CN106735865A - 一种基于闭环控制的超快激光加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于闭环控制的超快激光加工系统及方法。超快激光激光系统包括：激光器；反射镜；压电陶瓷二维偏摆台，用于带动反射镜偏摆而控制激光束的指向；分光镜，用于将反射镜反射后的激光束分光，形成第一激光束和第二激光束；加工载台，设于分光镜的第一出光侧，并且第一激光束射向工件表面；光斑位置检测装置，第二激光束射向光斑位置检测装置，藉由光斑位置检测装置来检测第二激光束的光斑位置，并输出光斑位置电信号；控制器，用于接收上位机指令和光斑位置电信号，并根据上位机指令和光斑位置电信号控制激光器出射激光束的功率和控制压电陶瓷二维偏摆台的偏摆轨迹。本发明结构简单、响应速度快、加工精度高、稳定性好。

Description

一种基于闭环控制的超快激光加工系统及方法

技术领域

本发明涉及激光加工系统和方法，尤其涉及一种基于闭环控制的超快激光加工系统及方法。

背景技术

随着激光加工技术的深入发展，激光加工技术的应用领域不断拓宽，例如高精度激光加工设备、远程高能激光输送系统、空间光通信、测量设备和车机弹等运载激光系统。在超快激光加工领域中，先进的激光加工工艺是建立在激光束高精度高稳定度的扫描控制技术的基础上，但由于环境温度变化，各种原因造成的振动以及激光器指向漂移等因素影响，这些动态干扰因素所引起的光束抖动、光束漂移等光束指向性问题会影响光束扫描精度，严重时甚至会影响超快激光加工系统的实用性。且激光器及其光路传输系统在使用过程中受镜片污染，激光器自身功率漂移等众多原因，会造成激光最终输出光功率的不稳定，严重时会影响最终加工产品的质量。如在超快激光精密加工领域中，若无法保证激光光束扫描与输出光功率的精度和稳定性，会严重影响最终的加工精度和工艺效果。因此，在工业化的高精密激光微结构加工过程中，保证最终扫描轨迹和激光功率的长期稳定，对加工质量有着至关重要的影响。

在现有技术中，二维振镜和快速反射镜作为系统的执行器件，控制系统根据位置传感器反馈工件的位置信息，进而控制二维振镜或快速反射镜的X、Y两轴电机，以拖动反射镜旋转，其通过保证X、Y轴镜片的旋转轨迹的精度来确保激光光束的最终控制精度，其原理属于半闭环控制，因而无法满足高精度、高速度、长时间等激光光束高稳定性的控制需求，此外，现有技术采用二维振镜或快速反射镜作为执行器件，其存在结构复杂，响应速度慢，精度不高等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种结构简单、响应速度快、加工精度高、稳定性好的基于闭环控制的超快激光加工系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种基于闭环控制的超快激光加工系统，其包括有：一激光器，用于出射激光束；一反射镜，设于激光器的出光侧，所述反射镜用于反射激光束；一压电陶瓷二维偏摆台，用于带动反射镜偏摆而控制激光束的指向；一分光镜，设于反射镜出光侧，所述分光镜用于将反射镜反射后的激光束分光，形成第一激光束和第二激光束；一加工载台，用于承载待加工的工件，所述第一激光束射向工件表面；一光斑位置检测装置，所述第二激光束射向光斑位置检测装置，藉由所述光斑位置检测装置来检测第二激光束的光斑位置，并输出光斑位置电信号；一控制器，所述激光器、压电陶瓷二维偏摆台和光斑位置检测装置分别电性连接于控制器，所述控制器用于接收上位机指令和光斑位置电信号，并根据上位机指令和光斑位置电信号控制激光器出射激光束的功率，以及控制压电陶瓷二维偏摆台的偏摆轨迹。

