CN114204998B - 通过功率光路通信复用实现控制信号同步的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种通过功率光路通信复用实现控制信号同步的方法及系统，包括以下步骤：将控制指令划分为数据和触发指令，下发数据并进行实时或非实时触发执行命令；与光路中的各个设备进行实时或非实时请求操作；光路中各设备可选择应答操作，通知通信发起方接收到了触发请求，应答结束后将功率输出转换为就绪状态；光路中各设备按照主激光器已传输的工艺和轨迹数据进行执行控制序列；光路中各设备控制序列处于完成状态，上报成功或失败及故障代码；本发明采用将能量光和信号光合并在同一光路传输，充分发挥光通信的信号响应快、信息载量大、抗干扰能力强的特点，且复用原有的功率光传输链路，省去架设单独链路的成本。

Description

通过功率光路通信复用实现控制信号同步的方法及系统

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种通过功率光路通信复用实现控制信号同步的方法及系统。

背景技术

在激光加工领域，为了实现不同加工轨迹上的激光功率输出密度可控，需要对光传输路径和光强进行控制。主光路途径的各个设备，如激光器、振镜、分光系统等需要进行同步作业。

但是，传统的控制系统方案，采用电信号以脉冲或数字编码的方式，将控制指令分别发送到各个独立设备，这有几方面的技术局限：

不精确的局限，由于电信号的编码解码处理、信号的电平转换和逻辑门电路处理过程均会造成信号延时与滞后，使得控制系统具有确定时序的控制指令，在实际执行时出现较大的时序偏差，只能通过逆向调节控制指令超前或滞后发送时间，进行一定程度的改善；

易受干扰的局限，激光大功率设备，在工作中有频繁的充放电过程，发射出的电场磁场在空间传播，耦合到包括信号线控制板在内的金属载体上，当噪声超过信号容限后，使控制信号失真，导致错误或校验失败；

多故障点的局限，电信号采用实体电缆传输，一个数据链路，信号线需要至少起始和结束两个连接端，线缆本身需要进行固定，在系统长期运行中，由于线缆老化绝缘层破损，意外的拉拽造成接头松动脱落，出现信号线短路及断路故障。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种通过功率光路通信复用实现控制信号同步的方法及系统，旨在复用主光路进行光通信，在高功率激光出光前，发射低能量光脉冲，实现各个设备的对时和控制信号同步。充分利用光信号不受电磁环境干扰，触发快延时小的优势，实现精确地同步执行效果。

本发明通过以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提供了一种通过功率光路通信复用实现控制信号同步的方法，包括以下步骤：

S1：将控制指令划分为数据和触发指令，下发数据并进行实时或非实时触发执行命令；

S2：功率输出前，与光路中的各个设备进行实时或非实时请求操作，在实时请求操作时对时钟进行同步对时；所述同步请求操作同时起到分布时钟的对时作用，具体如下：

周期性脉冲，约定一个确定数量和周期的脉冲序列，当接收端检测到脉冲式，确定主激光器即将开始一个激光功率输出的控制序列；

特殊编码，发送一个专用编码信号，接收端解码后，确认这是一个控制序列的起始。

其中，所述方法中，若发射高功率激光时，先以低功率光脉冲方式，发射一个同步控制信号序列，各设备通过光信号接收模块，同步接收控制信号，并以接收到信号频率或信号编码，作为下一步控制执行的基准时间，实现对时和执行同步。

S3：光路中各设备可选择应答操作，通知通信发起方接收到了触发请求，应答结束后将功率输出转换为就绪状态；

S4：开始功率输出，光路中各设备按照主激光器已传输的工艺和轨迹数据进行执行控制序列；

S5：停止功率输出，光路中各设备控制序列处于完成状态，上报成功或者失败及故障代码；

其中，所述实时或非实时的通信形式为PWM、编码或其他通信形式；所述数据部分包含激光加工的工艺参数和轨迹信息，并在数据部分传输完毕后进行命令触发。更进一步的，所述方法中，同步请求操作同时起到分布时钟的对时作用，具体如下：

周期性脉冲，约定一个确定数量和周期的脉冲序列，当接收端检测到脉冲式，确定主激光器即将开始一个激光功率输出的控制序列；

特殊编码，发送一个专用编码信号，接收端解码后，确认这是一个控制序列的起始。

更进一步的，所述方法中，光信号接收方式，通过检光二极管，将光的强弱转换为电流大小，并通过放大器和比较器最终得到时序与光脉冲一致的电脉冲。

更进一步的，所述方法中，电脉冲通过定时器捕捉上升沿和下降沿进行测量，通过两个定时器或定时器的两个通道，分别测量出信号的脉冲宽度和脉冲的周期，其中，定时器的最小计时周期决定了最终的同步时序精度。

