CN108057953A - 一种激光加工系统及激光能量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种激光能量控制方法及激光加工系统，其中，系统包括激光功率输出模块、光束分离器、光电探测器、功率控制模块及人机交互模块。激光功率输出模块接收开关控制信号和电压模拟量控制信号以调制激光的输出功率；光束分离器将激光光束分为两束，将能量占比大的光束出射至待加工工件；光电探测器将采集的能量占比小的光束的光脉冲信息转化为电信号，当检测当前输出功率发生改变时，将电信号发送至功率控制模块；功率控制模块包括能量控制器和运动控制器，能量控制器根据运动控制器发送的能量目标值、电信号与用户通过人机交互模块输入的配置参数，实时计算控制电压。本申请实现了激光输出功率的实时控制，提高了激光加工的稳定性。

Description

一种激光加工系统及激光能量控制方法

技术领域

本发明实施例涉及激光技术领域，特别是涉及一种激光加工系统及激光能量控制方法。

背景技术

激光加工机为将从激光器发射出的激光，经光路系统，聚焦成高功率密度的激光束。激光束照射到工件表面，使工件达到熔点或沸点，同时与光束同轴的高压气体将熔化或气化金属吹走。随着光束与工件相对位置的移动，最终使材料形成切缝，从而达到加工的目的。

激光加工用不可见的光束代替了传统的机械刀，具有精度高，操作快速，不局限于加工图案的限制，自动排版节省材料，加工成本低等特点，将逐渐改进或取代于传统的金属加工工艺设备。激光刀头的机械部分与工件无接触，在工作中不会对工件表面造成划伤；工作效率高，无需后续加工；热影响区小，板材变形小，切缝窄(0.1～0.3mm)；加工完成的工件没有机械应力，无剪切毛刺；加工精度高，重复性好，不损伤材料表面；数控编程，可加工任意的平面图，可以对幅面很大的整板进行加工，无需开模具，经济省时。

现有技术中，在对材料进行加工过程中，无任何能量测量功能，只是在月度保养或维修过程中对功率进行测量。激光加工设备标配能量探头，加工一段时间后，系统提示测量激光能量，如果发现能量下降或衰减，就进行光路维护保养，或微调加工工艺参数进行弥补，比如提高加工次数，提供能力，降低扫描速度等；或者是在每加工完一片料后，测量一次能量，如果发现能量下降，软件自动进行一定补偿，补偿量超出一定范围后，提示要求对机台保养。

激光加工设备在工件加工过程中，光束经透镜聚焦成一个很小的焦点，使焦点处达到高的功率密度，而功率密度直接决定加工的深度，从而直接影响材料加工的质量。现有技术无法在加工过程中，对激光能量进行监控和纠正，如果在加工过程中出现能量的波动或者能量衰减，会导致加工结果与预期不同，加工质量出现问题。

鉴于此，如何实现激光加工过程中，对激光能量进行实时控制，以提高激光加工的稳定性，保证材料加工质量，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种激光加工系统及激光能量控制方法，以控制激光加工过程中功率的输出，提高了激光加工的稳定性，保证了材料加工质量。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例一方面提供了一种激光加工系统，包括：

激光功率输出模块、光束分离器、光电探测器、功率控制模块及人机交互模块；

所述激光功率输出模块用于接收所述功率控制模块发送的开关控制信号和电压模拟量控制信号，以同步和调制激光的输出功率；

所述光束分离器用于将所述激光功率输出模块输出的激光光束，按照预设能量比例分成两束，将能量占比大的第一光束出射至待加工工件，能量占比小的第二光束入射至所述光电探测器；

所述光电探测器用于将采集的所述第二光束的光脉冲信息转化为电信号，并将所述电信号发送至所述功率控制模块；

所述功率控制模块包括能量控制器和运动控制器，用于将电平信号作为开关控制信号，及根据控制电压转化的电压模拟量控制信号发送至所述激光功率输出模块；所述运动控制器将所述待加工工件需求的能量目标值发送至所述能量控制器；所述能量控制器根据所述能量目标值、所述电信号与用户输入的配置参数，实时计算控制电压；

所述人机交互模块用于与所述功率控制模块进行数据交互。

可选的，所述激光功率输出模块包括脉冲激光器，所述脉冲激光器通过所述功率控制模块发送的开关控制信号和电压模拟量控制信号进行功率的实时调制，以输出所述待加工工件所需功率。

可选的，所述激光功率输出模块包括脉冲激光器和声光调制器；

所述声光调制器通过利用所述功率控制模块发送的电压模拟量控制信号对施加的电压进行调制，将接收所述脉冲激光器发射的脉冲激光光束，转化为不同光强度的一级衍射光束，并将所述一级衍射光束入射至所述光束分离器。

