CN103056518A - 一种激光器异路传输激光的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种激光器异路传输激光的控制系统及方法，通过设置第一固定全反射镜、第二固定全反射镜及活动全反射镜，经该活动全反射镜改变激光器输出的激光的光路，激光器输出的激光经第二固定全反射镜反射后，当活动全反射镜处于下面，反射激光经第一固定全反射镜反射后，经第一光路输出；当活动全反射镜处于上面，反射激光经活动全反射镜反射后，经第二光路输出，从而实现激光的异路传输。本发明解决了现有能量分光技术无法实现高功率多光路输出的问题，结合分时分光技术优点，在能保证高功率前提下满足多光路输出；能够根据实际生产状况，进行有针对性的设计，因而提高了工作效率和性价比、改善了加工工艺，节省了大量的经费。

Description

一种激光器异路传输激光的控制系统及方法

技术领域

本发明属于激光器技术，特别是对激光器输出系统的改进。本发明使用微处理器对激光器激光束进行实时控制，实现激光器便捷，准确，安全地达到单光路变多光路的目的。主要用于满足目前国内外对于多光路激光加工低成本、高效率的需求及改善加工工艺。

背景技术

目前, 激光加工技术从单工作台单工件加工向多工作台多工件加工发展。现有的激光加工设备基本都是单光路传输系统，对于加工不同形状、不同尺寸的工件时，需要多次装夹及调试，耗时、耗力、效率低下。激光器多光路输出技术的出现满足了激光器对多光路的需求，提高了激光器工作效率，节约资源。

中国发明专利申请公开说明书CN102380712A公开了一种多级等能量分光系统，该系统包括激光头、扩束系统、全反系统、分光系统及光阑，激光通过不同透射率的透射镜而被分光，再经过全反射镜的反射使每一路激光在不同输出端输出。这种分光技术属于能量分光，虽然能实现分光，但不可避免的削弱了各个光路的功率，在需要较大功率需求的场合，则不能达到生产要求。同时，各光路只能同时输出，不能实现个别光路单独输出，使系统缺乏灵活性。

在2010年出版的《中国新技术新产品》第14期杂志中“一种多光路激光光源设备的结构设计”，一文曾公开了一种多光路激光光源设备，但是此设备在我国仍处于研究实验阶段，虽然从理论上可以解决多光路问题，但是由此牵引出更多亟待解决的问题。该装置对于散热，电磁屏蔽有较高要求，受环境影响大，而装置本身需要较精密的零件，成本高，离投入工业生产还有一定距离。

中国发明专利申请公开说明书CN 201355403Y公开了激光器的三光路分布装置，该装置使用三个激光器并都分别经过反射扩束镜座扩束反射，反射镜座反射，最后进入发射聚焦系统输出。合理地布置光路后，实现了三条光路同时或者单独工作。但是这种多光路装置需要多个激光器作为光源，相当于多台设备的简单相加，没有实质性的改进，而且这样的多光路设计成本高，能耗大。

以上所述技术并没有真正简单、方便、低成本、低耗能地在一个激光器的基础上，实现多光路输出。为克服以上分光技术的不足，现有一种分时分光技术。该分时分光技术能够满足高功率输出要求，但此技术在国内还不成熟，且未见报道。具体的设备控制系统更是空缺。

发明内容

本发明的目的在于克服现有激光器分光装置的不足，即克服能量分光技术无法满足高功率输出的不足，结合分时分光技术优点的基础上，提出一种激光器异路传输激光的方法及系统，实现把原来的单光路输出系统变成多光路输出系统，并通过实时控制，使其在保证一定功率下，便捷、准确地把光束切换至不同输出端输出。

为达上述目的，本发明提供了一种激光器异路传输激光的控制方法，通过设置至少第一固定全反射镜、第二固定全反射镜及设置在该第一固定全反射镜、第二固定全反射镜之间的活动全反射镜；激光器输出的激光经第二固定全反射镜反射后，当活动全反射镜处于下面，反射激光经第一固定全反射镜反射后，经第一光路输出；当活动全反射镜处于上面，反射激光经活动全反射镜反射后，经第二光路输出，从而实现激光的异路传输。

一种激光器异路传输激光的系统，包括第一固定全反射镜、第二固定全反射镜及设置在该第一固定全反射镜、第二固定全反射镜之间的、用以改变经该第二固定全反射镜反射的激光器出射的激光的光路的活动全反射镜。

上述激光器异路传输激光的系统，还包括分别设置在所述第一固定全反射镜的反射光路上的第一光纤耦合头、第二光纤耦合头、第一光纤和第二光纤；所述第一光纤耦合头的输出端连接所述第一光纤；所述第二光纤耦合头的输出端连接所述第二光纤。