更进一步的，所述方法中，光信号通信方式，通过发射端信息编码和接收端的信息解码模块建立光通信链路，直接调制模式的编解码，按照数字编码的数值改变激光二极管驱动电流，直接将数字信号转化为光信号强弱变化。

更进一步的，所述方法中，外调制模式的编解码，光源保持持续出光，通过增加外部调制器，改变光路的幅频和相位特性进行编码。

第二方面，本发明提供了一种通过功率光路通信复用实现控制信号同步的系统，所述系统用于实现第一方面所述的通过功率光路通信复用实现控制信号同步的方法，包括激光加工系统和光信号接收。

更进一步的，所述激光加工系统包括控制卡，所述控制卡通过各个独立控制接口分别连接激光器、振镜、分光系统、运动平台、执行机构及传感器各个独立设备，其中，激光器接收到控制卡的出光信号后，依据控制卡提供的功率和频率设定，实现对应的光脉冲输出，振镜通过接收控制卡的位置信号，调整电机偏转角度，带动反射镜片运动改变光的发射方向，实现激光在目标物上的轨迹变化，分光系统起到光路切换的功能，实现一条入射光路，分时切换或者分功率比例分配到多条出射光路中；所述光信号接收包括检光二极管，所述检光二极管将光的强弱转换为电流大小，通过放大器、比较器等电子元件，最终得到时序与光脉冲一致的电脉冲，电脉冲通过定时器捕捉上升沿和下降沿进行测量，通过两个定时器或定时器的两个通道，分别测量出信号的脉冲宽度和脉冲的周期。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用将能量光和信号光合并在同一光路传输，充分发挥光通信的信号响应快、信息载量大、抗干扰能力强的特点，且复用原有的功率光传输链路，省去架设单独链路的成本，从而提升激光加工系统的功能和性能水平。

2、本发明中，主激光器是整条光路控制时序的执行基准，激光器作为光路起点，可以利用主激光器的低能量状态、红光指示激光器、或者专用的通讯波段激光器，将数字信号转化成的光信号发射，则分布于光路中的各个设备作为接收端(如振镜)，并增加光信号接收模块，以此实现高功率激光能量输出和低功率激光信号通信的光路复用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是通过功率光路通信复用实现控制信号同步的方法步骤图；

图2是本发明实施例典型的激光加工系统结构图；

图3是本发明实施例具体实现时序图；

图4为本发明的棱镜胶合过程示意图；

图5为本发明的棱镜胶合平面示意图；

图6为本发明的光路复用示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参照图1所示，本实施例提供一种通过功率光路通信复用实现控制信号同步的方法，包括以下步骤：

S1：将控制指令划分为数据和触发指令，下发数据并进行实时或非实时触发执行命令；

S2：功率输出前，与光路中的各个设备进行实时或非实时请求操作，在实时请求操作时对时钟进行同步对时；所述同步请求操作同时起到分布时钟的对时作用，具体如下：

周期性脉冲，约定一个确定数量和周期的脉冲序列，当接收端检测到脉冲式，确定主激光器即将开始一个激光功率输出的控制序列；

特殊编码，发送一个专用编码信号，接收端解码后，确认这是一个控制序列的起始。

其中，所述方法中，若发射高功率激光时，先以低功率光脉冲方式，发射一个同步控制信号序列，各设备通过光信号接收模块，同步接收控制信号，并以接收到信号频率或信号编码，作为下一步控制执行的基准时间，实现对时和执行同步。

S3：光路中各设备可选择应答操作，通知通信发起方接收到了触发请求，应答结束后将功率输出转换为就绪状态；

S4：开始功率输出，光路中各设备按照主激光器已传输的工艺和轨迹数据进行执行控制序列；

S5：停止功率输出，光路中各设备控制序列处于完成状态，上报成功或者失败及故障代码；

其中，所述实时或非实时的通信形式为PWM、编码或其他通信形式；所述数据部分包含激光加工的工艺参数和轨迹信息，并在数据部分传输完毕后进行命令触发；数据部分包含激光加工的工艺参数和轨迹信息，可采用实时性要求不高的校验方式传输，且命令触发时机前需将数据部分传输完毕；主激光器是整条光路控制时序的执行基准，其中，激光器作为光路起点，用于实现光信号的发射，则分布于光路中的每个设备作为光信号接收端。

