Kaskaden als ungeeignet erwiesen. Dies trifft auf die "normale" wie auch auf die frequenzgesteuerte Kaskade zu, es handelt sich also um eine Sackgasse.
-Wir haben uns für einen Simmerstrom von etwa 70mA entschieden, bei diesem Strom benötigen wir eine Spannung von etwa 200V. Ist der Strom geringer, so steit der Spannungsbedarf stark an (negativer Widerstand einer Gasentladung).
-Aufgund dessen benötigen wir Anfangs eine hohe Spannung um 1kV, damit sich nach der Zündung auch eine Simmerentladung ausbilden kann. Brennt die Entladung ersteinmal sinkt der Spannungsbedarf stark ab.
+[[Bild:Laserprojekt-Simmernetzteil.jpg|thumb|Unser Simmernetzteil.]]
+Dank Tixiv haben nun ein umgebautes PC-Schaltnetzteil, das einen einstellbaren Konstantstrom zur Verfügung stellt. Dazu wurden der Trafo und der nachfolgende Sekundärteil des Netzteils komplett entfernt. Als Trafo wurde ein 1:10-Übertrager gewickelt, ein Gleichrichter gebaut, eine Mindestlast eingebaut und die Regelung angepasst. Dazu wird dem Fehlerverstärker über ein Poti die Referenzspannung sowie über einen Shunt der Simmerstrom zugeführt. Das Netzteil kann rechnerisch einen Strom von bis zu 333mA liefern. Die Leerlaufspannung ist über 2kV, muss aber dank des neugewickelten kleineren Trafos noch einmal neu gemessen weden. Für den Simmerbetrieb ist ein Mindeststrom von 47mA nötig, jedoch ist diese Entladung erst ab 100mA so stabil, dass sie nach dem Feuern des Laserpulses weiterhin brennt. Zusätzlich ist noch eine Drossel im Bereich von 400mH nötig, um den Simmerstrom zu glätten.
+Nach der letzten Testreihe wissen wir, dass das Simmernetzteil hervorragend funktioniert. Zu sehen im letzten Video, welches unten verlinkt ist.
+Der Simmerstrom lässt sich stufenlos von 0 bis ca 170mA einstellen. 100mA ergeben eine stabile Simmerentladung. Die große 400mH-Luftspule wog mehrere Kilogramm und wurde inzwischen auf einem Ferritkern neu gewickelt. So konnten das Gewicht und das Volumen stark reduziert werden.
+Die bei der Planung gerechneten 400mH wurden bis auf 3% Abweichung genau getroffen.
+===Bedienpanel===
+Das Bedienpanel besteht zur Zeit aus jeder Menge Tastern, 7-Segmentanzeigen und Displays. Über die Taster können alle Funktionen der Baugruppen manuell gesteuert werden, es kann aber auch in den Automatikmodus geschaltet werden. Auf den 7-Segmentaneigen kann man den Simmerstrom, die Ladespannung/Energie und die Pulswiederholrate ablesen bzw. einstellen. Auf den Displays bekommt man Statusrückmeldungen zu den Baugruppen.
+Es ist ein vorläufiges Panel zum Testen des Aufbaus, das später dann "in Ordentlich" gebaut wird, um in den Laser fest eingebaut zu werden.
+==Mechanik==
+[[Bild:Lasercutter Plottermechanik.jpg|thumb|Die Mechanik des Plotters]]
+[[Bild:Laserkopf auf Schlitten.jpg|thumb|Der Laserkopf auf seinem Schlitten.]]
+[[Bild:Lasercutter_Umlenkspiegel_und_Linsenhalter.jpg|thumb|Der Umlenkspiegel und der Linsenhalter mit Druckluftanschluss.]]
+Die Mechanik besteht aus einem modifizierten Roland XY-Plotter. Die Dokumentenauflage wurde ausgeschnitten, um einen Durchlass für den Laserstrahl zu bekommen. Anstatt des Stiftes wurde ein Halter für die Sammellinse gefräst, welche zum Schutz gegen Funkenflug mit Pressluft beaufschlagt werden kann. Der Laserstrahl wird über einen 45°-Spiegel in die Linse geleitet. Der Laserkopf fährt auf der X-Achse mit, dafür mussten die Befestigungen mit 10mm Aluminium verstärkt werden. Die Steuerplatine des Plotters wird in einen 19"-Einschub eingebaut, welcher dann mit der restlichen Steuerung in einem Rack sitzt.
