CN105406328A - 一种co2激光器智能补气系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CO2激光器智能补气系统，包括供气系统和辅助补气系统，供气系统中设置受控于激光控制系统的进气比例阀或阀组件，用于控制进气量；辅助补气系统中设置受控于激光控制系统的变频器，用于控制真空泵的工作频率，受控于激光控制系统的抽废气比例阀，用于抽废气管路的开度大小，从而控制抽气速度，确保工作腔内的气压满足要求。两者结合，能够为谐振腔提供稳定的工作气体。由于本发明的进气和抽气根据激光器所需功率自动调节，因此使激光器的工作更稳定，也能节省工作气体。

Description

一种CO2激光器智能补气系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种CO2激光器智能补气系统及其控制方法，属于激光加工技术领域。

背景技术

从80年代以来，激光器就广泛应用在加工领域，尤其是在快速横流和轴流CO2激光器出现后，得到了飞速发展。CO2激光器有切割效率高、非接触式切割、功率范围大、切割速度快，既能连续又能脉冲输出等特点，使得其在材料加工领域具有广泛的应用，大功率CO2激光器在工业上主要用于激光切割、焊接和热处理，尤其是在激光切割领域。

激光器经过30多年的发展，在技术上进展很快，CO2激光器与数控机床配合组成的CO2激光加工系统在材料加工领域起着越来越重要的作用。中国是制造业大国，国内加工设备将逐步升级，激光设备行业的发展将更为迅速。特别是汽车、半导体和电子制造产业的发展使中国的激光市场极具潜力。

随着技术的不断更新，市场对激光器的智能化要求越来越高，大功率轴快流CO2激光器功能需要不断的扩展和完善。作为激光器的重要组成部分——补气系统，主要作用是为光学谐振腔充入产生激光的工作气体，同时还要结合辅助补气系统来稳定谐振腔内的工作气压。现今国内激光器的补气系统都存在十分明显的缺陷，如下：

1、激光器的工作气体是由N2、CO2、He三种气体组成，在进行加工时，根据加工材料材质的不同、同种加工材料厚度的不同以及加工路线的改变，都要相应改变激光功率，不同的激光功率所需的工作气体气量也肯定不同，但现有的激光器的进气装置无论功率变大或变小，都是以恒定速率向谐振腔内充气，尤其是当激光器在待机状态时，还是保持原充气速度不断充气，造成工作气体大量浪费，有悖于我国建设资源节约型社会的理念。

2、辅助补气系统是设立在谐振腔出气口，用来恒定谐振腔内工作气压的。现有激光器在检测到腔内气压变、化时，采取控制电磁阀的开闭使得谐振腔内气体的堆积和释放来控制腔气压稳定，但是由于电磁阀的开闭会使得腔内气压呈阶跃式跳变，这样一来气压必然会产生波动，导致激光功率不稳，切割效果下降。而且电磁阀频繁的开闭会降低其寿命，使得激光器可靠性降低。

3、由于现有激光器补气系统的供气部分无论功率大或小，都是以恒定的速率向光学谐振腔内充工作气体，但是腔内的工作气压是需要恒定的，也就要求辅助补气系统的真空泵始终保持在高负荷抽气状态，长时间工作就会降低真空泵的寿命。

由于目前还没有成熟的智能补气系统，导致上述技术问题的存在，势必会影响激光器的加工工艺，这样的激光器长时间工作，轻则是浪费工作气体，严重则会需要经常更换电磁阀，甚至是更换真空泵，造成不必要的成本流失。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有激光器补气系统供气速率单一导致浪费气、辅助补气部分不能很好的稳定工作气压以及补气系统核心器件的耗损过大这些技术问题，提出一种CO2激光器智能补气系统，该系统不仅节约用气，而且能很好的稳定谐振腔内的工作气压，同时合理的使用了真空泵解放电磁阀的频繁开闭，节省了系统成本。

