CN113534687B - 一种集中式激光供应系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集中式激光供应系统，采用集中的激光供应模式，包括大型激光发生器、分光站、传输管道、终端输出和控制系统，大型激光发生器的输出端通过传输管道连接一级或多级分光站，再连接至终端输出，分光站包括光闸和辅助系统，光闸包括激光输入接口和多个激光输出接口，采用以前只能在军用领域使用的兆瓦级激光器，根据各个工位或者工厂的实时需求进行供应，达到了降低用户使用激光成本、降低用户维护激光设备负担、使用户能灵活配置激光资源的目的，为行业提供了一种应用激光技术的新理念，激光器成为一种区域性的公共设施，由相应的专业机构打理，类似于水、电供应和废水集中处理，有效降低了企业运营成本，提高了工业园区的竞争力。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域。
背景技术
随着技术的发展，光纤激光器已经应用到很多领域，如材料加工、医疗、军事及科研等。现有的光纤激光器的使用模式，要么需要给每个工位配备一台光纤激光器，要么需要给每个工作站配备一台光纤激光器，有如下缺点：(1)各工位或各工作站必须按照所需使用的激光功率上限来投资激光器，设备成本较高；(2)各工位或各工作站的激光器都必须单独维护，维护成本相对较高，维护效率较低。由于维护激光器需要一定的专业知识和技能，对维护人员也有一定专业要求；(3)扩展工位或工作站需要重新购置激光器，扩展成本高；(4)改造工位或工作站如果需要增加应用激光的功率时，需要重新购置激光器，改造成本高；(5)工位空闲时，相对应的激光设备也闲置，造成资源浪费。
发明内容
为了弥补现有技术光纤激光器的缺陷，本发明将分散的激光设备集中到一起，形成了一个集中的集中式激光供应系统，应用于工业园区、各类大型加工工厂、智慧工厂，或者距离较近的几家厂商联合使用，达到了降低用户使用激光成本，降低用户维护激光设备负担，灵活配置激光资源的目的，为行业提供了一种应用激光技术的新思路。
一种集中式激光供应系统，包括大型激光发生器、分光站、传输管道、终端输出和控制系统，所述大型激光发生器的输出端通过传输管道连接一级或多级分光站，再连接至终端输出，所述分光站包括光闸和辅助系统，所述光闸包括激光输入接口和多个激光输出接口；所述辅助系统包括光闸冷却装置和废光处理的吸收体。
优选的，所述大型激光发生器采用兆瓦级液冷固体激光器，这类激光器一般为军用激光器，尚未大量普及使用到民用领域，一方面是激光器技术本身在工业上的应用尚处于成长阶段，另一方面是因为民用一般用不上这么大功率的设备，还有一方面是使用这种设备有一定门槛，随着军民融合的推进，和本文记载方案的应用，兆瓦级液冷固体激光器在民用领域大有可为。
进一步，所述传输管道为光纤传输管道或带折返镜的空间自由光路管道。
进一步，所述终端输出为包括两端带QBH接头光缆的FFC接口输出，或变形镜输出。
所述控制系统包括总控单元，安装于各级分光站处的各级分光站控制单元，监控传输路径检测激光泄露的监控电路，和安装在终端输出处的终端控制单元。为了实现对激光传输安全进行有效管理，所述监控电路包括监测连接大型激光发生器和一级分光站的初始传输管道的初始监控电路，以及监测连接N级分光站和N+1级分光站或终端输出的N级传输管道的N级监控电路。
进一步，所述总控单元连接初始监控电路和一级分光站控制单元，N级分光站控制单元连接N级监控电路和N+1级分光站控制单元或终端控制单元。
在某些情况下，为了实现计费功能，所述控制系统包括计费模块，所述计费模块设置于所述终端控制单元中或者独立设置，在独立设置的情况下所述计费模块与所述终端控制单元通信连接。
除了设置有功率测量的传感器，可选的，所述各个分光站和各个终端输出均设置有能量计，所述能量计的信号输出端连接所述控制系统，所述控制系统的信号输出端连接大型激光发生器的控制模块，以及各级分光站的分光站控制单元和/或辅助系统。
为了实现资源的有效配置，优选的，所述大型激光发生器和一级分光站设置于同一工作区域，并共用液冷系统。
所述光闸包括准直透镜、多个耦合透镜、用于将激光进行扩束的扩束镜、对激光进行反射传递的反射镜、对激光进行杂光滤除的光阑、将激光光束进行聚焦形成聚焦光斑的聚焦镜中的一种或多种。
