CN115055842A - 一种激光打孔扫描控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种激光打孔扫描控制系统，包括上位机、显示器、PLC控制装置、快反镜控制器以及执行机构，所述显示器和所述PLC控制装置均与所述上位机电连接，所述PLC控制装置与所述快反镜控制器电连接，所述执行机构包括第一快反镜、第二快反镜和第三快反镜，所述第一快反镜、第二快反镜和第三快反镜均与所述快反镜控制器电连接，所述第一快反镜用于将输入的激光反射至第三快反镜上，所述第三快反镜用于将激光反射至第二快反镜上，所述第二快反镜用于将激光反射至加工面上。本发明解决了现有技术中无法实现四轴联动打孔、且打孔精度不高的技术问题。

Description

一种激光打孔扫描控制系统
技术领域
本发明涉及激光打孔技术领域，具体涉及一种激光打孔扫描控制系统。
背景技术
激光精密打孔加工设备的核心部件之一就是激光扫描控制系统。激光扫描控制系统主要作用于调节激光加工面焦斑位置、激光束锥角和激光扫描速度等，通过激光诱导材料损伤，实现低功率快发散的大深径比(大于15:1)、高精度的精密打孔加工。
目前的激光扫描控制系统无法实现多轴联动的关联控制，无法实现多轴联动打孔，而且打孔精度不高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种激光打孔扫描控制系统，解决现有技术中无法实现四轴联动打孔、且打孔精度不高的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：
一种激光打孔扫描控制系统，包括上位机、显示器、PLC控制装置、快反镜控制器以及执行机构，其中，
所述显示器和所述PLC控制装置均与所述上位机电连接，所述PLC控制装置与所述快反镜控制器电连接，所述执行机构包括第一快反镜、第二快反镜和第三快反镜，所述第一快反镜、第二快反镜和第三快反镜均与所述快反镜控制器电连接，所述第一快反镜用于将输入的激光反射至第三快反镜上，所述第三快反镜用于将激光反射至第二快反镜上，所述第二快反镜用于将激光反射至加工面上；
其中，所述PLC控制装置用于生成扫描轨迹，并根据所述扫描轨迹生成控制所述第一快反镜、第二快反镜和第三快反镜动作的控制信号，所述快反镜控制器用于根据所述PLC控制装置发送的控制信号驱动所述第一快反镜、第二快反镜和第三快反镜动作，以实现激光的多轴联动打孔。
优选的，所述的激光打孔扫描控制系统中，所述PLC控制装置具体用于根据用户输入的控制参数以及预设的多轴联动算法，生成扫描轨迹，并根据所述扫描轨迹生成控制所述第一快反镜、第二快反镜和第三快反镜动作的控制信号。
优选的，所述的激光打孔扫描控制系统中，所述控制参数至少包括打孔方式、打孔的外圆半径、打孔的内圆半径、步距、步距变化系数、打孔的运动速度、打孔周期数、校准系数、相位偏置、转换系数以及锥角系数。
优选的，所述的激光打孔扫描控制系统中，所述打孔方式至少包括螺旋打孔方式、同心打孔方式以及Z字打孔方式。
优选的，所述的激光打孔扫描控制系统中，所述多轴联动算法为：
Figure BDA0003685456750000021
其中，TPRx表示X轴方向的锥角，TPRy表示Y方向上的锥角，r为加工点对应半径，rmax为加工区域外径，TPRmax为用户设定最大锥角，
Figure BDA0003685456750000022
就是锥角系数，其值由光路的设计参数决定,X表示X轴方向的位移，Y表示Y轴方向上的位移。
优选的，所述的激光打孔扫描控制系统中，当所述打孔方式为螺旋打孔方式或者同心打孔方式，旋转方式为旋入时，
