CN109822228A - 一种智能光纤激光切割系统及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能光纤激光切割系统及其应用方法，系统包括光纤激光器、激光输出光纤、激光切割头、切割头运动控制设备、光电探测器、主控单元；方法为切割作业过程中如果纤芯回返光时序特性呈连续分布则增加激光切割头的移动速度，如果纤芯回返光出现明显的脉冲特性则减少激光切割头的移动速度。本发明智能光纤激光切割系统实现了基于纤芯回返光实现自动调整切割速度的闭环控制的硬件条件，本发明智能光纤激光切割系统的应用方法通过测量激光器在切割材料过程中产生的纤芯回返光功率时序特性，自动调整切割速度，实现最佳的材料切割效果和切割效率。

Description

一种智能光纤激光切割系统及其应用方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种智能光纤激光切割系统及其应用方法。

背景技术

光纤激光器具有光束质量高、热管理方便、环境适应性强等优点，被广泛应用于现代工业加工技术中。光纤激光切割系统的切割速度将直接决定材料的切割效果和切割效率，这表现为以下两个方面：（1）当实际切割速度大于最优速度时，会导致激光无法穿透加工材料，在材料表面形成缺陷，而加工材料表面产生的回返光将可能损坏高功率光纤激光器。此外，激光切割系统的速度也需要根据激光器功率、加工材料本身的材质、厚度而改变。（2）实际切割速度小于最优速度会降低激光切割效率。因此，如何优化切割速度，在实现最佳的材料切割效果的同时保证最优的切割效率，是光纤激光切割系统需要解决的核心技术问题。

现有的光纤激光切割系统不具备智能调节切割速度的功能，只能根据切割效果人工调节切割速度。这一过程不仅需要根据不同的光纤激光器和加工材料进行单独调试，而且在调试过程中容易出现材料无法穿透的现象，给光纤激光器带来严重风险。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种智能光纤激光切割系统及其应用方法，本发明智能光纤激光切割系统实现了基于纤芯回返光来自动调整切割速度的闭环控制的硬件条件，本发明智能光纤激光切割系统的应用方法通过测量激光器在切割材料过程中产生的纤芯回返光功率时序特性，自动调整切割速度，实现最佳的材料切割效果和切割效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种智能光纤激光切割系统，包括：

光纤激光器，用于产生高功率激光以及接收纤芯回返光；

激光输出光纤，用于传输光纤激光器产生的高功率激光以及返回至光纤激光器的纤芯回返光；

激光切割头，用于将高功率激光聚焦于待加工材料表面进行切割作业；

切割头运动控制设备，用于固定激光切割头并控制其移动速度；

光电探测器，用于检测纤芯回返光；

主控单元，用于采集纤芯回返光并控制切割头运动控制设备；

所述光纤激光器通过激光输出光纤和激光切割头相连，所述激光切割头安装在切割头运动控制设备上，所述光电探测器安装在光纤激光器上，且所述光电探测器的输出端和主控单元的输入端相连，所述主控单元的输出端和切割头运动控制设备的控制端相连。

可选地，所述激光输出光纤为双包层光纤。

本发明还提供一种前述智能光纤激光切割系统的应用方法，在待加工材料表面进行切割作业过程中主控单元控制切割头运动控制设备的步骤包括：

1）检测纤芯回返光，判断纤芯回返光的时序特性是否出现明显脉冲特性，如果纤芯回返光未出现明显脉冲特性，则跳转执行步骤2）；否则跳转执行步骤3）；

2）控制切割头运动控制设备增加激光切割头的移动速度，跳转执行步骤1）；

3）控制切割头运动控制设备减少激光切割头的移动速度，跳转执行步骤1）。

可选地，所述明显脉冲特性是指同时满足下述三个条件：条件①、指定周期内检测到脉冲信号的数量大于预设阈值；条件②、脉冲信号的3dB脉宽在预设范围内；条件③、脉冲信号的脉冲峰值强度大于或等于连续基底的指定倍数。