本实施例中，分布于光路中的各个设备，如振镜等作为接收端，增加光信号接收模块，即可实现高功率激光能量输出和低功率激光信号通信的光路复用。

本实施例采用将能量光和信号光合并在同一光路传输。充分发挥光通信的信号响应快、信息载量大、抗干扰能力强的特点，且复用原有的功率光传输链路，省去架设单独链路的成本，从而提升激光加工系统的功能和性能水平。

实施例2

在具体实施层面，参照图2所示，本实施例提供一种典型的激光加工系统，虚线所示传统电信号控制的拓扑，为星形连接。通过增加光通信设计，即实体箭头所示光路，实现控制信号的闭环，拓扑形式为环形。

本实施例以控制卡或安装控制卡的计算机系统为核心。控制卡通过各个独立控制接口，分别连接激光器、振镜、分光系统、运动平台、执行机构、传感器等各个独立设备。控制卡将包含加工工艺参数的运动轨迹和功率曲线，分解为各个独立设备的控制信号。

本实施例激光器是整个光路的起点。激光器接收到控制卡的出光信号后，依据控制卡提供的功率和频率设定，实现对应的光脉冲输出。

本实施例振镜通过接收控制卡的位置信号，调整电机偏转角度，带动反射镜片运动改变光的发射方向，实现激光在目标物上的轨迹变化。

本实施例分光系统是一种典型的光路中间层器件，起到光路切换的功能，实现一条入射光路，分时切换或者分功率比例分配到多条出射光路中。

本实施例通过调整激光的幅频特性，实现数字信息的传输与通信是激光的另一大应用领域本实施例激光加工与激光通信的主要区别是，激光加工利用了激光高能量密度和平行传播衰减低的特点，而激光通信则利用了激光高相干性信息承载密度高的特点。激光用于通信时，仅需要数毫瓦能量即可。

本实施例当激光器准备发射高功率激光前，先以低功率光脉冲方式，发射一个同步控制信号序列。各设备通过光信号接收模块，同步接收控制信号。

本实施例以接收到信号频率或信号编码，作为下一步控制执行的基准时间，实现精确的对时和执行同步。

本实施例光信号接收模块的一种实现，是采用光子计数模式，可以检测到极微弱的光强。通过主光路透镜和棱镜等光学器件的散射光和辉光，实现光信号的接收。

本实施例光接收模块的设计，可以是简单的光强脉冲测量，也可以是正交编码信息的编码和解码。不同的方案实现，主要体现于系统设计的复杂度，以及与之对应的性能和造价上。可以按实际需求有针对的选择。

本实施例激光器的主光路，既作为能量输出的通道，也作为光信号数据通信的链路。

本实施例光信号接收模块的一种实现，是通过主光路棱镜的分光反射实现光信号的衰减与光强接收。

本实施例激光器作为光路起点，可以利用主激光器的低能量状态、红光指示激光器、或者专用的通讯波段激光器，实现光信号的发射。分布于光路中的各个设备，如振镜等作为接收端，增加光信号接收模块，即可实现高功率激光能量输出和低功率激光信号通信的光路复用。

本发明中，主激光器是整条光路控制时序的执行基准，激光器作为光路起点，可以利用主激光器的低能量状态、红光指示激光器、或者专用的通讯波段激光器，将数字信号转化成的光信号发射，则分布于光路中的各个设备作为接收端(如振镜)，并增加光信号接收模块以此实现高功率激光能量输出和低功率激光信号通信的光路复用。

实施例3

在具体实施层面，参照图2所示，本实施例提供一种光信号接收的实现方式，主要通过检光二极管，将光的强弱转换为电流大小。通过放大器、比较器等电子元件，最终得到时序与光脉冲一致的电脉冲。

本实施例电脉冲可以通过定时器捕捉上升沿和下降沿进行测量，通过两个定时器或定时器的两个通道，分别测量出信号的脉冲宽度和脉冲的周期，定时器的最小计时周期决定了最终的同步时序精度。

本实施例光信号同步的精度，与接收模块的信号计时精度相关。需要使用计时周期小于1us(1微妙)的定时器，实现高精度的信号同步。

本实施例中，一般材料吸收激光能量的损伤阈值大约为21J/cm2，低于此能量密度材料只有温度升高，而不会发生其他物理和化学反应，激光同步信号低于此功率即可。

本实施例将控制指令分为数据和触发两部分。数据部分包含激光加工的工艺参数和轨迹信息，可以采用实时性要求不高的校验方式传输，但需要保证在命令触发时机前传输完毕。

本实施例主激光器是整条光路控制时序的执行基准，需要在每次功率出光前，与光路中每个设备进行同步请求操作，这个操作同时起到分布时钟的对时作用。具体分为以下几种方式：

a.周期性脉冲。约定一个确定数量和周期的脉冲序列，当接收端检测到脉冲式，即确定主激光器即将开始一个激光功率输出的控制序列。

b.特殊编码。发送一个专用编码信号，接收端解码后，确认这是一个控制序列的起始。

本实施例同步请求操作进行后，可以选择进行一个应答操作，通知主激光器各设备接收到了触发请求，并转换为就绪状态，主激光器开始功率输出，各设备在统一的时钟基础上，按照已传输的工艺和轨迹数据，执行控制序列。