X＝a·(1-n)·(min(a，b)+4|a-b|)·cos(t)；
Y＝b·(1-n)·(min(a，b)+4|a-b|)·sin(t)；
其中，a表示椭圆a轴半径，a＝r1×K；b表示椭圆b轴半径，b＝r1×K；n表示螺旋一层间比例，从0到100％，n＝d/r1；t表示扫描角速度。
优选的，所述的激光打孔扫描控制系统中，当所述打孔方式为螺旋打孔方式或者同心打孔方式，旋转方式为旋入时，
X＝a·n·(min(a，b)+4|a-b|)·cos(t)；
Y＝b·n·(min(a，b)+4|a-b|)·sin(t)；
其中，a表示椭圆a轴半径，a＝r1×K；b表示椭圆b轴半径，b＝r1×K；n表示螺旋一层间比例，从0到100％，n＝d/r1；t表示扫描角速度。
优选的，所述的激光打孔扫描控制系统中，当所述打孔方式为Z字打孔方式时，
Figure BDA0003685456750000031
Y＝u-b；
其中，a表示椭圆a轴半径，a＝r1×K；b表示椭圆b轴半径，b＝r1×K；u表示往返步进，从0到2b，u＝N×d，N为不小于1的自然数，d为步距；t表示扫描角速度。
优选的，所述的激光打孔扫描控制系统中，所述第一快反镜、第二快反镜和第三快反镜均通过2路±10V的AO信号驱动。
优选的，所述的激光打孔扫描控制系统中，所述AO信号为满足16b it精度、100kHz的信号。
与现有技术相比，本发明提供的激光打孔扫描控制系统，通过设置第一快反镜、第二快反镜和第三快反镜所形成的独特的光路设计，，利用PLC控制装置来进行扫描轨迹的生成，并根据扫描轨迹来控制第一快反镜、第二快反镜和第三快反镜动作，可以实现四轴联动打孔，且打孔精度优于±10μm，打孔频率大于3000rpm。
附图说明
图1是本发明提供的激光打孔控制系统的一实施例的结构框图；
图2是本发明提供的激光打孔控制系统中，执行机构的一实施例的示意图；
图3a是本发明提供的激光打孔控制系统中，螺旋打孔的一实施例的示意图；
图3b是本发明提供的激光打孔控制系统中，同心打孔的一实施例的示意图；
图3c是本发明提供的激光打孔控制系统中，Z字打孔的一实施例的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1和图2，本发明提供了一种激光打孔扫描控制系统，包括上位机1、显示器2、PLC控制装置3、快反镜控制器4以及执行机构5，所述显示器2和所述PLC控制装置3均与所述上位机1电连接，所述PLC控制装置3与所述快反镜控制器4电连接，所述执行机构5包括第一快反镜FM1、第二快反镜FM2和第三快反镜FM3，所述第一快反镜FM1、第二快反镜FM2和第三快反镜FM3均与所述快反镜控制器4电连接，所述第一快反镜FM1用于将输入的激光反射至第三快反镜FM3上，所述第三快反镜FM3用于将激光反射至第二快反镜FM2上，所述第二快反镜FM2用于将激光反射至加工面上，。
本实施例中，上位机1用于实现人机交互，并能够供用户想PLC控制装置3下发控制参数和控制命令。上位机1的控制界面即为显示器2，通过显示器2显示控制参数和控制命名。上位机1与PLC控制装置3之间通过网络连接。
PLC控制装置3是激光打孔扫描控制系统的核心，负责扫描轨迹数据生成和快反镜的驱动控制。具体的，PLC控制装置3用于生成扫描轨迹，并根据所述扫描轨迹生成控制所述第一快反镜FM1、第二快反镜FM2和第三快反镜FM3动作的控制信号。所述快反镜控制器4用于根据所述PLC控制装置3发送的控制信号驱动所述第一快反镜FM1、第二快反镜FM2和第三快反镜FM3动作，以实现激光的多轴联动打孔。