为了达到上述目的，本发明提出的CO2激光器智能补气系统，包括供气系统和辅助补气系统，所述供气系统包括与光学谐振腔进气口连接的工作气体进气管道、N2进气管道，所述N2进气管道上安装有充N2电磁阀，所述辅助补气系统包括与光学谐振腔出气口连接的抽真空管路和抽废气管路，所述抽真空管路上安装有主抽真空电磁阀，所述抽废气管路上安装有涡轮风机，所述抽真空管路和抽废气管路与真空泵连接，其特征在于：所述供气系统的工作气体进气管道上安装有受控于激光器控制系统的流量控制装置，光学谐振腔内装有用于监测光学谐振腔气压的气压传感器，所述抽废气管路上安装有位于涡轮风机后方的受控于激光器控制系统的抽废气比例阀，所述真空泵连接受控于激光器控制系统的变频器，激光器控制系统根据光学谐振腔内的气压变化控制真空泵转速、抽废气比例阀开度、流量控制装置的流量，使光学谐振腔内的气压达到目标值或维持稳定。

作为CO2激光器的核心。因为激光器消耗的工作气体与激光器的功率大小成正比，功率大时消耗的气体量就大，就要求充气速度较快，功率小时消耗的气体量就小，就要求放慢充气速度；尤其是在待机状态下只需要很少量的工作气体维持谐振腔内气体流动，所以使得进气量可调对于节约用气是十分有意义的。

真空泵连接变频器，控制系统则可以通过控制变频器来调节真空泵的转速，控制真空泵变频器的频率和组合阀(或进气管路的比例阀)的信号是根据主控制器传递给下位机控制器的电流值来确定的，电流值大对应加工功率高，此时的进气口的开度就要求大，提高充气速度，同样为了使得进气和出气平衡，同样要根据电流值来调大真空泵变频器的频率来提高真空泵的转速，从而提高抽气速度。

在谐振腔的出气位置，安装一个抽废气比例阀(电控比例阀)，这个抽废气比例阀可以控制出气口的大小，从而可以和真空泵配合来控制抽气速度，与真空泵控制抽气速度不同的是真空泵的调速是根据上位机发给下位机的电流值来控制的，而这个比例阀的控制是根据装在谐振腔上的气压传感器检测到的气压大小信号来控制开度的。安装在谐振腔内的气压传感器将检测到的气压信号传递给控制器，由于气压信号是比较微弱的模拟信号，需要进行信号放大和AD转换后才能被控制芯片接收使用，控制芯片将采集到的气压信号和上位机传递的设定气压值进行比较，如果高于设定值，就开大比例阀的开度，使得抽气速度加快，降低谐振腔内的气压；相反，如果采集到的气压值低于设定值就减小比例阀的开度，降低抽气速度，提高谐振腔内的气压，经过这样的调节以后就可以实现谐振腔内气压的稳定。

本发明进一步的改进在于：

1、所述流量控制装置为进气比例阀。

2、所述工作气体进气管道具有三个并联的支管路，所述流量控制装置包括安装在每个支管路上的节流阀和受控激光器控制系统的进气电磁阀，三个支管路上的节流阀口径各不相同，组合后获得7种进气流量。

3、所述激光控制系统与变频器之间通过485总线进行通讯；激光控制系统与抽废气比例阀之间接有D/A转换单元。

4、所述激光器控制系统包括通过总线通讯的主控制器和下位机控制器，激光器通入谐振腔内的电流值通过电源模块反馈给主控制器；三个并联支管路上的电磁阀、控制真空泵转速的变频器、抽废气比例阀及气压传感器与下位机控制器连接，所述电源模块通过电流采样电路获取激光器通入谐振腔内的电流值，所述电流采样电路包括依次连接的电流传感器、跟随放大电路、A/D转换器，所述下位机控制器与抽废气比例阀之间连接有D/A转换器，气压传感器与下位机控制器之间连接有跟随放大电路和D/A转换器。

此外，本发明还提供了CO2激光器智能补气系统的控制方法，步骤如下：

S1、激光器开始工作时，主控制器通过下位机控制器把辅助补气系统中的主抽真空电磁阀和抽废气比例阀打开，抽废气比例阀的开度为全开，通过下位机控制器控制变频器启动真空泵，以最大速度对光学谐振腔抽气；

