CN117454657A - 一种基于路径规划的激光调制输出方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开属于激光加工技术领域，具体提供了一种基于路径规划的激光调制输出方法和系统；其中方法包括：利用贝塞尔曲线拟合后生成控制点集，根据控制点集转化为满足xy2‑100振镜协议信号加载，并根据拟合路径生成基于振镜加速度的激光调制模拟量映射表，最后将信号加载到振镜与激光器板卡中进行同步，利用振镜返回值中的位置信息控制激光器调制输出。本发明相较于传统位置同步输出方案优化了采集器采集信息并获得位置同步输出信号的步骤，改为直接通过预分析和位置同步来调制激光器输出，在降低成本的同时提高了标刻的均匀性，稳定性。
Description
技术领域
本公开涉及激光加工技术领域，特别涉及一种基于路径规划的激光调制输出方法及系统。
背景技术
激光加工过程中，使用扫描法可以无视轨迹对加工材料进行操作，但加工耗时和精密度相对粗糙，而直接加工过程中不可避免的会遇到非直线的加工运动轨迹，即使在优秀的插补方式辅助下，因为激光振镜移动等因素，仍旧会导致因为激光焦点移动速度不同而带来的对加工材料的热累积效应。
为解决上述问题，一种普遍认可的方式是使用位置同步输出(PositionSynchronized Output,简写PSO)信号触发激光器做脉冲输出，即在当前运动轨迹中保证每个工作点的空间轨迹间隔一定，在含有调制器的激光器中，该方法通常通过操作激光器调制Q驱动开关的通断间隔来改变激光器输出，但激光器的工作过程中，仅仅将Q驱动开关间隔改变同时还会改变腔内高能级粒子数的累积情况，故导致每次单脉冲能量不一致，这对于材料的热效应和加工一致性是不利的。
同时，传统的位置同步输出法依赖于高精度采集器对目标标刻区域的实时采样与分析，这不仅需要将采集信号与两个板卡信号进行同步和通讯，也依赖于采集器对速度与位置的灵敏度。
因此，亟需一种激光调制位置同步输出的方法和系统来解决上述问题。
发明内容
本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种基于路径规划的激光调制输出方法及系统。
第一方面，本公开提供了一种基于路径规划的激光调制输出方法，包括：
上位机软件根据标刻图像进行算法优化，将原始点集数据转化为贝塞尔曲线拟合的控制点集；
标刻软件将控制点集编译为满足xy2-100协议的振镜的信号；
标刻软件根据拟合路径生成基于振镜移动加速度的激光调制模拟量与位置映射表；
上位机向振镜与激光器主控板卡同步发送信号；
上位机读取振镜板卡返回值中的位置信息与映射表对比，将对应的激光调制模拟量发送给激光器主控板卡；
激光器主控板接收模拟量信号，并在Q驱动开关处调节激光器输出时间，得到峰值稳定的位置同步输出激光。
优选地，所述上位机软件获得指定标刻图像点集信息后，对点集进行预处理，预处理包括：划分直线曲线并分割，利用贝塞尔曲线拟合曲线点，将原始点集转化为控制点集，减少数据冗余。
优选地，上位机软件完成图像直线与曲线分割拟合后，将控制点集利用均匀分割和直线插补法编译为满足xy2-100协议的振镜的控制指令。
优选地，在上位机软件进行控制点集的均匀分割与直线插补过程中，加入振镜加速度规划，根据最大允许拐角误差与最大加速度限制/>；
根据加速度分布设置激光器的Q驱动开关对应脉冲段释放时间的模拟量，表现为，其中，/>为拐角弧度，/>、/>为加速与减速阶段的初始速度，/>为最大加速度，/>为初始加速度，/>为振镜的响应插补周期，/>为匀速时的脉冲释放时间，且/>为一系列不连续的与重频相关的使得脉冲峰值相同的脉冲释放时间序列，根据xy2-100协议规定，可以有12种不同的/>值。
优选地，在设置最大允许拐角误差与加速度限制后，能够得到一组振镜位置与激光器脉冲释放时间的映射表。
优选地，将满足xy2-100协议的振镜控制指令和激光器初始参数加载到振镜板卡与激光器板卡中，并等待振镜板卡通讯返回值。
优选地，根据返回值中位置信息，调用激光器脉冲释放与位置映射表中的对应参数，在需要改变激光器输出脉冲峰值与释放间隔时外控调制激光器进行位置同步输出。得到复杂轨迹下的均匀标刻输出。
优选地，由于调制信号和调制条件在振镜插补响应返回值中，且振镜时钟响应间隔为10us，激光器工作频率为30kHz到200kHz之间，即脉冲间隔为5us到30us之间，只需要对振镜时间响应信号与激光器外控信号同步即可。
本发明还提供了一种基于路径规划的激光调制输出系统，所述系统可用于实现所述基于路径规划的激光调制输出方法，所述系统包括：上位机软件、标刻软件、振镜、激光器主控板卡及Q驱动开关；
上位机软件根据标刻图像进行算法优化，将原始点集数据转化为贝塞尔曲线拟合的控制点集；
标刻软件将控制点集编译为满足xy2-100协议的振镜的信号；
标刻软件根据拟合路径生成基于振镜移动加速度的激光调制模拟量与位置映射表；
