CN113448287B - 一种大幅激光加工用光机电协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大幅激光加工用光机电协同控制方法，适用于利用振镜和进给轴进行大幅面激光加工的数控机床。该方法将激光光斑待加工的大幅面轨迹进行规划，并将规划好的位置点的命令进行分配，按照点位分配的约束机理将轨迹分配给底部的进给系统和振镜系统；再利用振镜和进给轴的联动控制，实现无限视野下的光机电协同控制激光加工。将激光、振镜和进给轴等加工单元结合在一起，能够实现全面协同控制，状态同步；而且这种方法下将激光加工路径自动分配给进给轴和扫描振镜，激光也被同步控制触发，能够实现快速而高精度的大幅面加工。

Description

一种大幅激光加工用光机电协同控制方法

技术领域

本发明属于激光加工装备领域，具体涉及一种大幅激光加工用光机电协同控制方法。

背景技术

激光加工机床包括机床进给轴运动系统和振镜扫描系统，振镜加工响应快、加工精度和速度较高，广泛应用于激光加工中。用扫描振镜实现二维可控的激光光束偏转，通过以一定的速度往复移动光束从而加工获得规定的图案。但在目前的激光加工中，扫描振镜配合场镜实现的加工区域有限，加工精度要求越高导致加工区域越小。为了扩展加工区域，可以使用二维平台试样定位。传统的跨尺度激光加工的方法主要有激光加工图案扫描拼接和飞行打标。

扫描拼接是将大面积图案分成许多可以利用振镜视野一次加工完成的小图案，在平台完成定位停止运动后，需要激光加工的所有区域通过振镜扫描加工完。这类激光加工方法采用步进的运动方式，进行平铺加工，扫描振镜和平台间的运动是独立的；其特点是经济效益比较高，但加工过程中运动平台频繁起停，效率较低，且拼接误差较大。

飞行打标是将加工材料放置于二维进给轴上，使其跟随进给轴在固定速度下运动，振镜在读取进给轴运动速度的基础下，利用二者的速度差实现图案的加工；其特点是进给轴持续运动，效率较高，但受限于振镜视场大小，加工宽度有限，且在启动和制动阶段中，进给轴的速度变化可能降低加工准确性。

发明内容

本发明针对激光加工装备，提供了一种大幅激光加工用光机电协同控制方法，通过对激光原始轨迹进行运动规划，然后将插补好的轨迹位置点的命令合理地分配给下层的扫描振镜系统和进给轴系统，通过对振镜和进给系统的同步驱动，实现光机电协同控制。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种大幅激光加工用光机电协同控制方法，该方法将激光二维扫描振镜和二维进给轴两种不同的运动加工单元结合在一起，实现了全局下的协同控制与状态同步；该控制方法对激光光斑轨迹进行运动规划，将激光加工轨迹自动分配给二维进给轴和激光扫描振镜，控制激光光束的辐照，从而实现高精度的大幅面激光加工。

本发明进一步的改进在于，具体包括如下步骤：

1)光斑轨迹的运动规划

对激光光斑加工轨迹进行预处理，获得不同的加工段；按照工艺需求和轨迹的几何约束，对不同的轨迹段进行速度规划，进而获得待加工的各个位置点的轨迹命令，点的轨迹命令以下简称点位命令，激光按照点位命令行走，获得激光光斑轨迹；

2)对激光光斑轨迹进行点位分配

插补后的激光光斑轨迹的点位命令分配给机械进给轴和扫描振镜电机，使得两部分协调运动，以保证加工的高效率和高精度；以激光光斑轨迹影响机理为依据，规划基于频率特性的实时点位命令分配算法；分配算法需保证的是，激光光斑轨迹经过分配之后，振镜轴的点位命令范围不超过振镜加工范围的大小，且进给轴的点位命令既不超越其响应带宽又不会激励起装备的结构振动。

本发明进一步的改进在于，还包括以下步骤：

3)加工单元的同步通讯

振镜和进给轴实现同步通信，确保上层指令发布之后，二者同时运动，或者将二者可能存在的延时响应误差进行补偿。

本发明进一步的改进在于，在步骤2)中影响光斑点位分配机理的因素有：光斑速度、进给轴频域特性和振镜加工范围；激光光斑轨迹的点位命令分配过程中，进给轴频域特性限制着分配给进给系统的轨迹的频域范围，振镜加工范围限制着分配给振镜的轨迹的空间范围；而光斑速度的大小对进给轴和振镜的点位分配结果有着直接影响，光斑速度不同，光斑轨迹的运动规划不同，分配结果不同。

本发明进一步的改进在于，在步骤2)中，利用小波分解方法，将轨迹的空间点位命令信息在频域中展示，利用在频域信息的分析方法，将点位命令进行处理。

本发明进一步的改进在于，在步骤2)中基于点位分配影响机理，设计基于频率特性的实时点位命令分配算法；该算法将符合进给系统特性的频率信息进行分离，分离过程中，首先要根据进给系统的伺服特性将点位的低频部分分配给各进给系统，保证进给轴的运动不超过其频域带宽且不会引起装备的激励；再基于光斑位置点轨迹的矢量特性，分配获得振镜的点位命令，并将振镜轨迹与振镜加工范围大小进行比较，确保其处于振镜加工范围之内。