S2、实时通过压力传感器采集谐振腔内的气压，并依次经跟随放大电路、A/D转换器、下位机控制器将气压信号反馈给主控制器；

S3、当谐振腔内的气压值低于预设的真空气压，关闭主抽真空电磁阀，通过变频器将真空泵的工作频率调节到最低工作频率，抽废气比例阀的开度调节为最小开度；

S4、主控制器通过下位机控制器将供气系统中三个支管路上的电磁阀全部打开，通过工作气体进气管道以最大充气速度向光学谐振腔内充工作气体；

S5、当谐振腔内的气压值达到预设的工作气压，主控制器调整三个支管路上的电磁阀的开闭，使进气量与激光器功率相符；

S6、激光器工作时，将检测到的谐振腔气压与预设的工作气压值进行比较，并据此调节真空泵的转速和抽废气比例阀的开度，使谐振腔的气压与工作气压值保持相等。

其中，三个支管路上的大口径节流阀开度为60％，中口径节流阀开度为30％，小口径节流阀开度为10％。开度是指通气截面积与管道截面积之比。

所述真空泵的最低工作频率为20HZ，抽废气比例阀的最小开度为10％。

步骤S5中，主控制器将用于控制激光器输出功率的电流值作为控制信号一并发给下位机控制器，所述电流值的范围2-80mA；下位机控制器根据发来的电流值对三个支管路上的电磁阀开闭进行调整，具体的：

当下位机控制器接收到的信号小于12mA时，打开小口径节流阀对应的电磁阀；

当下位机控制器接收到的信号介于13-24mA时，打开中口径节流阀对应的电磁阀；

当下位机控制器接收到的信号介于25-35mA时，打开小中口径节流阀对应的电磁阀和中口径节流阀对应的电磁阀；

当下位机控制器接收到的信号介于36-46mA时，打开大口径节流阀对应的电磁阀；

当下位机控制器接收到的信号介于47-57mA时，打开大口径节流阀对应的电磁阀和小口径节流阀对应的电磁阀；

当下位机控制器接收到的信号介于58-68mA时，打开大口径节流阀对应的电磁阀和中口径节流阀对应的电磁阀；

当下位机控制器接收到的信号大于68mA时，三个电磁阀全部打开。

若使用进气比例阀替代组合阀，则步骤S4、S5作相应变化，其余不变，具体来说，控制方法步骤如下：

S1、激光器开始工作时，主控制器通过下位机控制器把辅助补气系统中的主抽真空电磁阀和抽废气比例阀打开，抽废气比例阀的开度为全开，通过下位机控制器控制变频器启动真空泵，以最大速度对光学谐振腔抽气；

S2、实时通过压力传感器采集谐振腔内的气压，并依次经跟随放大电路、A/D转换器、下位机控制器将气压信号反馈给主控制器；

S3、当谐振腔内的气压值低于预设的真空气压，关闭主抽真空电磁阀，通过变频器将真空泵的工作频率调节到最低工作频率，抽废气比例阀的开度调节为最小开度；

S4、主控制器通过下位机控制器将进气比例阀的开度开到最大，通过工作气体进气管道以最大充气速度向光学谐振腔内充工作气体；

S5、当谐振腔内的气压值达到预设的工作气压，主控制器调整进气比例阀的开度，使进气量与激光器功率相符；

S6、激光器工作时，将检测到的谐振腔气压与预设的工作气压值进行比较，并据此调节真空泵的转速和抽废气比例阀的开度，使谐振腔的气压与工作气压值保持相等。

本发明的有益效果是：

1、通过比例阀或者是通过由多个不同口径节流阀组成的组合阀(以三个阀为例)，可以控制充气速度，不同的功率对应不同的充气速度，尤其是在低功率工作时，充气速度会降低，这样可以在保证加工工艺的要求下，节省工作气体，尤其当激光器进入待机状态时，只需要很小的速度进气，这样就能节省更多的工作气体。