上位机向振镜与激光器主控板卡同步发送信号；
上位机读取振镜板卡返回值中的位置信息与映射表对比，将对应的激光调制模拟量发送给激光器主控板卡；
激光器主控板接收模拟量信号，并在Q驱动开关处调节激光器输出时间，得到峰值稳定的位置同步输出激光。
附图说明
图1为本公开实施例提供的一种基于路径规划的激光调制输出方法的流程图；
图2为本公开实施例提供的一种基于路径规划的激光调制输出方法的实际工作情况模拟图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不为任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不为数量限制，而是为存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于为相对位置关系，当被描述目标的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来为。为了清楚起见，附图中的各个部分并没有都按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
在下文中描述了本公开的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本公开。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本公开。
如图1所示，本发明提供了一种基于路径规划的激光调制输出方法，包括以下步骤：
S1，上位机软件根据标刻图像进行算法优化，将原始点集数据转化为贝塞尔曲线拟合的控制点集；
S2，标刻软件将控制点集编译为满足xy2-100协议的振镜的信号；
S3，标刻软件根据拟合路径生成基于振镜移动加速度的激光调制模拟量与位置映射表；
S4，上位机向振镜与激光器主控板卡同步发送信号；
S5，上位机读取振镜板卡返回值中的位置信息与映射表对比，将对应的激光调制模拟量发送给激光器主控板卡；
S6，激光器主控板接收模拟量信号，并在Q驱动处调节激光器输出时间，得到峰值稳定的位置同步输出激光。
本发明的基于路径规划的激光调制输出方法的工作原理是，上位机软件根据标刻图像进行点集优化和曲线直线拟合与分割，进行加速度和误差限制并进行加速度规划，将加速度，标刻位置与激光器输出占空比形成映射，在标刻阶段，同步振镜板卡与激光器板卡信息，将振镜板卡返回值中位置信息作为调节激光器的调制信号得到均匀的标刻输出。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下有益效果：
优化去掉了采集器部分，减少了系统和信号冗余，提高了系统速度和稳定性。
内置路径规划系统，提高了系统的可拓展性，可以根据具体使用需求设置ROI区域与标刻精细度权重。
根据激光器输出特性设置一系列与重频相关的不连续占空比序列，保证激光器输出峰值能量一定，进一步提高标刻的均匀性。
本发明提供的基于路径规划的激光调制输出方法，结构简单，操作方便，调制时可全程由板卡与上位机完成，优化去掉了采集器部分，简化了整体结构同时也避免了由于采集信号和板卡信号通讯同步可能造成的问题，提高了系统的稳定性，在减少成本的情况下保证了调制输出的均匀性，同时，由于内置了路径规划系统，在面对复杂标刻图像时可以调节ROI区域，修改不同区域标刻精度和标刻权重，面对可能的并行大幅面标刻情况做出优化。
进一步的方案，在标刻软件加载标刻图像点集后，将标刻点集进行直线点和曲线点分割，根据直线距离公式将在误差范围内的点集转化为直线，根据贝塞尔曲线公式/>，/>，其中，d为点到直线的距离，x、y为点在振镜工作二维平面内的坐标，A、B为拟合直线的斜率参数。i为贝塞尔函数的阶数，一般是大于1的整数，j为0到i之间的整数。b为贝塞尔曲线控制点参数，n阶贝塞尔曲线就有n+1个点，C是排列组合计算符号。
将曲线点集转化为n个控制点的贝塞尔曲线。
进一步的方案，将直线与贝塞尔曲线集合进行均匀分割与插补，得到符合加工条件的满足xy2-100振镜通讯协议的位置速度数据指令串。
进一步的方案，根据分割与插补线段情况，加入振镜加速度规划，根据最大允许拐角误差与最大加速度限制/>根据加速度分布设置激光器Q驱动对应脉冲段释放时间的模拟量，表现为/>，其中，a0为目标标刻区域内权重最高的加速度，a为当前阶梯加速度，其中两者比例都需向上取整；/>为拐角弧度，/>，/>为加速与减速阶段的初始速度，/>为振镜的响应插补周期，/>为匀速时的脉冲释放时间，且/>为一系列不连续的与重频相关的使得脉冲峰值相同的脉冲释放时间序列，可根据与激光工作物质的速率方程确定。根据xy2-100协议规定，可以有12种不同的/>值。其中/>为峰值功率，/>为平均功率，/>为重频时间，/>为脉冲宽度即pulse width，这里的脉冲宽度采用4σ规则测定。
