CN110421247A - 一种用于薄脆材料的超快激光等距离打点加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超快激光器等距离打点加工技术领域，具体地说是一种用于薄脆材料的超快激光等距离打点加工方法。一种用于薄脆材料的超快激光等距离打点加工方法，包括PSO控制器、编码器、机床、超快脉冲激光器，其特征在于：机床的速度信号通过编码器连接PSO控制器，数控设备内部软件模块的参数信号通过线路连接PSO控制器，PSO控制器双向连接超快脉冲激光器。同现有技术相比，提供一种用于薄脆材料的超快激光等距离打点加工方法，PSO控制器为整个系统的核心部分。它接收来自数控软件的打点距离参数、来自机床的各个轴编码器信号、来自超快脉冲激光器的重频信号Sync，通过预测的方式计算得出控制信号的输出时间，完成对超快脉冲激光器的精确控制。

Description

一种用于薄脆材料的超快激光等距离打点加工方法
技术领域
本发明涉及超快激光器等距离打点加工技术领域，具体地说是一种用于薄脆材料的超快激光等距离打点加工方法。
背景技术
超快激光器内部存在一个重频信号Sync，其自身特性决定了Sync信号周期Tsync与频率Fsync均为固定值。外部控制器控制超快激光器的方式为：当超快激光器在内部重频信号上升沿检测到外部输入控制信号为高电平且持续一定时间时，经过一段固有延时Tdl后输出一次单脉冲。
在超快激光器打点加工控制领域，由于其自身特性决定当频率Fsync固定时单脉冲能量为定值。传统控制方式为等时间间隔输出控制信号，这种控制方式的弊端在于：当加工过程中遭遇加减速段，由于等时间间隔内速度出现波动，导致两次打点间距出现变化，造成超快激光器输出能量不均匀，无法实现等距离打点加工。
在已公开的发明专利：激光器脉冲同步控制方法及系统(201810173634.5)，是利用第三方给出的出光信号，根据时序关系，以及产生出光脉冲个数来生成最终的出光脉冲控制信号。这种控制方式的弊端在于：无法做到与激光器重频信号同步，精度误差较大。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提供一种用于薄脆材料的超快激光等距离打点加工方法，PSO控制器为整个系统的核心部分。它接收来自数控软件的打点距离参数、来自机床的各个轴编码器信号、来自超快脉冲激光器的重频信号Sync，通过预测的方式计算得出控制信号的输出时间，完成对超快脉冲激光器的精确控制。
为实现上述目的，设计一种用于薄脆材料的超快激光等距离打点加工方法，包括PSO控制器、编码器、机床、超快脉冲激光器，其特征在于：机床的速度信号通过编码器连接PSO控制器，数控设备内部软件模块的参数信号通过线路连接PSO控制器，PSO控制器双向连接超快脉冲激光器；
所述的方法如下：
(1)在数控设备内部软件模块根据产品的加工需求设置打点加工参数，包括打点间距Delta_s、加工速度Vwork，并将打点间距Delta_s、加工速度Vwork发送给PSO控制器；
(2)超快脉冲激光器将重频信号频率Fsync发送给PSO控制器；
(3)机床通过编码器将速度信号发送给PSO控制器；
(4)PSO控制器利用FPGA检测超快脉冲激光器将重频信号频率Fsync的上升沿，并测量重频信号频率Fsync是否与数控软件设置的重频信号频率相等；
(5)PSO控制器根据编码器信号，计算出当前位置与上次超快激光器出光位置的实际距离dist，其中，n为机床电机轴数，encoder_i_cur为当前轴坐标，encoder_i_pre为当前轴上次出光坐标；
(6)机床编码器脉冲encoder_i输入到PSO控制器，PSO控制器通过输入编码器数据计算机床当前运动速度Vcur：其中，nres为编码器分辨率且单位为um/脉冲，N为编码器相邻两个输入脉冲间隔的PSO控制器系统时钟数，Tsys为PSO控制器系统周期；