2、通过控制变频器来控制真空泵的转速，来调节抽气速度，而且和控制比抽废气例阀开度是同一个控制信号，都是主控制器发出的电流值，在下位机控制器收到电流值后，会据此传递给AD转换器一个AD值，经过AD转换器以后的模拟信号传递给进气比例阀，从而控制比例阀的开度，同样的电流值也会经过设定的算法后通过485通信传递给变频器，从而控制真空泵的转速，使得充气速度和抽气速度等差平衡，使得谐振腔内的气压不会突变很大，而且真空泵也不用一直工作于高负荷状态，延长了真空泵的寿命。

3、尤其是通过进气比例阀无极控制充气速度，搭配上抽废气比例阀和变频调节真空泵平滑控制抽气速度，这样可以使得谐振腔内总是保持很稳定的工作气压，得到很稳定的激光功率，加工工艺就会有很大改善。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是实施例一激光器智能补气系统图。

图2是实施例一激光器智能补气系统控制流程图。

图3是实施例二激光器智能补气系统图。

图4是实施例二激光器智能补气系统控制流程图。

图中标号示意图下：

1-主抽真空电磁阀，2-光学谐振腔，3-出气口，4-真空泵，5-抽废气比例阀，6-涡轮风机，7-第一电磁阀，8-第二电磁阀，9-第三电磁阀，10-大口径节流阀，11-中口径节流阀，12-小口径节流阀，13-充N2电磁阀，14-工作气体进气管，15-N2进气管道，16-进气比例阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例一

如图1所示，本发明实施例CO2激光器智能补气系统，包括供气系统和辅助补气系统，供气系统包括与光学谐振腔2进气口连接的工作气体进气管道14、N2进气管道15，N2进气管道15上安装有充N2电磁阀13，辅助补气系统包括与光学谐振腔2出气口3连接的抽真空管路和抽废气管路，抽真空管路上安装有主抽真空电磁阀1，抽废气管路上安装有涡轮风机6，抽真空管路和抽废气管路与真空泵4连接，供气系统的工作气体进气管道上安装有受控于激光器控制系统的流量控制装置。具体的，本例补气系统中，工作气体进气管道具有三个并联的支管路，流量控制装置包括安装在这三个支管路上的大口径节流阀10、中口径节流阀11、小口径节流阀12，及其对应的受控于激光器控制系统的第一电磁阀7、第二电磁阀8、第三电磁阀9，三个支管路上的节流阀口径各不相同，组合后获得7种进气流量。光学谐振腔内装有用于监测光学谐振腔气压的气压传感器，抽废气管路上安装有位于涡轮风机6后方的受控于激光器控制系统的抽废气比例阀5，真空泵4连接受控于激光器控制系统的变频器，激光器控制系统根据光学谐振腔内的气压变化控制真空泵转速、抽废气比例阀开度、流量控制装置的流量，使光学谐振腔内的气压达到目标值或维持稳定。

本例中，所述激光器控制系统包括通过RS-485总线通讯的主控制器和下位机控制器，激光器通入谐振腔内的电流值通过电源模块反馈给主控制器；三个并联支管路上的电磁阀、控制真空泵转速的变频器、抽废气比例阀及气压传感器与下位机控制器连接，所述电源模块通过电流采样电路获取激光器通入谐振腔内的电流值，所述电流采样电路包括依次连接的电流传感器、跟随放大电路、A/D转换器，所述下位机控制器与抽废气比例阀之间连接有D/A转换器，气压传感器与下位机控制器之间连接有跟随放大电路和D/A转换器。

其中，三个支管路上的大口径节流阀开度为60％，中口径节流阀开度为30％，小口径节流阀开度为10％。

本实施例CO2激光器智能补气系统的控制方法，步骤如下：

S1、激光器开始工作时，主控制器通过下位机控制器把辅助补气系统中的主抽真空电磁阀和抽废气比例阀打开，抽废气比例阀的开度为全开，通过下位机控制器控制变频器启动真空泵，以最大速度对光学谐振腔抽气；

S2、实时通过压力传感器采集谐振腔内的气压，并依次经跟随放大电路、A/D转换器、下位机控制器将气压信号反馈给主控制器；

S3、当谐振腔内的气压值低于预设的真空气压，关闭主抽真空电磁阀，通过变频器将真空泵的工作频率调节到最低工作频率20Hz，抽废气比例阀的开度调节为最小开度(10％)；

