CN110299667A - 激光器恒功率输出的控制装置及激光加工设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光器恒功率输出的控制装置及激光加工设备。该控制装置通过激光器发射激光束，功率检测模块对激光束的单脉冲能量信号值进行快速检测，功率校正模块根据单脉冲能量信号值和预设激光功率值获得功率校正值，由此根据功率校正值控制激光器输出恒定功率的激光束。在检测过程中单脉冲能量信号值能够反映各个时间点的脉冲激光能量，由此提高探测的准确性。整个控制过程简单快速，能够实现激光器快速精准稳定功率输出的功能。
Description
技术领域
本发明涉及激光器控制领域，特别是涉及一种激光器恒功率输出的控制装置及激光加工设备。
背景技术
随着激光技术的发展，激光加工的应用领域越来越广，同时对激光加工的精细、精确的加工要求也越来越高，因此对激光器输出功率的稳定性的要求也越来越高。然而，在激光器的使用过程中，激光功率随着使用时间可能出现不同程度的功率衰减，以及一些其他的不稳定因素。恒功率输出成为激光器一项重要的性能指标。
示例性的恒功率输出的控制方式一般以探测的平均功率值作为反馈信号进行调整，调节过程缓慢且易于受到干扰，因此只能较粗糙的对输出功率进行调节，功率的输出仍然存在不稳定的情况。这在快速的激光加工工艺中，对工艺效果，如均匀性、一致性的影响是很大的。
发明内容
基于此，有必要针对示例性的激光器恒功率输出的控制方式存在的调节过程缓慢、功率输出仍然不稳定的问题，提供一种激光器恒功率输出的控制装置及激光加工设备。
为了实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：
一种激光器恒功率输出的控制装置，包括：
激光器，用于发射激光束；
功率检测模块，用于检测所述激光束的单脉冲能量信号值；
功率校正模块，连接所述功率检测模块，用于根据所述单脉冲能量信号值和预设激光功率值获得功率校正值，并根据所述功率校正值控制所述激光器输出恒定功率的激光束。
在其中一个实施例中，所述控制装置还包括：
显示模块，连接所述功率校正模块，用于向所述功率校正模块输出预设激光功率值；还用于显示所述功率校正模块反馈的单脉冲能量信号值，监测所述激光器的输出功率。
在其中一个实施例中，所述功率校正模块包括：
第一运算单元，连接所述功率检测模块，用于对输入的所述单脉冲能量信号值进行第一倍数运算并输出第一功率运算值；
第二运算单元，连接所述第一运算单元，用于对所述第一功率运算值进行第二倍数运算并输出第二功率运算值；
控制单元，分别连接所述第二运算单元和所述显示模块，用于将接收的所述第二功率运算值进行模数转换并输出至所述显示模块，还用于接收所述显示模块输出的预设激光功率值；
第三运算单元，连接所述控制单元，用于对所述预设激光功率值进行第三倍数运算，并输出第三功率运算值；
比较单元，分别连接所述第一运算单元和所述第三运算单元，用于根据所述第一功率运算值和所述第三功率运算值获得功率校正值。
在其中一个实施例中，所述第一运算单元包括：
运算放大器A1、电阻R1、电阻R2、电阻R3；
所述电阻R1的第一端连接所述功率检测模块，所述电阻R1的第二端连接所述运算放大器A1的同相输入端，所述运算放大器A1的反相输入端、所述电阻R2的第一端以及所述电阻R3的第一端共接，所述电阻R2的第二端接地，所述电阻R3的第二端和所述运算放大器A1的输出端共接以分别连接所述第三运算单元和所述比较单元。
在其中一个实施例中，所述第二运算单元包括：
运算放大器A2、电阻R4、电阻R5、电阻R6以及电阻R7；
所述电阻R4的第一端连接所述第一运算单元，所述电阻R4的第二端、所述电阻R5的第一端以及所述运算放大器A2的同相输入端共接，所述电阻R5的第二端接地，所述电阻R6的第一端、所述运算放大器A2的反相输入端以及所述电阻R7的第一端共接，所述电阻R6的第二端接地，所述运算放大器A2的输出端与所述电阻R7的第二端共接于所述控制单元。
在其中一个实施例中，所述第三运算单元包括：
运算放大器A3、电阻R8、电阻R9以及电阻R10；
所述电阻R8的第一端连接所述控制单元，所述电阻R8的第二端连接所述运算放大器A3的同相输入端，所述电阻R9的第一端、所述电阻R10的第一端以及所述运算放大器A3的反相输入端共接，所述电阻R9的第二端接地，所述电阻R10的第二端和所述运算放大器A3的输出端共接于所述比较单元。
