CN114115047A - 脉冲激光出光同步闭环控制系统、方法、终端和介质 - Google Patents

脉冲激光出光同步闭环控制系统、方法、终端和介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种脉冲激光出光同步闭环控制系统，包括：同步控制器模块，所述同步控制器模块采集出光信号和出光反馈信号，实现激光出光和出光反馈的闭环控制；出光反馈检测模块，所述出光反馈检测模块检测激光出光并输送出光反馈信号至所述同步控制器模块；脉冲发生器模块，所述脉冲发生器模块控制外部激光器的触发。本发明实现激光出光和出光反馈的闭环控制，有效避免不出光或乱出光的问题，显著提高激光器出光效率，实现整个激光加工过程的精准控制。

Description

脉冲激光出光同步闭环控制系统、方法、终端和介质
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体地，涉及一种脉冲激光出光同步闭环控制系统、方法、终端和介质。
背景技术
脉冲激光是指脉冲工作方式的激光器发出的光脉冲。脉冲激光器在工作中需要由激光泵浦源持续性的提供能量，由此方能够长期间产生并且输出脉冲激光。由于脉冲激光周期性的工作方式、脉冲持续时间短、产生的热量低等技术特色，目前已广泛应用于工业生产、科学研究、国防建设、医疗美容等各个领域。
在工业生产领域，脉冲激光技术被广泛应用于激光清洗、激光喷丸、激光打孔、激光焊接等。对于脉冲激光的技术应用，主要面临以下难点：第一，由于激光器出光时序受内部时钟限制而不能在任意时刻完成出光，因此要设计可靠的系统控制逻辑，以实现特定时间点上脉冲激光的精准触发。第二，对于上万个激光冲击的点位，要保证每个实际加工点与规划路径的目标点精确重合，且要保证该加工点有且只有一次出光，避免不出光或是乱出光的现象。第三，要充分利用激光器的出光频率，尽量提高脉冲激光的使用效率。
以激光喷丸为例，该技术在航空航天领域复杂型面的强化或大型整体壁板的成形中得到广泛应用。目前，对于脉冲激光器和外部执行机构的控制上，市面上存在两种控制模式。一般的，激光喷丸控制系统可以采用运动机构与激光器独立控制的模式，激光器的出光频率要和运动执行机构运行速度严格匹配，运动执行机构恰好运动到目标位置时激光器恰好出光，这需要反复调试，不仅浪费时间和人力，而且激光点位控制精度低，缺乏对激光喷丸冲击的过程控制。第二种是基于PLC的激光出光-执行机构运动协调控制的模式，虽然能够实现激光触发时间点与运动到位时间点的精确匹配，但是由于PLC固有的扫描周期，激光器的出光频率仅能达到1-2Hz,激光喷丸冲击效率不高。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种脉冲激光出光同步闭环控制系统、方法、终端和介质。
根据本发明的一个方面，提供一种脉冲激光出光同步闭环控制系统，包括：
同步控制器模块，所述同步控制器模块采集出光信号和出光反馈信号，实现激光出光和出光反馈的闭环控制；
出光反馈检测模块，所述出光反馈检测模块检测激光出光并输送出光反馈信号至所述同步控制器模块；
脉冲发生器模块，所述脉冲发生器模块控制外部激光器的触发。
优选地，所述同步控制器模块接收外部运动执行机构反馈的运动到位信号；所述同步控制器模块发送运动控制信号至所述运动执行机构。
优选地，所述同步控制器模块，包括：
现场可编程门阵列FPGA模块，所述现场可编程门阵列FPGA模块用于采集、计算和控制出光信号和出光反馈信号，实现激光出光和出光反馈的闭环控制；
固态继电器模块，所述固态继电器模块接收所述现场可编程门阵列FPGA模块出光信号后，控制所述脉冲发生器模块输出调Q触发信号；接收到FPGA模块出光反馈信号后，控制所述脉冲发生器模块停止输出调Q触发信号；
数字I/O输入输出模块，所述数字I/O输入输出模块接收所述运动执行机构运动到位信号、接收所述出光反馈检测模块出光反馈信号并发送下一个点位运动控制信号给运动执行机构。
优选地，所述脉冲发生模块输出两路信号至激光器调Q触发和泵浦触发两路信号端口；并以固定频率对激光器持续输出泵浦触发脉冲信号；在所述固态继电器闭合后接通脉冲发生器调Q触发通路，输出调Q触发脉冲信号至激光器，控制激光器出光；在固态继电器断开后断开脉冲发生器调Q触发通路，激光器停止出光。
优选地，所述出光反馈检测模块在检测到激光出光后，将出光反馈信号发送给所述数字I/O输入输出模块。
所述激光器出光频率保持于5-50Hz范围内，所述脉冲发生器模块与所述激光器的频率保持一致。
根据本发明的第二个方面，提供一种脉冲激光出光同步闭环控制方法，包括：
运动执行机构运动到目标点位后，触发运动到位信号；
根据所述运动到位信号，形成激光出光和出光反馈的闭环控制；
运动执行机构根据所述闭环控制，运动到下一个目标点位。
优选地，所述根据所述运动到位信号，形成激光出发和出光反馈的闭环控制，包括：
同步控制器模块在接收到运动到位信号后，固态继电器关闭；
脉冲发生器模块在所述固态继电器关闭后，输出调Q触发脉冲信号至激光器；
激光器获得调Q触发脉冲信号后，发出脉冲激光；
出光反馈检测模块检测到激光出光，发送出光反馈信号给同步控制器数字I/O输入输出模块；
同步控制器模块检测到出光反馈信号，断开固态继电器，关闭调Q触发信号通路，激光器停止出光。
根据本发明的第三个方面，提供一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时可用于执行上述任一项所述的系统，或，运行上述任一项所述的方法。