可选的，所述光束分离器按照1：99将所述激光光束分成两束，将能量占比为99％的第一光束反射至待加工工件，将能量占比为1％的第二光束入射至所述光电探测器。

可选的，所述脉冲激光器的波长为355nm、平均功率为11w、脉冲频率为40kHz-90kHz、单脉冲能量为275μj。

可选的，所述人机交互模块还包括显示器，用于向用户展示当前输出的激光功率及所述待加工工件的加工状态。

可选的，所述开关控制信号为TTL电平信号。

可选的，还包括：

报警器，用于当检测当前输出功率超过预设阈值范围时，进行报警。

可选的，所述功率控制模块还包括滤波器。

本发明实施例另一方面提供了一种激光能量控制方法，包括：

获取用户通过人机交互模块输入的配置参数，运动控制器发送的待加工工件需求的能量目标值、及光电探测器发送的功率信息；

根据所述配置参数、所述能量目标值及所述功率信息实时计算控制电压，并将所述控制电压转化为电压模拟量控制信号，所述电压模拟量控制信号用于控制调节激光的输出功率。

本发明实施例提供了一种激光加工系统，包括激光功率输出模块、光束分离器、光电探测器、功率控制模块及人机交互模块。激光功率输出模块用于接收功率控制模块发送的开关控制信号和电压模拟量控制信号，以调制激光的输出功率；光束分离器用于将激光功率输出模块输出的激光光束，按照预设能量比例分成两束，将能量占比大的第一光束出射至待加工工件，能量占比小的第二光束入射至光电探测器；光电探测器用于将采集的第二光束的光脉冲信息转化为电信号，当检测当前输出功率发生改变时，将电信号发送至功率控制模块；功率控制模块包括能量控制器和运动控制器，用于将电平信号作为开关控制信号，及根据控制电压转化的电压模拟量控制信号发送至激光功率输出模块；运动控制器将待加工工件需求的能量目标值发送至能量控制器；能量控制器根据能量目标值、电信号与用户输入的配置参数，实时计算控制电压；人机交互模块用于与功率控制模块进行数据交互。

本申请提供的技术方案的优点在于，通过检测当前输出激光能量的波动，利用能量控制器根据能量目标值、能量波动信息与配置参数实时计算得到控制电压，对激光输出功率进行实时的能量补偿，从而实现在激光加工过程中，对激光功率输出模块输出的激光功率进行实时调制，准确输出加工材料所需的激光能量，有效的避免了加工过程中能量产生波动或能力衰减导致加工质量问题，提高了激光加工的稳定性，保证材料加工质量。

此外，本发明实施例还针对激光加工系统提供了相对应的激光能量控制方法，进一步使得所述激光加工系统更具有可行性，所述方法具有相应的优点。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的激光加工系统的一种具体实施方式结构框图；

图2为本发明实施例提供的激光加工系统的另一种具体实施方式结构图；

图3为本发明实施例提供的激光加工系统的再一种具体实施方式结构图；

图4为本发明实施例提供的一种激光能量控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

在介绍了本发明实施例的技术方案后，下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。

首先请参见图1，图1为本发明实施例提供的激光加工系统在一种具体实施方式下的结构框图，本发明实施例可包括以下内容：

激光加工系统可包括激光功率输出模块1、光束分离器2、光电探测器3、功率控制模块4及人机交互模块5。

激光功率输出模块1用于接收功率控制模块4发送的开关控制信号和电压模拟量控制信号，以同步和调制激光的输出功率。

在一种具体的实施方式中，请参阅图2，激光功率输出模块1可包括脉冲激光器和声光调制器。

声光调制器通过利用功率控制模块发送的电压模拟量控制信号对施加的电压进行调制，将接收脉冲激光器发射的脉冲激光光束，转化为不同光强度的一级衍射光束，并将一级衍射光束入射至光束分离器。

也就是说，采用光通过受到超声波扰动的介质时会发生衍射的原理，可使用声光调制器以一个角度入射，通过施加不同的电压，获得不同光强度的一级衍射光束。当声光调制器施加的电压为0～1V，输入电压为1V时，一级衍射光的效率最大，衍射效率约90％，如果电压为0V时，完全不衍射激光，相当于关断激光，如果控制电压设置为0V～1V中的某个值时，激光衍射的功率值会存在唯一的对应值，当将衍射得到的光束发射至待加工工件上，便可通过调节控制电压的大小，从而实现激光功率的调节。其中，零级光束可通过带扇热器的单片吸收。