上述激光器异路传输激光的系统，还包括用以改变所述活动全反射镜的位置的激光器分时控制装置，该激光器分时控制装置包括底座、固定所述活动全反射镜的全反镜框、挡光片、控制电路板、旋转部件、机械臂和导轨；所述旋转部件安装在所述底座上、且置于该底座的右上端，所述导轨设置在该底座的左侧并沿纵向延伸；所述全反镜框包括竖向部和设置在该竖向部下端的横向部，该竖向部设置在所述导轨中并能沿该导轨滑行，该横向部的右侧设置有用于安装所述挡光片的横条，该挡光片垂直设置在该横条的右端部；所述活动全反射镜设置在所述横向部的左端部；所述控制电路板设置在所述底座的右侧下端处，其左侧面上自上而下设置有第一槽型光开关和第二槽型光开关，该第一槽型光开关和第二槽型光开关的凹槽与所述挡光片正对，且该凹槽的两个侧壁延伸至该挡光片的前、后两侧面，以确保当该挡光片插入该凹槽中时能隔断该凹槽的两个侧壁之间的光路；所述机械臂设置在所述底座的前面板上，其右端与所述旋转部件连接，以确保该旋转部件能够带动该机械臂转动，该机械臂的左端与所述竖向部的上端活动联接，以确保能带动所述全反镜框沿所述导轨上下滑动。

上述激光器异路传输激光的系统，还包括设置在所述控制电路板上的电路控制系统，该电路控制系统包括第一按键检测模块、第二按键检测模块，第一光开关信号反馈模块、第二光开关信号反馈模块，单片机系统、旋转部件控制模块、第一出光模块和第二出光模块；所述第一按键检测模块与单片机系统的P11口连接，第二按键检测模块与单片机系统的P10口连接；第一光开关信号反馈模块与单片机系统的P13口连接，第二光开关信号反馈模块与单片机系统的P12口连接；旋转部件控制模块与单片机系统的P27口连接；第一出光模块与单片机系统的P26口连接，第二出光模块与单片机系统的P25口连接。

上述激光器异路传输激光的系统，还包括设置在所述控制电路板上的电路工作系统，该电路工作系统包括所述旋转部件驱动模块、第一光开关检测模块、第二光开关检测模块；所述旋转部件驱动模块与旋转部件控制模块的PIN4相连接，所述第一光开关检测模块的CN1-5脚与第一光开关信号反馈模块的PIN6连接，第二光开关检测模块的CN1-6脚与第二光开关信号反馈模块的PIN5脚连接。

上述旋转部件是30度旋转磁铁，所述挡光片是铁片，所述第一固定全反射镜、第二固定全反射镜均是45度全反射镜。

上述导轨的下端设置有用以阻挡所述全反镜框向下继续滑动的挡块。

上述机械臂通过销轴与所述竖向部的上端联接。

上述机械臂的右端设置有配重块。

本发明的优点是：能满足对激光器多光路的要求，使其能够进行多光束多工位加工，大大提高了工作效率和性价比、改善了加工工艺，以及节省了大量的经费。另一方面本控制系统的移植性强，能够根据工厂实际和产品生产状况, 进行有针对性的设计，有显著经济效益和社会效益。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。

图1是激光器异路传输激光的控制系统的输出布局图。

图2是激光器分时控制装置示意图。

图3是电路控制系统的原理图。

图4是电路工作系统的原理图。

图5是激光器异路传输激光的控制系统实现激光器异路传输的过程示意图。

图中：1. 激光器，2. 激光器分时控制装置，3. 第一光纤耦合头，4. 第二光纤耦合头，5. 第一固定全反射镜，6. 第一光纤，7. 第二光纤，8. 第二固定全反射镜，9. 活动全反射镜，10. 全反镜框，11. 底座，12. 导轨，13. 旋转部件，14. 机械臂，15. 第一槽型光开关，16. 控制电路板，17. 第二槽型光开关，18. 挡光片，19. 第一光开关信号反馈模块，20. 第二光开关信号反馈模块，21. 第一按键检测模块，22. 第二按键检测模块，23. 单片机系统，24. 旋转部件控制模块，25. 第一出光模块，26. 第二出光模块，27. 旋转部件驱动模块，28. 第一光开关检测模块，29. 第二光开关检测模块，30. 后面板，31. 竖向部，32. 横向部，33. 横条，34. 前面板，35. 销轴，36. 配重块，37. 挡块。

