CN102193519A - 激光功率控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光功率控制方法及系统。该激光功率控制方法包括如下步骤：步骤一、当前插补周期开始时，更新插补点的位置和加工速度，更新所需的输出激光功率；步骤二、根据激光器输出激光功率与控制信号间定量的函数关系，向激光器发出相应的控制信号；步骤三、引入激光器实际的输出激光功率作为反馈功率，对实际的输出激光功率进行闭环控制；步骤四、根据所述的插补点的位置和加工速度控制机床按给定轨迹运动；步骤五、当前插补周期完成，开始新的插补周期，返回步骤一。本发明还提供了应用该激光功率控制方法的激光功率控制系统。本发明的激光功率控制方法及系统实现了高精度的激光功率控制，实现了激光功率与加工速度的同步控制。

Description

激光功率控制方法及系统

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种激光功率控制方法及系统。

背景技术

激光加工由于具有非接触、工件无变形、切缝质量好、加工速度快、容易与数控技术结合等诸多特点，已广泛地应用于汽车、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门。目前，工业应用中已开发出20多种激光加工技术，包括激光打标、激光雕刻、激光切割、激光焊接等。激光加工中，切缝的深度、宽度、粗糙度等与激光能量密度密切相关。

激光轨迹加工中，材料的加工质量与其单位面积接收的激光能量有关，即与激光能量密度有关。激光能量密度越大，切缝深度就越深、切缝宽度越宽、切缝越粗糙。激光能量密度与输出激光功率以及加工速度有关，如式(1)所示。

$P_{\mathrm{ua}}=\frac{W}{A}=\frac{P_{\mathrm{out}}t}{\mathrm{dFt}+\mathrm{\π}{d}^2/4}=\frac{P_{\mathrm{out}}}{\mathrm{dF}+\mathrm{\π}{d}^2/4t}---\left(1\right)$

式中，P_ua为激光能量密度，W为输出激光能量，A为面积，P_out为输出激光功率，F为加工速度(加工轨迹的速度)，d为光斑直径，t为加工时间。由于d很小(一般0.2-0.5mm)，所以πd²/4t为高阶无穷小量，对计算P_ua影响微弱，故予以省略，从而可得(2)式。

$P_{\mathrm{ua}}=\frac{P_{\mathrm{out}}}{\mathrm{dF}}---\left(2\right)$

由于光斑直径d随激光功率变化微弱，为了保证一致的激光能量密度P_ua，必须根据加工速度F调节输出激光功率P_out的大小。激光器的输出激光功率P_out是可控的，如式(3)所示。

P_out＝g(u)       (3)

式中，u表示控制信号。控制信号u控制激光器发出所需功率的激光。通过调节控制信号u，可以控制输出激光功率P_out，但控制信号u与输出激光功率P_out之间的函数关系g决取于具体的激光器和加工环境。

综合式(2)与式(3)可得，

u＝g^-1(dFP_ua)    (4)

式(4)说明激光功率控制的基本原理为，根据加工速度F变化调节控制信号u，从而保证一致的激光能量密度P_ua，获得均匀一致的切割质量。但是由于输出激光功率P_out除受控制信号u控制外，还受温度等多种因素影响，波动较大，而这种开环控制策略无法补偿输出激光功率P_out的波动，因而影响了控制精度。

因此，为了保证均匀一致的切缝质量，必须实现高精度、高灵敏度的激光功率控制。但是，由于难以建立控制信号与切缝质量间定量的函数关系，实际的工业加工中采用的激光功率控制方法比较粗糙，常需要通过多次试切，确定所需激光功率。因此，无法保证激光能量密度的恒定，难以实现高质量的加工。为了保证恒定的激光能量密度，激光功率控制必须具有高速度与高精度的特点。高精度是指激光器输出功率与所需功率之差在一定的精度范围内；高速度是指输出激光功率紧跟加工速度变化。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种数字化高速度高精度的激光功率控制方法，输出激光功率的精度高并紧跟加工速度变化。

