CN106169692A - 一种能量反馈激光输出控制系统及其反馈测量方法 - Google Patents

一种能量反馈激光输出控制系统及其反馈测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能量反馈激光输出控制系统及其反馈测量方法，系统包括：一激光测量单元，所述激光测量单元包括积分电路，所述积分电路将输出的激光瞬时功率和能量区分开来，并将所测量的能量值反馈至控制单元。本发明的一种能量反馈激光输出控制系统，通过在反馈电路中添加积分电路，从而使激光的瞬时功率与能量分离开来，使其达到真正的能量反馈，提高了系统的控制精度和抗干扰能力。

Description

一种能量反馈激光输出控制系统及其反馈测量方法
技术领域
本发明涉及激光输出控制技术领域，尤其是一种提高测量精度的能量反馈激光输出控制系统及其反馈测量方法。
背景技术
激光是一种受激而辐射的特殊光源，具有亮度高、颜色纯、方向性好、相干性强、聚集性好等特点，一定强度的激光经过聚焦后，具有极高的能量密度，其焦点处的能量密度可达107～1012瓦/厘米。当激光照射到材料表面上时，部分光能被材料吸收后转变为热能，温度升高，当能量密度足够大时，足以改变材料的物理化学性质，将照射区内的材料熔融甚至气化。激光加工就是利用它的热效应对材料进行雕刻、焊接、打孔和切割等处理。
激光焊接是激光加工技术应用的重要方面之一。焊接材料被高强度的激光束辐射后吸收其能量并转化为热能，使被照射处熔化成液态，在液态状态下焊接材料分子相互渗透，冷却后凝固形成焊接。
由于在焊接过程中不接触焊材，能量大小及其移动速度可调，易于实现自动化，加上焊接精度高、速度快、热影响区窄、变形小、无后续加工等优点，激光焊接已越来越广泛应用于微电子、首饰、工艺品、汽车、新能源、航空等精密制造行业相关部件的焊接。
激光的产生是一系列复杂的电光变换过程，在这一复杂的过程中有太多因素直接或间接影响激光能量的稳定输出，如电子器件、光学器件的热稳定性，电网电压的波动，器件的老化等等，这些波动经常达到相当的幅度，严 重影响到激光能量的稳定。
影响激光焊接质量的因素很多，包括能量密度、激光脉冲波形、宽度、频率、离焦量、焊接速度等，但能量密度是关键，其他因素都是建立在合适的能量密度的基础之上。合适的能量密度是保证焊接质量的前提。太小的能量密度容易造成熔深不够，焊接不牢固等缺点，过高的能量密度易使焊材气化形成孔洞，产生“烧穿”现象。实践表明能量密度在104～106J/cm2范围内易实现良好的熔融焊接，对于特定的焊接材料，需要特定的能量密度与之对应。
但是，在现有的电流或能量反馈激光焊接机的测量方案中，没有考虑到瞬时功率或电流的不稳定性，直接将瞬时功率或电流作为反馈源，忽略了瞬时功率和能量区别，导致控制精度不高，在电网波动较大的环境下稳定效果差，导致焊接质量不稳定，焊点一致性差，不良率高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能量反馈激光输出控制系统及其反馈测量方法，用以解决目前能量反馈激光输出系统控制精度低的技术问题。
为达到上述目的，本发明所提出的技术方案为：
本发明的一种能量反馈激光输出控制系统，其包括：一激光测量单元，所述激光测量单元包括积分电路，所述积分电路将输出的激光的瞬时功率和能量区分开来，并将一定时间内(如一个激光脉冲)的能量值反馈至控制单元。
其中，所述的激光测量单元还包括：激光采样模块，连接于所述激光采样模块输出端的光电转换电路，所述光电转换电路输出连接于所述积分电路， 积分电路输出端连接于A/D电路。
其中，所述的激光采样模块包括高透低反膜镜，所述高透低反膜镜将一部分激光能量反射至一光电传感器，另一部分透射输出。
其中，所述的光电转换电路为一光电二极管。
其中，所述的高透低反膜镜反射的激光能量为2％，透射的激光能量为98％。
其中，所述的积分电路为一反向输入型积分电路，所述反向输入型积分电路的输出端还电连接有一数据保持与输出单元。
其中，所述的激光测量单元输入端连接有一激光输出单元，所述激光输出单元输入端连接有一电光转换单元，所述电光转换单元输入端连接于控制单元，所述控制单元还电连接于供电单元，其中，所述的控制单元与激光测量单元形成反馈。
一种采用如上任意一项所述的能量反馈激光输出控制系统的反馈测量方法，其包括：将输出的激光瞬时功率采样信号进行积分，使激光的瞬时功率与能量区分的步骤。
优选的，所述将输出的激光瞬时功率采样信号进行积分，使激光的瞬时功率与能量区分的步骤之前还包括：采用高透低反膜镜对激光进行采样的步骤。