在其中一个实施例中，所述比较单元包括：
运算放大器A4、电阻R11以及电阻R12；
所述电阻R11的第一端连接所述第一运算单元，所述电阻R11的第一端连接所述运算放大器A4的反相输入端，所述电阻R12的第一端连接所述第三运算单元，所述电阻R12的第二端连接所述运算放大器A4的同相输入端，所述运算放大器A4的输出端连接所述激光器。
在其中一个实施例中，所述功率检测模块包括光电探测器。
在其中一个实施例中，所述激光器包括激光调节组件和激光发射组件，所述激光调节组件分别连接所述激光发射组件和所述功率校正模块。
一种激光加工设备，包括如上所述的控制装置。
上述控制装置，通过激光器发射激光束，功率检测模块对单脉冲能量信号值进行快速检测，从而功率校正模块根据单脉冲能量信号值和预设激光功率值获得功率校正值，由此根据功率校正值控制激光器输出恒定功率的激光束。在检测过程中单脉冲能量信号值能够反映各个时间点的脉冲激光能量，由此提高探测的准确性。整个控制过程简单快速，能够实现激光器快速精准稳定功率输出的功能。
上述激光加工设备，通过控制装置能够实现激光器快速稳定的激光输出，从而实现激光加工过程精细、精确的加工性能的提高。
附图说明
图1为一实施例中激光器恒功率输出的控制装置的系统结构图；
图2为另一实施例中激光器恒功率输出的控制装置的系统结构图；
图3为一实施例中对应图1-图2实施例的功率校正模块的结构图；
图4为一实施例中对应图1-图3实施例的控制装置的电路示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
参见图1，图1为一实施例中激光器恒功率输出的控制装置的系统结构图。
在本实施例中，该控制装置10包括激光器110、功率检测模块120以及功率校正模块130。
激光器110，用于发射激光束。
功率检测模块120，用于检测所述激光束的单脉冲能量信号值。
功率校正模块130，连接所述功率检测模块，用于根据单脉冲能量信号值和预设激光功率值获得功率校正值，并根据所述功率校正值控制所述激光器输出恒定功率的激光束。
在本实施例中，激光器110用于发射激光束，适用于激光加工等应用领域。在激光器110发射激光束时，控制装置10可以通过对激光束单脉冲能量信号值的检测进而将单脉冲能量信号值和预设激光功率值进行比较，以根据比较结果控制激光器110输出恒定的激光功率。其中，预设激光功率是指用户根据实际需求预先设定的恒定功率输出值。
在一实施例中，激光器110包括激光发射组件和激光调节组件，激光调节组件分别连接功率校正模块130和激光发射组件，激光调节组件受控于功率校正模块130以调节激光发射组件的工作电流而改变输出功率。
在本实施例中，功率检测模块120能够直接对不同类型波长的激光束进行单脉冲能量信号值检测，从而检测速度快速高效。具体地，当激光器110发射激光束时，功率检测模块120实时检测激光束的单脉冲能量获取单脉冲能量信号值。其中，单脉冲能量信号值能够反映各个时间点的脉冲激光能量，由此提高探测的准确性。需要说明的是，在激光器110启动发射的瞬间，单脉冲能量信号值可以为0。
在一实施例中，功率检测模块120通过光电探测器对激光束进行探测，实现单脉冲能量信号值的快速高效探测。
在本实施例中，功率校正模块130连接功率检测模块120，能够接收功率检测模块120输出的单脉冲能量信号值，根据接收到的单脉冲能量信号值和输入的预设激光功率值通过运算获取功率校正值，从而根据功率校正值控制激光器110进行激光功率快速准确调节以达到恒定功率输出，提高激光器110激光束的稳定性。
在一实施例中，功率校正模块130包括多个运算单元和比较单元，从而获取单脉冲能量信号值和预设激光功率值，并实现对单脉冲能量信号值和预设激光功率值的运算处理，以获取功率校正值。具体地，功率校正模块130通过运算单元可以分别将单脉冲能量信号值和预设激光功率值通过适当倍数运算进行转换，进而通过比较单元将两者进行比较，获得功率校正值，当功率校正值不等于0时，控制激光器110调整输出功率，直至功率校正值等于0，激光器110恒定输出功率且功率值等于预设激光功率值。
在另一实施例中，功率校正模块130还可以根据实际应用情况预设一校正阈值，并比较功率校正值和校正阈值的大小，当功率校正值等于或小于校正阈值时，功率校正模块130不进行控制动作，激光器110维持当前激光功率输出；当功率校正值大于校正阈值时，功率校正模块130通过输出功率校正值以使激光器110调整输出功率。