激光打孔扫描控制系统的执行机构5是3块快反镜，即第一快反镜FM1、第二快反镜FM2和第三快反镜FM3，其具体的扫描方式如图2所示。具体的，通过镜像控制第一快反镜FM1、第三快反镜FM3实现光束的离轴，改变激光的锥角方向及锥角大小(θ，Ф)；同时通过偏转第二快反镜FM2，实现光束指向变化，改变激光加工面的路径(x，y)。实现4轴(x，y，θ，Ф)联动。其中，θ表示XY平面在Z轴方向上的倾斜角度，Ф表示XY平面的旋转角度。
本发明实施例通过设置第一快反镜FM1、第二快反镜FM2和第三快反镜FM3所形成的独特的光路设计，，利用PLC控制装置3来进行扫描轨迹的生成，并根据扫描轨迹来控制第一快反镜FM1、第二快反镜FM2和第三快反镜FM3动作，可以实现四轴联动打孔，且打孔精度优于±10μm，打孔频率大于3000rpm。
在一些实施例中，所述PLC控制装置3具体用于根据用户输入的控制参数以及预设的多轴联动算法，生成扫描轨迹，并根据所述扫描轨迹生成控制所述第一快反镜FM1、第二快反镜FM2和第三快反镜FM3动作的控制信号。本实施例中，用户通过上位机1将控制参数输入，所述PLC控制装置3即可根据预设的多轴联动算法对输入的控制参数进行计算，生成扫描轨迹，然后根据扫描轨迹来生成控制控制所述第一快反镜FM1、第二快反镜FM2和第三快反镜FM3动作的控制信号，即可使第一快反镜FM1、第二快反镜FM2和第三快反镜FM3动作，进而使得激光能够根据第一快反镜FM1、第二快反镜FM2和第三快反镜FM3的位置来实现工作面上不同位置处的打孔，实现激光的多轴联动打孔。
在一些实施例中，所述控制参数至少包括打孔方式、打孔的外圆半径、打孔的内圆半径、步距、步距变化系数、打孔的运动速度、打孔周期数、校准系数、相位偏置、转换系数以及锥角系数。
本实施例中，所述打孔方式至少包括螺旋打孔方式、同心打孔方式以及Z字打孔方式，如图3a至图3c所示。优选的，本发明所述的打孔方式均为打圆孔。三种打孔方式的扫描算法不同，通过设置打孔周期数、扫描圈数、最大扫描圈数、每圈数据点数、每圈最大数据点数、旋转方式(包括内旋或者外旋)，即可对三种打孔方式的轨迹进行定义，进而实现所需的打孔方式。
打孔的外圆半径的单位为mm，参数变量记为r1；打孔的内圆半径的单位为mm，参数变量记为r2；步距表示打孔填充扫描螺旋线、同心圆或Z字平行线之间的间距，单位为mm，参数变量记为d；步距变化系数表示打孔填充扫描螺旋线、同心圆间距的变化系数，系数为1表示等距，系数＞1表示外密内疏、系数＜1表示外疏内密，参数变量记为d_K；打孔的运动速度即线速度，单位为m/s，参数变量记为v；打孔周期数表示打孔扫描的周期数，参数变量记为qMax；校准系数表示快反镜X、Y二维相对于半径的变化系数，可用于设置椭圆轨迹的长短轴，参数变量记为K[6]；相位偏置表示打孔扫描起始角度，单位弧度，参数变量记为phase[6]；转换系数表示打孔实际半径与AO模块数值的比例系数，参数变量记为Kmm[3]；锥角系数表示第一快反镜FM1、第三快反镜FM3的锥角与第二快反镜FM2孔半径之间的比例系数，第一快反镜FM1、第三快反镜FM3的参数变量分别记为CK1和CK3。
在一些实施例中，为了实现多轴联动，本发明预设有多轴联动算法，由于激光打孔过程中锥角随着当前加工点对应半径r增加而增加，因此，本发明通过多轴联动算法来控制各个快反镜的动作，进而实现多轴联动。
具体的，所述多轴联动算法为：
Figure BDA0003685456750000071