优选地，所述压电陶瓷二维偏摆台包括有并行设置的第一PZT压电陶瓷块和第二PZT压电陶瓷块，所述反射镜跨设于第一PZT压电陶瓷块和第二PZT压电陶瓷块的端部，所述第一PZT压电陶瓷块和第二PZT压电陶瓷块分别电性连接于控制器，所述控制器用于向第一PZT压电陶瓷块和第二PZT压电陶瓷块加载驱动电压，并通过调整驱动电压的方向和大小而控制第一PZT压电陶瓷块和第二PZT压电陶瓷块的伸缩状态，以驱使反射镜偏摆。

优选地，所述第一PZT压电陶瓷块和第二PZT压电陶瓷块远离反射镜的一端均连接于一支撑台，所述支撑台与反射镜通过拉簧连接。

优选地，所述光斑位置检测装置包括有依次电性连接的横向效应位移传感器、信号调理单元和信号处理单元，其中：所述横向效应位移传感器用于将其感应到的激光脉冲信号转化为电流信号并传输至信号调理单元；所述信号调理单元用于对该电流信号进行I/V转换和A/D转换处理后，形成光斑位置电信号并传输至控制器。

优选地，所述压电陶瓷二维偏摆台包括有应变传感器，所述应变传感器电性连接于控制器，所述应变传感器用于感应第一PZT压电陶瓷块和第二PZT压电陶瓷块的形变而产生形变电信号，并将所述形变电信号反馈回控制器，以供控制器监测压电陶瓷二维偏摆台的偏摆轨迹。

优选地，所述控制器内置有PID算法，所述控制器接收上位机指令、光斑位置检测装置反馈的光斑位置电信号和应变传感器反馈的偏摆轨迹数据后，通过调用所述PID算法而生成用于驱动压电陶瓷二维偏摆台偏摆的控制指令。

优选地，所述第一激光束的功率大于第二激光束的功率。

一种基于闭环控制的超快激光加工方法，该方法基于一系统实现，所述系统包括有一激光器、一反射镜、一压电陶瓷二维偏摆台、一分光镜、一加工载台、一光斑位置检测装置及一控制器，所述方法包括有如下步骤：步骤S1，所述控制器接收上位机指令；步骤S2，所述控制器根据上位机指令而控制激光器按预设功率出射激光束，并控制压电陶瓷二维偏摆台带动反射镜按预设轨迹偏摆；步骤S3，所述激光器出射的激光束经反射镜传输至分光镜，通过分光镜分光后形成第一激光束和第二激光束，所述第一激光束射向工件表面，所述第二激光束射向光斑位置检测装置，所述光斑位置检测装置检测第二激光束的光斑位置，并向控制器反馈光斑位置电信号；步骤S4，所述控制器根据上位机指令和光斑位置电信号而调整压电陶瓷二维偏摆台的偏摆轨迹。

优选地，所述压电陶瓷二维偏摆台包括有应变传感器，所述应变传感器电性连接于控制器，所述应变传感器用于检测压电陶瓷二维偏摆台的偏摆轨迹数据并反馈回控制器，以供控制器监测压电陶瓷二维偏摆台的偏摆轨迹。

优选地，所述控制器内置有PID算法，所述控制器接收上位机指令、光斑位置检测装置反馈的光斑位置电信号和应变传感器反馈的偏摆轨迹数据后，通过调用所述PID算法而生成用于驱动压电陶瓷二维偏摆台偏摆的控制指令。

本发明公开的基于闭环控制的超快激光加工系统及方法中，在压电陶瓷二维偏摆台的作用下，可驱使反射镜快速偏摆，使得射向工件表面的第一激光束快速发生移位，进而形成加工轨迹，相比现有技术中采用二维振镜等驱动机构而言，本发明大大提高了反射镜驱动机构的响应速度。同时，控制器通过控制压电陶瓷二维偏摆台偏摆，使得第一激光束在工件上形成加工轨迹，而光斑位置检测装置所检测的第二激光束光斑位置数据反馈回控制器，使得控制器能够根据激光加工偏差而对压电陶瓷二维偏摆台的偏摆轨迹进行调整，从而实现了反馈式闭环回路，使得激光加工系统的加工精度更高、稳定性更好，此外，本发明结构简单、易于实现。

