Development of a motion control system for processing with ultra-high speed laser

Abstract

The main goal of this thesis work was to develop a control system for a laser processing system to perform various scribing and marking tasks. This system includes the motion control of a multi-axial platform for the workpiece and a separate vertical axis for the laser scan head, the control of the scan head to perform scribing tasks and the control and communication with the laser source to set the various parameters. The program was implemented in National Instruments LabVIEW development environment. Before the development of the program, a suitable multi-axial linear motor system for the movement of the workpiece and a servo motor for the vertical movement of the scan head had to be researched and acquired.

First, the interfaces to communicate to the different devices were implemented. The servo drives are communicated via EtherCAT fieldbus, the laser via serial port and the scan head with a special RTC4 card. Then, the program was developed so that the system is automated and the different parts work together in synchronization to perform the desired scribing tasks, such as CIGS solar cells scribing.

In the end, a program was developed which combines the communication of all of the components into one program, increases the automation level of the system and makes all the components work in synchronization with each other to allow scribing and marking.

Tämän työn tavoitteena oli lasertyöstöjärjestelmän automatisointi sekä liikkeenohjausjärjestelmän kehittäminen. Ohjelman kehitykseen kuului käyttöliittymien ja tiedonsiirtorajapintojen ohjelmointi järjestelmän eri osille sekä niiden yhteistoiminnan mahdollistaminen niin että ohjelmalla voidaan tehdä laserkaiverruksia käyttäen lineaari- ja servomoottoreita sekä laserskanneria. Ohjelma toteutettiin National Instrumentsin LabVIEW -kehitysympäristössä. Osana työtä ennen ohjelman kehittämistä oli myös työkappaleen liikuttamiseen soveltuvan lineaarimoottorijärjestelmän sekä vertikaaliselle liikkeelle soveltuvan servomoottorin selvittäminen sekä asentaminen.

Ensin ohjelmaan kehitettiin tiedonsiirto sekä ohjaus kaikille järjestelmän eri osille. Servokäyttöihin kommunikointi tapahtuu EtherCAT -kenttäväylän kautta, laserille sarjaportin kautta sekä laserskanneriin RTC4 -sovitinkortin kautta. Tämän jälkeen ohjelmaan kehitettiin automaatiota niin, että eri osat toimivat synkronoidusti yhdessä mahdollistaen eri tyyppisten laserkaiverrusten tekemisen muun muassa CIGS-aurinkokennoja varten.

Työn lopputuloksena saatiin ohjelma, joka yhdistää kaikki järjestelmän osat toisiinsa ja mahdollistaa automatisoitujen laserkaiverrusten toteuttamisen järjestelmän avulla sekä kasvattaa käytössä olevaa työskentelyaluetta laserskannerin alueesta lineaarimoottorin liikealueen kokoiseksi.