CN106041335B - 一种激光切割机和激光切割多层复合材料的能量控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光切割机和激光切割多层复合材料的能量控制系统，该能量控制系统与激光切割头的速度/位置调节器和伺服驱动器数据连接，包括：速度/位置反馈数据读取电路、DSP核心电路、PWM输出控制电路和串口通信模块；DSP核心电路分别与速度/位置反馈数据读取电路、PWM输出控制电路和串口通信模块双向数据连接；将从伺服驱动器反馈的编码器信号作为速度拟合的实时数据，再反馈给速度/位置调节器，通过实时读取激光切割头实时反馈的速度数据，拟合出当前激光切割头的实际运行速度。由于采用了速度矢量拟合的概念，实现了轨迹速度的实时反馈，减小了控制误差，精确控制了激光的输出能量，提高了图元边角处的切割质量。

Description

一种激光切割机和激光切割多层复合材料的能量控制系统

技术领域

本发明涉及小功率激光切割机及其能量控制系统领域，尤其涉及的是一种激光切割多层复合材料的精确能量输出控制系统。

背景技术

目前，常用的小功率激光切割机对金属或非金属被切材料的加工工艺是：先穿孔以穿透被切材料；再引线加工，避免被切部分由于穿孔过烧而对材料造成影响，需要在图元加工之前进行一段引入线的切割，由引入线引导到图元；然后进行图元加工，对需要加工的图形进行恒定功率的切割；最后加工完成后退出。显然，这种加工技术对激光能量控制的要求并不高，只要能切透即可，并不会在意多余的激光能量应该怎么处理。

然而，随着产品加工要求的提高，尤其是对多层复合材料的半切割要求，以两层复合材料为例，如图1所示，图1是现有技术中激光切割两层复合材料时的加工示意图，激光切割头110的激光器发出的激光束既要能切透上层材料120又不会在下层材料130留下痕迹。

现有技术中的绝大多数激光切割系统为了应对这种产品加工需求，都是从系统自身的运动控制和轨迹角度进行运算，归纳起来大致有两种控制模式：

一种是根据控制系统发出的速度指令，对应进行激光能量输出的控制，简称指令控制模式，如图2所示，图2是现有技术中激光能量控制系统指令控制模式原理图，当输出速度指令为高速时，激光能量控制指令输出高能量密度，当输出速度指令为低速时，激光能量控制指令输出低能量密度。

另一种是根据控制系统反馈的速度进行激光能量输出的控制，简称反馈数据控制模式，如图3所示，图3是现有技术中激光能量控制系统指令反馈数据控制模式原理图，当反馈数据显示为高速时，下一个激光能量控制周期输出高能量密度，当反馈数据显示为低速时，下一个激光能量控制周期输出低能量密度。

但是，前一种指令控制模式，由于激光切割机的机械部分对控制系统指令的执行存在一定的滞后，由此会带来控制误差，进而或导致在下层材料上留下痕迹，或导致图元边角的切割不理想(出现过切、过烧、切不透或不连续等现象)；而后一种反馈数据控制模式，由于激光切割控制系统本身存在的运算时间有滞后以及采样周期固定，低速的时候采样点不能灵活设计，导致实际上的能量输出控制也不理想，尤其是图元边角的切割不理想。

此外，如图2和图3中实线框所示，这两种控制模式都是集成于数控系统的内部，而鉴于该数控系统内部激光控制器的封闭性，用户根本不具备更改其内部细节配置的权限，也使得应用不够灵活。

因此，现有技术尚有待改进和发展。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种激光切割多层复合材料的能量控制系统，可减小控制误差，并精确控制激光的输出能量。

同时，本发明还提供一种激光切割机，可在切割多层复合材料时提高其图元边角处的切割质量。

本发明的技术方案如下：一种激光切割多层复合材料的能量控制系统，与激光切割头的速度/位置调节器和伺服驱动器数据连接，包括：速度/位置反馈数据读取电路、DSP核心电路、PWM输出控制电路和串口通信模块；所述DSP核心电路分别与速度/位置反馈数据读取电路、PWM输出控制电路和串口通信模块双向数据连接；将从所述伺服驱动器反馈的编码器信号作为速度拟合的实时数据，再反馈给所述速度/位置调节器，通过实时读取激光切割头实时反馈的速度数据，拟合出当前激光切割头的实际运行速度。

所述的激光切割多层复合材料的能量控制系统，其中：当所述速度/位置反馈数据读取电路读取的实时反馈数据为低速时，所述DSP核心电路根据速度矢量预判算法，对当前速度采样频率进行实时调整，使其符合高频低速的情况。