本实施例主激光器停止功率输出，最后可选择进行一个结束检测操作，各设备报告控制序列的完成状态，上报成功或者失败及故障代码。

本实施例为了确保光信号被正确接收，可以增加握手确认环节。即设备接收到激光器的前置信号后，通过电信号或光路反馈一个确认信号。

通过本实施例提出自适应调整参数公式，计算算法中的敏感参数，将其用于探索阶段和开发阶段迭代更新中，自适应调整参数的好处是防止算法陷入局部最优，提高获取局部最优的能力；引入多群组通信策略，增加种群多样性从而提高寻优能力。

实施例4

在具体实施层面，本实施例提供一种光信号通信的实现方式，主要通过发射端信息编码和接收端的信息解码模块建立光通信链路，这种类型的链路涉及到光电转换的调制模式设计。

本实施例直接调制模式的编解码，即按照数字编码的数值改变激光二极管驱动电流，直接将数字信号转化为光信号强弱变化。

本实施例外调制模式的编解码，光源保持持续出光，通过增加外部调制器，改变光路的幅频和相位特性进行编码。

本实施例外调制模式系统更复杂但数据载量更大数据带宽更高，直接调制模式能够满足一般的控制命令发送需求。

本实施例光信号通信可以对传统的激光控制系统设计，带来诸多的改进和提高：

本实施例提高控制精确度，传统电信号的转换，在诸多环节中，存在非常大的延时，而且这种延时是随着不同电气系统的设计，存在不确定性本实施例提高系统抗干扰能力，由于主光路要实现能量输出的功能，因此需要保证相对封闭，不受外界环境影响，而激光本身就有优良的抗电磁干扰特性，是工业控制场景中，最可靠的信息传输方式。

本实施例简化系统设计，传统设计的振镜角度信息，必须周期性地进行更新，为了保证周期的准确性和数据更新的及时性，需要繁复的硬件设计，而有了光路通信的同步功能，振镜数据可以不再遵守严格的周期更新要求，只使用廉价通用的通信接口即可，如CAN总线或以太网。

本实施例提高系统响应速度，由于光信号的传输速度极快，因此能够提高整个系统的控制响应频率，比如传统振镜更新周期以10us为基准单位，光信号同步则可以实现1us甚至100ns的控制精度，实现10倍乃至100倍的性能提升。

本实施例通过分光棱镜实现2个不同波段的光束分离。棱镜的斜面有光学镀膜，可以反射特定波长的光，其他波长的光则可以自由穿过，两块棱镜通过胶合成为一个立方体；当主激光器和设备端，在光路中分别设置一组分光棱镜和收发器时，光路透过分光棱镜射出并经收发器接收转换，复用主光路的通信链路就建立了起来。

实施例5

本实施例提供一种通过功率光路通信复用实现控制信号同步的系统，包括激光加工系统和光信号接收。

本实施例所述激光加工系统包括控制卡，所述控制卡通过各个独立控制接口分别连接激。

本实施例激光器接收到控制卡的出光信号后，依据控制卡提供的功率和频率设定，实现对应的光脉冲输出，振镜通过接收控制卡的位置信号，调整电机偏转角度，带动反射镜片运动改变光的发射方向，实现激光在目标物上的轨迹变化，分光系统起到光路切换的功能，实现一条入射光路，分时切换或者分功率比例分配到多条出射光路中。

本实施例光信号接收包括检光二极管，所述检光二极管将光的强弱转换为电流大小，通过放大器、比较器等电子元件，最终得到时序与光脉冲一致的电脉冲，电脉冲通过定时器捕捉上升沿和下降沿进行测量，通过两个定时器或定时器的两个通道，分别测量出信号的脉冲宽度和脉冲的周期。