(7)在每一个FPGA时钟周期进行计算监控dist+Vcur×Tsync≥Delta_s是否成立，若成立，则提前一个周期Tsync预测dist＝Delta_s事件发生的时间，该事件发生时间为Tevent时刻；若不成立，则继续等待下一个FPGA系统时钟；
(8)当预测到dist＝Delta_s发生的准确时间后，则可以根据上一个Sync信号的上升沿以及Sync信号的周期Tsync，计算得出距离Tevent时刻最近的Sync信号上升沿；具体的计算方式为：将一个Sync信号周期内超快激光器的运动看做匀速直线运动，用上一个周期超快激光器运动的位置变化量作为本次周期超快激光器将会发生的运动，完成预测与比较动作；
(9)确定目标Sync上升沿后，控制超快脉冲激光器提前Tphase给出超快脉冲激光器PSO控制信号，且该Tphase为超快激光器内部重频信号周期的一半数值；
(10)超快脉冲激光器PSO控制信号高电平时间持续Tpso，以保证给出的PSO控制信号覆盖超快脉冲激光器重频信号Sync的高电平时间段，且该Tpso与超快激光器内部重频信号周期一致；
(11)超快脉冲激光器等待一个固有时间延迟Tdl后出光，
所述的FPGA为Field-Programmable Gate Array现场可编程门阵列。
本发明同现有技术相比，提供一种用于薄脆材料的超快激光等距离打点加工方法，PSO控制器为整个系统的核心部分。它接收来自数控软件的打点距离参数、来自机床的各个轴编码器信号、来自超快脉冲激光器的重频信号Sync，通过预测的方式计算得出控制信号的输出时间，完成对超快脉冲激光器的精确控制。
基于机床编码器坐标反馈，同时结合超快脉冲激光器重频信号Sync实现同步，可以实时地根据机床加工速度的变化，控制相邻两次打点间距维持在数控软件设定的数值，维持等间距下激光器输出等大小的激光能量。
采用本发明控制超快脉冲激光器所产生的实际误差要远远小于传统控制方法。这样的高精度低误差控制方式使得超快脉冲激光器在变速加工过程中有着更加出色的表现。
附图说明
图1为本发明系统框图。
图2为本发明误差分析时序图。
图3为传统超快激光器控制时序图。
图4为传统控制方式打点效果图。
图5为本发明控制方式打点效果图。
图6为本发明匀速段超快激光器控制时序图。
图7为本发明减速段超快激光器控制时序图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明做进一步的说明。
如图1，图2所示，机床的速度信号通过编码器连接PSO控制器，数控设备内部软件模块的参数信号通过线路连接PSO控制器，PSO控制器双向连接超快脉冲激光器；
所述的方法如下：
(1)在数控设备内部软件模块根据产品的加工需求设置打点加工参数，包括打点间距Delta_s、加工速度Vwork，并将打点间距Delta_s、加工速度Vwork发送给PSO控制器；
(2)超快脉冲激光器将重频信号频率Fsync发送给PSO控制器；
(3)机床通过编码器将速度信号发送给PSO控制器；
(4)PSO控制器利用FPGA检测超快脉冲激光器将重频信号频率Fsync的上升沿，并测量重频信号频率Fsync是否与数控软件设置的重频信号频率相等；
(5)PSO控制器根据编码器信号，计算出当前位置与上次超快激光器出光位置的实际距离dist，其中，n为机床电机轴数，encoder_i_cur为当前轴坐标，encoder_i_pre为当前轴上次出光坐标；
(6)机床编码器脉冲encoder_i输入到PSO控制器，PSO控制器通过输入编码器数据计算机床当前运动速度Vcur：其中，nres为编码器分辨率且单位为um/脉冲，N为编码器相邻两个输入脉冲间隔的PSO控制器系统时钟数，Tsys为PSO控制器系统周期；
