CN104714483A - 激光加工的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光加工的控制方法及系统，其方法包括以下步骤：在计算机中输入G代码，并进行参数设置；对G代码进行解释、插补、规划，并输出位置指令和I/O控制指令；将位置指令分解为低动态特性的指令信号和高动态特性的指令信号；将低动态特性的指令信号传输给伺服平台，将高动态特性的指令信号传输给矢量扫描设备，伺服平台根据接收到的低动态特性的指令信号进行动作，矢量扫描设备根据接收到的高动态特性的指令信号进行动作；将I/O控制指令传输给激光器，控制激光器的通断。其能够实现工件的大尺度快速加工，解决了传统拼接方法带来的拼接错位和编程工作量大的问题，控制方法简单，无需针对具体图案来设置加速度、速度等参数。

Description

激光加工的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种激光加工的控制方法及系统。

背景技术

激光加工技术是一种先进的制造技术，它采用光、机、电技术相结合的形式，具有适用材料范围广、易于实现自动化等特点。激光加工系统作为一种精确、可靠的加工工具，其开发和研制受到广泛关注。

激光加工的传统做法为：将激光光源固定，待加工工件置于伺服平台上，通过伺服电机驱动伺服平台运动进而带动工件运动，利用光束与工件的相对运动加工出各种图形。一般伺服平台可以实现较大范围的平面运动，但是伺服电机受到现有技术的限制，其加速度和速度都较慢（一般高端直线电机的速度可达到3m/s，加速度可达10m/s²）。由于伺服平台的质量较大，大的加速度需要很大的推力才可实现，在用于激光加工时造成系统的震动等会对工件的加工产生不良影响。所以传统方法很难实现高速(速度5m/s–50m/s)、高动态(加速度100m/s²以上)的精密激光加工。

近年来，一些基于高速矢量扫描设备的激光加工方法和系统被提出和应用，比较典型的有扫描振镜、电光或声光调制晶体。扫描振镜通过微电机驱动的镜片旋转配合实现超越运动台的速度和加速度，可以实现10/s的扫描速度，在驱动软件的带动下，可以实现复杂的高速精密扫描，但是其直接工作范围有限，比如，焦距为100毫米的扫描振境，其有效工作范围一般小于100毫米。随着高重复频率激光器的成熟，需要实现更高的激光扫描速度。这可以通过电光或声光调控晶体来实现。基本上，可以通过电信号或电信号产生的声波信号，调制晶体对入射激光的偏折角度，实现超高速扫描。这种方法几乎没有移动质量，扫描速度之取决于电信号的反应速度。

上述方法存在的最大问题是加工范围有限，比如扫描振镜其偏转角度通常只有±20度，其加工范围一般在300mm以内，对于大尺度的加工很不方便。

为了实现大尺度的高速、高动态的激光加工，通常将伺服平台与扫描振镜结合，利用拼接的方法来加工大尺度的工件。此种方法将加工路径分散成多个部分，给编程带来了困难。拼接对伺服平台和扫描振镜的精度要求非常高，极易导致拼接错位、加工效果变差的情况。

目前国际上已有公司（如美国AEROTECH公司）推出了结合伺服平台和扫描振镜的加工技术，实现了对扫描振境和运动台的统一编程，但存在一些不足：控制方法复杂，需要针对具体图案设置加速度和速度等参数，扩展至大尺度时系统不稳定，响应速度偏慢等问题。

要发挥高重复频率（大于50KHz）激光器的潜力，需要对其进行大尺度范围的高速度和高加速度传输控制。目前尚缺乏高效率的算法和硬件系统，满足这一要求。

发明内容

基于上述问题，本发明提供了一种激光加工的控制方法及系统，能够实现工件的大尺度高速、高动态加工，解决了传统拼接方法带来的拼接错位和编程工作量大的问题，且加工精度高、控制方法简单，无需针对具体图案来设置加速度、速度等参数。

一种激光加工的控制方法，包括以下步骤：

在计算机中输入G代码，并进行参数设置；

对所述的G代码进行解释、插补、规划，并输出位置指令和I/O控制指令；

将所述位置指令分解为低动态特性的指令信号和高动态特性的指令信号；

将所述低动态特性的指令信号传输给伺服平台，将所述高动态特性的指令信号传输给矢量扫描设备，所述伺服平台根据接收到的低动态特性的指令信号进行动作，所述矢量扫描设备根据接收到的高动态特性的指令信号进行动作；