本发明的有益效果是：(1)激光由一个大型发生器集中输出，该发生器的输出功率远大于工业应用的极限，所以对于传送到的每个工位的输出端口来说，输出的激光功率是不受应用限制的；(2)激光器的维护可以不再由客户承担，转而成为一种公共设施，由相应的专业机构打理，类似于水、电供应和废水集中处理，降低了企业运营成本，提高了工业园区的竞争力；(3)扩展工位或工作站是需要扩展输出端口即可，投资较少，需要的硬件建设也少；(4)改造工位也只需改造输出端口，如改变端口的位置，增加或减少端口的数量，单无需考虑需要的激光功率；(5)工位闲置时，并不造成资源浪费。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明原理示意图；
图2是本发明结构图；
图3是本发明控制系统的分级分区控制原理图；
图4是本发明分光站的构成和控制通信原理图；
图5是本发明传输管道的控制通信原理图；
图6是本发明不含计费模块的终端控制通信原理图；
图7是本发明集成计费模块的终端控制通信原理图；
图8是本发明具有独立计费模块的终端控制通信原理图。
具体实施方式
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。下面将结合实施例来详细说明本发明。
本发明涉及一种集中式激光供应系统，下面对本发明的优选实施例作进一步详细说明。
如图1-图8所示，一种集中式激光供应系统，该集中式激光供应系统主要由大型激光发生器、分光站、传输管道、终端输出、控制系统几部分组成。
所述大型激光发生器的输出端通过传输管道连接一级或多级分光站，再连接至终端输出，所述分光站包括光闸和辅助系统，所述光闸包括激光输入接口和多个激光输出接口；所述辅助系统包括光闸冷却装置和废光处理的吸收体，所述光闸冷却装置优选为带冷却水进出水口的水冷装置，所述水冷装置在分光站控制单元的控制下同时对光闸和吸收体进行冷却，从而实现良好的散热，保证系统的正常运行。进一步可选的，所述光闸还可以包括准直透镜、多个耦合透镜，用于将激光进行扩束的扩束镜、对激光进行反射传递的反射镜、对激光进行杂光滤除的光阑、将激光光束进行聚焦形成聚焦光斑的聚焦镜中的一种或多种。
大型激光发生器产生集中式激光供应系统需要的激光。通常该激光发生器输出激光的能力要达到兆瓦级，光束质量要达到M2<2。优选的，该激光发生器采用军事领域使用的液冷固体激光器。考虑到传输的成本，该激光发生器优先安装在工厂中靠近中央的位置；
分光站主要由大型光闸及其辅助系统组成。分光站中使用的光闸可以对大型激光发生器输出的激光进行初次、二次甚至更多次分光，对应的分光站分别称为一级分光站、二级分光站……N级分光站，紧邻终端的分光站也称为末级分光站。该光闸应能按照特定比例或按照任意比例对输入的激光束进行功率分配；该光闸可将输入的光束分为2束或更多束，即多向光闸；光闸的某个或多个设计的输出口输出光束功率可以为零。辅助系统包括光闸冷却装置，优选为水冷设备，主要负责给光闸散热，处理废光。
传输管道将激光传输到客户的工位上，传输管道的输出距离应能达到1000m。激光的传输方式可以是空间自由光路或是光纤。所述传输管道为光纤传输管道或带折返镜的空间自由光路管道。采用空间自由光路传输时，光束通过安装在传输管道中的折反镜改变传输方向；采用光纤传输时，通过在允许的弯曲半径范围内调节光纤的方向改变传输方向。传输管道中沿途设有多个监控点，若检测到有激光泄露，将立即停止该管道中的激光传输；紧邻光源的传输管道称为初级传输管道，一级分光站输出的传输管道称为一级传输管道，二级分光站输出的传输管道称为二级传输管道……紧邻终端的传输管道也可称为末级传输管道。
终端优先采用FFC接口输出，或采用变形镜技术输出。采用FFC接口输出时，需配合两端带有QBH接头的光缆使用。采用变形镜技术输出时，输出的光斑，焦深都可以根据实际需要调整。
作为可选的方案一，该集中式激光供应系统的控制系统包括总控单元，各级分光站控制单元和监控传输路径的监控电路及终端控制单元，为了实现对激光传输安全进行有效管理，所述监控电路包括监测连接大型激光发生器和一级分光站的初始传输管道的初始监控电路，以及N个监测连接N级分光站和N+1级分光站或终端输出的N级传输管道的N级监控电路。进一步，所述总控单元连接初始监控电路和一级分光站控制单元，N级分光站控制单元连接N级监控电路和N+1级分光站控制单元或终端控制单元。N为大于等于1的整数。
