WO2023072282A1 - 一种激光切割光斑控制系统及方法 - Google Patents

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laser cutting
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孙明杰
牛满钝
张钦溟
张成顺
刘鹏
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济南邦德激光股份有限公司
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Definitions

  • the invention relates to the technical field of laser cutting, in particular to a laser cutting spot control system and method.
  • the laser cutting spot control device includes: a graphics processing module, a storage module and a main processor;
  • the main processor fits the input spot trajectory parameters to coordinate points through the graphics processing module to form the smallest component unit of the spot pattern, and based on the minimum component unit, rotate, translate, copy, and stretch operations to form the final spot trajectory graphic data and the cutting coordinate set are stored in the storage module.
  • spot track parameters stored in the memory are recalled to be configured as spot track graphic data
  • the main processor will retrieve the previous light spot trajectory parameters from the memory and configure them as light spot trajectory graphic data for cutting operations.
  • the offset between the graphic center symmetric point corresponding to the first spot track graphic data and the graphic center symmetric point corresponding to the second spot track graphic data is the displacement data of the symmetrical point in the center of the graph.
  • the system controls the horizontal movement of the laser head, moves above the border of the cutting material, and monitors whether the laser head will move out of the range of the cutting material through the guiding light;
  • the slit and the molten pool are enlarged, which is beneficial to the outflow of the plate melt and greatly reduces the blast hole rate; and the position of the beam focus is also correspondingly reduced during the cutting process to ensure that the laser energy Uniformity in the plate; in addition, the cutting gas pressure is lower than when the spot is fixed, so this method can reduce the cooling effect of the cutting gas while accelerating the discharge of molten metal, improve the heat utilization rate of laser cutting, and achieve faster cutting. and cutting of thicker sheets.
  • the displacement data of the symmetrical point of the center of the graph is the parameter for moving the symmetrical point (x0, y0) of the center of the graph after the current spot track graphic operation is completed. Graphical cutting runs.
  • Preset cutting sequences include:
  • the main processor 3 retrieves the light spot trajectory parameters used by the operator for the last time from the memory, and configures them as light spot trajectory graphic data for cutting operations.
  • the expected launch angle endangers the safety of personnel and equipment to ensure operational safety.
  • Both the main processor 3 and the auxiliary chip can use ARM chips.
  • the main processor 3 communicates with the upper computer 1 to obtain the light spot trajectory parameters input by the operator, and forms the light spot trajectory graphic data after fitting the input light spot trajectory parameters through the graphics processing module 4; the main processor 3 retrieves from the storage module 5 A collection of cutting coordinates to execute the cutting process.
  • the laser cutting spot control device in order to achieve real-time monitoring of the operation process of the laser cutting spot control system and ensure the stable operation of the system, the laser cutting spot control device also includes: an auxiliary chip 6; the auxiliary chip 6 is used to monitor the laser cutting spot control system Running data, when the system fails, it will give an alarm prompt.
  • the controller of the cutting device monitors the second working status information and the status information of the auxiliary chip 6 in real time, and when the abnormality of the second working status information or the status information of the auxiliary chip 6 is detected, the controller of the cutting device immediately turns off the light output of the laser and gives an alarm at the same time;
  • the drive board 7 is used to receive the light spot track pattern data from the main processor and control the action of the vibrating mirror motor inside the laser head, so that the light spot makes continuous micro-movement according to the track to form a light spot track pattern.
  • the auxiliary chip 6 is connected to the drive board 7 to obtain the status of each electrical component, and to give an alarm in time if there is a failure or abnormality.
  • the process of cutting using the above-mentioned laser cutting spot control method may include the following methods, specifically, obtaining the spot track parameters;
  • the system controls the laser head to fall at a preset falling speed. After touching the cutting material for the first time, it is lifted up to the preset height and then falls again until the second time it hits the plate and is lifted to the highest point of the limit. This is the initial stage of the laser head.
  • the height position is set;
  • the controller of the cutting equipment controls the horizontal movement of the laser head, moves above the border of the cutting material, and monitors whether the laser head will move out of the range of the cutting material through the guiding light;
  • the cutting range is determined.
  • the system controls the movement of the laser head, and the laser beam cuts with the preset track pattern of the spot.
  • the diameter of the spot track is 10-80 pixels
  • the oscillation frequency is 100-200Hz
  • the focus is positive focus
  • the pressure is 0.4-2.8bar when the cutting auxiliary gas is oxygen.