将所述I/O控制指令传输给激光器，控制激光器的通断。

在其中一个实施例中，所述矢量扫描设备为扫描振镜或导电晶体。

在其中一个实施例中，在将所述高动态特性的指令信号的动作指令传输给矢量扫描设备之前，进行错误检测，若所述高动态特性的指令信号超过所述矢量扫描设备的加工范围，则发出报错信息。

在其中一个实施例中，将所述位置指令分解为低动态特性的指令信号和高动态特性的指令信号，包括以下步骤：

将所述位置指令分为两路信号，一路存入第一缓冲区实现信号的延迟，另一路经低通滤波后得到所述低动态特性的指令信号；

将经过延迟的位置指令与所述低动态特性的指令信号相减，得到的差值即为所述高动态特性的指令信号。

在其中一个实施例中，在将所述位置指令存入第一缓冲区的同时，将所述I/O控制指令也存入所述第一缓冲区。

在其中一个实施例中，所述位置指令在所述第一缓冲区的延迟时间与所述位置指令经低通滤波后的滞后时间相等。

在其中一个实施例中，将所述低动态特性的指令信号传输给伺服平台以及将所述高动态特性的指令信号传输给矢量扫描设备，包括以下步骤：

建立所述低动态特性的指令信号与高动态特性的指令信号以及I/O控制指令的对应关系，并将其存入第二缓冲区；

将所述低动态特性的指令信号传输给伺服平台，所述伺服平台根据接收到的低动态特性的指令信号进行动作，并返回其所在位置；

根据所述伺服平台所在位置及建立的对应关系，在所述第二缓冲区中查找对应的高动态特性的指令信号并传输给矢量扫描设备，所述矢量扫描设备根据接收到的高动态特性的指令信号进行动作。

在其中一个实施例中，将所述I/O控制指令传输给激光器的过程如下：

根据所述伺服平台所在位置及建立的对应关系，在所述第二缓冲区中查找对应的I/O控制指令并将其传输给激光器，实现激光器的通断控制。

一种激光加工的控制系统，包括操作系统和执行系统；

所述操作系统包括输入装置、显示装置和计算机，所述输入装置和所述显示装置与所述计算机通讯连接；

所述计算机包括数控模块、大尺度加工控制模块和矢量扫描设备控制卡；

所述数控模块用于对输入的G代码进行解释、插补、规划、输出位置指令和I/O控制指令，并进行错误检测；

所述大尺度加工控制模块用于对所述数控系统生成的位置指令和I/O控制指令进行处理，将所述位置指令分解为低动态特性的指令信号和高动态特性的指令信号；

所述矢量扫描设备控制卡用于为所述大尺度加工控制模块控制矢量扫描设备提供应用程序接口；

所述执行系统包括伺服驱动器、伺服电机、伺服平台、矢量扫描设备和激光器；

所述伺服驱动器通过实时总线与所述计算机相连接，接收所述计算机的指令信号并实时反馈伺服平台所在的位置；

所述伺服电机在所述伺服驱动器的驱动下控制所述伺服平台进行动作；

所述矢量扫描设备通过所述矢量扫描设备控制卡接收所述计算机的指令信号并执行动作；

所述激光器在所述I/O控制指令的控制下实现通断。

在其中一个实施例中，所述大尺度加工控制模块包括第一缓冲区和第二缓冲区；

所述第一缓冲区用于存储所述数控模块输出的位置指令和I/O控制指令，所述第二缓冲区用于存储经过处理的位置指令和I/O控制指令。

本发明提供的激光加工的控制方法及系统，将位置指令分解为低动态特性的指令信号和高动态特性的指令信号，伺服平台接收低动态特性的指令信号进行动作，从而克服了伺服平台加速度有限的缺陷，矢量扫描设备接收高动态特性的指令信号，从而充分利用矢量扫描设备的加速度大的特性，二者同时联动实现了大尺度、高速、高动态的激光加工；且本发明实现了伺服轴和矢量扫描设备轴的位置指令的自动计算，无需进行拼接，降低了用户的使用复杂度和难度，提高了加工质量。