比如当系统只有一级分光站时，所述监控电路包括监测连接大型激光发生器和一级分光站的初始传输管道的初始监控电路，以及监测连接一级分光站和终端输出的一级传输管道的一级监控电路。进一步，所述总控单元连接初始监控电路和一级分光站控制单元，一级分光站控制单元连接一级监控电路和终端控制单元进行通讯和控制。
比如当系统有二级分光站时，所述监控电路包括监测连接大型激光发生器和一级分光站的初始传输管道的初始监控电路，监测连接一级分光站和二级分光站的一级传输管道的一级监控电路，以及监测连接二级分光站和终端输出的二级传输管道的二级监控电路。进一步，所述总控单元连接初始监控电路和一级分光站控制单元，一级分光站控制单元连接一级监控电路和二级分光站控制单元，二级分光站控制单元连接二级监控电路和终端控制单元进行通讯和控制。依次类推。
值得注意的是，一个系统可以只有一个一级分光站，也可以同时有多个一级分光站，可以根据实际情况确定。必要时终端部分还可包含计费系统。
本技术方案的控制系统采用分级分区控制的形式。总控单元的级别最高，一级分光站控制单元的级别次之，二级分光站控制单元的级别再次之，以此类推，终端控制单元的级别最低。总控单元的控制管辖区域为与之相连的初始传输管道初始监控电路和一级分光站控制单元，一级分光站的控制管辖区域为与之相连的一级传输管道一级监控电路与二级分光站控制单元；二级分光站的控制管辖区域为与之相连的二级传输管道二级监控电路与三级分光站控制单元，以此类推。末级分光站控制单元的控制管辖区域为与之相连的末级传输管道末级监控电路与终端控制单元。
大型激光发生器的光源及其辅助设备由总控单元控制，各级分光站的光闸及其辅助设备由各级分光站控制单元控制，终端输出端口由终端控制单元控制。
总控单元直接与一级分光站控制单元以及初始传输管道各监控电路相互通信，一级分光站控制单元应执行总控单元的控制指令；一级分光站控制单元除与总控单元通信外，还与二级分光站控制单元、一级传输管道各监控电路，分光站自身内部的光闸以及水冷设备等通信，二级分光站控制单元应执行一级分光站控制单元的指令；类似的，二级分光站控制的单元除与一级分光站控制单元通信外，还与三级分光站控制单元、二级传输管道各监控电路，分光站自身内部的光闸以及水冷设备等通信，三级分光站控制单元应执行二级分光站控制单元的指令……末级分光站与上一级分光站，终端控制单元，末级传输管道监控电路，分光站自身内部的光闸以及水冷设备等通信，终端控制单元应执行末级分光站控制单元的指令。如果一级分光站就是末级分光站，则上一级对应为总控单元。
传输管道内每隔一段固定距离安装一个监控电路，实时监控管道内传输的功率。监控电路之间相互连接，并连接至所属分光站控制单元或总控单元。监控电路监测到异常时，若判断为激光泄露，则立即通知所属分光站关闭管道内的激光；若判断为功率分配异常，则报错，上报至所属分光站，提示检修。故障和保护信息都将最终上传至总控单元。可根据报告故障的监控电路判断发生故障的位置位于哪两个监控电路之间的区域。
终端控制单元与末级分光站控制单元以及输出端口内的监控电路通信。没有计费需求时，终端控制单元可以不包含计费的软硬件；需要计费时，终端控制单元可以包含计费的软硬件，也可以将计费系统独立。此时计费系统与终端控制单元有通信关系，输出端口内的监控电路也会给计费系统发送监控信息。
终端控制单元收集终端用户的功率使用需求，使用状态，费用状态等，上传到所属分光站控制单元，即该终端控制单元对应的末级分光站控制单元。末级分光站将收集到的所辖终端的数据实时上传至上一级分光站的控制系统，逐级上传，直至到达总控单元；总控单元可将汇总的数据存储起来。
终端的功率使用需求若在末级分光站处可通过调节光闸得到满足，则末级分光站控制单元可直接调整光闸的输出,但应将调整数据上传；若在上一级分光站调节光闸才能满足客户使用需求，则由上一级分光站调整输出后，末级分光站光闸再做适当调整，以满足客户需求；若上一级分光站仍不能通过调节光闸和下级分光站光闸满足客户使用需求，则继续向上级分光站请求，直到客户需求可以得到满足。请求到达总控单元时，则通过调节光源和各级分光站光闸，满足客户需求。如果请求到达总控单元，仍不能通过调节光源的输出来满足客户需求，则提示错误需求。