附图说明

图1为本发明超快激光加工系统的光路示意图。

图2为本发明超快激光加工系统的电气连接示意图。

图3为压电陶瓷二维偏摆台的结构示意图。

图4为光斑位置检测装置的电路框图。

图5为本发明超快激光加工方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。

本发明公开了一种基于闭环控制的超快激光加工系统，结合图1和图2所示，其包括有一激光器1、一反射镜2、一压电陶瓷二维偏摆台3、一分光镜4、一加工载台5、一光斑位置检测装置6及一控制器7，其中：

所述激光器1用于出射激光束；

所述反射镜2设于激光器1的出光侧，所述反射镜2用于反射激光束；

所述压电陶瓷二维偏摆台3用于带动反射镜2偏摆而控制激光束的指向；

所述分光镜4设于反射镜2出光侧，所述分光镜4用于将反射镜2反射后的激光束分光，形成第一激光束和第二激光束；

所述加工载台5用于承载待加工的工件，所述第一激光束射向工件表面；

所述光斑位置检测装置6所述第二激光束射向光斑位置检测装置6，藉由所述光斑位置检测装置6来检测第二激光束的光斑位置，并输出光斑位置电信号；

所述激光器1、压电陶瓷二维偏摆台3和光斑位置检测装置6分别电性连接于控制器7，所述控制器7用于接收上位机指令和光斑位置电信号，并根据上位机指令和光斑位置电信号控制激光器1出射激光束的功率，以及控制压电陶瓷二维偏摆台3的偏摆轨迹。

上述超快激光加工系统中，当控制器7接收到上位机指令后，根据上位机指令控制激光器1出射激光束，同时，控制器7对压电陶瓷二维偏摆台3进行控制，使得压电陶瓷二维偏摆台3带动反射镜2按上位机指令给出的预设轨迹偏摆，激光束经反射镜2传输至分光镜4，通过分光镜4分光后形成第一激光束和第二激光束，该第一激光束射向工件表面，其中，在压电陶瓷二维偏摆台3的作用下，驱使反射镜2快速偏摆，使得射向工件表面的第一激光束快速发生移位，进而形成加工轨迹，相比现有技术中采用二维振镜等驱动机构而言，本发明大大提高了反射镜2驱动机构的响应速度。经分光镜4出射的第二激光束射向光斑位置检测装置6，利用光斑位置检测装置6检测第二激光束的光斑位置，并向控制器7反馈光斑位置电信号，在激光加工的过程中，控制器7根据上位机指令和光斑位置电信号而调整压电陶瓷二维偏摆台3的偏摆轨迹，其中，控制器7通过控制压电陶瓷二维偏摆台3偏摆，使得第一激光束在工件上形成加工轨迹，而光斑位置检测装置6所检测的第二激光束光斑位置数据反馈回控制器7，使得控制器7能够根据激光加工偏差而对压电陶瓷二维偏摆台3的偏摆轨迹进行调整，从而实现了反馈式闭环回路，使得激光加工系统的加工精度更高、稳定性更好，此外，本发明结构简单、易于实现。

上述控制器7所接收的上位机指令，可来源于计算机等上位设备，比如，利用计算机规划初始偏摆轨迹、设置初始激光束功率等数据后，将这些数据以上位机指令的形式发送至控制器7，以供控制器7获得初始数据，而加工过程中，可根据光斑位置检测装置6反馈的光斑位置电信号对偏摆轨迹、激光束功率等进行实时调整，从而实现闭环控制。