所述的激光切割多层复合材料的能量控制系统，其中：当所用激光切割头的功率输出类型是非线性时，在低速点位上进行采样并形成表格，所述DSP核心电路控制PWM输出控制电路在输出时进行查表对应输出。

所述的激光切割多层复合材料的能量控制系统，其中：所述DSP核心电路通过串口通信模块嵌入如下流程的工艺控制软件：

S110、激光能量控制系统进行上电初始化；

S120、DSP核心电路读取已有加工参数，包括待切割材料的种类和与其相对应的激光切割头的能量设定数据；

S130、DSP核心电路判断串口通信模块是否有数据要传送？有则进入步骤S140，无则进入步骤S150；

S140、配置数据并保存，进入步骤S150；

S150、DSP核心电路判断是否开始进行加工，是则进入步骤S160，否则返回步骤S130；

S160、速度/位置反馈数据读取电路读取激光切割头实时反馈的数据；

S170、DSP核心电路判断反馈的数据是否为低速，是则进入步骤S180，否则进入步骤S190；

S180、使用变频采样方式，进入步骤S200；

S190、使用定频采样方式，进入步骤S200；

S200、DSP核心电路对采样数据进行速度矢量拟合；

S210、DSP核心电路判断激光切割头的功率输出类型是否为线性输出，是则进入步骤S220，否则进入步骤S230；

S220、DSP核心电路控制PWM输出控制电路在输出时按比例对应输出，进入步骤S240；

S230、使用工艺控制软件的调试功能在低速点位上进行采样并形成表格，DSP核心电路控制PWM输出控制电路在输出时进行查表对应输出，进入步骤S240；

S240、PWM输出控制电路进行PWM输出，之后返回步骤S130。

所述的激光切割多层复合材料的能量控制系统，其中：所述速度/位置反馈数据读取电路、DSP核心电路、PWM输出控制电路和串口通信模块均设置在同一块外置的控制板卡上。

所述的激光切割多层复合材料的能量控制系统，其中：所述DSP核心电路包括带PWM波输出的单片DSP芯片。

所述的激光切割多层复合材料的能量控制系统，其中：所述单片DSP芯片为TI公司生产的TMS320C28069芯片。

一种激光切割机，包括激光切割头和能量控制系统，该能量控制系统用于控制激光切割头的能量输出，其中：所述能量控制系统为上述中任一项所述的激光切割多层复合材料的能量控制系统。

本发明所提供的一种激光切割机和激光切割多层复合材料的能量控制系统，由于采用了速度矢量拟合的概念，实现了轨迹速度的实时反馈，减小了控制误差，精确控制了激光的输出能量，提高了图元边角处的切割质量；同时克服了原有数控系统的封闭性，使得其应用也非常灵活。

附图说明

图1是现有技术中激光切割两层复合材料时的加工示意图。

图2是现有技术中激光能量控制系统指令控制模式原理图。

图3是现有技术中激光能量控制系统指令反馈数据控制模式原理图。

图4是本发明激光能量控制系统速度矢量拟合控制模式原理图。

图5是本发明激光能量控制系统所用硬件设计原理图。

图6是本发明图5中DSP核心电路内部嵌入式程序设计流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的具体实施方式和实施例加以详细说明，所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并非用于限定本发明的具体实施方式。

多层复合材料的切割对激光输出的能量有着严格精确的要求，既要切割透上层材料但又不能伤及下层材料，实际上就是使用激光切割控制系统，在待切物体上根据预先设计的图形，形成激光能量切割轨迹以实现对所需材料层的切割。

其实，每种金属或非金属待切材料都有固定的激光能量能够切透，激光切割头上的小功率的激光器可利用PWM波来控制，其中涉及到两个控制参数：一个是对脉宽的控制，使用固定脉宽脉冲让激光切割头的激光器输出激光对待切材料进行打点，并控制这个脉冲宽度，使得该点位的激光能量输出恰好能够打透被切材料层；另一个就是对频率的控制，根据速度矢量变动PWM波频率控制打点密度，使得打点连续形成一条切缝，以切透上层材料。

如果在实际控制的时候，脉冲宽度设置得过低或过高，相应就会出现切不透上层材料或烧到下层材料的现象；如果脉冲频率设置得过低，打点形成不了一条切缝，也会出现切不透上层材料的现象，而脉冲频率设置得过高，打点过于密集，使得局部位置的激光能量聚集过多，同样还会出现烧到下层材料的现象。

因此，难点在于如何实现轨迹速度的实时反馈，达到同步控制PWM波输出频率，以及PC端工艺软件的实现。由于在传统的控制方案中，激光切割控制器大部分是基于数控系统的，而数控系统本身的运算和控制基于的是轨迹控制算法，也就是插补，有固定的插补/同步周期，通常是不可更改的，这样就会导致系统运算效率以及跟机械运动相关零部件对激光能量控制的精度造成一定的影响，尤其是低速切割边角时的影响最大；同时，由于数控系统的封闭性，使得其应用也非常的不灵活。