在一种具体的实施方式中，脉冲激光器的波长可为355nm、平均功率为11w、脉冲频率可为40kHz-90kHz、单脉冲能量可为275μj。当然，脉冲激光器的波长、平均功率、脉冲频率、单脉冲能量并不限于上述情况，脉冲激光器可以为任何参数下激光器，本申请对此不做任何限定。

由于声光调制器在衍射时，不可能将激光器出射的激光能量完全进行衍射，最大只有90％的衍射效率，至上会丢失原激光出射能量的10％，造成能量的损失，且增加声光调制器会增加整个激光加工系统的复杂度和调试难度。

优选的，在另外一种实施方式下，请参阅图3，激光功率输出模块1可仅包括脉冲激光器，脉冲激光器通过功率控制模块发送的开关控制信号和电压模拟量控制信号进行功率的实时调制，以输出待加工工件所需功率。

优选的，脉冲激光器的波长可为355nm、平均功率为11w、脉冲频率可为40kHz-90kHz、单脉冲能量可为275μj。当然，脉冲激光器的波长、平均功率、脉冲频率、单脉冲能量并不限于上述情况，脉冲激光器可以为任何参数下激光器，本申请对此不做任何限定。

相比上述实施例而言，整个光路系统取消了声光调制器，能量控制器直接发送电压模拟量控制信号和开关控制信号发送给脉冲激光器，调制激光器的控制电压或控制频率。整个系统更为简洁，稳定性更高，光学系统维护更简单；能量得到充分的应用，节约了10％的能量。

光束分离器2用于将激光功率输出模块输出的激光光束，按照预设能量比例分成两束，将能量占比大的第一光束出射至待加工工件，能量占比小的第二光束入射至光电探测器。

光束分离器2也可为分束器，或者分光镜片。可选的，光束分离器2可按照1：99将激光光束分成两束，将能量占比为99％的第一光束反射至加工台面上的待加工工件，将能量占比为1％的第二光束入射至光电探测器3。

光电探测器3用于将采集的第二光束的光脉冲信息转化为电信号，将电信号发送至功率控制模块。

利用光电探测器3实时检测经光束分离器2将激光功率输出模块1输出的激光光束分出的少量能量，以作为检测激光功率输出模块1当前输出功率是否发生波动，从而实现及时进行能量补偿。

光电探测器3可测激光光束的单个脉冲信息，例如单脉冲能量、激光脉冲宽度等，光电探测器3主要用于探测各个脉冲能量的波动情况，波动情况通过电信号发送到功率控制模块4中的能量控制器进行数据计算和反馈。电信号携带当前输出能量的波动信息。

功率控制模块4包括能量控制器和运动控制器，用于将电平信号作为开关控制信号，及根据控制电压转化的电压模拟量控制信号发送至激光功率输出模块；运动控制器将待加工工件需求的能量目标值发送至能量控制器；能量控制器根据能量目标值、电信号与用户输入的配置参数，实时计算控制电压；

现有技术中采用电脑进行计算和控制，但是由于Windows系统为非实时性系统，所以不能满足的激光能量实时性控制要求。可采用高性能处理器对能量相关的数据进行采集、统计、计算和反馈。

为了实现钻孔加工和能量控制同步和做相应的控制，能量控制器和运动控制器可通过两路信号实现，一路为TTL电平信号(开关控制信号)，负责开关控制；一路为模拟量控制，由运动控制器传输能量目标值给能量控制器，能量控制器发出相应的控制电压给声光调制器(或脉冲激光器)，声光调制器(或脉冲激光器)根据能量目标值控制控制能量。

在检测到当前激光输出能量发生波动时，可根据能量目标值、电信号(携带有能量波动信息)与用户输入的配置参数，实时计算控制电压，以作为能量补偿，从而实时对能量进行控制。

可选的，功率控制模块还包括滤波器。能量目标值为一个稳定的大小，由模拟量控制，为了滤除信号传输干扰，可采用低通滤波器，保证能量目标值为稳定的。

人机交互模块5用于与功率控制模块4进行数据交互。用户通过人机交互模块5写入能量控制器的配置参数、更改能量计算算法等，或者根据待加工工件的材料信息输入相应的工艺设定参数以及相应的工艺流程；功率控制模块4中的能量控制器可将各种数据和状态发送至人机交互模块。可选的，人机交互模块5可为智能移动终端，利用工控电脑PC等。人机交互模块5与功率控制模块4可通过USB进行连接。

能量控制器将各种数据和状态也会非实时性地发送到电脑上，进行显示，提示或报警，故人机交互模块5还可包括显示器，用于向用户展示当前输出的激光功率及待加工工件的加工状态；还可包括报警器，用于当检测当前输出功率超过预设阈值范围时，进行报警。