可选地，条件①具体是指1秒内内检测到脉冲信号的数量大于10个。

可选地，条件②具体是指脉冲信号的3dB脉宽在1ms至10ms之间。

可选地，条件③具体是指脉冲信号的脉冲峰值强度大于或等于连续基底的1.5倍。

和现有技术相比，本发明的智能光纤激光切割系统具有下述优点：本发明包括光纤激光器、激光输出光纤、激光切割头、切割头运动控制设备、光电探测器、主控单元，光纤激光器通过激光输出光纤和激光切割头相连，所述激光切割头安装在切割头运动控制设备上，所述光电探测器安装在光纤激光器上，且所述光电探测器的输出端和主控单元的输入端相连，所述主控单元的输出端和切割头运动控制设备的控制端相连，实现了基于纤芯回返光实现自动调整切割速度的闭环控制的硬件条件，以此作为基础，可以实现基于纤芯回返光实现自动调整切割速度的闭环控制，兼容各种不同的闭环控制算法。

和现有技术相比，本发明的智能光纤激光切割系统的应用方法具有下述优点：本发明在待加工材料表面进行切割作业过程中，如果纤芯回返光时序特性未出现明显的脉冲特性则控制切割头运动控制设备增加激光切割头的移动速度，如果纤芯回返光出现明显的脉冲特性则控制切割头运动控制设备减少激光切割头的移动速度。通过测量激光器在切割材料过程中产生的纤芯回返光功率时序特性，自动调整切割速度，实现最佳的材料切割效果和切割效率。

附图说明

图1为本发明实施例的智能光纤激光切割系统结构示意图。

图例说明：1、光纤激光器；2、激光输出光纤；3、激光切割头；4、切割头运动控制设备；5、光电探测器；6、主控单元；7、高功率激光；8、待加工材料。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的智能光纤激光切割系统包括：

光纤激光器1，用于产生高功率激光（图1中记为7）以及接收纤芯回返光；

激光输出光纤2，用于传输光纤激光器1产生的高功率激光以及返回至光纤激光器1的纤芯回返光；

激光切割头3，用于将高功率激光聚焦于待加工材料（图1中记为8）表面进行切割作业；

切割头运动控制设备4，用于固定激光切割头3并控制其移动速度；

光电探测器5，用于检测纤芯回返光；

主控单元6，用于采集纤芯回返光并控制切割头运动控制设备4；

光纤激光器1通过激光输出光纤2和激光切割头3相连，激光切割头3安装在切割头运动控制设备4上，光电探测器5安装在光纤激光器1上，且光电探测器5的输出端和主控单元6的输入端相连，主控单元6的输出端和切割头运动控制设备4的控制端相连。

本实施例中，激光输出光纤2为双包层光纤。

在待加工材料表面进行切割作业时，光纤激光器1产生的高功率激光（图1中记为7）依次通过激光输出光纤2、激光切割头3聚焦于待加工材料（图1中记为8）表面进行切割作业，同时切割时被加工材料表面反射的纤芯回返光通过激光切割头3耦合进入激光输出光纤2的纤芯而最终反向传输至光纤激光器1内部被光电探测器5采集得到，光电探测器5将采集得到的纤芯回返光输出给主控单元6，以便主控单元6根据内部预设的闭环控制算法来控制切割头运动控制设备4，从而实现对激光切割头3的运动控制。

本实施例智能光纤激光切割系统的应用方法是指通过测量激光器在切割材料过程中产生的纤芯回返光功率时序特性，自动优化切割速度，实现最佳的材料切割效果和切割效率。具体地，在待加工材料表面进行切割作业过程中主控单元6控制切割头运动控制设备4的步骤包括：

