CN104708214A - 一种激光切割过程控制的取样原理及控制方法 - Google Patents

一种激光切割过程控制的取样原理及控制方法 Download PDF

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张鹏程
王盼
沈晖
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Abstract

本发明公开了一种激光切割过程控制的取样原理及控制方法。它包括可变曲率镜模块、切割头模块、气体控制模块、光纤激光器，还包括准直镜模块、ICS辐射能监测模块和ICS电子控制单元，ICS辐射能监测模块两侧设置有准直镜模块、可变曲率镜模块，可变曲率镜模块下方设置有切割头模块，可变曲率镜模块、切割头模块均与气体控制模块相连，气体控制模块通过PLC与ICS电子控制单元相连，ICS电子控制单元与光纤激光器相连，光纤激光器与准直镜模块相连，ICS辐射能监测模块还与ICS电子控制单元相连。本发明实现功率环的闭环控制，最大限度发挥激光器的加工能力。

Description

一种激光切割过程控制的取样原理及控制方法
技术领域
本发明涉及激光切割技术领域，具体涉及一种激光切割过程控制的取样原理及控制方法。
背景技术
传统的切割过程控制方法主要是通过程序预设轨迹、速度、功率来完成切割加工。
传统的激光加工工艺中存在一个效率和良率的矛盾，比如穿孔，为了要快速的完成穿孔，我们希望使用高功率，以提供较大的能量输入，但是输入的能量过高又很容易造成熔池中金属材料的剧烈气化引起爆炸造成穿孔失败，并产生飞溅污染镜片。传统的解决办法是，在程序中预设比较低的功率，并用较长的时间来完成穿孔确保穿透，预留较高的冗余保证穿孔的质量和安全。那么能不能有一种控制方法实现对激光功率的快速调整和测算使得激光器的功率得到充分利用呢。这就是ICS系统的初步构思，ICS(Intelligent Cutting Control System)通过对加工过程中熔池的辐射能实施监测经过运算处理，实现对激光功率环的闭环控制，最大限度发挥激光器的加工能力。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供一种激光切割过程控制的取样原理及控制方法，实现功率环的闭环控制，最大限度发挥激光器的加工能力。
为实现上述目的，本发明提供了一种激光切割过程控制装置，包括可变曲率镜模块、切割头模块、气体控制模块、光纤激光器，还包括准直镜 模块、ICS辐射能监测模块和ICS电子控制单元，ICS辐射能监测模块两侧设置有准直镜模块、可变曲率镜模块，可变曲率镜模块下方设置有切割头模块，可变曲率镜模块、切割头模块均与气体控制模块相连，气体控制模块通过PLC与ICS电子控制单元相连，ICS电子控制单元与光纤激光器相连，光纤激光器与准直镜模块相连，ICS辐射能监测模块还与ICS电子控制单元相连。
作为优选，所述的ICS辐射能监测模块包括数字信号处理器、模拟数字转换器、ICS辐射能监测模块辐射能量传感器和ICS辐射能监测模块反射镜，还包括、ICS辐射能监测模块聚焦镜、ICS辐射能监测模块滤波片，数字信号处理器、模拟数字转换器、ICS辐射能监测模块辐射能量传感器依次相连，ICS辐射能监测模块辐射能量传感器下方依次设置有ICS辐射能监测模块聚焦镜、ICS辐射能监测模块滤波片，ICS辐射能监测模块滤波片下方倾斜设置有ICS辐射能监测模块反射镜,ICS辐射能监测模块反射镜下方设置有ICS辐射能监测模块聚焦镜；ICS辐射能监测模块反射镜左侧设置有准直镜模块。
所述的可变曲率镜模块包括可变曲率反射镜，可变曲率反射镜与ICS辐射能监测模块反射镜对称设置。
所述的切割头模块包括切割头模块聚焦镜、保护镜，切割头模块聚焦镜、保护镜依次设置在可变曲率反射镜下方；保护镜底部设置有工作气体，工作气体下方设置有工件，工件在加工过程中自然产生熔池。
本发明的ICS装置的核心就是通过一个中心带孔反射镜，取得了对熔池状态监测的原始信号。以往的类似结构中，有使用半反射镜的方式，但是这种镜片对功率有限制，过高其无法承受，并且不可避免的对激光功率会有一定吸收和损耗。而中心带孔的反射镜不存在这些问题,高能量激光束直接从通孔穿过该反射镜。而返回的辐射能信号则被该反射镜反射最终进入辐射能传感器。
在反射镜取得了熔池辐射能的辐射信号之后，经由ADC调整为数字信号，经过DSP做编码处理传递给ICS系统的ECU模块，穿孔、切割过程控制 的子程序也存储在其中。
本发明的有益效果：
1、极大的提升穿孔速度，由于可以自动使用接近临界值的最大功率进行穿孔，不必预设安全冗余使得穿孔效率极大提高。
2、降低穿孔的不良率，高速的在线监测功能可以使得爆孔发生前迅速降低激光功率，避免其发生，因而几乎可以使得每次穿孔都获得均一稳定的效果。
3、提高切割速度，可以试用高功率进行切割，并且切割速度快功率冗余小，激光能量得到充分利用。
4、降低切割不良率，在切割失败发生前根据监测结果迅速调整功率，或者停止加工，处理故障后重新切割，避免了大型工件因为局部切割不良造成报废。