根据本发明的第四个方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时可用于执行上述任一项所述的系统，或，运行上述任一项所述的方法。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)实现激光出光-出光反馈的闭环控制，有效避免不出光或乱出光的问题，实现整个激光加工过程的精准控制；
2)利用FPGA强大的并行处理功能，实现高速的信号采集、计算和控制，以ns级时间分辨率执行定时、触发和自定义控制循环，精准控制脉冲激光时间，提高整个控制系统的响应速度；
3)在目标位置实现激光脉冲的精准触发，有利于提高激光加工精度；
4)能够实现与脉冲激光器相同的出光频率，最高可以达到50Hz，显著提高激光加工效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的一个实施例的脉冲激光出光同步闭环控制系统的结构示意图；
图2为本发明提供的一个实施例的脉冲激光和外部执行机构运动协调控制流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。
基于现有技术，需要实现脉冲激光和执行机构运动协调控制。根据工艺路径规划，运动执行机构运动到目标点位后需要激光器输出脉冲激光。由于激光器出光时序与内部固定时钟相关，因此需要建立运动执行机构到位信号反馈，以及激光器单激光脉冲精确输出控制方法。同时，激光器完成激光脉冲输出后，运动执行机构需要按照工艺路径规划继续运动至下一加工点，在此环节要求实现出光情况的检测。本发明提供以下实施例以满足上述技术需求。
如图1所示，为本发明提供的一个实施例的一种脉冲激光出光同步闭环控制系统的结构示意图。由图可见，包括：
同步控制器模块、出光反馈检测模块和脉冲发生器模块，同步控制器模块采集出光信号和出光反馈信号，实现激光出光和出光反馈闭环控制；出光反馈检测模块检测激光出光并反馈出光反馈信号给同步控制器模块；脉冲发生器模块控制激光器的外触发。
为了更好地实现激光出光和出光反馈的闭环控制，本发明提供一个优选实施例。在本实施例中，同步控制器模块，包括现场可编程门阵列FPGA模块、高速固态继电器模块、数字I/O输入输出模块，FPGA模块分别与高速固态继电器模块、数字I/O输入输出模块通过COM串口相连。现场可编程门阵列FPGA模块，用于实现高速的信号采集、计算和控制，实现“激光出光-出光反馈”闭环控制；高速固态继电器模块，用于在FPGA模块接收到控制出光信号后，控制脉冲发生器模块输出调Q触发信号；在FPGA模块接收到出光反馈信号后，控制脉冲发生器模块停止输出调Q触发信号。数字I/O输入输出模块，与出光反馈检测模块和外部运动执行机构控制卡相连，用于接收出光反馈检测模块出光反馈信号和运动执行机构运动到位信号，以及发送下一个点位运动控制信号给运动执行机构。本实施例中，激光器出光频率保持于5-50Hz范围内，脉冲发生器模块与激光器的频率保持一致。
为了更好地实现激光器外触发控制，本发明提供一个优选实施例。如图1所示，脉冲发生器模块用于输出两路信号至激光器调Q触发和泵浦触发两路信号端口，该两路信号与激光器内部设置保持一致；脉冲发生器模块第1路和外部激光器泵浦触发端口直接相连，以和激光器相同的频率对激光器持续输出泵浦触发脉冲信号；脉冲发生器模块第2路和同步控制器固态继电器模块相连，在高速固态继电器闭合后接通脉冲发生器模块调Q触发通路，输出调Q触发脉冲信号至激光器，控制激光器出光；在固态继电器断开后断开脉冲发生器模块调Q触发通路，激光器停止出光。
为了进行更高效地出光反馈，本发明提供一个优选实施例，在本实施例中，出光反馈检测模块在检测到激光出光后，以TTL高电平的形式将出光反馈信号发送给同步控制器数字I/O输入输出模块。
基于上述实施例相同的构思，本发明提供另一个实施例，见图2，一种脉冲激光出光同步闭环控制方法，包括：
运动执行机构运动到目标点位后，执行机构反馈运动到位信号；
根据所述运动到位信号，形成激光出光和出光反馈的闭环控制；
运动执行机构根据所述闭环控制，运动到下一个目标点位。
基于上述实施例进一步优化，本实施例的脉冲激光出光同步闭环控制方法，包括：
S1,运动执行机构运动到目标点位后，触发运动到位信号；
S2,同步控制器模块在接收到运动到位信号后，固态继电器关闭；
S3,脉冲发生器模块在固态继电器关闭后，输出调Q触发脉冲信号至激光器；
S4,激光器获得调Q触发脉冲信号后，发出脉冲激光；
S5,出光反馈检测模块检测激光出光，若检测到激光出光，则进入S6；如没有检测到激光出光，返回S3；
S6,发送出光反馈信号给同步控制器数字I/O输入输出模块；
S7,同步控制器模块检测到出光反馈信号，断开固态继电器，关闭调Q触发信号通路，激光器停止出光；
S8,同步控制器数字I/O输入输出模块输出下个点位的运动控制信号；
S9,运动执行机构运动到下一个点位。
上述实施例提出激光器单激光脉冲精确输出和“出光控制-出光反馈”闭环控制方法，建立脉冲激光出光同步闭环控制系统，实现激光触发时间点与运动到位时间点的精确匹配，有效解决激光器不出光或是乱出光的问题。同时，最大化利用激光器的出光频率，显著提高激光加工的效率。
基于上述实施例相同的构思，在本发明的其他实施例中，提供一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时可用于执行上述任一项系统，或，运行上述任一项方法。
基于上述实施例相同的构思，在本发明的其他实施例中，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时可用于执行上述任一项系统，或，运行上述任一项方法。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。