其中，TPRx表示X轴方向的锥角，TPRy表示Y方向上的锥角，r为加工点对应半径，rmax为加工区域外径，TPRmax为用户设定最大锥角，
Figure BDA0003685456750000081
就是锥角系数，其值由光路的设计参数决定,X表示X轴方向的位移，Y表示Y轴方向上的位移。
具体的，第一快反镜FM1的X＝第二快反镜FM2的X×CK1，第一快反镜FM1的Y＝第二快反镜FM2的Y×CK1。第三快反镜FM3的X＝第二快反镜FM2的X×CK3；第三快反镜FM3的Y＝第二快反镜FM2的Y×CK3。
优选的，当所述打孔方式为螺旋打孔方式或者同心打孔方式，旋转方式为旋入时，
X＝a·(1-n)·(min(a，b)+4|a-b|)·cos(t)；
Y＝b·(1-n)·(min(a，b)+4|a-b|)·sin(t)；
其中，a表示椭圆a轴半径，a＝r1×K；b表示椭圆b轴半径，b＝r1×K；n表示螺旋一层间比例，从0到100％，n＝d/r1；t表示扫描角速度。
优选的，当所述打孔方式为螺旋打孔方式或者同心打孔方式，旋转方式为旋入时，
X＝a·n·(min(a，b)+4|a-b|)·cos9t)；
Y＝b·n·9min(a，b)+4|a-b|)·sin(t)；
其中，a表示椭圆a轴半径，a＝r1×K；b表示椭圆b轴半径，b＝r1×K；n表示螺旋一层间比例，从0到100％，n＝d/r1；t表示扫描角速度。
优选的，当所述打孔方式为Z字打孔方式时，
Figure BDA0003685456750000082
Y＝u-b；
其中，a表示椭圆a轴半径，a＝r1×K；b表示椭圆b轴半径，b＝r1×K；u表示往返步进，从0到2b，u＝N×d，N为不小于1的自然数，d为步距；t表示扫描角速度。
通过上述算法，可以计算出各个快反镜的锥角，通过对各个快反镜的锥角进行调整，进而通过调整各个快反镜的位置实现激光位置的调整，达到四轴联动激光打孔的目的。
当确定了如何进行快反镜的锥角位置调整后，即可通过选定的打孔方式来对应的进行打孔，从而生成打孔轨迹。本发明实施例中，其中每个打孔方式都对应有预设的扫描算法，扫描算法采用C++语言实现。本发明实施例中的PLC程序执行周期设置1ms。AO模块设置100的超采样，即每个执行周期内需往AO模块的各路FI FO中写入100个数据，数据存储在Samp l e数组变量中。其中，扫描算法的变量包括打孔周期数、扫描圈数、最大扫描圈数、每圈数据点数、每圈最大数据点数、旋转方式(包括内旋或者外旋)，通过调整变量，可以采用所需的扫描算法实现所需的打孔轨迹。三种打孔扫描算法实现方式在现有技术中有很多，在此不再赘述。
在一些实施例中，为了保证打孔精度，所述第一快反镜FM1、第二快反镜FM2和第三快反镜FM3均通过2路±10V的AO信号驱动。所述AO信号为满足16bit精度、100kHz的信号。
本实施例中，每台快反镜需要2路±10V的AO信号来做二维驱动，为保证扫描的高精度、高频，AO控制选择采用超采样技术，并满足16bit精度、100kHz要求的模块。
综上所述，本发明提供的激光打孔扫描控制系统，通过设置第一快反镜、第二快反镜和第三快反镜所形成的独特的光路设计，，利用PLC控制装置来进行扫描轨迹的生成，并根据扫描轨迹来控制第一快反镜、第二快反镜和第三快反镜动作，可以实现四轴联动打孔，且打孔精度优于±10μm，打孔频率大于3000rpm。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光打孔扫描控制系统，其特征在于，包括上位机、显示器、PLC控制装置、快反镜控制器以及执行机构，其中，