在本发明实施例提供的技术方案中，通过检测当前输出激光能量的波动，利用能量控制器根据能量目标值、能量波动信息与配置参数实时计算得到控制电压，从而实现在激光加工过程中，对激光功率输出模块输出的激光功率进行实时调制，准确输出加工材料所需的激光能量，有效的避免了加工过程中能量产生波动或能力衰减导致加工质量问题，提高了激光加工的稳定性，保证材料加工质量。

本发明实施例还针对激光加工系统提供了相对应的激光能量控制方法，进一步使得所述系统更具有可行性。下面对本发明实施例提供的激光能量控制方法进行介绍，下文描述的激光能量控制方法与上文描述的激光加工系统可相互对应参照。

参见图4，图4为本发明实施例提供的一种激光能量控制方法的流程示意图，该方法可包括：

S401：获取用户通过人机交互模块输入的配置参数，运动控制器发送的待加工工件需求的能量目标值、及光电探测器发送的功率信息。

S402：根据配置参数、能量目标值及功率信息实时计算控制电压，并将控制电压转化为电压模拟量控制信号，电压模拟量控制信号用于控制调节激光的输出功率。

本发明实施例所述激光能量控制方法，可根据上述激光加工系统的各功能模块功能的具体实现，其具体实现过程可以参照上述系统实施例的相关描述，此处不再赘述。

由上可知，本发明实施例通过检测当前输出激光能量的波动，利用能量控制器根据能量目标值、能量波动信息与配置参数实时计算得到控制电压，从而实现在激光加工过程中，对激光功率输出模块输出的激光功率进行实时调制，准确输出加工材料所需的激光能量，有效的避免了加工过程中能量产生波动或能力衰减导致加工质量问题，提高了激光加工的稳定性，保证材料加工质量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种激光加工系统及激光能量控制方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光加工系统，其特征在于，包括：

激光功率输出模块、光束分离器、光电探测器、功率控制模块及人机交互模块；

所述激光功率输出模块用于接收所述功率控制模块发送的开关控制信号和电压模拟量控制信号，以同步和调制激光的输出功率；

所述光束分离器用于将所述激光功率输出模块输出的激光光束，按照预设能量比例分成两束，将能量占比大的第一光束出射至待加工工件，能量占比小的第二光束入射至所述光电探测器；

所述光电探测器用于将采集的所述第二光束的光脉冲信息转化为电信号，并将所述电信号发送至所述功率控制模块；

所述功率控制模块包括能量控制器和运动控制器，用于将电平信号作为开关控制信号，及根据控制电压转化的电压模拟量控制信号发送至所述激光功率输出模块；所述运动控制器将所述待加工工件需求的能量目标值发送至所述能量控制器；所述能量控制器根据所述能量目标值、所述电信号与用户输入的配置参数，实时计算控制电压；

所述人机交互模块用于与所述功率控制模块进行数据交互。

2.根据权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述激光功率输出模块包括脉冲激光器，所述脉冲激光器通过所述功率控制模块发送的开关控制信号和电压模拟量控制信号进行功率的实时调制，以输出所述待加工工件所需功率。

3.根据权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述激光功率输出模块包括脉冲激光器和声光调制器；

所述声光调制器通过利用所述功率控制模块发送的电压模拟量控制信号对施加的电压进行调制，将接收所述脉冲激光器发射的脉冲激光光束，转化为不同光强度的一级衍射光束，并将所述一级衍射光束入射至所述光束分离器。

4.根据权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，所述光束分离器按照1：99将所述激光光束分成两束，将能量占比为99％的第一光束反射至待加工工件，将能量占比为1％的第二光束入射至所述光电探测器。

5.根据权利要求2所述的激光加工系统，其特征在于，所述脉冲激光器的波长为355nm、平均功率为11w、脉冲频率为40kHz-90kHz、单脉冲能量为275μj。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的激光加工系统，其特征在于，所述人机交互模块还包括显示器，用于向用户展示当前输出的激光功率及所述待加工工件的加工状态。

7.根据权利要求6所述的激光加工系统，其特征在于，所述开关控制信号为TTL电平信号。

8.根据权利要求7所述的激光加工系统，其特征在于，还包括：

报警器，用于当检测当前输出功率超过预设阈值范围时，进行报警。

9.根据权利要求8所述的激光加工系统，其特征在于，所述功率控制模块还包括滤波器。

10.一种激光能量控制方法，其特征在于，包括：

获取用户通过人机交互模块输入的配置参数，运动控制器发送的待加工工件需求的能量目标值、及光电探测器发送的功率信息；

根据所述配置参数、所述能量目标值及所述功率信息实时计算控制电压，并将所述控制电压转化为电压模拟量控制信号，所述电压模拟量控制信号用于控制调节激光的输出功率。