CN101342636B - 激光加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光加工系统，包括：用于承载加工对象的运动平台，所述的运动平台具有分段连续加工模式；用于产生激光的激光光源；用于调整激光光源输出的激光并将其照射在加工对象上的调整光路；用于接收运动平台的至少运动速度反馈数值及位置反馈数值后，通过调整该加工段上的激光光源输出的激光的峰值功率P_n、调制频率f_n、脉宽w_n中的至少一项，以使得，本系统沿着任意加工路径加工时，照射在加工对象上的激光在沿着加工路径的单位长度上和在单位时间内具有分段一致的平均功率P_n的控制器。本系统的采用能够使得加工对象沿加工路径的方向上的热效应差异最大限度地降低而得到接近一致的加工质量。

Description

激光加工系统

技术领域

本发明涉及一种激光加工系统，该系统可以是各种基于激光的加工形式，更具体来说，本发明是对激光加工系统的控制结构及控制方式的改进。

背景技术

激光光源输出的激光，通过调整光路后以高精度照射夹持在运动平台上的加工对象的预定位置，从而完成焊接、切割、雕刻、打标、毛化、溶覆等各种激光加工工艺。在加工的过程中，当执行直线段的加工时，加工对象通常相对于调整光路有一个加速的起动过程、匀速直线运动过程、一个减速的停止过程；当执行圆弧段的加工时，加工对象也会有加速、减速过程；并且一个加工对象的各个部分可能还会存在厚度不相同或者材料不相同的情况。现有的激光加工系统，激光光源在整个加工过程中输出的激光具有恒定的功率，则当加工对象的运动速度发生变化时或者当加工对象的厚度等材料属性不同时，会造成各段热效应不等并直接导致加工质量不同，某些部分由于受热过多而灼伤、某些部分过冷而加工不足等。虽然可以通过手动调整激光光源的功率的方法来改善上述情况，目前还没有一种激光加工系统能够实时根据加工对象的运动状态做出调整、使得加工对象获得均匀一致的激光功率；更没有一种激光加工系统能够实时根据加工对象的运动状态及材料属性做出调整、使得加工对象在不同的属性段获得与之相应且均匀一致的激光功率，使加工对象沿加工路径方向上的热效应差异最大限度地降低。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术的不足而提供一种激光加工系统，该系统能够根据加工情况进行调整，从而使得沿着加工对象的加工路径能够获得均一的加工质量。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种激光加工系统，包括：

用于承载加工对象的运动平台，所述的运动平台具有连续加工模式；

用于产生激光的激光光源；

用于调整激光光源输出的激光并将其照射在加工对象上的调整光路；

用于接收运动平台的至少运动速度反馈数值后，通过调整激光光源输出的激光的峰值功率P、调制频率f、脉宽w中的至少一项，以使得，本系统沿着任意加工路径加工时，照射在加工对象上的激光在沿着加工路径的单位长度上和在单位时间内具有一致的平均功率P的控制器；

其中，P＝P·w·f且(w＜1/f)。

为达到上述目的，本发明采用的又一种技术方案是：一种激光加工系统，包括：

用于承载加工对象的运动平台，所述的运动平台具有分段连续加工模式；

用于产生激光的激光光源；

用于调整激光光源输出的激光并将其照射在加工对象上的调整光路；

用于接收运动平台的至少运动速度反馈数值及位置反馈数值后，通过调整该加工段上的激光光源输出的激光的峰值功率P_n、调制频率f_n、脉宽w_n中的至少一项，以使得，本系统沿着任意加工路径加工时，照射在加工对象上的激光在沿着加工路径的单位长度上和在单位时间内具有分段一致的平均功率P_n的控制器；

其中，P_n＝P_n·w_n·f_n且(w_n＜1/f_n)。

由于上述技术方案运用，本发明所获得的一种激光加工系统能够实时根据加工对象的相对运动状态，以及材料属性，做出调整、使得加工对象在不同的属性段获得与之相应且均匀一致的激光功率，使加工对象沿加工路径的方向上的热效应差异最大限度地降低而得到接近一致的加工质量。

附图说明

图1为本发明的原理图；

其中，1、运动平台，2、加工对象，3、控制器，4、激光光源，5、调整光路。

具体实施方式

实施例1

一种激光加工系统，用于加工沿着加工路径具有连续属性的加工对象2，该系统包括：

用于承载加工对象2的运动平台1，所述的运动平台1具有连续加工模式；

用于产生激光的激光光源4；

用于调整激光光源4输出的激光并将其照射在加工对象2上的调整光路5；

用于实时接收运动平台1的至少运动速度V反馈数值后，通过调整激光光源4输出的激光的峰值功率P、脉宽w、调制频率f中的至少一项，以使得，本系统沿着任意加工路径加工时，照射在加工对象2上的激光在沿着加工路径的单位长度上和在单位时间内具有一致的平均功率P的控制器3。