S4、主控制器通过下位机控制器将供气系统中三个支管路上的电磁阀全部打开，通过工作气体进气管道以最大充气速度向光学谐振腔内充工作气体；

S5、当谐振腔内的气压值达到预设的工作气压，主控制器调整三个支管路上的电磁阀的开闭，使进气量与激光器功率相符；

本步骤中，步骤S5中，主控制器将用于控制激光器输出功率的电流值作为控制信号一并发给下位机控制器，主控制器输出的电流值的范围2-80mA；下位机控制器根据发来的电流值对三个支管路上的电磁阀开闭进行调整。

具体调整方案详见表1

表1电磁阀开闭方案表

	第一电磁阀	第二电磁阀	第三电磁阀	对应总开度	电流值(mA)
						1			√	10％	<12
2		√		30％	13-24
						3		√	√	40％	25-35
4	√			60％	36-46
						5	√		√	70％	47-57
6	√	√		90％	58-68
						7	√	√	√	100％	>68

表1中，打勾表示打开，否则为关闭。

S6、激光器工作时，将检测到的谐振腔气压与预设的工作气压值进行比较，并据此调节真空泵的转速和抽废气比例阀的开度，使谐振腔的气压与工作气压值保持相等。

实施例二

本实施例中用进气比例阀16替代阀实施例一种的阀组件，下位机控制器发出的信号经D/A转换器发送给进气比例阀。其他器件不变。

本实施例补气系统控制方法与实施例一大致相同，只有在控制第一、第二、第三电磁阀时改为控制进气比例阀。

以上两种方案下，极大的节省了用气量。同时延长了真空泵和电磁阀的寿命，而且真空泵可以平滑控制抽气速度，这样可以使得谐振腔内总是保持很稳定的工作气压，得到很稳定的激光功率，很大程度提高了加工工艺。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种CO2激光器智能补气系统，包括供气系统和辅助补气系统，所述供气系统包括与光学谐振腔进气口连接的工作气体进气管道、N2进气管道，所述N2进气管道上安装有充N2电磁阀，所述辅助补气系统包括与光学谐振腔出气口连接的抽真空管路和抽废气管路，所述抽真空管路上安装有主抽真空电磁阀，所述抽废气管路上安装有涡轮风机，所述抽真空管路和抽废气管路与真空泵连接，其特征在于：所述供气系统的工作气体进气管道上安装有受控于激光器控制系统的流量控制装置，光学谐振腔内装有用于监测光学谐振腔气压的气压传感器，所述抽废气管路上安装有位于涡轮风机后方的受控于激光器控制系统的抽废气比例阀，所述真空泵连接受控于激光器控制系统的变频器，激光器控制系统根据光学谐振腔内的气压变化控制真空泵转速、抽废气比例阀开度、流量控制装置的流量，使光学谐振腔内的气压达到目标值或维持稳定。

2.根据权利要求1所述的CO2激光器智能补气系统，其特征在于：所述流量控制装置为进气比例阀。

3.根据权利要求1所述的CO2激光器智能补气系统，其特征在于：所述工作气体进气管道具有三个并联的支管路，所述流量控制装置包括安装在每个支管路上的节流阀和受控激光器控制系统的进气电磁阀，三个支管路上的节流阀口径各不相同，组合后获得7种进气流量。

4.根据权利要求3所述的CO2激光器智能补气系统，其特征在于：所述激光控制系统与变频器之间通过485总线进行通讯；激光控制系统与抽废气比例阀之间接有D/A转换单元。

5.根据权利要求3所述的CO2激光器智能补气系统，其特征在于：所述激光器控制系统包括通过总线通讯的主控制器和下位机控制器，激光器通入谐振腔内的电流值通过电源模块反馈给主控制器；三个并联支管路上的电磁阀、控制真空泵转速的变频器、抽废气比例阀及气压传感器与下位机控制器连接，所述电源模块通过电流采样电路获取激光器通入谐振腔内的电流值，所述电流采样电路包括依次连接的电流传感器、跟随放大电路、A/D转换器，所述下位机控制器与抽废气比例阀之间连接有D/A转换器，气压传感器与下位机控制器之间连接有跟随放大电路和D/A转换器。