本实施例提供的控制装置，通过激光器发射激光束，功率检测模块对单脉冲能量信号值进行快速检测，从而功率校正模块根据单脉冲能量信号值和预设激光功率值获得功率校正值，由此根据功率校正值控制激光器输出恒定功率的激光束。在检测过程中单脉冲能量信号值能够反映各个时间点的脉冲激光能量，由此提高探测的准确性。整个控制过程简单快速，能够实现激光器快速精准稳定功率输出的功能。
参见图2，图2为另一实施例中激光器恒功率输出的控制装置的系统结构图。
在本实施例中，该控制装置10包括激光器110、功率检测模块120、功率校正模块130以及显示模块140。
其中，激光器110、功率检测模块120以及功率校正模块130参见上一实施例的相关描述，在此不再赘述。
其中，显示模块140连接功率校正模块130，用于向功率校正模块输出预设激光功率值；还用于显示功率校正模块130反馈的单脉冲能量信号值，从而实时监测激光器110的输出功率，使用户直观的监控激光器110输出功率的变化情况。
在一实施例中，显示模块140包括输入单元和显示屏，输入单元读取用户输入的预设激光功率值，将预设激光功率值输出至功率校正模块130，并接收功率校正模块130反馈的单脉冲能量信号值，将单脉冲能量信号值输出至显示屏，显示屏实时显示单脉冲能量信号值以实现对激光器110输出功率的监测。
本实施例提供的控制装置，通过激光器发射激光束，功率检测模块对单脉冲能量信号值进行快速检测，一方面功率校正模块根据单脉冲能量信号值和预设激光功率值获得功率校正值，由此根据功率校正值控制激光器输出恒定功率的激光束；另一方面，显示模块将单脉冲能量信号值进行显示，以实现对激光器输出功率的监测。在检测过程中单脉冲能量信号值能够反映各个时间点的脉冲激光能量，由此提高探测的准确性。整个控制过程简单快速，能够实现激光器快速精准稳定功率输出的功能，且能使用户实时直观地监测激光器的功率输出情况。
参见图3，图3为一实施例中功率校正模块的结构图。
在本实施例中，功率校正模块130包括第一运算单元1301、第二运算单元1302、控制单元1303、第三运算单元1304以及比较单元1305。
第一运算单元1301，连接功率检测模块120，用于对输入的单脉冲能量信号值进行第一倍数运算并输出第一功率运算值。其中，第一倍数可以根据激光器110功率输出的实际情况进行设定；通过第一运算单元1301可以将信号强度较弱的单脉冲能量信号值进行适当倍数放大，从而更便于后续比较单元1305的比较运算。
第二运算单元1302，连接第一运算单元1301，用于对第一功率运算值进行第二倍数运算并输出第二功率运算值。其中，第二倍数可以根据激光器110功率输出的实际情况及第一倍数的设置情况进行设定。通过第二运算单元1302可以进一步放大单脉冲能量信号值，从而更便于后续显示模块140对单脉冲能量信号值的显示和监测，提高显示效果，使用户更加直观的观察到激光器110的变化情况。
控制单元1303，分别连接第二运算单元1302和显示模块140，用于将接收的第二功率运算值进行模数转换并输出至显示模块，还用于接收显示模块输出的预设激光功率值。具体地，控制单元1303将经过两级放大的单脉冲能量信号值的模拟量转换为数字量的形式，从而便于后续显示模块140对激光功率数值的显示；同时，控制单元1303作为中间传输单元将接收到的预设激光功率值传输至第三运算单元1304，以使第三运算单元1304和比较单元1305实现预设数值的获取。
第三运算单元1304，连接控制单元1303，用于对预设激光功率值进行第三倍数运算，并输出第三功率运算值。其中，第三倍数与第一倍数相对应，使得预设激光功率值和单脉冲能量信号值的放大级别相同，从而能够准确地对放大后的预设激光功率值和单脉冲能量信号值进行比较。
比较单元1305，分别连接第一运算单元1301和第三运算单元1304，用于根据第一功率运算值和第三功率运算值获得功率校正值。具体地，比较单元1305将第一功率运算值和第三功率运算值进行差值运算，获得功率校正值。当第一功率运算值与第三功率运算值不相等时，实时控制激光器110调整输出功率，以增加或减少功率校正值，使输出激光功率值恒定且等于预设激光功率值。
参见图4，图4为一实施例中对应图1-图3实施例的控制装置的电路示意图。
具体地，第一运算单元1301包括：运算放大器A1、电阻R1、电阻R2、电阻R3。