附图说明

图1为本发明激光加工的控制方法的一实施例的流程图；

图2为本发明激光加工的控制系统的一实施例的模块图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明实施例中的激光加工的控制方法及系统的具体试试方式进行说明。

本发明的控制方法主要是通过对伺服平台和矢量扫描设备发出不同的指令，以实现大尺度、高速、高动态的激光加工。在实际应用中，矢量扫描设备可以为扫描振镜、电光调制或声光调制晶体等，由于这些设备对外部控制器的应用程序的接口一致，因此本发明实施例以扫描振镜为例加以说明。

参见图1，本发明实施例提供了一种激光加工的控制方法，该方法一般用于二维平面激光加工，包括以下步骤：

S100，在计算机中输入G代码，并进行参数设置；

其中，G代码用于描述激光加工的路径，用户可根据需要进行编写，也可利用CAM软件直接生成，以提高编程效率。

在参数设置中，需要对滤波器（一般为FIR低通滤波器）的各参数进行计算，具体如下。

根据用户设置的滤波器截止频率ω_c和频率过渡带长度Δω，采用汉宁窗函数法对滤波器的参数进行设计：

FIR低通滤波器的长度可调，其系统函数的表达式为：滤波器的长度越大，则滤波器的阻带和通带之间的过渡越快，但是滤波后的信号滞后时间也越大，一般地，FIR低通滤波器的最佳长度其中INT表示取整数；

由于FIR低通滤波器具有线性相位特性，因此其滞后时间和滤波器的长度直接相关，从而可得到滞后时间：Δt＝(N-1)T（T为插补周期）；

根据FIR低通滤波器的最佳长度N和截止频率ω_c，得到理想FIR低通滤波器的各阶参数： $h_d\left(n\right)=\frac{\sin \left[{\mathrm{\ω}}_c(n-\frac{N-1}{2})\right]}{\mathrm{\π}(n-\frac{N-1}{2})};$

根据汉宁窗函数：得到FIR低通滤波器的各阶参数：h(n)＝h_d(n)w(n)。

S200，对G代码进行解释、插补、规划，并输出位置指令和I/O控制指令；

在使用本发明的激光加工的控制方法时，用户无需区分扫描振镜和伺服平台，可以将伺服轴和振镜轴合并，编程时可当作统一的二维平台。假设插补周期为T，二维平台的伺服轴分别为X轴和Y轴，则每个插补周期在X轴和Y轴上输出与当前插补时间对应的位置指令以及I/O控制指令。

根据本实施例中的算法，位置指令可表示为如下函数：

其中，为插补和加减速规划函数。

S300，将S200中输出的位置指令分解为低动态特性的指令信号和高动态特性的指令信号；

较优地，在其中一个实施例中，S300包括以下步骤：

将S200中输出的位置指令分为两路信号，一路存入第一缓冲区（一般为FIFO缓冲区）实现信号的延迟，另一路经低通滤波后得到低动态特性的指令信号，同时将S200中输出的I/O控制指令也存入第一缓冲区；将经过延迟的位置指令与低动态特性的指令信号相减，得到的差值即为高动态特性的指令信号。

第一缓冲区的长度可根据滤波器的长度自动调节，在该步骤中，第一缓冲区的长度与滤波器的长度一致，即位置指令在第一缓冲区的延迟时间与位置指令经低通滤波的滞后时间相等。

根据本实施例中的算法，采用FIR滤波器滤波后得到低动态特性的指令信号可表示为：

由于第一缓冲区的长度与滤波器的长度一致，根据位置指令的函数表达式，可得出经第一缓冲区延迟后的位置指令信号的函数表达式：

将第一缓冲区中延迟后的位置指令与滤波后得到低动态特性的指令信号相减得到高动态特性的指令信号，其函数表达式如下：

S400，将低动态特性的指令信号传输给伺服平台，将高动态特性的指令信号传输给扫描振镜，伺服平台根据接收到的低动态特性的指令信号进行动作；扫描振镜根据接收到的高动态特性的指令信号进行动作；