请参照图3，所述压电陶瓷二维偏摆台3包括有并行设置的第一PZT压电陶瓷块30和第二PZT压电陶瓷块31，所述反射镜2跨设于第一PZT压电陶瓷块30和第二PZT压电陶瓷块31的端部，所述第一PZT压电陶瓷块30和第二PZT压电陶瓷块31分别电性连接于控制器7，所述控制器7用于向第一PZT压电陶瓷块30和第二PZT压电陶瓷块31加载驱动电压，并通过调整驱动电压的方向和大小而控制第一PZT压电陶瓷块30和第二PZT压电陶瓷块31的伸缩状态，以驱使反射镜2偏摆。

例如，所述第一PZT压电陶瓷块30的正极和第二PZT压电陶瓷块31的负极均电性连接于控制器7，所述第一PZT压电陶瓷块30的负极接地，第二PZT压电陶瓷块31的正极接110V直流电压，所述控制器7同时向第一PZT压电陶瓷块30的正极和第二PZT压电陶瓷块31的负极加载电压，利用逆压电效应使得二者同时发生伸缩变化，这种方式的优势在于，可减少控制器7的运算量并节省控制端口。

进一步地，第一PZT压电陶瓷块30和第二PZT压电陶瓷块31远离反射镜2的一端均连接于一支撑台32，所述支撑台32与反射镜2通过拉簧33连接。从而将反射镜2、第一PZT压电陶瓷块30、第二PZT压电陶瓷块31和支撑台32拉紧，使得压电陶瓷二维偏摆台3具有一定的联动性能。

本实施例中，所述压电陶瓷二维偏摆台3包括有应变传感器，所述应变传感器电性连接于控制器7，所述应变传感器用于感应第一PZT压电陶瓷块30和第二PZT压电陶瓷块31的形变而产生形变电信号，并将所述形变电信号反馈回控制器7，以供控制器7监测压电陶瓷二维偏摆台3的偏摆轨迹。

作为一种优选方式，请参照图4，所述光斑位置检测装置6包括有依次电性连接的横向效应位移传感器60、信号调理单元61和信号处理单元62，其中：

所述横向效应位移传感器60用于将其感应到的激光脉冲信号转化为电流信号并传输至信号调理单元61；

所述信号调理单元61用于对该电流信号进行I/V转换和A/D转换处理后，形成光斑位置电信号并传输至控制器7。

进一步地，所述横向效应位移传感器60是基于光生伏特器件的横向效应的传感器，是一种对入射到光敏感光面上的光电位置敏感的器件，相比于CCD，横向效应位移传感器对于光敏面接受的光斑形状没有严格的要求，同时还具有高灵敏度、高瞬态响应特性和结构紧凑等优点。

进一步地，所述控制器7内置有PID算法，所述控制器7接收上位机指令、光斑位置检测装置6反馈的光斑位置电信号和应变传感器反馈的偏摆轨迹数据后，通过调用所述PID算法而生成用于驱动压电陶瓷二维偏摆台3偏摆的控制指令。

关于PID算法的进一步解释有：所述PID算法包含对指令光斑位置与反馈光斑位置误差的比例、积分、微分调节以及速度前馈、加速度前馈、误差前馈控制，在算法输出端包含对输出的限幅保护与毛刺滤波。

作为加工激光和反馈采样激光，所述第一激光束的功率大于第二激光束的功率。

本发明还公开了一种基于闭环控制的超快激光加工方法，结合图1至图5所示，该方法基于一系统实现，所述系统包括有一激光器1、一反射镜2、一压电陶瓷二维偏摆台3、一分光镜4、一加工载台5、一光斑位置检测装置6及一控制器7，所述方法包括有如下步骤：

步骤S1，所述控制器7接收上位机指令；

步骤S2，所述控制器7根据上位机指令而控制激光器1按预设功率出射激光束，并控制压电陶瓷二维偏摆台3带动反射镜2按预设轨迹偏摆；

步骤S3，所述激光器1出射的激光束经反射镜2传输至分光镜4，通过分光镜4分光后形成第一激光束和第二激光束，所述第一激光束射向工件表面，所述第二激光束射向光斑位置检测装置6，所述光斑位置检测装置6检测第二激光束的光斑位置，并向控制器7反馈光斑位置电信号；