电阻R1的第一端连接功率检测模块120，电阻R1的第二端连接运算放大器A1的同相输入端，运算放大器A1的反相输入端、电阻R2的第一端以及电阻R3的第一端共接，电阻R2的第二端接地，电阻R3的第二端和运算放大器A1的输出端共接以分别连接第三运算单元1304和比较单元1305。其中，可以通过调整电阻R2、电阻R3的电阻参数改变倍数。由此，通过运算放大器A1、电阻R1、电阻R2、电阻R3组成的运算放大单元，使得信号强度较弱的单脉冲能量信号值进行适当倍数放大，从而更便于后续比较单元1305的比较运算。
具体地，第二运算单元1302包括运算放大器A2、电阻R4、电阻R5、电阻R6以及电阻R7。
电阻R4的第一端连接第一运算单元1301，电阻R4的第二端、电阻R5的第一端以及运算放大器A2的同相输入端共接，电阻R5的第二端接地，电阻R6的第一端、运算放大器A2的反相输入端以及电阻R7的第一端共接，电阻R6的第二端接地，运算放大器A2的输出端与电阻R7的第二端共接于控制单元1303。其中，可以通过调整电阻R6、电阻R7的电阻参数改变倍数。由此，通过运算放大器A2、电阻R4、电阻R5、电阻R6以及电阻R7组成的运算放大单元，进一步放大单脉冲能量信号值，从而更便于后续显示模块140对单脉冲能量信号值的显示和监测，提高显示效果，使用户更加直观的观察到激光器110的变化情况。
具体地，控制单元1303可以是MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)，通过MCU将经过两级放大的单脉冲能量信号值进行模数转换，从而便于后续显示模块140对激光功率数值的显示；同时，MCU作为中间传输单元将接收到的预设激光功率值传输至第三运算单元1304，以使第三运算单元1304和比较单元1305实现预设数值的获取。
具体地，第三运算单元1304包括运算放大器A3、电阻R8、电阻R9以及电阻R10。
电阻R8的第一端连接控制单元1303，电阻R8的第二端连接运算放大器A3的同相输入端，电阻R9的第一端、电阻R10的第一端以及运算放大器A3的反相输入端共接，电阻R9的第二端接地，电阻R10的第二端和运算放大器A3的输出端共接于比较单元1305。其中，可以通过调整电阻R9、电阻R10的电阻参数改变倍数。由此，通过运算放大器A3、电阻R8、电阻R9以及电阻R10组成的运算放大单元，使得预设激光功率值和单脉冲能量信号值的放大级别相同，从而能够准确地对放大后的预设激光功率值和单脉冲能量信号值进行比较。
具体地，比较单元1305包括运算放大器A4、电阻R11以及电阻R12。
电阻R11的第一端连接第一运算单元1301，电阻R11的第一端连接运算放大器A4的反相输入端，电阻R12的第一端连接第三运算单元1304，电阻R12的第二端连接运算放大器A4的同相输入端，运算放大器A4的输出端连接激光器。由此，通过运算放大器A4、电阻R11以及电阻R12组成的比较单元，将第一功率运算值和第三功率运算值进行差值运算，获得功率校正值。
需要说明的是，本实施例中，运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3以及运算放大器A4均可以为轨到轨的高速精密运放，进一步加快控制过程的速度。
具体地，功率检测模块120包括光电探测器，光电探测器包括光电二极管PD1和电阻R13。
光电二极管PD1的正极接入电源，光电二极管PD1的负极和电阻R13的第一端共接于第一运算单元1301，电阻R13的第二端接地。由此，通过光电二极管PD1对激光束进行探测，实现单脉冲能量信号值的快速高效探测。
具体地，激光器包括激光调节组件和激光发射组件，激光调节组件包括三极管T11和电阻R14，激光发射组件包括激光二极管LD1和电阻R15。
电阻R14的第一端连接比较单元1305，电阻R14的第二端连接三极管T1的基极，三极管T1的集电极接入电源，三极管T1的发射极连接激光二极管LD1的正极，激光二极管LD1的负极连接电阻R15的第一端，电阻R15的第二端接地。由此，当比较单元1305输出的功率校正值不等于0时，三极管T11调整激光二极管LD1的工作电流进而使激光二极管LD1的输出功率发生调整，电路形成一闭环电路，直至比较单元1305输出的功率校正值等于0，激光二极管LD1的恒定输出功率且功率值等于预设激光功率值。
本实施例还提供了一种激光加工设备，包括如上述实施例所述的控制装置。该激光加工设备通过控制装置能够实现激光器快速稳定的激光输出，从而实现激光加工过程精细、精确的加工性能的提高。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种激光器恒功率输出的控制装置，其特征在于，包括：