本发明的激光能量控制系统首先根据采样频率和反馈数据的计算量，使用带PWM波输出的单片高速DSP，例如TI公司生产的TMS320C28069主控芯片进行主控，采用变频率采样，可通过软件设定固定基本采样周期，由于低速切割时在采样周期内不一定有速度信号反馈，使用变频率采样能提高控制精度；其次采用从伺服驱动器反馈的编码器信号作为速度拟合的实时数据，这样的话，不管激光切割机本身的系统如何处理，都是实时数据，获取与轨迹相关的两通道速度数据，以实现速度矢量的拟合。

具体的，如图4所示，图4是本发明激光能量控制系统速度矢量拟合控制模式原理图，一方面，原激光切割机系统发出的轴1速度/位置指令通过与其相连接的速度/位置调节器410处理之后，传输至与该速度/位置调节器410相连接的伺服驱动器420，以控制与该伺服驱动器420相连接的电机430转动，而该电机430的轴1编码器信号则通过其伺服驱动器420反馈给本发明激光能量控制系统的PWM输出控制模块440；另一方面，原激光切割机系统发出的轴2速度/位置指令通过与其相连接的速度/位置调节器450处理之后，传输至与该速度/位置调节器450相连接的伺服驱动器460，以控制与该伺服驱动器460相连的电机470转动，同样，该电机470的轴2编码器信号则通过其伺服驱动器460反馈给本发明激光能量控制系统的PWM输出控制模块440。

如图4中虚线框所示，该PWM输出控制模块440是一个独立于原激光切割机系统之外的单独的控制模块，其将从原激光切割头的伺服驱动器(420和460)反馈的编码器信号作为速度拟合的实时数据，分别反馈给各自的速度/位置调节器(410和450)，通过实时读取激光切割头的轴1和轴2的电机实时反馈的速度数据，拟合出当前激光切割头的实际运行速度，实现速度矢量的拟合，以精确控制激光切割头的激光器480的实时能量输出。采用专用控制模块方案，不与原激光切割控制器的数控系统发生任何数据交互，提高了运算速度，保证了切割效果。

具体的，结合图5所示，图5是本发明激光能量控制系统所用硬件设计原理图，该PWM输出控制模块的硬件构成包括电源510、速度/位置反馈数据读取电路520、DSP核心电路530、PWM输出控制电路540和串口通信模块550，其中，电源510向速度/位置反馈数据读取电路520、DSP核心电路530和PWM输出控制电路540提供所需的电压和电流，DSP核心电路530分别与速度/位置反馈数据读取电路520、PWM输出控制电路540和串口通信模块550双向数据连接。

在本发明激光能量控制系统的优选实施方式中，上述PWM输出控制模块可制成外置控制板卡的形式，既便于拆装又便于调试和维修。

本发明的激光能量控制系统还采用专用工艺设置软件，对不同材料、激光切割头上的不同激光器进行数据采样和设置，且具有调试功能，上位机使用Visul C++设计编译了一套工艺控制软件，对激光器参数、材料工艺进行选择，而这套工艺控制软件通过串口通信模块550嵌入到DSP核心电路530内部。

具体的，结合图6所示，图6是本发明图5中DSP核心电路内部嵌入式程序设计流程图，该工艺控制软件设计程序的思路和步骤如下：

S110、开启电源，激光能量控制系统进行上电初始化；

S120、DSP核心电路530读取已有加工参数，包括待切割材料的种类和激光切割头上与其相对应的激光器的能量设定数据；

S130、DSP核心电路530判断串口通信模块550是否有数据要传送？有则进入步骤S140，无则进入步骤S150；

S140、配置数据并保存，进入步骤S150；

S150、DSP核心电路530判断是否开始进行加工，是则进入步骤S160，否则返回步骤S130；

S160、速度/位置反馈数据读取电路520读取激光切割头的轴1和轴2的电机实时反馈的数据；

S170、DSP核心电路530判断反馈的数据是否为低速，是则进入步骤S180，否则进入步骤S190；

S180、使用变频采样方式，进入步骤S200；

S190、使用定频采样方式，进入步骤S200；

S200、DSP核心电路530对采样数据进行速度矢量拟合；

S210、DSP核心电路530判断激光切割头的功率输出类型是否为线性输出，是则进入步骤S220，否则进入步骤S230；

S220、DSP核心电路530控制PWM输出控制电路540在输出时按比例对应输出，进入步骤S240；

S230、使用工艺控制软件的调试功能在低速点位上进行采样并形成表格，DSP核心电路530控制PWM输出控制电路540在输出时进行查表对应输出，进入步骤S240；

由于某些厂家的激光切割头的激光器本身的功率输出是非线性的，当达到某一频率区域的时候，其输出功率呈非线性下降，而查表对应输出则可解决此问题；可针对不同厂家的激光切割头的激光器进行对应匹配，并针对线性输出或非线性输出的激光器进行不同控制。