步骤S4，所述控制器7根据上位机指令和光斑位置电信号而调整压电陶瓷二维偏摆台3的偏摆轨迹。

为了反馈压电陶瓷二维偏摆台3的偏摆轨迹，所述压电陶瓷二维偏摆台3包括有应变传感器，所述应变传感器电性连接于控制器7，所述应变传感器用于检测压电陶瓷二维偏摆台3的偏摆轨迹数据并反馈回控制器7，以供控制器7监测压电陶瓷二维偏摆台3的偏摆轨迹。

关于数据运算部分，所述控制器7内置有PID算法，所述控制器7接收上位机指令、光斑位置检测装置6反馈的光斑位置电信号和应变传感器反馈的偏摆轨迹数据后，通过调用所述PID算法而生成用于驱动压电陶瓷二维偏摆台3偏摆的控制指令。

上述超快激光加工方法中，首先利用控制器接收上位机指令信息，以确定激光光束指向位置，结合横向效应位移传感器的光束位置反馈信号，调用数字PID算法生成压电陶瓷二维偏摆台驱动控制指令，再结合压电陶瓷二维偏摆台自带的应变传感器所反馈的信号，经过模拟PID控制算法和功率放大电路，生成压电陶瓷驱动信号，驱动压电陶瓷二维偏摆台实现姿态的变化，最终控制激光光束指向，达到控制目的。对于功率的控制，同样借助横向效应位移传感器反馈的光束功率与设定功率的差值，调用PID控制算法，通过控制器上的激光功率控制接口完成对激光器输出功率的实时监测与控制。

本发明公开的基于闭环控制的超快激光加工系统及方法中，以压电陶瓷二维偏摆台作为反射镜的驱动机构，大大提高了光束扫描的精度与速度。同时，以横向效应传感器为反馈器件的光斑位置全闭环反馈系统与功率监测控制系统，可同时实现激光光束位置和功率的实时监测与反馈。此外，以驱动控制器为核心的电路控制与驱动系统，同时实现了光束扫描控制与激光功率的高性能控制。

以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于闭环控制的超快激光加工系统，其特征在于，包括有：

一激光器(1)，用于出射激光束；

一反射镜(2)，设于激光器(1)的出光侧，所述反射镜(2)用于反射激光束；

一压电陶瓷二维偏摆台(3)，用于带动反射镜(2)偏摆而控制激光束的指向；

一分光镜(4)，设于反射镜(2)出光侧，所述分光镜(4)用于将反射镜(2)反射后的激光束分光，形成第一激光束和第二激光束；

一加工载台(5)，用于承载待加工的工件，所述第一激光束射向工件表面；

一光斑位置检测装置(6)，所述第二激光束射向光斑位置检测装置(6)，藉由所述光斑位置检测装置(6)来检测第二激光束的光斑位置，并输出光斑位置电信号；

一控制器(7)，所述激光器(1)、压电陶瓷二维偏摆台(3)和光斑位置检测装置(6)分别电性连接于控制器(7)，所述控制器(7)用于接收上位机指令和光斑位置电信号，并根据上位机指令和光斑位置电信号控制激光器(1)出射激光束的功率，以及控制压电陶瓷二维偏摆台(3)的偏摆轨迹。

2.如权利要求1所述的基于闭环控制的超快激光加工系统，其特征在于，所述压电陶瓷二维偏摆台(3)包括有并行设置的第一PZT压电陶瓷块(30)和第二PZT压电陶瓷块(31)，所述反射镜(2)跨设于第一PZT压电陶瓷块(30)和第二PZT压电陶瓷块(31)的端部，所述第一PZT压电陶瓷块(30)和第二PZT压电陶瓷块(31)分别电性连接于控制器(7)，所述控制器(7)用于向第一PZT压电陶瓷块(30)和第二PZT压电陶瓷块(31)加载驱动电压，并通过调整驱动电压的方向和大小而控制第一PZT压电陶瓷块(30)和第二PZT压电陶瓷块(31)的伸缩状态，以驱使反射镜(2)偏摆。