本发明的又一目的在于提供一种实施该数字化高速度高精度的激光功率控制方法的激光功率控制系统。

为实现上述目的，本发明提供一种激光功率控制方法，包括如下步骤：

步骤一、当前插补周期开始时，更新当前插补周期对应的插补点的位置和加工速度，根据给定的激光能量密度更新当前插补周期所需的输出激光功率；

步骤二、当前插补周期开始时，根据激光器输出激光功率与控制信号间定量的函数关系，以所需的输出激光功率作为初始的控制功率向激光器发出相应的控制信号；

步骤三、当前插补周期中，引入激光器实际的输出激光功率作为反馈功率，根据所需的输出激光功率与反馈功率之差调整控制功率，并相应调整控制信号，从而对实际的输出激光功率进行闭环控制；

步骤四、当前插补周期中，根据所述的插补点的位置和加工速度控制机床按给定轨迹运动；

步骤五、当前插补周期完成，开始新的插补周期，返回步骤一。

其中，步骤三中按采样周期与控制周期相互间隔的周期方式进行闭环控制；在采样周期测量反馈功率；在控制周期根据所需的输出激光功率与反馈功率之差调整控制功率，并相应调整控制信号。

其中，所述激光器输出功率与控制信号间定量的函数关系通过对激光器输出激光功率P_out与控制信号u的实验关系曲线u-P_out进行多段线性近似获得，对实验关系曲线u-P_out进行N段线性近似后相应的关系曲线以两个包含N+1个元素的一维数组表示：

$\left\{\begin{array}{c}u[N+1]=\{u_0,u_1,u_2...u_{N+1}\}\\ \mathrm{Pout}[N+1]=\{P_0,P_1,P_2...P_{N+1}\}\end{array}\right.;$

从而建立该激光器的u-P_out定量函数关系：

P_i＝k_iu_i+b_i，

式中，i＝1，2，3，......N，b_i＝-k_iu_i+P_i。

其中，还包括：预先建立多个激光器的输出激光功率与控制信号间定量的函数关系，建立激光器数据库来保存各激光器的输出激光功率与控制信号间定量的函数关系及光斑直径。

本发明还提供一种激光功率控制系统，包括：运动规划单元、位置控制模块、伺服电机、功率控制模块、激光器数据库及激光器，运动规划单元通讯连接位置控制模块，位置控制模块通讯连接伺服电机，功率控制模块分别与运动规划单元、激光器数据库及激光器通讯连接；在每个插补周期内，位置控制模块根据运动规划单元传递的当前插补周期的插补点信息控制伺服电机驱动机床按照给定轨迹运动；在每个插补周期内，运动规划单元向功率控制模块传递当前插补周期的加工速度的信息，激光器数据库向功率控制模块传递控制信号与输出激光功率的函数关系及光斑直径的信息，功率控制模块向激光器传递控制信号以使其输出所需的输出激光功率，激光器将其实际的输出激光功率反馈至功率控制模块以使其调整控制信号，从而对实际的输出激光功率进行闭环控制。

本发明的激光功率控制方法及系统实现了高精度的激光功率控制，同时在每个插补周期内同步更新位置信息和激光功率信息，实现了激光功率与加工速度的同步控制；基于本发明，易于建立激光器数据库，从而可以实现自动控制，方便了用户使用设备和管理工艺数据；本发明采用数字控制算法，从而易于与现有的控制系统集成，能够保证输出激光能量密度的一致性，有利于保证一致的加工质量。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。