与现有技术相比，本发明的一种能量反馈激光输出控制系统，通过在反馈电路中添加积分电路，从而使激光的瞬时功率与能量分离开来，使其达到真正的能量反馈，提高了系统的控制精度和抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明的一种能量反馈激光输出控制系统的整体功能框图。
图2为本发明的一种能量反馈激光输出控制系统的激光测量单元部分功能框图。
图3为本发明的一种能量反馈激光输出控制系统的激光采样模块部分结构示意图。
图4为本发明的一种能量反馈激光输出控制系统的积分电路部分电路图。
具体实施方式
以下参考附图，对本发明予以进一步地详尽阐述。
在本实施例中，请参阅附图1至附图4，该能量反馈激光输出控制系统，其核心改进点在于，包括：一激光测量单元，激光测量单元包括积分电路，所述积分电路将输出的激光的瞬时功率和能量区分开来，并将能量值反馈至控制单元。
请再次参阅附图1，该能量反馈激光输出控制系统整体包括：为整个系统供电的供电单元1，供电单元输出电连接于控制单元2，所述控制单元2上还连接有一方便人机互动控制的人机界面6。该控制单元2的输出端电连接于电光转换单元3，所述电光转换单元3的输出端电连接于激光输出单元4。该激光输出单元4之后还设有一为反馈提供反馈信号的激光测量单元5，经所述激光测量单元5进行信号采样之后的激光输出作用于加工焊接工件。其中，所述的激光测量单元5的采样信号直接反馈至控制单元2，从而形成反馈系统，实时根据采样信号控制输出激光能量。
更具体的，请再次参阅附图2，上述的激光测量单5元还包括：激光采 样模块51，连接于所述激光采样模块51输出端的光电转换电路52，所述光电转换电路52输出连接于所述积分电路53，积分电路53输出端连接于A/D电路54。经所述A/D电路54之后形成一反馈信号反馈至控制单元2，形成一闭环反馈系统。该激光测量单元5是实现能量负反馈控制的基础，担负着将将激光输出单位时间内的能量(瞬时功率)通过电光转换器转换为电信号，再积分为一定时间(如一个脉宽)内的激光能量后实施A/D转换并反馈给控制单元的重要任务，控制单元正是以此为依据对激光输出能量进行调节，将其控制在容许的范围内。
请再次参阅附图3，上述的激光采样模块51包括高透低反膜镜511，该高透低反膜镜511将一部分激光能量反射至一光电传感器512，另一部分透射输出。其中，高透低反膜镜511反射的激光能量为2％，透射的激光能量为98％。其中，所述的光电转换电路52为一光电二极管。激光采样模块51对激光输出能量进行采样，使用光路取样法，在光路变向处，使用一高透低反膜镜511，将激光能量的2％反射到光电传感器512进行光电转换，其余98％沿光路继续传输，既不阻挡工作光路，又不占用太多的激光能量资源。在激光进入高透低反膜镜511之前还依次经过谐振腔和前镜。
请再次参阅附图4，所述的积分电路53为一反向输入型积分电路531，所述反向输入型积分电路531的输出端还电连接有一数据保持与输出单元532。积分电路53的作用，就是要将激光的瞬时功率和能量区别开来，计算一定时间内(如一个脉冲内)激光的能量，为控制器的精确控制提供数据依据。控制端连接控制单元2，由CPU控制积分电路53的起止，可以使用电光转换电路的激光脉冲驱动信号，使积分电路53的起止工作周期和激光脉冲的起止时间一致，实现对激光脉冲能量的有效测量。脉冲结束时，积分值达到最大，此最大值即为激光脉冲的相对能量。在控制器的控制下，此数被送到数据保持与输出单元缓存并反馈给控制器。
本实施例还公开了一种采用如上任意所述的能量反馈激光输出控制系统的反馈测量方法，该反馈测量方法包括：将输出的激光瞬时功率采样信号进行积分，使激光的瞬时功率与能量区分的步骤。即在能量反馈激光输出控制闭环系统中，在反馈信号采样部分采用积分电路，对采样信号进行积分，使其瞬时功率和能量区分开来，从而精确快速对系统在工作中因不稳定因素造成的扰动产生反馈，从而使系统处于更加精准稳定的工作状态。
优选的，所述将输出的激光瞬时功率采样信号进行积分，使激光的瞬时功率与能量区分的步骤之前还包括：采用高透低反膜镜对激光进行采样的步骤。采用高透低反镀膜镜是为了获取最小的激光能量作为采样信号，同时不影响整个激光的输出。
本发明的能量反馈激光输出控制系统，在测量方案中，增加积分电路，就是要将激光的瞬时输出功率和能量区别开来，计算一定时间内(如一个脉冲内)激光的能量，积分电路的积分起止由控制单元提供，可以使用电光转换电路的激光脉冲驱动信号，使积分电路的起止工作周期和激光脉冲的起止时间一致，实现对激光脉冲能量的有效测量，做到真正的能量负反馈。提高了激光输出系统的稳定性和抗干扰能力。
上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为 准。