综上，本发明采用将能量光和信号光合并在同一光路传输，充分发挥光通信的信号响应快、信息载量大、抗干扰能力强的特点，且复用原有的功率光传输链路，省去架设单独链路的成本，从而提升激光加工系统的功能和性能水平；主激光器是整条光路控制时序的执行基准，激光器作为光路起点，可以利用主激光器的低能量状态、红光指示激光器、或者专用的通讯波段激光器，将数字信号转化成的光信号发射，则分布于光路中的各个设备作为接收端(如振镜)，并增加光信号接收模块，以此实现高功率激光能量输出和低功率激光信号通信的光路复用。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种通过功率光路通信复用实现控制信号同步的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将控制指令划分为数据和触发指令，下发数据并进行实时或非实时触发执行命令；

S2：功率输出前，与光路中的各个设备进行实时或非实时请求操作，在实时请求操作时对时钟进行同步对时，具体如下：

周期性脉冲，约定一个确定数量和周期的脉冲序列，当接收端检测到脉冲式，确定主激光器即将开始一个激光功率输出的控制序列；

特殊编码，发送一个专用编码信号，接收端解码后，确认这是一个控制序列的起始；

其中，若发射高功率激光时，先以低功率光脉冲方式，发射一个同步控制信号序列，各设备通过光信号接收模块，同步接收控制信号，并以接收到信号频率或信号编码，作为下一步控制执行的基准时间，实现对时和执行同步;

S3：光路中各设备可选择应答操作，通知通信发起方接收到了触发请求，应答结束后将功率输出转换为就绪状态；

S4：开始功率输出，光路中各设备按照主激光器已传输的工艺和轨迹数据进行执行控制序列；

S5：停止功率输出，光路中各设备控制序列处于完成状态，上报成功或者失败及故障代码；

其中，所述实时或非实时的通信形式为PWM、编码或其他通信形式；所述数据部分包含激光加工的工艺参数和轨迹信息，并在数据部分传输完毕后进行命令触发。

2.根据权利要求1所述的通过功率光路通信复用实现控制信号同步的方法，其特征在于，所述方法中，使用主激光器作为光路起点，利用主激光器的低能量状态、红光指示激光器、或者专用的通讯波段激光器，实现光信号的发射；光信号接收方式，通过检光二极管，将光的强弱转换为电流大小，并通过放大器和比较器最终得到时序与光脉冲一致的电脉冲。

3.根据权利要求2所述的通过功率光路通信复用实现控制信号同步的方法，其特征在于，所述主激光器是整条光路控制时序的执行基准，其中，所述激光器作为光路起点，用于实现光信号的发射，则分布于光路中的每个设备作为光信号接收端。

4.根据权利要求2所述的通过功率光路通信复用实现控制信号同步的方法，其特征在于，所述方法中，电脉冲通过定时器捕捉上升沿和下降沿进行测量，通过两个定时器或定时器的两个通道，分别测量出信号的脉冲宽度和脉冲的周期，其中，定时器的最小计时周期决定了最终的同步时序精度。

5.根据权利要求1所述的通过功率光路通信复用实现控制信号同步的方法，其特征在于，所述方法中，光信号通信方式通过发射端信息编码和接收端的信息解码模块建立光通信链路，直接调制模式的编解码，按照数字编码的数值改变激光二极管驱动电流，直接将数字信号转化为光信号强弱变化。

6.根据权利要求5所述的通过功率光路通信复用实现控制信号同步的方法，其特征在于，所述方法中，外调制模式的编解码，光源保持持续出光，通过增加外部调制器，改变光路的幅频和相位特性进行编码。

7.一种通过功率光路通信复用实现控制信号同步的系统，所述系统用于实现如权利要求1-6任一项所述的通过功率光路通信复用实现控制信号同步的方法，其特征在于，包括激光加工系统和光信号接收。

8.根据权利要求7所述的通过功率光路通信复用实现控制信号同步的系统，其特征在于，所述激光加工系统包括控制卡，所述控制卡通过各个独立控制接口分别连接激光器、振镜、分光系统、运动平台、执行机构及传感器各个独立设备，其中，激光器接收到控制卡的出光信号后，依据控制卡提供的功率和频率设定，实现对应的光脉冲输出，振镜通过接收控制卡的位置信号，调整电机偏转角度，带动反射镜片运动改变光的发射方向，实现激光在目标物上的轨迹变化，分光系统起到光路切换的功能，实现一条入射光路，分时切换或者分功率比例分配到多条出射光路中；

所述光信号接收包括检光二极管，所述检光二极管将光的强弱转换为电流大小，通过放大器、比较器等电子元件，最终得到时序与光脉冲一致的电脉冲，电脉冲通过定时器捕捉上升沿和下降沿进行测量，通过两个定时器或定时器的两个通道，分别测量出信号的脉冲宽度和脉冲的周期。