作为一种可实施方式，低动态特性的指令信号通过伺服驱动器和伺服电机输送到伺服平台：伺服驱动器接收低动态特性的指令信号并驱动伺服电机，伺服平台在伺服电机的驱动下动作。

S500，将I/O控制指令传输给激光器，实现激光器的通断控制。

作为一种可实施方式，S400和S500的具体操作如下：

建立低动态特性的指令信号pf_X(n)、pf_Y(n)与高动态特性的指令信号Δp_X(n)、Δp_Y(n)以及I/O控制指令的对应关系，并将其存入第二缓冲区（一般为FIFO缓冲区）；将低动态特性的指令信号pf_X(n)、pf_Y(n)传输给伺服平台，伺服平台根据接收到的低动态特性的指令信号进行动作，并将其所在位置反馈到计算机；根据伺服平台所在位置及建立的对应关系，在第二缓冲区中查找对应的高动态特性的指令信号Δp_X(n)、Δp_Y(n)并传输给扫描振镜，扫描振镜根据接收到的高动态特性的指令信号进行动作；根据伺服平台所在位置及建立的对应关系，在第二缓冲区中查找对应的I/O控制指令并将其传输给激光器，实现激光器的通断控制。在其中一个实施例中，第二缓冲区的长度可根据伺服跟踪滞后时间来设定，一般伺服的跟踪滞后时间≤500ms，因此第二缓冲区的长度可设定为0.5/T。

由于扫描振镜的偏转角度有限，因此，在将高动态特性的指令信号传输给扫描振镜之前，需进行错误检测，若高动态特性的指令信号的动作指令超过了扫描振镜的加工范围，则计算机报错。

本发明提供的激光加工的控制方法，将位置指令分解为低动态特性的指令信号和高动态特性的指令信号。伺服平台接收低动态特性的指令信号进行动作，从而克服了伺服平台加速度有限的缺陷，使得伺服平台可做大尺度、低速、低动态特性的运动；扫描振镜接收高动态特性的指令信号，从而充分利用扫描振镜的加速度大的特性，实现高速、高动态特性的局部运动。综上所述，伺服平台和扫描振镜的同时联动实现了大尺度、高速、高动态的激光加工。

在使用本发明的激光加工的控制方法时，用户无需区分扫描振镜和伺服平台，可以将伺服轴和振镜轴合并，编程时可当作统一的二维平台，实现了伺服轴和振镜轴的位置指令的自动计算，无需进行拼接，且加工精度高、控制方法简单，降低了用户的使用复杂度和难度，提高了加工质量。

如图2所示，本发明还提供了一种激光加工的控制系统，包括操作系统和执行系统；

操作系统包括输入装置110、显示装置120和计算机130，输入装置110和显示装置120与计算机130通讯连接；

输入装置110为鼠标和键盘等，用于G代码的输入和计算机130的操控，显示装置120用于显示各种信息；

计算机130包括数控模块132、大尺度加工控制模块134和矢量扫描设备控制卡136：数控模块132用于对输入的G代码进行解释、插补、输出位置指令和I/O控制指令，并进行错误检测；大尺度加工控制模块134用于对数控模块132生成的位置指令和I/O控制指令进行处理，将位置指令分解为低动态特性的指令信号和高动态特性的指令信号；矢量扫描设备控制卡136用于为大尺度加工控制模块134控制矢量扫描设备240提供应用程序接口，在其中一个实施例中，计算机130还包括PCI接口，矢量扫描设备控制卡136通过PCI接口与计算机130的主体实现通讯；

执行系统包括伺服驱动器210、伺服电机220、伺服平台230、矢量扫描设备240和激光器250。其中，伺服驱动器210通过实时总线与计算机130相连接，接收计算机130的指令信号并实时反馈伺服平台230所在的位置；伺服电机220在伺服驱动器210的驱动下控制伺服平台230进行动作；矢量扫描设备240通过矢量扫描设备控制卡136接收计算机130的指令信号并执行动作；激光器250在I/O控制指令的控制下实现通断。需要说明的是，矢量扫描设备240包括扫描振镜、电光调制和声光调制晶体。

作为一种可实施方式，大尺度加工控制模块134包括第一缓冲区和第二缓冲区；第一缓冲区用于存储数控模块132输出的位置指令和I/O控制指令，第二缓冲区用于存储经过处理的位置指令和I/O控制指令。