+===Synchronisationeinheit===
+Diese Einheit überwacht die Steuersignale der Schrittmotorsteuerkarte und löst bei Bedarf einen Feuerimpuls aus.
+Dabei wird nach jedem Schuss ein Kreis definiert, bewegt sich der Laserkopf aus diesem Kreis heraus, wird ein neuer Impuls generiert.
+Die erzeugten Feuersignale werden in den Power Controller eingespeist.
+Folgende Einstellungen sind im Moment möglich
+*Scharfschaltung
+*Radius
+*Pulspausen
+*Parametersätze laden und speichern
+*Überwachung der Z-Achse (Auf-Bewegung-->Laser aus, Ab-Bewegung-->Laser an)
+Es fehlt noch:
+*Eintauchfunktion (beim Senken der Z-Achse, mehrere Schüsse auf eine Stelle)
+*Verbindung mit dem Bus
+*Neues Busprotokoll
+==Materialbearbeitung==
+Absorptionskoeffizienten (1-R) verschiedener Metalle
+<br />
+Fe...............0,35<br />
+Al...............0,10<br />
+Cu ..............0,06<br />
+(Quelle: Reinhard Iffländer, Festkörperlaser zur Materialbearbeitung, Springer Verlag)<br />
+<br />
+Wie man sieht, lässt sich Eisen relativ gut und Kupfer relativ schlecht bearbeiten, da die Laserstrahlung recht stark reflektiert wird. Das ganze deckt sich recht gut mit den experimentellen Ergebnissen, die wir bisher gewonnen haben. So ließ sich Eisen besser abtragen als Aluminium und Kupfer.
+==Steuerung==
+Mittlerweile wurde die Steuerung des Roland-Plotters auf Grund von Problemen komplett entfernt. Die originale Steuerung macht zur
+Initialisierung eine schnelle Fahrt quer über den Tisch bis zum Anschlagschalter. Aufgrund des hohen Gewichtes der zu bewegenden
+Komponenten und der extremen Beschleunigung zu Beginn der Kalibrierungsfahrt kommt der Schrittmotorkontroller aus dem Tritt.
+Danach kann die X-Achse nicht mehr sauber verfahren werden. Uns blieb also nichts anderes übrig, als die komplette Steuerung
+des Plotters zu umgehen. Wir setzen daher jetzt direkt an der Leistungsplatine an, die Steuerplatine entfällt.
+Auf der Leistungsplatine sitzen zwei 5-Phasen-Schrittmotor-Steuer-ICs (''IC-Bez. hier''), für jede Achse einer.
+Die 5-phasigen Schrittmotoren werden im Halbschritt per Takt/Richtung angesteuert, so dass eine einfache Steuerung per Parallelport möglich ist.
+Zusammen mit einem Linux-PC mit [http://linuxcnc.org/ EMC] ließen sich die beiden Achsen nach wenigen Stunden Arbeit per PC steuern. Jetzt fehlen noch die Anschlag-Schalter und eine genaue Kalibrierung, um den Plotter vollständig unter Softwarekontrolle zu haben.
+Die nötigen Feuerbefehle werden von der neuen Synchonisationseinheit erzeugt.
-Um nun einen Stromimpuls zu erzeugen benötigen wir einen Thyristor, welcher die Kondensatorbank abtrennt. Durch diesen muss bei jedem Laserpuls der gesamten Pulsstrom fließen.
+Da beim Abfeuern des Lasers Müll in die Ansteuerung der Schrittmotoren eingekoppelt hat, muss jetzt die Optokopplerkarte verwendet werden. Diese wird Lasercutter-seitig mit 5V aus dem Zünd-Sync versorgt und rechnerseitig aus dem PC-Netzteil. Aufgrund des schlechten Signals hinter den Optokopplern wurde eine Karte mit Schmitt Triggern eingebaut, die wieder Rechteck-Signale erzeugen.
-Leider erwies sich das Simmern als alles andere als trivial, aber wir haben bereits erste Erfolge zu verbuchen.
+Pinbelegung Parallelport:
-Der erste Versuch war schon sehr abenteuerlich, die Leerlaufspannung wurde durch einen 230V/400V Trenntrafo mit einer anschließenden Spannungsverdopplung erzeugt und der Strom wude über einen Vorwiderstand begrenzt. Obwohl dieser einfacher Aufbau bereits super funktionierte, war er alles andere als optimal, denn für die 14W Simmerleistung (200V 70mA) wird bestimmt das vierfache in dem Vorwiderstand verheizt.