Claims (10)

1.一种脉冲激光出光同步闭环控制系统，其特征在于，包括：
同步控制器模块，所述同步控制器模块采集出光信号和出光反馈信号，实现激光出光和出光反馈的闭环控制；
出光反馈检测模块，所述出光反馈检测模块检测激光出光并输送出光反馈信号至所述同步控制器模块；
脉冲发生器模块，所述脉冲发生器模块控制外部激光器的触发。
2.根据权利要求1所述的脉冲激光出光同步闭环控制系统，其特征在于，所述同步控制器模块接收外部运动执行机构反馈的运动到位信号；所述同步控制器模块发送运动控制信号至所述运动执行机构。
3.根据权利要求1所述的脉冲激光出光同步闭环控制系统，其特征在于，所述同步控制器模块，包括：
现场可编程门阵列FPGA模块，所述现场可编程门阵列FPGA模块采集、计算和控制所述激光出光信号和所述出光反馈信号，实现激光出光和出光反馈的闭环控制；
固态继电器模块，所述固态继电器模块接收所述现场可编程门阵列FPGA模块出光信号后，控制所述脉冲发生器模块输出调Q触发信号；接收到FPGA模块出光反馈信号后，控制所述脉冲发生器模块停止输出调Q触发信号；
数字I/O输入输出模块，所述数字I/O输入输出模块接收所述运动执行机构运动到位信号、接收所述出光反馈检测模块出光反馈信号并发送下一个点位运动控制信号给运动执行机构。
4.根据权利要求1所述的脉冲激光出光同步闭环控制系统，其特征在于，所述脉冲发生器模块输出两路信号至激光器调Q触发和泵浦触发两路信号端口，并以固定频率对激光器持续输出泵浦触发脉冲信号；在所述固态继电器闭合后接通脉冲发生器调Q触发通路，输出调Q触发脉冲信号至激光器，控制激光器出光；在所述固态继电器断开后，停止输出调Q触发脉冲信号至激光器，控制激光器停止出光。
5.根据权利要求1所述的脉冲激光出光同步闭环控制系统，其特征在于，所述出光反馈检测模块在检测到激光出光后，将出光反馈信号发送给所述数字I/O输入输出模块。
6.根据权利要求4所述的脉冲激光出光同步闭环控制系统，其特征在于，所述激光器出光频率保持于5-50Hz范围内，所述脉冲发生器模块与所述激光器的频率保持一致。
7.一种脉冲激光出光同步闭环控制方法，其特征在于，包括：
运动执行机构运动到目标点位后，触发运动到位信号；
根据所述运动到位信号，形成激光出光和出光反馈的闭环控制；
运动执行机构根据所述闭环控制，运动到下一个目标点位。
8.根据权利要求7所述的脉冲激光出光同步闭环控制方法，其特征在于，所述根据所述运动到位信号，形成激光出光和出光反馈的闭环控制，包括：
同步控制器模块在接收到运动到位信号后，固态继电器关闭；
脉冲发生器模块在所述固态继电器关闭后，输出调Q触发脉冲信号至激光器；
激光器获得调Q触发脉冲信号后，发出脉冲激光；
出光反馈检测模块检测到激光出光，发送出光反馈信号给同步控制器数字I/O输入输出模块；
同步控制器模块检测到出光反馈信号，断开固态继电器，关闭调Q触发信号通路，激光器停止出光。
9.一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时可用于执行权利要求1-6中任一项所述的系统，或，运行权利要求7-8中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时可用于执行权利要求1-6中任一项所述的系统，或，运行权利要求7-8中任一项所述的方法。
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