3.如权利要求2所述的基于闭环控制的超快激光加工系统，其特征在于，所述第一PZT压电陶瓷块(30)和第二PZT压电陶瓷块(31)远离反射镜(2)的一端均连接于一支撑台(32)，所述支撑台(32)与反射镜(2)通过拉簧(33)连接。

4.如权利要求1所述的基于闭环控制的超快激光加工系统，其特征在于，所述光斑位置检测装置(6)包括有依次电性连接的横向效应位移传感器(60)、信号调理单元(61)和信号处理单元(62)，其中：

所述横向效应位移传感器(60)用于将其感应到的激光脉冲信号转化为电流信号并传输至信号调理单元(61)；

所述信号调理单元(61)用于对该电流信号进行I/V转换和A/D转换处理后，形成光斑位置电信号并传输至控制器(7)。

5.如权利要求1所述的基于闭环控制的超快激光加工系统，其特征在于，所述压电陶瓷二维偏摆台(3)包括有应变传感器，所述应变传感器电性连接于控制器(7)，所述应变传感器用于感应第一PZT压电陶瓷块(30)和第二PZT压电陶瓷块(31)的形变而产生形变电信号，并将所述形变电信号反馈回控制器(7)，以供控制器(7)监测压电陶瓷二维偏摆台(3)的偏摆轨迹。

6.如权利要求5所述的基于闭环控制的超快激光加工系统，其特征在于，所述控制器(7)内置有PID算法，所述控制器(7)接收上位机指令、光斑位置检测装置(6)反馈的光斑位置电信号和应变传感器反馈的偏摆轨迹数据后，通过调用所述PID算法而生成用于驱动压电陶瓷二维偏摆台(3)偏摆的控制指令。

7.如权利要求1所述的基于闭环控制的超快激光加工系统，其特征在于，所述第一激光束的功率大于第二激光束的功率。

8.一种基于闭环控制的超快激光加工方法，其特征在于，该方法基于一系统实现，所述系统包括有一激光器(1)、一反射镜(2)、一压电陶瓷二维偏摆台(3)、一分光镜(4)、一加工载台(5)、一光斑位置检测装置(6)及一控制器(7)，所述方法包括有如下步骤：

步骤S1，所述控制器(7)接收上位机指令；

步骤S2，所述控制器(7)根据上位机指令而控制激光器(1)按预设功率出射激光束，并控制压电陶瓷二维偏摆台(3)带动反射镜(2)按预设轨迹偏摆；

步骤S3，所述激光器(1)出射的激光束经反射镜(2)传输至分光镜(4)，通过分光镜(4)分光后形成第一激光束和第二激光束，所述第一激光束射向工件表面，所述第二激光束射向光斑位置检测装置(6)，所述光斑位置检测装置(6)检测第二激光束的光斑位置，并向控制器(7)反馈光斑位置电信号；

步骤S4，所述控制器(7)根据上位机指令和光斑位置电信号而调整压电陶瓷二维偏摆台(3)的偏摆轨迹。

9.如权利要求8所述的基于闭环控制的超快激光加工方法，其特征在于，所述压电陶瓷二维偏摆台(3)包括有应变传感器，所述应变传感器电性连接于控制器(7)，所述应变传感器用于检测压电陶瓷二维偏摆台(3)的偏摆轨迹数据并反馈回控制器(7)，以供控制器(7)监测压电陶瓷二维偏摆台(3)的偏摆轨迹。

10.如权利要求9所述的基于闭环控制的超快激光加工方法，其特征在于，所述控制器(7)内置有PID算法，所述控制器(7)接收上位机指令、光斑位置检测装置(6)反馈的光斑位置电信号和应变传感器反馈的偏摆轨迹数据后，通过调用所述PID算法而生成用于驱动压电陶瓷二维偏摆台(3)偏摆的控制指令。