附图中，

图1为本发明激光功率控制方法的流程图；

图2为本发明激光功率控制方法中同步控制激光功率与运动的过程示意图；

图3为一二氧化碳激光器的输出激光功率与控制信号的关系曲线；

图4为本发明激光功率控制方法中闭环激光功率控制的原理示意图；

图5为本发明激光功率控制系统的功能结构图。

具体实施方式

如图1所示，其为本发明激光功率控制方法的流程图。该方法包括：

步骤一、当前插补周期开始时，更新当前插补周期对应的插补点的位置和加工速度，根据给定的激光能量密度更新当前插补周期所需的输出激光功率；

步骤二、当前插补周期开始时，根据激光器输出激光功率与控制信号间定量的函数关系，以所需的输出激光功率作为初始的控制功率向激光器发出相应的控制信号；

步骤三、当前插补周期中，引入激光器实际的输出激光功率作为反馈功率，根据所需的输出激光功率与反馈功率之差调整控制功率，并相应调整控制信号，从而对实际的输出激光功率进行闭环控制；

步骤四、当前插补周期中，根据所述的插补点的位置和加工速度控制机床按给定轨迹运动；

步骤五、当前插补周期完成，开始新的插补周期，返回步骤一。

由背景技术中式(2)可知，要保持激光能量密度的一致性，除了需要控制输出激光功率P_out的精度，同时还需要控制激光功率输出的速度，也就是需要控制加工速度F，即需要保证输出激光功率P_out与加工速度F同步变化。

在激光轨迹加工过程中，由伺服电机所驱动的机床不可能严格地按照所要求加工的轨迹曲线运动，只能用折线轨迹逼近所要加工的轨迹曲线。数控系统利用插补算法计算插补点的位置，生成插补点，从而将连续的轨迹曲线分解成离散的点，插补点的间距可以通过插补速度(加工速度)和插补周期进行调节。每一个插补周期执行一次插补运算，计算出下一个插补点的坐标，从而计算出下一个插补周期各个坐标的进给量。将离散的插补点送入数控系统的位置控制模块即可通过伺服电机控制机床生成运动轨迹。

因此，本发明激光功率控制方法采用步骤一，通过在每个插补周期同步更新激光输出功率P_out与插补位置P以实现激光功率与运动的精确同步控制，由式(2)可知，通过更新加工速度F即可更新P_out。

如图2所示，其为本发明激光功率控制方法中同步控制激光功率与运动的过程示意图。在周期性(插补周期)的激光功率控制与插补计算之前进行速度规划，以确定加工轨迹的速度函数，得到F＝f(t)，F为加工速度，t为加工时间，函数关系f可根据轨迹信息、速度信息、状态信息等信息由工作人员在进行激光轨迹加工前事先确定，根据f计算各插补点的加工速度F。

下一个插补点处的加工速度可由F_i+1＝f(t_i+1)计算得到，其中i表示当前插补周期，i+1表示下一个插补周期，t_i+1为累计插补时间，t_i+1＝t_i+Ts，Ts为插补周期。根据加工速度F_i+1和轨迹信息可以确定插补点位置函数，即P_i+1＝p(F_i+1)，可计算出下一插补点的位置P_i+1(X_i+1，Y_i+1，Z_i+1)，该位置送至位置控制模块，得到各个方向的给进量u_x、u_y、u_z，从而控制伺服电机驱动机床按给定轨迹运动，本发明激光功率控制方法的步骤四得以执行。

同时，更新加工速度F_i+1，根据式(4)进行功率控制，也就是执行本发明激光功率控制方法的步骤二、三，通过相应的控制信号u控制激光器发出所需功率的激光。通过步骤一，由于在每个插补周期，插补位置和激光功率都进行了更新，使得激光功率跟随加工速度同步变化，从而实现了激光功率与运动的精确同步控制。

下面来说明本发明激光功率控制方法的步骤二、三。由背景技术中式(4)可知，要实现激光功率控制，首先必须确定输出激光功率P_out与控制信号u的函数关系g。如图3所示，其为一二氧化碳激光器的输出激光功率与控制信号的关系曲线，以其为例加以说明。输出激光功率P_out(单位为W，瓦)与控制信号u(单位为V，伏特)间是非线性的递增关系，但由于输出激光功率P_out受温度等多种因素的影响，所以难以通过理论推导的方法确定控制信号u与输出激光功率P_out的函数关系g，但是，对于确定的激光器，可以通过实验获得类似于图3所示的输出激光功率P_out随控制信号u变化的特性曲线。