其中，在分割12个值过程中，可以设定标刻ROI区域，在该区域的标刻精细度权重更高，该处加速度分量分配的/>值更多，标刻结果会更加均匀。
进一步的方案，将满足xy2-100协议的振镜控制指令和激光器初始参数加载到振镜板卡与激光器板卡中，同步振镜和激光加工脉重频，并等待振镜板卡通讯返回值。
进一步的方案，在振镜加工板卡返回位置信息后，查询对应位置信息与激光调制输出映射表，将对应调制信号通过激光板卡加载到Q驱动开关，得到峰值稳定的调制位置同步输出光。
在一个具体的实施场景中，加工振镜响应时钟信号间隔为10us，相当于100kHz，而一般纳秒激光器使用重频为30kHz到200kHz之间，在经过初次同步后仅有一到两个脉冲可能出现翻转粒子数突变导致的不均匀情况，可以根据重频差值进行稳频操作，将异常脉冲过滤或者采用渐变占空比来消除此影响。针对MHz激光器其响应时间远小于振镜，则不需要此操作。
附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，前述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于路径规划的激光调制输出方法，其特征在于，包括：
上位机软件根据标刻图像进行算法优化，将原始点集数据转化为贝塞尔曲线拟合的控制点集；
标刻软件将控制点集编译为满足xy2-100协议的振镜的信号；
标刻软件根据拟合路径生成基于振镜移动加速度的激光调制模拟量与位置映射表；
上位机向振镜与激光器主控板卡同步发送信号；
上位机读取振镜板卡返回值中的位置信息与映射表对比，将对应的激光调制模拟量发送给激光器主控板卡；
激光器主控板接收模拟量信号，并在Q驱动开关处调节激光器输出时间，得到峰值稳定的位置同步输出激光。
2.据权利要求1所述的基于路径规划的激光调制输出方法，其特征在于，所述上位机软件获得指定标刻图像点集信息后，对点集进行预处理，预处理包括：划分直线曲线并分割，利用贝塞尔曲线拟合曲线点，将原始点集转化为控制点集，减少数据冗余。
3.根据权利要求1所述的基于路径规划的激光调制输出方法，其特征在于，上位机软件完成图像直线与曲线分割拟合后，将控制点集利用均匀分割和直线插补法编译为满足xy2-100协议的振镜的控制指令。
4.根据权利要求1所述的基于路径规划的激光调制输出方法，其特征在于，在上位机软件进行控制点集的均匀分割与直线插补过程中，加入振镜加速度规划，根据最大允许拐角误差与最大加速度限制/>；
根据加速度分布设置激光器的Q驱动开关对应脉冲段释放时间的模拟量，表现为，其中，/>为拐角弧度，/>为加速与减速阶段的初始速度，/>为目标标刻区域内权重最高的加速度，/>为当前阶梯加速度，/>为振镜的响应插补周期，/>为匀速时的脉冲释放时间，且/>为一系列不连续的与重频相关的使得脉冲峰值相同的脉冲释放时间序列，根据xy2-100协议规定，可以有12种不同的/>值。
5.根据权利要求4所述的基于路径规划的激光调制输出方法，其特征在于，在设置最大允许拐角误差与加速度限制后，能够得到一组振镜位置与激光器脉冲释放时间的映射表。
6.根据权利要求1所述的基于路径规划的激光调制输出方法，其特征在于，将满足xy2-100协议的振镜控制指令和激光器初始参数加载到振镜板卡与激光器板卡中，并等待振镜板卡通讯返回值。
7.根据权利要求1所述的基于路径规划的激光调制输出方法，其特征在于，根据返回值中位置信息，调用激光器脉冲释放与位置映射表中的对应参数，在需要改变激光器输出脉冲峰值与释放间隔时外控调制激光器进行位置同步输出。得到复杂轨迹下的均匀标刻输出。
8.根据权利要求1所述的基于路径规划的激光调制输出方法，其特征在于，由于调制信号和调制条件在振镜插补响应返回值中，且振镜时钟响应间隔为10us，激光器工作频率为30kHz到200kHz之间，即脉冲间隔为5us到30us之间，只需要对振镜时间响应信号与激光器外控信号同步即可。
9.一种基于路径规划的激光调制输出系统，其特征在于，所述系统可用于实现上述权利要求1至8中任一所述基于路径规划的激光调制输出方法，所述系统包括：上位机软件、标刻软件、振镜、激光器主控板卡及Q驱动开关；
上位机软件根据标刻图像进行算法优化，将原始点集数据转化为贝塞尔曲线拟合的控制点集；
标刻软件将控制点集编译为满足xy2-100协议的振镜的信号；
标刻软件根据拟合路径生成基于振镜移动加速度的激光调制模拟量与位置映射表；
上位机向振镜与激光器主控板卡同步发送信号；
上位机读取振镜板卡返回值中的位置信息与映射表对比，将对应的激光调制模拟量发送给激光器主控板卡；
激光器主控板接收模拟量信号，并在Q驱动开关处调节激光器输出时间，得到峰值稳定的位置同步输出激光。
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