终端发生故障时，由终端控制单元进行保护；光闸发生故障时，由所属分光站控制单元保护；传输管道发生故障时，如前所述，由所属分光站控制单元或总控单元保护；光源发生故障时，由总控单元保护。除总控单元外，故障信息，保护类型、方式等信息都应逐级上传，直至达到总控单元。保护遵循先保护，后上传的原则，保证保护的及时性。发生保护后，必须由所属上级控制单元解除保护。
采用本方案的优点时，分光站和终端输出的控制为一级一级上行，因为终端输出的控制较为频繁，采用本控制方案可以避免终端输出的频繁启停影响大型激光发生器的运行，避免了频繁调节大型激光发生器，有效的保证了整个系统的良性运行。
集中式激光供应系统各级控制单元都有日志记录功能，记录接受、发出的指令，监控到的状态信息和故障信息。
作为可选的方案二，分光站控制单元按照集中式激光供应系统的总控单元的指令和客户的使用需求调配各输出端口输出的激光功率，同时对光闸的运行状态进行监控，在发生故障时及时保护光闸并通知总控单元，也可在总控单元的指令控制下关闭某个或多个端口的输出；终端控制系统从终端处搜集客户需要的输出需求，即时反馈给总控单元，通过各级分光站的光闸调节该终端接口处的输出功率。总控单元汇总各终端处的即时功率，按此调节大型激光发生器的输出总功率。在激光发生器的内部、输出处、各级光闸的输入、输出、传输管道的各节点、各输出终端都设有监控点，检测输出、传输的功率或监控激光泄露，根据终端需求数据配合特定算法进行判断各监控点监测到的功率是否正常，若出现异常将进行及时保护。采用本技术方案对控制精度要求较高，可能是未来该技术发展的方向。
对于将该激光供应系统公用的情况，即该激光供应系统给多个独立工厂提供需要的激光，可以在各独立的工厂设置计费系统，计量工厂内各终端的激光能量消耗，从而对工厂收费。计费系统可以集成在终端控制单元中，也可以设计成独立于终端控制单元，以便于从不计费系统拓展为计费系统。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，但本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (6)
1.一种集中式激光供应系统，其特征在于：包括大型激光发生器、一级分光站、多个二级分光站、传输管道、终端输出和控制系统，所述大型激光发生器的输出端通过传输管道连接一级或多级分光站，再连接至终端输出，所述分光站包括光闸和辅助系统，所述光闸包括激光输入接口和多个激光输出接口；所述辅助系统包括光闸冷却装置和废光处理的吸收体，其中，所述大型激光发生器的输出端通过传输管道连接一级或多级分光站包括所述大型激光发生器与所述一级分光站连接以及多个二级分光站分别与所述一级分光站连接；所述大型激光发生器为兆瓦级液冷固体激光器；所述传输管道为光纤传输管道或带折返镜的空间自由光路管道；所述终端输出为包括两端带QBH接头光缆的FFC接口输出，或变形镜输出，所述控制系统包括总控单元，安装于各级分光站处的各级分光站控制单元，监控传输路径检测激光泄露的监控电路，和安装在终端输出处的终端控制单元，所述监控电路包括监测连接大型激光发生器和一级分光站的初始传输管道的初始监控电路，以及监测连接N级分光站和N+1级分光站或终端输出的N级传输管道的N级监控电路。
2.根据权利要求1所述的一种集中式激光供应系统， 其特征在于：所述总控单元连接初始监控电路和一级分光站控制单元，N级分光站控制单元连接N级监控电路和N+1级分光站控制单元或终端控制单元。
3.根据权利要求1所述的一种集中式激光供应系统， 其特征在于：所述控制系统包括计费模块，所述计费模块设置于所述终端控制单元中或者独立设置，在独立设置的情况下所述计费模块与所述终端控制单元通信连接。
4.根据权利要求1所述的一种集中式激光供应系统， 其特征在于：所述各个分光站和各个终端输出均设置有能量计，所述能量计的信号输出端连接所述控制系统，所述控制系统的信号输出端连接大型激光发生器的控制模块，以及各级分光站的分光站控制单元和/或辅助系统。
5.根据权利要求1所述的一种集中式激光供应系统， 其特征在于：所述大型激光发生器和一级分光站设置于同一工作区域，并共用液冷系统。
6.根据权利要求1所述的一种集中式激光供应系统， 其特征在于：所述光闸包括准直透镜、多个耦合透镜、用于将激光进行扩束的扩束镜、对激光进行反射传递的反射镜、对激光进行杂光滤除的光阑、将激光光束进行聚焦形成聚焦光斑的聚焦镜中的一种或多种。
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