作为一种可实施方式，伺服驱动器210包括电机编码器，用于将伺服平台230的位置反馈到计算机的大尺度加工控制模块。

本发明的激光加工的控制系统，以与本发明实施例的激光加工的控制方法相同的技术方案过程实现大范围、高速、高动态的激光加工。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光加工的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在计算机中输入G代码，并进行参数设置；

对所述的G代码进行解释、插补、规划，并输出位置指令和I/O控制指令；

将所述位置指令分解为低动态特性的指令信号和高动态特性的指令信号；

将所述低动态特性的指令信号传输给伺服平台，将所述高动态特性的指令信号传输给矢量扫描设备，所述伺服平台根据接收到的低动态特性的指令信号进行动作，所述矢量扫描设备根据接收到的高动态特性的指令信号进行动作；

将所述I/O控制指令传输给激光器，控制激光器的通断。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述矢量扫描设备为扫描振镜或电光、声光调制晶体。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，在将所述高动态特性的指令信号传输给矢量扫描设备之前，进行错误检测，若所述高动态特性的指令信号的动作指令超过所述矢量扫描设备的加工范围，则发出报错信息。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，将所述位置指令分解为低动态特性的指令信号和高动态特性的指令信号，包括以下步骤：

将所述位置指令分为两路信号，一路存入第一缓冲区实现信号的延迟，另一路经低通滤波后得到所述低动态特性的指令信号；

将经过延迟的位置指令与所述低动态特性的指令信号相减，得到的差值即为所述高动态特性的指令信号。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在将所述位置指令存入第一缓冲区的同时，将所述I/O控制指令也存入所述第一缓冲区。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述位置指令在所述第一缓冲区的延迟时间与所述位置指令经低通滤波后的滞后时间相等。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，将所述低动态特性的指令信号传输给伺服平台以及将所述高动态特性的指令信号传输给矢量扫描设备，包括以下步骤：

建立所述低动态特性的指令信号与高动态特性的指令信号以及I/O控制指令的对应关系，并将其存入第二缓冲区；

将所述低动态特性的指令信号传输给伺服平台，所述伺服平台根据接收到的低动态特性的指令信号进行动作，并返回其所在位置；

根据所述伺服平台所在位置及建立的对应关系，在所述第二缓冲区中查找对应的高动态特性的指令信号并传输给矢量扫描设备，所述矢量扫描设备根据接收到的高动态特性的指令信号进行动作。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，将所述I/O控制指令传输给激光器的过程如下：

根据所述伺服平台所在位置及建立的对应关系，在所述第二缓冲区中查找对应的I/O控制指令并将其传输给激光器，实现激光器的通断控制。

9.一种激光加工的控制系统，其特征在于，包括操作系统和执行系统；

所述操作系统包括输入装置、显示装置和计算机，所述输入装置和所述显示装置与所述计算机通讯连接；

所述计算机包括数控模块、大尺度加工控制模块和矢量扫描设备控制卡；

所述数控模块用于对输入的G代码进行解释、插补、规划、输出位置指令和I/O控制指令，并进行错误检测；

所述大尺度加工控制模块用于对所述数控系统生成的位置指令和I/O控制指令进行处理，将所述位置指令分解为低动态特性的指令信号和高动态特性的指令信号；

所述矢量扫描设备控制卡用于为所述大尺度加工控制模块控制矢量扫描设备提供应用程序接口；

所述执行系统包括伺服驱动器、伺服电机、伺服平台、矢量扫描设备和激光器；

所述伺服驱动器通过实时总线与所述计算机相连接，接收所述计算机的指令信号并实时反馈伺服平台所在的位置；

所述伺服电机在所述伺服驱动器的驱动下控制所述伺服平台进行动作；

所述矢量扫描设备通过所述矢量扫描设备控制卡接收所述计算机的指令信号并执行动作；

所述激光器在所述I/O控制指令的控制下实现通断。

10.根据权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述大尺度加工控制模块包括第一缓冲区和第二缓冲区；

所述第一缓冲区用于存储所述数控模块输出的位置指令和I/O控制指令，所述第二缓冲区用于存储经过处理的位置指令和I/O控制指令。