具体实施方式

为了克服现有激光器分光装置的不足，即克服能量分光技术无法满足高功率输出的不足的问题，本实施例提供了一种激光器异路传输激光的系统，如图1所示，包括激光器1、激光器分时控制装置2，第一固定全反射镜5、第二固定全反射镜8、第一光纤耦合头3、第二光纤耦合头4、第一光纤6和第二光纤7；第一固定全反射镜5、第二固定全反射镜8与激光器分时控制装置2设置在同一直线上，且该第一固定全反射镜5、第二固定全反射镜8分别设置在该激光器分时控制装置2的两侧；该第一固定全反射镜5设置在该第二固定全反射镜8的反射光路上。

第一光纤耦合头3设置在第一固定全反射镜5的反射光路上；第一光纤耦合头3的输出端连接所第一光纤6；第二光纤耦合头4的输出端连接第二光纤。

第二固定全反射镜8设置在激光器1的出射光路上；第二光纤耦合头4和第二光纤7置于激光器分时控制装置2的前面板34前侧，第二光纤耦合头4置于激光器分时控制装置2和第二光纤7之间；且第二光纤耦合头4、第二光纤7与激光器分时控制装置2在同一直线上。

借助图2不难看出，激光器分时控制装置2包括底座11、固定活动全反射镜9的全反镜框10、挡光片18、控制电路板16、旋转部件13、机械臂14、导轨12，旋转部件13安装在底座11的后面板30上、且置于底座11的右上端（正对图2时，右手边为图2的右端，左手边为图2的左边），导轨12设置在该底座11的左侧并沿纵向延伸。

全反镜框10包括竖向部31和设置在该竖向部31下端的横向部32，该竖向部31设置在导轨12中并能沿该导轨12滑行，该横向部32的右侧设置有用于安装挡光片18的横条33，该挡光片18垂直设置在该横条33的右端部；活动全反射镜9设置在横向部32的左端部；控制电路板16设置在底座11的右侧下端处，其左侧面上自上而下设置有第一槽型光开关15和第二槽型光开关17，该第一槽型光开关15和第二槽型光开关17的凹槽与挡光片18正对（图2中看是与挡光片18的右侧正对），且该凹槽的两个侧壁延伸至该挡光片18的前、后两侧面，以确保当该挡光片18插入该凹槽中时能隔断该凹槽的两个侧壁之间的光路。

机械臂14设置在底座11的前面板34上，其右端与旋转部件13连接，以确保该旋转部件13能够带动该机械臂14转动，该机械臂14的左端与竖向部31的上端活动联接，以确保能带动全反镜框10沿导轨12上下滑动。

激光器异路传输激光的系统，还包括图3所示的设置在所述控制电路板16上的电路控制系统，该电路控制系统包括第一按键检测模块21、第二按键检测模块22，第一光开关信号反馈模块19、第二光开关信号反馈模块20，单片机系统23、旋转部件控制模块24、第一出光模块25和第二出光模块26；第一按键检测模块21与单片机系统23的P11口连接，第二按键检测模块22与单片机系统23的P10口连接；第一光开关信号反馈模块19与单片机系统23的P13口连接，第二光开关信号反馈模块20与单片机系统23的P12口连接；旋转部件控制模块24与单片机系统23的P27口连接；第一出光模块25与单片机系统23的P26口连接，第二出光模块26与单片机系统23的P25口连接。

激光器异路传输激光的系统，还包括图4所示的设置在控制电路板16上的电路工作系统，该电路工作系统包括所述旋转部件驱动模块27、第一光开关检测模块28、第二光开关检测模块29；旋转部件驱动模块27与旋转部件控制模块24的PIN4相连接，第一光开关检测模块28的CN1-5脚与第一光开关信号反馈模块19的PIN6连接，第二光开关检测模块29的CN1-6脚与第二光开关信号反馈模块20的PIN5脚连接。

本实施例中涉及的激光器1是YAG固体激光器；旋转部件13是30度旋转磁铁；机械臂14通过销轴35与竖向部31的上端联接；所述机械臂14的右端设置有配重块36；导轨12的下端设置有用以阻挡全反镜框10向下继续滑动的挡块37；挡光片18是铁片；第一固定全反射镜5、第二固定全反射镜8、活动全反射镜9均是45度全反射镜即入射角和出射角都是45度。