Claims (9)

1.一种能量反馈激光输出控制系统，其特征在于，包括：一激光测量单元，所述激光测量单元包括积分电路，所述积分电路将输出的激光的瞬时功率和能量区分开来，并将能量值反馈至控制单元。
2.如权利要求1所述的能量反馈激光输出控制系统，其特征在于，所述的激光测量单元还包括：激光采样模块，连接于所述激光采样模块输出端的光电转换电路，所述光电转换电路输出连接于所述积分电路，积分电路输出端连接于A/D电路。
3.如权利要求2所述的能量反馈激光输出控制系统，其特征在于，所述的激光采样模块包括高透低反膜镜，所述高透低反膜镜将一部分激光能量反射至一光电传感器，另一部分透射输出。
4.如权利要求2所述的能量反馈激光输出控制系统，其特征在于，所述的光电转换电路为一光电二极管。
5.如权利要求3所述的能量反馈激光输出控制系统，其特征在于，所述的高透低反膜镜反射的激光能量为2％，透射的激光能量为98％。
6.如权利要求1所述的能量反馈激光输出控制系统，其特征在于，所述的积分电路为一反向输入型积分电路，所述反向输入型积分电路的输出端还电连接有一数据保持与输出单元。
7.如权利要求1所述的能量反馈激光输出控制系统，其特征在于，所述的激光测量单元输入端连接有一激光输出单元，所述激光输出单元输入端连接有一电光转换单元，所述电光转换单元输入端连接于控制单元，所述控制单元还电连接于供电单元，其中，所述的控制单元与激光测量单元形成反馈。
8.一种采用如权利要求1至7任意一项所述的能量反馈激光输出控制系统的反馈测量方法，其特征在于，包括：将输出的激光采样信号进行积分，使激光的瞬时功率与能量区分的步骤。
9.如权利要求8所述的反馈测量方法，其特征在于，所述将输出的激光采样信号进行积分，使激光的瞬时功率与能量区分的步骤之前还包括：采用高透低反膜镜对激光进行采样的步骤。
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