6.CO2激光器智能补气系统的控制方法，步骤如下：

S1、激光器开始工作时，主控制器通过下位机控制器把辅助补气系统中的主抽真空电磁阀和抽废气比例阀打开，抽废气比例阀的开度为全开，通过下位机控制器控制变频器启动真空泵，以最大速度对光学谐振腔抽气；

S2、实时通过压力传感器采集谐振腔内的气压，并依次经跟随放大电路、A/D转换器、下位机控制器将气压信号反馈给主控制器；

S3、当谐振腔内的气压值低于预设的真空气压，关闭主抽真空电磁阀，通过变频器将真空泵的工作频率调节到最低工作频率，抽废气比例阀的开度调节为最小开度；

S4、主控制器通过下位机控制器将供气系统中三个支管路上的电磁阀全部打开，通过工作气体进气管道以最大充气速度向光学谐振腔内充工作气体；

S5、当谐振腔内的气压值达到预设的工作气压，主控制器调整三个支管路上的电磁阀的开闭，使进气量与激光器功率相符；

S6、激光器工作时，将检测到的谐振腔气压与预设的工作气压值进行比较，并据此调节真空泵的转速和抽废气比例阀的开度，使谐振腔的气压与工作气压值保持相等。

7.根据权利要求6所述的CO2激光器智能补气系统的控制方法，其特征在于：三个支管路上的大口径节流阀开度为60%，中口径节流阀开度为30%，小口径节流阀开度为10%。

8.根据权利要求6所述的CO2激光器智能补气系统的控制方法，其特征在于：所述真空泵的最低工作频率为20Hz，抽废气比例阀的最小开度为10%。

9.根据权利要求6所述的CO2激光器智能补气系统的控制方法，其特征在于：步骤S5中，主控制器将用于控制激光器输出功率的电流值作为控制信号一并发给下位机控制器，所述电流值的范围2-80mA；下位机控制器根据发来的电流值对三个支管路上的电磁阀开闭进行调整，具体的：

当下位机控制器接收到的信号小于12mA时，打开小口径节流阀对应的电磁阀；

当下位机控制器接收到的信号介于13-24mA时，打开中口径节流阀对应的电磁阀；

当下位机控制器接收到的信号介于25-35mA时，打开小中口径节流阀对应的电磁阀和中口径节流阀对应的电磁阀；

当下位机控制器接收到的信号介于36-46mA时，打开大口径节流阀对应的电磁阀；

当下位机控制器接收到的信号介于47-57mA时，打开大口径节流阀对应的电磁阀和小口径节流阀对应的电磁阀；

当下位机控制器接收到的信号介于58-68mA时，打开大口径节流阀对应的电磁阀和中口径节流阀对应的电磁阀；

当下位机控制器接收到的信号大于68mA时，三个电磁阀全部打开。

10.CO2激光器智能补气系统的控制方法，步骤如下：

S1、激光器开始工作时，主控制器通过下位机控制器把辅助补气系统中的主抽真空电磁阀和抽废气比例阀打开，抽废气比例阀的开度为全开，通过下位机控制器控制变频器启动真空泵，以最大速度对光学谐振腔抽气；

S2、实时通过压力传感器采集谐振腔内的气压，并依次经跟随放大电路、A/D转换器、下位机控制器将气压信号反馈给主控制器；

S3、当谐振腔内的气压值低于预设的真空气压，关闭主抽真空电磁阀，通过变频器将真空泵的工作频率调节到最低工作频率，抽废气比例阀的开度调节为最小开度；

S4、主控制器通过下位机控制器将进气比例阀的开度开到最大，通过工作气体进气管道以最大充气速度向光学谐振腔内充工作气体；

S5、当谐振腔内的气压值达到预设的工作气压，主控制器调整进气比例阀的开度，使进气量与激光器功率相符；

S6、激光器工作时，将检测到的谐振腔气压与预设的工作气压值进行比较，并据此调节真空泵的转速和抽废气比例阀的开度，使谐振腔的气压与工作气压值保持相等。