+{|style="border-collapse: separate; border-spacing: 0; border-width: 1px; border-style: solid; border-color: #000; padding: 0"
+|-
+!style="border-style: solid; border-width: 0 1px 1px 0"| Pin
+!style="border-style: solid; border-width: 0 0 1px 0"| Funktion
+|-
+|style="border-style: solid; border-width: 0 1px 0 0"| 2
+|style="border-style: solid; border-width: 0"| X-Step
+|-
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+|-
+|style="border-style: solid; border-width: 0 1px 0 0"| 4
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+|-
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+|-
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+|-
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+|-
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+|-
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+|style="border-style: solid; border-width: 0"| GND
+|-
+|style="border-style: solid; border-width: 0 1px 0 0"| 25
+|style="border-style: solid; border-width: 0"| GND
+|}
-Der zweite Versucht war ein induktiv strombegrenzter Royer-Wandler (ZVS mit großer Induktivität). Leider ließ sich diese Schaltung nicht dazu überreden seinen Strom weit genug zu senken. So kamen wir immer auf Kurzschlussströme im 200mA Bereich.
+==Verschiedenes==
+Wir möchten uns bei dem Lehrstuhl für Terahertztechnologie und Photonik und dem Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik der Ruhr-Universität-Bochum für die Bereitstellung von Informationen, Material und Werkzeug bedanken. <br />
+Weiterhin bedanken wir uns bei [https://www.fh-muenster.de/photonik/ueber_uns/team.php?p=0,0 Professor Wittrock und seinem Team] des [https://www.fh-muenster.de/iot/index.php Instituts für Optische Technologien] für die Übergabe eines ausgedienten Forschungslasers.<br />
-Der dritte Versuch lehnt sich an ein billiges HeNe-Lasernetzteil an. Denn bei diesen wird die Zündspannung durch eine Kaskade erzeugt und durch die entsprechende Dimensionierung der Kondensatoren wird der Ausgangsstrom begrenzt. Ein schneller Aufbau aus 4 Kondensatoren(20µF MP) und 8 Dioden(2x UF4007 in Reihe) brachte einen Simmerstrom von 230mA. Als nächstes werden wir die Kondensatoren schrittweise verkleinern, bis sich ein entsprechender Strom einstellt.
-==Ergebnisse==
+==Videos==
-* [http://www.youtube.com/watch?v=YVPQpKKhRBw Video: Die ersten Versuche]
+* [http://www.youtube.com/watch?v=YVPQpKKhRBw Die ersten Versuche] <br />Ziele: Papier mit Tonerschicht, Platinen-Basismaterial, verschiedene Bleche und der legendäre tanzende Gleichrichter
-* [http://www.youtube.com/watch?v=taH3HeHNdcw Video: Neues Netzteil und mehr Versuche]
+<youtube>YVPQpKKhRBw</youtube>
+* [http://www.youtube.com/watch?v=taH3HeHNdcw Neues Netzteil und mehr Versuche] <br />Ziele: IC, Vorhängeschloss, Metallprofil ausserhalb des Fokus
+<youtube>taH3HeHNdcw</youtube>
+* [http://www.youtube.com/watch?v=Wn9jNCblTt0 Simmerbetrieb und 20Hz Pulsfrequenz] <br />Ziele: Holz, Bauteile, Tackernadeln, Keramikwiderstand
+<youtube>Wn9jNCblTt0</youtube>
+* [http://www.youtube.com/watch?v=zmoE1VoYCzo EMC2] <br />Die ersten Versuche mit der neuen Steuerung EMC2
+<youtube>zmoE1VoYCzo</youtube>
+* [http://www.youtube.com/watch?v=5EghW5-vFv8 Teil 4: CNC Steuerung] <br /> Der erste erfolgreiche Test von EMC mit Laser und der neuen Synchonisationseinheit
+<youtube>5EghW5-vFv8</youtube>
 ==Links==
-* [http://www.trifolium.de/netzteil/kap10.html Info Resonanzwandler]
+* [http://buildlog.net/forum/viewtopic.php?f=16&t=391&sid=e04058c0c6a67449142186456bcfda16 Ein anderer "Homebuild Lasercutter" von Ryan]
+* [http://linuxcnc.org Maschinensteuerung EMC2]
+* [[Datei:Laborlogo_g-code.rar]] (intern)