(7)在每一个FPGA时钟周期进行计算监控dist+Vcur×Tsync≥Delta_s是否成立，若成立，则提前一个周期Tsync预测dist＝Delta_s事件发生的时间，该事件发生时间为Tevent时刻；若不成立，则继续等待下一个FPGA系统时钟；
(8)当预测到dist＝Delta_s发生的准确时间后，则可以根据上一个Sync信号的上升沿以及Sync信号的周期Tsync，计算得出距离Tevent时刻最近的Sync信号上升沿；具体的计算方式为：将一个Sync信号周期内超快激光器的运动看做匀速直线运动，用上一个周期超快激光器运动的位置变化量作为本次周期超快激光器将会发生的运动，完成预测与比较动作；
(9)确定目标Sync上升沿后，控制超快脉冲激光器提前Tphase给出超快脉冲激光器PSO控制信号，且该Tphase为超快激光器内部重频信号周期的一半数值；
(10)超快脉冲激光器PSO控制信号高电平时间持续Tpso，以保证给出的PSO控制信号覆盖超快脉冲激光器重频信号Sync的高电平时间段，且该Tpso与超快激光器内部重频信号周期一致；
(11)超快脉冲激光器等待一个固有时间延迟Tdl后出光，
FPGA为Field-Programmable Gate Array现场可编程门阵列。
如图3所示，为超快激光器控制时序图，超快激光器内部存在一个重频信号Sync，其自身特性决定了Sync信号周期Tsync与频率Fsync均为固定值。外部控制器控制超快激光器的方式为：当超快激光器在内部重频信号上升沿检测到外部输入控制信号为高电平且持续一定时间时，经过一段固有延时Tdl后输出一次单脉冲。
在超快激光器打点加工控制领域，由于其自身特性决定当频率Fsync固定时单脉冲能量为定值。传统控制方式为等时间间隔输出控制信号，这种控制方式的弊端在于：当加工过程中遭遇加减速段，由于等时间间隔内速度出现波动，导致两次打点间距出现变化，造成超快激光器输出能量不均匀，无法实现等距离打点加工，如图4所示。
而在本发明中，PSO控制器为整个系统的核心部分。它接收来自数控软件的打点距离参数、来自机床的各个轴编码器信号、来自超快脉冲激光器的重频信号Sync，通过预测的方式计算得出控制信号的输出时间，完成对超快脉冲激光器的精确控制。
基于机床编码器坐标反馈，同时结合超快脉冲激光器重频信号Sync实现同步，可以实时地根据机床加工速度的变化，控制相邻两次打点间距维持在数控软件设定的数值，维持等间距下激光器输出等大小的激光能量。
采用本发明控制超快脉冲激光器所产生的实际误差要远远小于传统控制方法。这样的高精度低误差控制方式使得超快脉冲激光器在变速加工过程中有着更加出色的表现，可有效避免变速运动中出现打点间距波动的现象，如图5所示。
实际应用实例
本发明将举例超快激光器加工薄脆材料时，机床加工速度发生变化时，该系统是如何进行提前预测，使得加工误差得到减小，从而正常运作。
以超快脉冲激光器加工带拐角图形为例。当超快激光器加工在匀速直线段时，其加工速度基本保持稳定不变，则在PSO控制器内相邻两个出光时间段有图6所示现象发生。
图6中，超快脉冲激光器加工在匀速段；Tpre时刻是超快脉冲激光器内部重频信号上升沿，设为上次激光器出光时间点；数控软件设置打点长度Delta_s，对应的下次激光器出光时间点为Tpos_normal；PSO控制器需要在Tpos_normal的前一个激光器重频信号下降沿预测Tpos_normal的后一个激光器重频信号下降沿与上次出光点Tpre对应的点间距，且预测方式为：将单重频信号周期内机床的运动看做是匀速直线运动，因此可将时间Tpre_neg到时间Tverify机床产生的位移x1等价为时间Tverify到时间Tnext_neg机床所产生的位移x2，即x1＝x2，完成预测。PSO控制器在时间Tverify需要检测到如下条件成立后才会给出控制信号控制超快脉冲激光器出光：xverify+x2＞＝Delta_s，又有x1＝x2，所以以下条件需要满足：xverify+x1＞＝Delta_s。当上述条件满足时，PSO控制器则认为理论出光点更加靠近当前时刻的激光器重频信号上升沿，因而选择在这个重频信号周期给出控制出光信号。