1）检测纤芯回返光，判断纤芯回返光的时序特性是否出现明显脉冲特性，如果纤芯回返光未出现明显脉冲特性，则跳转执行步骤2）；否则跳转执行步骤3）；

2）控制切割头运动控制设备4增加激光切割头3的移动速度，跳转执行步骤1）；

3）控制切割头运动控制设备4减少激光切割头3的移动速度，跳转执行步骤1）。

本实施例中，明显脉冲特性是指同时满足下述三个条件：条件①、指定周期内检测到脉冲信号的数量大于预设阈值；条件②、脉冲信号的3dB脉宽在预设范围内；条件③、脉冲信号的脉冲峰值强度大于或等于连续基底的指定倍数。

本实施例中，条件①具体是指1秒内内检测到脉冲信号的数量大于10个。

本实施例中，条件②具体是指脉冲信号的3dB脉宽在1ms至10ms之间。

本实施例中，条件③具体是指脉冲信号的脉冲峰值强度大于或等于连续基底的1.5倍。

上述条件①～条件③的取值仅仅是本实施例的优选经验值。毫无疑问，本领域技术人员也可以根据需要对上述经验值进行适当变化，其同样能够实现本实施例智能光纤激光切割系统的应用方法，并在某种程度上达到优化切割速度提高切割质量的效果。

采用本实施例智能光纤激光切割系统的应用方法，可以根据纤芯回返光功率的时序特性，自动调节切割速度，实现智能优化切割工艺。对应地，本实施例的主控单元6被编程以执行前述控制切割头运动控制设备4的步骤1）～3）。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种智能光纤激光切割系统，其特征在于包括：

光纤激光器（1），用于产生高功率激光以及接收纤芯回返光；

激光输出光纤（2），用于传输光纤激光器（1）产生的高功率激光以及返回至光纤激光器（1）的纤芯回返光；

激光切割头（3），用于将高功率激光聚焦于待加工材料表面进行切割作业；

切割头运动控制设备（4），用于固定激光切割头（3）并控制其移动速度；

光电探测器（5），用于检测纤芯回返光；

主控单元（6），用于采集纤芯回返光并控制切割头运动控制设备（4）；

所述光纤激光器（1）通过激光输出光纤（2）和激光切割头（3）相连，所述激光切割头（3）安装在切割头运动控制设备（4）上，所述光电探测器（5）安装在光纤激光器（1）上，且所述光电探测器（5）的输出端和主控单元（6）的输入端相连，所述主控单元（6）的输出端和切割头运动控制设备（4）的控制端相连。

2.根据权利要求1所述的智能光纤激光切割系统，其特征在于：所述激光输出光纤（2）为双包层光纤。

3.一种权利要求1或2所述的智能光纤激光切割系统的应用方法，其特征在于，在待加工材料表面进行切割作业过程中主控单元（6）控制切割头运动控制设备（4）的步骤包括：

1）检测纤芯回返光，判断纤芯回返光的时序特性是否出现明显脉冲特性，如果纤芯回返光未出现明显脉冲特性，则跳转执行步骤2）；否则跳转执行步骤3）；

2）控制切割头运动控制设备（4）增加激光切割头（3）的移动速度，跳转执行步骤1）；

3）控制切割头运动控制设备（4）减少激光切割头（3）的移动速度，跳转执行步骤1）。

4.根据权利要求3所述的智能光纤激光切割系统的应用方法，其特征在于，所述明显脉冲特性是指同时满足下述三个条件：条件①、指定周期内检测到脉冲信号的数量大于预设阈值；条件②、脉冲信号的3dB脉宽在预设范围内；条件③、脉冲信号的脉冲峰值强度大于或等于连续基底的指定倍数。

5.根据权利要求4所述的智能光纤激光切割系统的应用方法，其特征在于，条件①具体是指1秒内内检测到脉冲信号的数量大于10个。

6.根据权利要求4所述的智能光纤激光切割系统的应用方法，其特征在于，条件②具体是指脉冲信号的3dB脉宽在1ms至10ms之间。

7.根据权利要求4所述的智能光纤激光切割系统的应用方法，其特征在于，条件③具体是指脉冲信号的脉冲峰值强度大于或等于连续基底的1.5倍。