5、切割状态分析，通过对其产生的大量工艺数据，可以对切割状态有一个精确的量化判断，为改进和开发新的切割工艺提供原始数据。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明的背景技术的原理图；
图2为本发明的只能切割系统的原理图。
具体实施方式
参照图2，本具体实施方式采用以下技术方案：一种激光切割过程控制装置，包括可变曲率镜模块B、切割头模块C、气体控制模块F、光纤激光器G，还包括准直镜模块A、ICS辐射能监测模块D和ICS电子控制单元E，ICS辐射能监测模块D两侧设置有准直镜模块A、可变曲率镜模块B，可变曲率镜模块B下方设置有切割头模块C，可变曲率镜模块B、切割头模块C均与气体控制模块F相连，气体控制模块F通过PLC与ICS 电子控制单元E相连，ICS电子控制单元E与光纤激光器G相连，光纤激光器G与准直镜模块A相连，ICS辐射能监测模块D还与ICS电子控制单元E相连。
值得注意的是，所述的ICS辐射能监测模块D包括数字信号处理器1、模拟数字转换器2、ICS辐射能监测模块辐射能量传感器3和ICS辐射能监测模块反射镜6，还包括、ICS辐射能监测模块聚焦镜4、ICS辐射能监测模块滤波片5，数字信号处理器1、模拟数字转换器2、ICS辐射能监测模块辐射能量传感器3依次相连，ICS辐射能监测模块辐射能量传感器3下方依次设置有ICS辐射能监测模块聚焦镜4、ICS辐射能监测模块滤波片5，ICS辐射能监测模块滤波片5下方倾斜设置有ICS辐射能监测模块反射镜6,ICS辐射能监测模块反射镜6下方设置有ICS辐射能监测模块聚焦镜13；ICS辐射能监测模块反射镜6左侧设置有准直镜模块A。
所述的可变曲率镜模块B包括可变曲率反射镜7，可变曲率反射镜7与ICS辐射能监测模块反射镜6对称设置。
所述的切割头模块C包括切割头模块聚焦镜8、保护镜9，切割头模块聚焦镜8、保护镜9依次设置在可变曲率反射镜7下方；保护镜9底部设置有工作气体10，工作气体10下方设置有工件11，工件11在加工过程中产生熔池12。
本具体实施方式所谓具备ICS控制功能的切割机其主要特征是在典型的基本切割系统上增加了切割信号取样模块，及ICS运算模块。由于切割的变化过程极为迅速，虽然ICS系统检测的只是一个单一物理量的反馈信号，但由于这一过程极为迅速，刷新速度也极快，所以也会产生大量的数据，并且对系统的响应速度要求异常苛刻，如果系统响应速度不够，那么ICS仅仅只能是对加工缺陷的一种记录，而不是事先预防了。所以ICS系统采用了独立的运算模块，而不是靠在CNC中运行的程序来完成。
在切割过程被ICS接管后，加工过程的激光器初始功率仍然是由程序预设，但是ICS的处理单元可以对其作出快速的负反馈调整维持稳定甚至关闭关闸中断加工。特别对于现在流行的光纤设备，因为其波长会对人体 造成伤害，因此复合安全标准的设备应当是完全密闭的，但这也给观察切割状态造成了很大困难，ICS系统的引入将代替操作者对切割状态做出实时准确的判断。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种激光切割过程控制装置，包括可变曲率镜模块(B)、切割头模块(C)、气体控制模块(F)、光纤激光器(G)，其特征在于，还包括准直镜模块(A)、ICS辐射能监测模块(D)和ICS电子控制单元(E)，ICS辐射能监测模块(D)两侧设置有准直镜模块(A)、可变曲率镜模块(B)，可变曲率镜模块(B)下方设置有切割头模块(C)，可变曲率镜模块(B)、切割头模块(C)均与气体控制模块(F)相连，气体控制模块(F)通过PLC与ICS电子控制单元(E)相连，ICS电子控制单元(E)与光纤激光器(G)相连，光纤激光器(G)与准直镜模块(A)相连，ICS辐射能监测模块(D)还与ICS电子控制单元(E)相连。
2.根据权利要求1所述的一种激光切割过程控制装置，所述的ICS辐射能监测模块(D)包括数字信号处理器(1)、模拟数字转换器(2)、ICS辐射能监测模块辐射能量传感器(3)和ICS辐射能监测模块反射镜(6)，其特征在于，还包括ICS辐射能监测模块聚焦镜(4)、ICS辐射能监测模块滤波片(5)，数字信号处理器(1)、模拟数字转换器(2)、ICS辐射能监测模块辐射能量传感器(3)依次相连，ICS辐射能监测模块辐射能量传感器(3)下方依次设置有ICS辐射能监测模块聚焦镜(4)、ICS辐射能监测模块滤波片(5)，ICS辐射能监测模块滤波片(5)下方倾斜设置有ICS辐射能监测模块反射镜(6),ICS辐射能监测模块反射镜(6)下方设置有ICS辐射能监测模块聚焦镜(13)；ICS辐射能监测模块反射镜(6)左侧设置有准直镜模块(A)。
3.根据权利要求1所述的一种激光切割过程控制装置的取样原理及靠枕方法，其特征在于，ICS装置的核心就是通过一个中心带孔反射镜，取得了对熔池状态监测的原始信号；在反射镜取得了熔池辐射能的辐射信号之后，经由ADC调整为数字信号，经过DSP做编码处理传递给ICS系统的ECU模块，穿孔、切割过程控制的子程序也存储在其中。
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