当超快激光器进入拐角时，会发生降速现象，以维持运动控制轨迹的精确性，而此时机床加工速度降低，则在PSO控制器内相邻两个出光时间段有图7所示现象发生。
图7中，由于超快脉冲激光器运动在减速段，因此Delta_s对应的时间点较之激光器匀速加工时，会出现滞后现象，即Tpos_normal会滞后到Tpos_delay处。此时PSO控制器出光条件xverify+x1＞＝Delta_s将不再成立，该激光器重频信号周期将不再出光，而PSO控制器将会等待下一个激光器重频信号周期的下降沿再做相同的判断，直到出光条件xverify+x1＞＝Delta_s成立为止。

Claims (2)

1.一种用于薄脆材料的超快激光等距离打点加工方法，包括PSO控制器、编码器、机床、超快脉冲激光器，其特征在于：机床的速度信号通过编码器连接PSO控制器，数控设备内部软件模块的参数信号通过线路连接PSO控制器，PSO控制器双向连接超快脉冲激光器；
所述的方法如下：
(1)在数控设备内部软件模块根据产品的加工需求设置打点加工参数，包括打点间距Delta_s、加工速度Vwork，并将打点间距Delta_s、加工速度Vwork发送给PSO控制器；
(2)超快脉冲激光器将重频信号频率Fsync发送给PSO控制器；
(3)机床通过编码器将速度信号发送给PSO控制器；
(4)PSO控制器利用FPGA检测超快脉冲激光器将重频信号频率Fsync的上升沿，并测量重频信号频率Fsync是否与数控软件设置的重频信号频率相等；
(5)PSO控制器根据编码器信号，计算出当前位置与上次超快激光器出光位置的实际距离dist，其中，n为机床电机轴数，encoder_i_cur为当前轴坐标，encoder_i_pre为当前轴上次出光坐标；
(6)机床编码器脉冲encoder_i输入到PSO控制器，PSO控制器通过输入编码器数据计算机床当前运动速度Vcur：其中，nres为编码器分辨率且单位为um/脉冲，N为编码器相邻两个输入脉冲间隔的PSO控制器系统时钟数，Tsys为PSO控制器系统周期；
(7)在每一个FPGA时钟周期进行计算监控dist+Vcur×Tsync≥Delta_s是否成立，若成立，则提前一个周期Tsync预测dist＝Delta_s事件发生的时间，该事件发生时间为Tevent时刻；若不成立，则继续等待下一个FPGA系统时钟；
(8)当预测到dist＝Delta_s发生的准确时间后，则可以根据上一个Sync信号的上升沿以及Sync信号的周期Tsync，计算得出距离Tevent时刻最近的Sync信号上升沿；具体的计算方式为：将一个Sync信号周期内超快激光器的运动看做匀速直线运动，用上一个周期超快激光器运动的位置变化量作为本次周期超快激光器将会发生的运动，完成预测与比较动作；
(9)确定目标Sync上升沿后，控制超快脉冲激光器提前Tphase给出超快脉冲激光器PSO控制信号，且该Tphase为超快激光器内部重频信号周期的一半数值；
(10)超快脉冲激光器PSO控制信号高电平时间持续Tpso，以保证给出的PSO控制信号覆盖超快脉冲激光器重频信号Sync的高电平时间段，且该Tpso与超快激光器内部重频信号周期一致；
(11)超快脉冲激光器等待一个固有时间延迟Tdl后出光，
2.根据权利要求1所述的一种用于薄脆材料的超快激光等距离打点加工方法，其特征在于：所述的FPGA为Field-Programmable Gate Array现场可编程门阵列。
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