本实施例提供的激光器异路传输激光的系统的具体工作过程如图5所示： 

当第一按键检测模块21的按键被按下，如果此时挡光片18挡住下面的第二槽型光开关17，第二光开关检测模块29向第二光开关信号反馈模块20输出低电平信号，第二光开关信号模块20收到信号后向单片机系统23的P12端口发送低电平信号。此时单片机系统23不作任何反应。如果此时挡光片18挡住上面的第一槽型光开关15，第一光开关检测模块28向第一光开关信号反馈模块19发送低电平信号，第一光开关信号反馈模块19收到信号后向单片机系统23的P13端口发送低电平信号。单片机系统23收到上述信号后，P25口向第一出光模块25发送高电平，激光器1停止出光。单片机系统23延迟5ms后P27端口向旋转部件控制模块24发高电平信号，旋转部件控制模块24接受信号后向旋转部件驱动模块27发低电平信号使旋转部件13（本实施例中是 30度旋转磁铁）不工作，机械臂14向下摆，全反镜框10（是金属的）沿导轨12下降，（高精度抛光）活动全反射镜9被移至下面。挡光片18挡住下面的第二槽型光开关17，延迟500ms后单片机系统23检测P12端口，如果是低电平，则P25端口向第二出光模块26发低电平信号，使（YAG固体激光器）激光器1开始发送激光。此时激光从（YAG固体激光器）激光器1射出后被固定45度第二固定全反射镜8反射至固定45度的第一固定全反射镜5，最后反射至第一光纤耦合头3，沿着第一光纤6出光。

当第二按键检测模块22的按键被按下，如果此时挡光片18（铁片）挡住上面的第一槽型光开关15，第一光开关检测模块28向第一光开关信号反馈模块19输出低电平信号，第一光开关信号反馈模块19收到信号后向单片机系统23的P13端口发送低电平信号。此时单片机系统23不作反应。如果此时挡光片18挡住下面的第二槽型光开关17，第二光开关检测模块29向第二光开关信号反馈模块20发送低电平信号，第二光开关信号反馈模块20收到信号后向单片机系统23的P12端口发送低电平信号。单片机系统23收到上述信号后P26口向第一出光模块25发送高电平信号，（YAG固体激光器）激光器1停止出光。单片机系统23延迟5ms后P27端口向旋转部件控制模块24发低电平信号，旋转部件控制模块24接收信号后向旋转部件驱动模块27发送高电平信号使（30度旋转磁铁）旋转部件13工作。机械臂14向上摆，全反镜框10沿导轨12上移，（高精度抛光反射镜）活动全反射镜9被移至上面。挡光片18挡住上面的第一槽型光开关15，延迟500ms后单片机系统23检测P13端口，如果是低电平，则P26端口向第一出光模块25发低电平信号，使（YAG固体激光器）激光器1开始发送激光。此时激光从（YAG固体激光器）激光器1射出后被第二固定全反射镜8反射至活动全反射镜（高精度抛光反射镜）9，经活动全反射镜（高精度抛光反射镜）9反射至第二光纤耦合头4，沿着第二光纤7出光。

另外，上述活动全反射镜（高精度抛光反射镜）9可以换成其它透射比的透射镜，即可实现多个光路按不同功率同时出光。当透射镜被升起时，经固定的45度第二固定全反射镜8反射的激光反射到透射镜上，经透射镜反射的激光被反射至第二光纤耦合头4，沿着第二光纤7出光；透射过透射镜的光，经固定的45度第一固定全反射镜5反射至第一光纤耦合头3，沿着第一光纤6出光。这样便可实现多光路同时出光。

以上工作过程，参照图5，简化描述是：程序开始，首先检测是否有按键按下，如果否，则返回至开始，如果是，则检测B工作台出光按钮是否按下，如果否则检测A工作台出光按钮是否按下，如果B工作台出光按钮按下，检测反射镜（活动全反射镜9）是否位于导轨12的下方，如果是，关闭激光（即关闭激光器1），同时向30度旋转磁铁（即旋转部件13）供电，反射镜（活动全反射镜9）沿导轨12上升，然后开启B输出端输出；同理，当A工作台出光按钮被按下时，检测反射镜（活动全反射镜9）是否位于导轨12上方，如果是，关闭激光（即关闭激光器1），同时不向30度旋转磁铁（即旋转部件13）供电，反射镜（活动全反射镜9）沿导轨12下降，然后开启A光口出光，至此，完成激光器异路传输激光。