采用上述结构的激光加工系统，当运动平台1出现加速、减速的状态时，控制器3能够对平均功率P做出实时的调整，以使得当运动平台1的运动速度V变化时，平均功率P随之同趋势变化，则能够确保每处的加工质量均一。

现有的激光加工系统的运动平台1，为了确保加工对象2的精确定位与准确运动，运动平台1具有位置反馈、运动速度反馈、运动加速度反馈等反馈环节，以实现对加工对象2的更好控制。其中运动速度反馈是运动平台1的基本要求，可以采用光尺来检测运动平台1的运动速度。本控制器所接收的运动平台1的运动速度V反馈数值是从运动平台1的运动速度反馈中读取的。

由于存在如下关系式P＝P·w·f且(w＜1/f)，则控制器3可以通过调整峰值功率P、脉宽w、调制频率f中的任意一项、任意两项的组合、三项的组合来达到调整平均功率P的目的，优选调整其中的任意一项的方式。

实施例2

一种激光加工系统，用于加工沿着加工路径具有分段连续属性的加工对象2，该系统包括：用于承载加工对象2的运动平台1，所述的运动平台1具有根据加工对象2的属性而分段连续加工的加工模式；

用于产生激光的激光光源4；

用于调整激光光源4输出的激光并将其照射在加工对象2上的调整光路5；

用于实时接收运动平台1的至少运动速度V反馈数值及位置反馈数值后，通过调整该加工段上的激光光源4输出的激光的峰值功率P_n、调制频率f_n、脉宽w_n中的至少一项，以使得，本系统沿着任意加工路径加工时，照射在加工对象2上的激光在沿着加工路径的单位长度上和在单位时间内具有分段一致的平均功率P_n的控制器3。

采用上述结构的激光加工系统，主要用于加工沿着加工路径厚度不一致或者材料不相同的加工对象2。此时运动平台1会根据加工对象2的实际情况自动设定加工流程，或者由操作工手动编排加工流程，对于不同段的加工对象2采用不同加工速度、设置不同峰值功率。作为本发明来说，控制器3需要结合运动平台1的加工流程来做出适当调整，运动平台1根据加工对象2不同段的特点做出不同的加工流程设置，加工对象2的不同段之间的信息通过运动平台1的位置反馈信息来表达，该位置反馈信息也被控制器3读取，从而使得控制器3能够与运动平台1同步调整，使得加工对象2获得分段均匀的加工质量。

由于存在如下关系式：P_n＝P_n·w_n·f_n且(w_n＜1/f_n)，控制器3依据速度及材料属性分段调整算法如下：

1.在调制频率f_n和脉宽w_n不变的情况下，控制器3实时输出激光光源4的瞬时峰值功率控制量 $P_n={\mathrm{\σ}}_n^1\·V\·P_{\max n}/V_{\max n};$

2.在峰值功率P_n和脉宽w_n不变的情况下，控制器3实时输出激光光源4的瞬时调制频率控制量 $f_n={\mathrm{\σ}}_n^2\·V\·f_{\max n}/V_{\max n}$ (w_n＜1/f_max n且w_n＜1/f_n)；

3.在峰值功率P_n和调制频率f_n不变的情况下，控制器3实时输出激光光源4的瞬时脉宽控制量 $w_n={\mathrm{\σ}}_n^3\·V\·w_{\max n}/V_{\max n}$ (f_n＜1/w_max n且f_n＜1/w_n)；

4.在峰值功率P _n不变的情况下，控制器3实时计算或查表找到相应的调制频率和脉宽控制量去控制激光光源4，并使得 $w_n\·f_n={\mathrm{\σ}}_n^4\·V\·w_{\max n}\·f_{\max n}/V_{\max n};$

5.控制器3实时计算或查表找到相应的工作峰值功率、调制频率和脉宽控制量去控制激光光源4，并使得 ${P_n\·w}_n\·f_n={\mathrm{\σ}}_n^5\·V\·P_{\max n}\·w_{\max n}\·f_{\max n}/V_{\max n}.$

其中，n——当前所在的加工段(可依据嵌入加工指令或当前运动平台1的位置判断得到)；

P_max n——激光光源4输出的激光的第n段的最大峰值功率，P_n——激光光源4输出的激光的第n段的实时峰值功率；

σ_n ⁱ——第n段加工工艺常数(可依据各种加工工艺或材料属性来设置)，i表示上述5种控制方式；

V——当前运动平台1的实时速度；

V_max n——运动平台1第n段加工最大速度；

f_max n——激光光源4输出的激光的第n段的最大调制频率，f_n——激光光源4输出的激光的第n段的实时调制频率；

w_max n——激光光源4输出的激光的第n段的最大调制脉宽，w_n——激光光源4输出的激光的第n段的实时脉宽。

实施例3

如实施例1所述的激光加工系统，控制器3还获取运动平台1的加速度A反馈数值。则当运动平台1出现加速、减速的状态时，控制器3能够对平均功率P做出实时的调整，则控制器3能够实时做出反应，减少了延时。