本发明进一步的改进在于，在步骤2)中，若振镜分配得到的点位轨迹超过其加工范围，说明此段轨迹超过了振镜的加工能力，则分解步骤需重新进行——重新将原始轨迹的点位命令进行频域转化，更改分配算法的参数，在不超出进给轴频域带宽的前提下，将分配给振镜系统的频域区间进一步缩小，重构之后继续对振镜轨迹与振镜加工范围大小进行比较，确认其是否处于加工范围之内。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供了一种大幅激光加工用光机电协同控制方法，该方法通过对规划好的激光轨迹实施点位分配，将分配好的轨迹传递于底层运动设备——扫描振镜系统和进给系统，使二者分别执行适合于自身特点的运动轨迹，在协同运动的基础上，共同完成光斑轨迹的加工，实现光机电协同控制。

本发明激光加工轨迹的全局分配的大幅面光电协同控制方法拥有常规加工方法所没有的优势；

1、协同控制加工，准确性得到提高；

2、加工视野更加广阔；

3、精度好，无需将加工图案划分为单个图块，处理可以一次性完成，完全消除拼接误差；

4、将振镜和进给系统甚至是激光的运动结合起来，将大大提高加工效率。

综上所述，本发明光机电协同控制下的激光加工轨迹的全局分配的大幅面加工，既能保证加工图案宏观整体的拼接性，又能保证细部的完整性；在全面协同、状态同步的加工方式下，其加工精度更好，效率更高。相比于传统的大范围激光加工的方法，有着明显的优势：全局控制二维进给系统和扫描振镜的协同运动，加工视野更加广阔的同时，无需将加工图案划分为单个图块，处理可以一次性完成，完全消除拼接误差，加工的准确性和精度得到提高，且大幅提高加工效率。

附图说明

图1为本发明一种光斑点位分配的技术路线图。

图2为轨迹案例示意图。

图3为案例轨迹频谱图。

图4为轨迹分配效果图，实线为设计轨迹，虚线为分配给进给轴的轨迹。

图5为分配给振镜的轨迹。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明所采用的激光光斑轨迹的点位命令分配策略图如图1所示，输入量为规划好的光斑点位轨迹，输出量为振镜和进给系统分别的点位命令。计算振镜与进给轴间的运动点位命令分配与光斑运动速度、振镜加工范围大小和伺服跟随特性之间的相互约束关系，规划点位命令分解策略，利用在线快速分解与重构算法，依据频率规则对光斑的点位进行分配，保证投射到进给轴的点位命令在频域上不超出其闭环带宽；分析高频重构信号的振幅大小，监测投射到振镜的信号是否超出加工范围的范围，如果超出则需对局部的点位命令进行速度调整。最后通过缓存将分配好的点位命令分配给进给系统和扫描振镜系统。

图2展示的是一个轨迹案例，图3是其频谱图；本发明将案例轨迹的点位命令投影到频域中，按照频率特性对其进行筛滤，按照点位命令分配的约束条件，将满足进给轴运动特性的频域内的点分配给进给系统，将高频的点位命令分配给振镜系统；在满足二者的运动特性的条件下，更合理地实现联动控制，更高效高精度地完成加工。

分配效果如图4所示，实线是图2中的激光光斑的设计轨迹图，虚线是进行点位分配后分配给进给轴的点位轨迹；按照原始轨迹和进给轴轨迹之间的关系进行进一步处理，本专利亦可得到振镜轨迹，如图5所示。本发明专利进行点位分配后，进给轴的点位轨迹分配效果显著，原轨迹的尖锐部位变得平缓，符合进给系统的频域特性。

本发明提供的一种大幅激光加工用光机电协同控制方法，该方法采用的激光加工机床包括激光器、振镜头、光路系统、机床三轴运动平台、运动控制卡、振镜控制卡、伺服驱动器和计算机，其中，振镜头安装在机床Z轴平台上，能够随机床Z轴进行上下运动，振镜镜片不摆动时出光方向与机床Z轴平行；待加工工件安装在机床XY轴平台上，通过进给轴控制指令，控制二维运动平台，形成所规划的进给轴轨迹；激光器发出的激光束经过光路系统进入振镜头，通过计算机发送振镜控制指令，控制镜片摆动在工件上，形成所规划的振镜加工轨迹。