激光器，用于发射激光束；
功率检测模块，用于检测所述激光束的单脉冲能量信号值；
功率校正模块，连接所述功率检测模块，用于根据所述单脉冲能量信号值和预设激光功率值获得功率校正值，并根据所述功率校正值控制所述激光器输出恒定功率的激光束。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括：
显示模块，连接所述功率校正模块，用于向所述功率校正模块输出预设激光功率值；还用于显示所述功率校正模块反馈的单脉冲能量信号值，监测所述激光器的输出功率。
3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述功率校正模块包括：
第一运算单元，连接所述功率检测模块，用于对输入的所述单脉冲能量信号值进行第一倍数运算并输出第一功率运算值；
第二运算单元，连接所述第一运算单元，用于对所述第一功率运算值进行第二倍数运算并输出第二功率运算值；
控制单元，分别连接所述第二运算单元和所述显示模块，用于将接收的所述第二功率运算值进行模数转换并输出至所述显示模块，还用于接收所述显示模块输出的预设激光功率值；
第三运算单元，连接所述控制单元，用于对所述预设激光功率值进行第三倍数运算，并输出第三功率运算值；
比较单元，分别连接所述第一运算单元和所述第三运算单元，用于根据所述第一功率运算值和所述第三功率运算值获得功率校正值。
4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述第一运算单元包括：
运算放大器A1、电阻R1、电阻R2、电阻R3；
所述电阻R1的第一端连接所述功率检测模块，所述电阻R1的第二端连接所述运算放大器A1的同相输入端，所述运算放大器A1的反相输入端、所述电阻R2的第一端以及所述电阻R3的第一端共接，所述电阻R2的第二端接地，所述电阻R3的第二端和所述运算放大器A1的输出端共接以分别连接所述第三运算单元和所述比较单元。
5.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述第二运算单元包括：
运算放大器A2、电阻R4、电阻R5、电阻R6以及电阻R7；
所述电阻R4的第一端连接所述第一运算单元，所述电阻R4的第二端、所述电阻R5的第一端以及所述运算放大器A2的同相输入端共接，所述电阻R5的第二端接地，所述电阻R6的第一端、所述运算放大器A2的反相输入端以及所述电阻R7的第一端共接，所述电阻R6的第二端接地，所述运算放大器A2的输出端与所述电阻R7的第二端共接于所述控制单元。
6.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述第三运算单元包括：
运算放大器A3、电阻R8、电阻R9以及电阻R10；
所述电阻R8的第一端连接所述控制单元，所述电阻R8的第二端连接所述运算放大器A3的同相输入端，所述电阻R9的第一端、所述电阻R10的第一端以及所述运算放大器A3的反相输入端共接，所述电阻R9的第二端接地，所述电阻R10的第二端和所述运算放大器A3的输出端共接于所述比较单元。
7.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述比较单元包括：
运算放大器A4、电阻R11以及电阻R12；
所述电阻R11的第一端连接所述第一运算单元，所述电阻R11的第一端连接所述运算放大器A4的反相输入端，所述电阻R12的第一端连接所述第三运算单元，所述电阻R12的第二端连接所述运算放大器A4的同相输入端，所述运算放大器A4的输出端连接所述激光器。
8.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述功率检测模块包括光电探测器。
9.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述激光器包括激光调节组件和激光发射组件，所述激光调节组件分别连接所述激光发射组件和所述功率校正模块。
10.一种激光加工设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的控制装置。
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