S240、PWM输出控制电路540进行PWM输出，之后返回步骤S130。

本发明激光能量控制系统采用变频率速度采样拟合的方案，使得高速和低速时都能实现精确的激光能量控制，根据速度矢量预判算法，对当前速度采样频率进行实时调整，使其符合高频低速的情况，以提升图元边角处的切割效果。

基于上述激光切割多层复合材料的能量控制系统，本发明还提出了一种激光切割机，包括激光切割头和能量控制系统，该能量控制系统用于控制激光切割头的能量输出，其中：所述能量控制系统为上述实施例中任一项所述的激光切割多层复合材料的能量控制系统，以提高多层半切或者不同层内实现半切的切割质量。

应当理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不足以限制本发明的技术方案，对本领域普通技术人员来说，在本发明的精神和原则之内，可以根据上述说明加以增减、替换、变换或改进，而所有这些增减、替换、变换或改进后的技术方案，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种激光切割多层复合材料的能量控制系统，与激光切割头的速度/位置调节器和伺服驱动器数据连接，其特征在于，包括：速度/位置反馈数据读取电路、DSP核心电路、PWM输出控制电路和串口通信模块；所述DSP核心电路分别与速度/位置反馈数据读取电路、PWM输出控制电路和串口通信模块双向数据连接；将从所述伺服驱动器反馈的编码器信号作为速度拟合的实时数据，再反馈给所述速度/位置调节器，通过实时读取激光切割头实时反馈的速度数据，拟合出当前激光切割头的实际运行速度；所述DSP核心电路通过串口通信模块嵌入如下流程的工艺控制软件：

S110、激光能量控制系统进行上电初始化；

S120、DSP核心电路读取已有加工参数，包括待切割材料的种类和与其相对应的激光切割头的能量设定数据；

S130、DSP核心电路判断串口通信模块是否有数据要传送，有则进入步骤S140，无则进入步骤S150；

S140、配置数据并保存，进入步骤S150；

S150、DSP核心电路判断是否开始进行加工，是则进入步骤S160，否则返回步骤S130；

S160、速度/位置反馈数据读取电路读取激光切割头实时反馈的数据；

S170、DSP核心电路判断反馈的数据是否为低速，是则进入步骤S180，否则进入步骤S190；

S180、使用变频采样方式，进入步骤S200；

S190、使用定频采样方式，进入步骤S200；

S200、DSP核心电路对采样数据进行速度矢量拟合；

S210、DSP核心电路判断激光切割头的功率输出类型是否为线性输出，是则进入步骤S220，否则进入步骤S230；

S220、DSP核心电路控制PWM输出控制电路在输出时按比例对应输出，进入步骤S240；

S230、使用工艺控制软件的调试功能在低速点位上进行采样并形成表格，DSP核心电路控制PWM输出控制电路在输出时进行查表对应输出，进入步骤S240；

S240、PWM输出控制电路进行PWM输出，之后返回步骤S130。

2.根据权利要求1所述的激光切割多层复合材料的能量控制系统，其特征在于：当所述速度/位置反馈数据读取电路读取的实时反馈数据为低速时，所述DSP核心电路根据速度矢量预判算法，对当前速度采样频率进行实时调整，使其符合高频低速的情况。

3.根据权利要求1所述的激光切割多层复合材料的能量控制系统，其特征在于：当所用激光切割头的功率输出类型是非线性时，在低速点位上进行采样并形成表格，所述DSP核心电路控制PWM输出控制电路在输出时进行查表对应输出。

4.根据权利要求1所述的激光切割多层复合材料的能量控制系统，其特征在于：所述速度/位置反馈数据读取电路、DSP核心电路、PWM输出控制电路和串口通信模块均设置在同一块外置的控制板卡上。

5.根据权利要求1所述的激光切割多层复合材料的能量控制系统，其特征在于：所述DSP核心电路包括带PWM波输出的单片DSP芯片。

6.根据权利要求5所述的激光切割多层复合材料的能量控制系统，其特征在于：所述单片DSP芯片为TI公司生产的TMS320C28069芯片。

7.一种激光切割机，包括激光切割头和能量控制系统，该能量控制系统用于控制激光切割头的能量输出，其特征在于：所述能量控制系统为权利要求1至6中任一项所述的激光切割多层复合材料的能量控制系统。