本发明激光加工轨迹的全局分配的大幅面光电协同控制方法下激光光斑点位分配调节步骤具体如下：

1)光斑运动规划

根据进给轴电机和振镜电机的额定电流确定光斑运动的最大许用加速度，并以此限定轨迹曲率与通过速度之间的约束关系，根据轨迹曲率来确定相应位置的速度限制。利用相应的速度及加速度前瞻算法(ZL201910465547.1)，实现在高速加工过程中的速度、加速度前瞻，减少速度和加速度的频繁变化以及由此产生的机械结构振动激励，并在限制值范围内尽可能地提高加速度和速度，加快轨迹的运动，提高加工效率。

运动规划结合相应的插补算法获得符合条件的激光光斑轨迹运动的位置点的命令(简称点位命令)。

2)轨迹点位分配

以激光光斑轨迹影响机理为依据，本专利基于频率特性进行实时的点位命令分配。

对点位命令进行频域处理的方法包含但不限于带陷滤波和低通滤波等。带陷滤波用于滤除点位命令中与进给系统共振频率相同的频率部分，低通滤波器用于剥离点位命令的低频部分。数字滤波器的参数由伺服系统的位置闭环带宽和加工装备的结构共振频率所决定。滤波后的点位命令用于驱动进给轴进行伺服运动。然后根据加工轨迹的矢量特征，将原始序列减去滤波后的点位命令，得出扫描振镜的点位命令。

3)点位分配的检验

激光光斑轨迹的点位命令经过分配之后，还需进一步检验振镜系统的点位命令轨迹是否超过振镜加工范围。如若规划好的振镜点位轨迹超过了其加工范围，则说明此轨迹已经超过了振镜的加工能力，需要重新进行分配。重新分配时，在进给轴的点位命令不超过其响应带宽的条件下，可以进一步拓宽伺服系统所占的频域，以此减小振镜点位轨迹范围。若伺服系统所占的点位带宽无法再提高，则必须通过降低光斑进给速度来满足振镜的加工范围。

4)振镜和进给轴系统同步运动

将振镜和进给轴的点位命令分别分配给二者之后，需要它们按照对应命令实时运动；而顶层指令的发放与底层运动设备的运动之间存在一定的延时，因此必须实现振镜和进给轴的同步通讯，以实现光机电协同控制。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (1)

1.一种大幅激光加工用光机电协同控制方法，其特征在于，该方法将激光二维扫描振镜和二维进给轴两种不同的运动加工单元结合在一起，实现了全局下的协同控制与状态同步；该控制方法对激光光斑轨迹进行运动规划，将激光加工轨迹自动分配给二维进给轴和激光扫描振镜，控制激光光束的辐照，从而实现高精度的大幅面激光加工；具体包括如下步骤：

1)光斑轨迹的运动规划

对激光光斑加工轨迹进行预处理，获得不同的加工段；按照工艺需求和轨迹的几何约束，对不同的轨迹段进行速度规划，进而获得待加工的各个位置点的轨迹命令，点的轨迹命令以下简称点位命令，激光按照点位命令行走，获得激光光斑轨迹；

2)对激光光斑轨迹进行点位分配

插补后的激光光斑轨迹的点位命令分配给机械进给轴和扫描振镜电机，使得两部分协调运动，以保证加工的高效率和高精度；以激光光斑轨迹影响机理为依据，规划基于频率特性的实时点位命令分配算法；分配算法需保证的是，激光光斑轨迹经过分配之后，振镜轴的点位命令范围不超过振镜加工范围的大小，且进给轴的点位命令既不超越其响应带宽又不会激励起装备的结构振动；影响光斑点位分配机理的因素有：光斑速度、进给轴频域特性和振镜加工范围；激光光斑轨迹的点位命令分配过程中，进给轴频域特性限制着分配给进给系统的轨迹的频域范围，振镜加工范围限制着分配给振镜的轨迹的空间范围；而光斑速度的大小对进给轴和振镜的点位分配结果有着直接影响，光斑速度不同，光斑轨迹的运动规划不同，分配结果不同；利用小波分解方法，将轨迹的空间点位命令信息在频域中展示，利用在频域信息的分析方法，将点位命令进行处理；

基于点位分配影响机理，设计基于频率特性的实时点位命令分配算法；该算法将符合进给系统特性的频率信息进行分离，分离过程中，首先要根据进给系统的伺服特性将点位的低频部分分配给各进给系统，保证进给轴的运动不超过其频域带宽且不会引起装备的激励；再基于光斑位置点轨迹的矢量特性，分配获得振镜的点位命令，并将振镜轨迹与振镜加工范围大小进行比较，确保其处于振镜加工范围之内；

若振镜分配得到的点位轨迹超过其加工范围，说明此段轨迹超过了振镜的加工能力，则分解步骤需重新进行——重新将原始轨迹的点位命令进行频域转化，更改分配算法的参数，在不超出进给轴频域带宽的前提下，将分配给振镜系统的频域区间进一步缩小，重构之后继续对振镜轨迹与振镜加工范围大小进行比较，确认其是否处于加工范围之内；

3)加工单元的同步通讯

振镜和进给轴实现同步通信，确保上层指令发布之后，二者同时运动，或者将二者可能存在的延时响应误差进行补偿。

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