实施例4

如实施例2所述的激光加工系统，控制器3还获取运动平台1的加速度A反馈数值。则当运动平台1出现加速、减速的状态时，控制器3能够对平均功率P做出实时的调整，则控制器3能够实时做出反应，减少了延时。

控制器3在输出控制量时，需要加入加速度参数A的影响。因此控制器3依据速度、加速度及材料属性分段调整算法如下：

1.在调制频率f_n和脉宽w_n不变的情况下，控制器3实时输出激光光源4的瞬时峰值功率控制量 $P_n={\mathrm{\σ}}_n^1\·(V/V_{\max n})\·(1-|A/A_{\max n}\left|\right)\·P_{\max n};$

2.在峰值功率P_n和脉宽w_n不变的情况下，控制器3实时输出激光光源4的瞬时调制频率控制量 $f_n={\mathrm{\σ}}_n^2\·(V/V_{\max n})\·(1-|A/A_{\max n}\left|\right)\·f_{\max n}$ (w_n＜1/f_max n且w_n＜1/f_n)；

3.在峰值功率P_n和调制频率f_n不变的情况下，控制器3实时输出激光光源4的瞬时脉宽控制量 $w_n={\mathrm{\σ}}_n^3\·(V/V_{\max n})\·(1-|A/A_{\max n}\left|\right)\·w_{\max n}$ (f_n＜1/w_max n且f_n＜1/w_n)；

4.在峰值功率P_n不变的情况下，控制器3实时计算或查表找到相应的调制频率和脉宽控制量去控制激光光源4，并使得

$w_n\·f_n={\mathrm{\σ}}_n^4\·(V/V_{\max n})\·(1-|A/A_{\max n}\left|\right)\·w_{\max n}\·f_{\max n};$

5.控制器3实时计算或查表找到相应的工作峰值功率、调制频率和脉宽控制量去控制激光光源4，并使得

$P_n\·w_n\·f_n={\mathrm{\σ}}_n^5\·(V/V_{\max n})\·(1-|A/A_{\max n}\left|\right)\·P_{\max n}\·w_{\max n}\·f_{\max n}.$

其中，A_max n——运动平台1第n段加工最大加速度；A——当前运动平台1的实时加速度；其它符号同实施例2。

实施例5

如实施例1、2、3、4中所述的激光加工系统，激光光源4可能不具备峰值功率调整单元，例如在某些场合中，激光光源4具有工作电压U调整单元，以实现对其输出的激光的峰值功率的调整；某些场合中，激光光源4具有工作电流I调整单元，以实现对其输出的激光的峰值功率的调整。通过改变工作电压U或者工作电流I来实现对峰值功率的调整也是能够被接受的。

实施例6

如实施例1、2、3、4中所述的激光加工系统，激光光源4自身可能不具备脉宽调制功能及频率调制功能，而是通过外设的脉宽调制器及频率调制器来实现输出激光的脉宽调制及频率调制，通过调整外设的脉宽调制器及频率调制器来调整激光光源4的输出激光的脉宽及调制频率也是能够被接受的。

以上实施例是用来对权利要求进行解释，并非用于对权利要求的限定，本发明的保护范围应当以权利要求为准。

Claims (4)

1.一种激光加工系统，包括：

用于承载加工对象的运动平台，所述的运动平台具有连续加工模式；

用于产生激光的激光光源；

用于调整激光光源输出的激光并将其照射在加工对象上的调整光路；

其特征在于：该激光加工系统还包括用于接收运动平台的至少运动速度反馈数值后，通过调整激光光源输出的激光的峰值功率P、调制频率f、脉宽w中的至少一项，以使得，本系统沿着任意加工路径加工时，照射在加工对象上的激光在沿着加工路径的单位长度上和在单位时间内具有一致的平均功率

的控制器；

其中，

且(w＜1/f)。

2.根据权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于：所述的控制器接收运动平台的实时反馈数据。

3.根据权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于：所述的控制器实时调整峰值功率P、调制频率f、脉宽w中的任意一项。

4.一种激光加工系统，包括：

用于承载加工对象的运动平台，所述的运动平台具有分段连续加工模式；

用于产生激光的激光光源；

用于调整激光光源输出的激光并将其照射在加工对象上的调整光路；

其特征在于：该激光加工系统还包括用于接收运动平台的至少运动速度反馈数值及位置反馈数值后，通过调整该加工段上的激光光源输出的激光的峰值功率P_n、调制频率f_n、脉宽w_n中的至少一项，以使得，本系统沿着任意加工路径加工时，照射在加工对象上的激光在沿着加工路径的单位长度上和在单位时间内具有分段一致的平均功率的控制器；

其中，

且(w_n＜1/f_n)。

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