为了进行激光功率控制，对图3的u-P_out实验曲线进行分段线性化。对u-P_out曲线进行N段线性近似后，相应的特性曲线可由两个包含N+1个元素的一维数组表示，如式(5)所示。

$\left\{\begin{array}{c}u[N+1]=\{u_0,u_1,u_2...u_{N+1}\}\\ \mathrm{Pout}[N+1]=\{P_0,P_1,P_2...P_{N+1}\}\end{array}\right.---\left(5\right)$

这样就可以建立u-P_out定量函数关系，如式(6)所示。

P_i＝k_iu_i+b_i              (6)

式中，i＝1，2，3，......N，

b_i＝-k_iu_i+P_i

利用式(6)的反函数可以在已知输出激光功率P_i的条件下求得其所需的控制信号u_i，如式(7)所示。

$u_i=\frac{1}{k_i}{P}_i-\frac{1}{k_i}{b}_i---\left(7\right)$

如果对多个激光器的特性曲线作上述处理，就可以建立激光器数据库，用于保存各激光器的光斑直径d、u-P_out定量函数关系等数据，以方便使用和管理工艺数据。

利用式(7)，结合闭环控制原理，可以实现闭环激光功率控制。如图4所示，其为本发明激光功率控制方法中闭环激光功率控制的原理示意图。根据式(2)，通过给定的激光能量密度P_ua、运动规划单元给出的加工速度F与激光器数据库给出的光斑直径d确定所需的输出激光功率P_out。为了补偿u-P_out曲线线性近似所引入的误差，对激光功率进行闭环控制，闭环控制算法如式(8)所示。其中，P_f为从激光器引入的反馈功率的信号，可通过激光器实际工作电压U、电流I乘以系数来计算。在采样周期k进行采样得到P_f，若反馈功率P_f小于所需的输出激光功率P_out，则在接下来的控制周期k+1，增大控制功率P_k+1，从而增大输出激光功率。反之，若P_f大于P_out则在下一控制周期减小P_k+1；当前插补周期开始时，以所需的输出激光功率P_out作为初始的控制功率向激光器发出相应的控制信号，即P₀＝P_out。

$\left\{\begin{array}{c}{P}_0=P_{\mathrm{out}}\\ P_{K+1}=P_K+(P_{\mathrm{out}}-P_f)\end{array}\right.---\left(8\right)$

由激光器编号与激光器数据库，可以确定激光器控制信号与输出激光功率间的函数关系g，从而可以计算出激光功率P_k所对应的控制信号u_k以控制激光器发出所需功率的激光。

本发明激光功率控制方法采用分段线性近似的方法建立了控制信号与输出功率间的定量的函数关系，并以此为基础结合负反馈控制原理实现了闭环激光功率控制，从而实现了激光功率的精确控制。

随着当前插补周期进行，最终机床运动到当前插补点，当前插补周期结束，此时执行本发明激光功率控制方法的步骤五，开始新的插补周期，返回步骤一循环执行，实现整个激光轨迹加工过程的功率控制。

如图5所示，本发明还提供了应用本发明激光功率控制方法的激光功率控制系统。该激光功率控制系统包括：运动规划单元1、位置控制模块2、伺服电机3、功率控制模块4、激光器数据库5及激光器6，运动规划单元1通讯连接位置控制模块2，位置控制模块2通讯连接伺服电机3，功率控制模块4分别与运动规划单元1、激光器数据库5及激光器6通讯连接；在每个插补周期内，位置控制模块2根据运动规划单元1传递的当前插补周期的插补点信息控制伺服电机3驱动机床按照给定轨迹运动；在每个插补周期内，运动规划单元1向功率控制模块4传递当前插补周期的加工速度的信息，激光器数据库5向功率控制模块4传递控制信号与输出激光功率的函数关系及光斑直径的信息，功率控制模块4向激光器6传递控制信号以使其输出所需的输出激光功率，激光器6将其实际的输出激光功率反馈至功率控制模块4以使其调整控制信号，从而对实际的输出激光功率进行闭环控制。具体工作过程可参考本发明激光功率控制方法的说明。