当然，本激光器异路传输激光的控制系统不仅可以改善YAG固体激光器的单光路输出系统，还可以改善其他类型的激光器，如CO₂激光器；本发明的激光器分时控制装置2还可以采用其它组装方式；电路控制系统、电路工作系统还可以采用其他控制芯片及电路连接方法，如采用AVR单片机为控制芯片或者改变单片机引脚与各工作模块接法。这样的变换均落在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种激光器异路传输激光的方法，其特征在于，通过设置至少第一固定全反射镜、第二固定全反射镜及设置在该第一固定全反射镜、第二固定全反射镜之间的活动全反射镜；激光器输出的激光经第二固定全反射镜反射后，当活动全反射镜处于下面，反射激光经第一固定全反射镜反射后，经第一光路输出；当活动全反射镜处于上面，反射激光经活动全反射镜反射后，经第二光路输出，从而实现激光的异路传输。

2.一种激光器异路传输激光的控制系统，其特征在于：包括第一固定全反射镜、第二固定全反射镜及设置在该第一固定全反射镜、第二固定全反射镜之间的、用以改变经该第二固定全反射镜反射的激光器出射的激光的光路的活动全反射镜。

3.如权利要求2所述的激光器异路传输激光的控制系统，其特征在于：还包括分别设置在所述第一固定全反射镜的反射光路上的第一光纤耦合头、第一光纤；活动全反射镜的反射光路上的第二光纤耦合头、第二光纤；所述第一光纤耦合头的输出端连接所述第一光纤；所述第二光纤耦合头的输出端连接所述第二光纤。

4.如权利要求2或3所述的激光器异路传输激光的控制系统，其特征在于：还包括用以改变所述活动全反射镜的位置的激光器分时控制装置，该激光器分时控制装置包括底座、固定所述活动全反射镜的全反镜框、挡光片、控制电路板、旋转部件、机械臂和导轨；

所述旋转部件安装在所述底座的后面板上、且置于该底座的右上端，所述导轨设置在该底座的左侧并沿纵向延伸；

所述全反镜框包括竖向部和设置在该竖向部下端的横向部，该竖向部设置在所述导轨中并能沿该导轨滑行，该横向部的右侧设置有用于安装所述挡光片的横条，该挡光片垂直设置在该横条的右端部；

所述活动全反射镜设置在所述横向部的左端部；

所述控制电路板设置在所述底座的右侧下端处，其左侧面上自上而下设置有第一槽型光开关和第二槽型光开关，该第一槽型光开关和第二槽型光开关的凹槽与所述挡光片正对，且该凹槽的两个侧壁延伸至该挡光片的前、后两侧面，以确保当该挡光片插入该凹槽中时能隔断该凹槽的两个侧壁之间的光路；

所述机械臂设置在所述底座的前面板上，其右端与所述旋转部件连接，以确保该旋转部件能够带动该机械臂转动，该机械臂的左端与所述竖向部的上端活动联接，以确保能带动所述全反镜框沿所述导轨上下滑动。

5.如权利要求4所述的激光器异路传输激光的控制系统，其特征在于：还包括设置在所述控制电路板上的电路控制系统，该电路控制系统包括第一按键检测模块、第二按键检测模块，第一光开关信号反馈模块、第二光开关信号反馈模块，单片机系统、旋转部件控制模块、第一出光模块和第二出光模块；

所述第一按键检测模块与单片机系统的P11口连接，第二按键检测模块与单片机系统的P10口连接；

第一光开关信号反馈模块与单片机系统的P13口连接，第二光开关信号反馈模块与单片机系统的P12口连接；

旋转部件控制模块与单片机系统的P27口连接；

第一出光模块与单片机系统的P26口连接，第二出光模块与单片机系统的P25口连接。

6.如权利要求5所述的激光器异路传输激光的控制系统，其特征在于：还包括设置在所述控制电路板上的电路工作系统，该电路工作系统包括所述旋转部件驱动模块、第一光开关检测模块、第二光开关检测模块；

所述旋转部件驱动模块与旋转部件控制模块的PIN4相连接，所述第一光开关检测模块的CN1-5脚与第一光开关信号反馈模块的PIN6连接，第二光开关检测模块的CN1-6脚与第二光开关信号反馈模块的PIN5脚连接。

7.如权利要求4所述的激光器异路传输激光的控制系统，其特征在于：所述旋转部件是30度旋转磁铁，所述挡光片是铁片，所述第一固定全反射镜、第二固定全反射镜均是45度全反射镜。

8.如权利要求4所述的激光器异路传输激光的控制系统，其特征在于：所述导轨的下端设置有用以阻挡所述全反镜框向下继续滑动的挡块。

9.如权利要求4所述的激光器异路传输激光的控制系统，其特征在于：所述机械臂通过销轴与所述竖向部的上端联接。

10.如权利要求9所述的激光器异路传输激光的控制系统，其特征在于：所述机械臂的右端设置有配重块。

Images