所述显示器和所述PLC控制装置均与所述上位机电连接，所述PLC控制装置与所述快反镜控制器电连接，所述执行机构包括第一快反镜、第二快反镜和第三快反镜，所述第一快反镜、第二快反镜和第三快反镜均与所述快反镜控制器电连接，所述第一快反镜用于将输入的激光反射至第三快反镜上，所述第三快反镜用于将激光反射至第二快反镜上，所述第二快反镜用于将激光反射至加工面上；
其中，所述PLC控制装置用于生成扫描轨迹，并根据所述扫描轨迹生成控制所述第一快反镜、第二快反镜和第三快反镜动作的控制信号，所述快反镜控制器用于根据所述PLC控制装置发送的控制信号驱动所述第一快反镜、第二快反镜和第三快反镜动作，以实现激光的多轴联动打孔。
2.根据权利要求1所述的激光打孔扫描控制系统，其特征在于，所述PLC控制装置具体用于根据用户输入的控制参数以及预设的多轴联动算法，生成扫描轨迹，并根据所述扫描轨迹生成控制所述第一快反镜、第二快反镜和第三快反镜动作的控制信号。
3.根据权利要求2所述的激光打孔扫描控制系统，其特征在于，所述控制参数至少包括打孔方式、打孔的外圆半径、打孔的内圆半径、步距、步距变化系数、打孔的运动速度、打孔周期数、校准系数、相位偏置、转换系数以及锥角系数。
4.根据权利要求3所述的激光打孔扫描控制系统，其特征在于，所述打孔方式至少包括螺旋打孔方式、同心打孔方式以及Z字打孔方式。
5.根据权利要求4所述的激光打孔扫描控制系统，其特征在于，所述多轴联动算法为：
Figure FDA0003685456740000021
其中，TPRx表示X轴方向的锥角，TPRy表示Y方向上的锥角，r为加工点对应半径，rmax为加工区域外径，TPRmax为用户设定最大锥角，
Figure FDA0003685456740000022
就是锥角系数，其值由光路的设计参数决定,X表示X轴方向的位移，Y表示Y轴方向上的位移。
6.根据权利要求5所述的激光打孔扫描控制系统，其特征在于，当所述打孔方式为螺旋打孔方式或者同心打孔方式，旋转方式为旋入时，
X＝a·(1-n)·(min(a，b)+4|a-b|)·cos(t)；
Y＝b·(1-n)·(min(a，b)+4|a-b|)·sin(t)；
其中，a表示椭圆a轴半径，a＝r1×K；b表示椭圆b轴半径，b＝r1×K；n表示螺旋一层间比例，从0到100％，n＝d/r1；t表示扫描角速度。
7.根据权利要求5所述的激光打孔扫描控制系统，其特征在于，当所述打孔方式为螺旋打孔方式或者同心打孔方式，旋转方式为旋入时，
X＝a·n·(min(a，b)+4|a-b|)·cos(t)；
Y＝b·n·(min(a，b)+4|a-b|)·sin(t)；
其中，a表示椭圆a轴半径，a＝r1×K；b表示椭圆b轴半径，b＝r1×K；n表示螺旋一层间比例，从0到100％，n＝d/r1；t表示扫描角速度。
8.根据权利要求1所述的激光打孔扫描控制系统，其特征在于，当所述打孔方式为Z字打孔方式时，
Figure FDA0003685456740000031
Y＝u-b；
其中，a表示椭圆a轴半径，a＝r1×K；b表示椭圆b轴半径，b＝r1×K；u表示往返步进，从0到2b，u＝N×d，N为不小于1的自然数，d为步距；t表示扫描角速度。
9.根据权利要求1所述的激光打孔扫描控制系统，其特征在于，所述第一快反镜、第二快反镜和第三快反镜均通过2路±10V的AO信号驱动。
10.根据权利要求1所述的激光打孔扫描控制系统，其特征在于，所述AO信号为满足16bit精度、100kHz的信号。
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