本发明的激光功率控制方法及系统采用理论分析与实验相结合的方法，通过建立激光器输出激光功率与控制信号间的函数关系，结合负反馈控制原理，实现了高精度的激光功率控制；同时在每个插补周期内同步更新位置信息和激光功率信息，实现了激光功率与加工速度的同步控制，即实现了激光功率的快速控制；基于本发明，易于建立激光器数据库，从而可以实现自动控制，方便了用户使用设备和管理工艺数据；本发明中的闭环功率控制、激光功率与运动的精确的同步控制均采用数字控制算法，从而易于与现有的控制系统集成，能够保证输出激光能量密度的一致性，有利于保证一致的加工质量。

以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明后附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种激光功率控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、当前插补周期开始时，更新当前插补周期对应的插补点的位置和加工速度，根据给定的激光能量密度更新当前插补周期所需的输出激光功率；

步骤二、当前插补周期开始时，根据激光器输出激光功率与控制信号间定量的函数关系，以所需的输出激光功率作为初始的控制功率向激光器发出相应的控制信号；

步骤三、当前插补周期中，引入激光器实际的输出激光功率作为反馈功率，根据所需的输出激光功率与反馈功率之差调整控制功率，并相应调整控制信号，从而对实际的输出激光功率进行闭环控制；

步骤四、当前插补周期中，根据所述的插补点的位置和加工速度控制机床按给定轨迹运动；

步骤五、当前插补周期完成，开始新的插补周期，返回步骤一。

2.如权利要求1所述的激光功率控制方法，其特征在于，步骤三中按采样周期与控制周期相互间隔的周期方式进行闭环控制；在采样周期测量反馈功率；在控制周期根据所需的输出激光功率与反馈功率之差调整控制功率，并相应调整控制信号。

3.如权利要求1或2所述的激光功率控制方法，其特征在于，所述激光器输出功率与控制信号间定量的函数关系通过对激光器输出激光功率P_out与控制信号u的实验关系曲线u-P_out进行多段线性近似获得，对实验关系曲线u-P_out进行N段线性近似后相应的关系曲线以两个包含N+1个元素的一维数组表示：

$\left\{\begin{array}{c}u[N+1]=\{u_0,u_1,u_2...u_{N+1}\}\\ \mathrm{Pout}[N+1]=\{P_0,P_1,P_2...P_{N+1}\}\end{array}\right.;$

从而建立该激光器的u-P_out定量函数关系：

P_i＝k_iu_i+b_i，

式中，i＝1，2，3，......N，

b_i＝-k_iu_i+P_i。

4.如权利要求1所述的激光功率控制方法，其特征在于，还包括：预先建立多个激光器的输出激光功率与控制信号间定量的函数关系，建立激光器数据库来保存各激光器的输出激光功率与控制信号间定量的函数关系及光斑直径。

5.一种激光功率控制系统，其特征在于，包括：运动规划单元、位置控制模块、伺服电机、功率控制模块、激光器数据库及激光器，运动规划单元通讯连接位置控制模块，位置控制模块通讯连接伺服电机，功率控制模块分别与运动规划单元、激光器数据库及激光器通讯连接；在每个插补周期内，位置控制模块根据运动规划单元传递的当前插补周期的插补点信息控制伺服电机驱动机床按照给定轨迹运动；在每个插补周期内，运动规划单元向功率控制模块传递当前插补周期的加工速度的信息，激光器数据库向功率控制模块传递控制信号与输出激光功率的函数关系及光斑直径的信息，功率控制模块向激光器传递控制信号以使其输出所需的输出激光功率，激光器将其实际的输出激光功率反馈至功率控制模块以使其调整控制信号，从而对实际的输出激光功率进行闭环控制。

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