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Abstract

一种激光切割光斑控制系统，包括上位机(1)和激光切割光斑控制装置(2)；上位机与主处理器(3)通信连接，上位机用于获取操作人员输入的光斑轨迹参数，并将输入的光斑轨迹参数传输给主处理器；主处理器通过图形处理模块(4)将输入的光斑轨迹参数拟合后形成光斑轨迹图形数据即切割坐标集合；储存模块(5)用于储存操作人员输入的光斑轨迹参数以及切割坐标集合。相较于非光斑轨迹可变的激光头，光斑轨迹可变的切割头可以实现更厚板材的切割，在切割光斑轨迹参数选取时，当光斑摆动的形状选取后，光斑尺寸及图形满足切割需要，保证切割质量。还涉及一种激光切割光斑控制方法。

Description

一种激光切割光斑控制系统及方法
本申请要求于2021年10月29日提交中国专利局、申请号为202111266446.5、发明名称为"一种激光切割光斑控制系统及方法"的中国专利申请的优先权,其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及激光切割技术领域，尤其涉及一种激光切割光斑控制系统及方法。
背景技术
激光切割利用经聚焦后的高功率密度激光束照射金属板材，使金属板材迅速熔化、气化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现金属板材的切割。与等离子切割、火焰切割、线切割等方法相比，激光切割具有热影响区小，切割速度快，切割质量好等优点，在金属板材切割加工中迅速得到了广泛应用。
在激光加工过程中，光斑的能量和能量在空间上的分布情况对激光加工能力以及速度影响较大，在传统的激光加工技术中，由于激光热量在远离激光焦点时会逐渐衰减，尤其是在厚板加工时，激光束相对于切割头机械本体静止，不会产生相对于激光头机械本体的运动轨迹，因此激光的最高能量点无法良好的传递到板材的待加工区域，容易导致激光光束能量利用率低，切割效率低，加工件黏连或切割面质量下降的问题。
发明内容
本申请提供一种激光切割光斑控制系统，系统根据预设参数形成光斑轨迹图形数据，提高激光光束能量利用率，提升切割效率和质量。
具体包括：上位机和设置在切割设备上的激光切割光斑控制装置；
激光切割光斑控制装置包括：图形处理模块、储存模块以及主处理器；
上位机与主处理器通信连接，上位机用于获取用户输入的光斑轨迹参数，并将输入的光斑轨迹参数传输给主处理器；
主处理器通过图形处理模块将输入的光斑轨迹参数进行坐标点拟合，形成光斑图形的最小组成单元，基于所述最小组成单元通过旋转、平移、复制、拉伸操作，形成最终光斑轨迹图形数据及切割坐标集合，储存至储存模块中。
进一步需要说明的是，主处理器还用于按照预设切割顺序从储存模块调取切割坐标集合执行切割进程；
预设切割顺序包括：
按照顺时针方向对光斑轨迹图形数据进行扫描；
或，按照逆时针方向对光斑轨迹图形数据进行扫描；
或，以预设时间间隔调取光斑轨迹图形数据，实现光斑轨迹图形数据的周期扫描；
或，根据坐标点的稀疏度，对光斑轨迹图形数据进行间隔提取扫描；
进一步需要说明的是，激光切割光斑控制装置包括：存储器；
存储器内储存有光斑轨迹参数；
主处理器接收上位机传输的光斑轨迹参数，将接收的光斑轨迹参数与存储器内储存的光斑轨迹参数进行比对，判断是否一致；
若一致，接收的不写入存储器内，且调取存储器内储存的光斑轨迹参数配置成光斑轨迹图形数据；
若不一致，则将接收的光斑轨迹参数写入至存储器内，再将接收的光斑轨迹参数配置成光斑轨迹图形数据；
若上位机向主处理器发送启动控制指令，且未附带光斑轨迹参数，主处理器从 存储器调取在先光斑轨迹参数，并配置成光斑轨迹图形数据进行切割作业。
进一步需要说明的是，激光切割光斑控制装置还包括：辅助芯片；
辅助芯片用于监测激光切割光斑控制系统运行数据，当激光切割光斑控制系统出现故障数据时，进行报警提示；
本发明还提供一种激光切割光斑控制方法，方法包括：
获取光斑轨迹参数；
通过图形处理模块将输入的光斑轨迹参数进行坐标点拟合，形成光斑图形的最小组成单元，然后基于该最小组成单元通过旋转、平移、复制、拉伸的一种或多种操作，最终形成光斑轨迹图形数据，进行储存；
按照预设切割顺序从储存模块调取切割坐标集合执行切割进程。
进一步需要说明的是，方法中，图形处理模块根据用户输入的光斑轨迹参数及光斑轨迹图形数据进行坐标点拟合，计算形成光斑图形的最小组成单元，然后基于该最小组成单元通过旋转、平移、复制、拉伸操作，最终形成第一光斑轨迹图形数据；第一光斑轨迹图形数据包括但不限于：椭圆形，或8字形，或半圆形，或O形，或∞形；
配置执行完成第一光斑轨迹图形数据之后，形成第二光斑轨迹图形数据时，第一光斑轨迹图形数据对应的图形中心对称点与第二光斑轨迹图形数据对应的图形中心对称点之间的偏移量，即为图形中心对称点的位移数据。
进一步需要说明的是，方法还包括：
获取光斑轨迹参数；
调节其中的图形对称点的位移数据，使光斑图形的图形对称点与气路、喷嘴及腔体中心同轴；
调取光斑轨迹图形数据并设置摆动频率或摆动速度；
光斑轨迹图形数据配置完成后，主处理器按照预设顺序调取切割坐标集合，发送至驱动板进而控制激光头内部的振镜电机动作，使光斑沿预设轨迹做连续微小运动，即实现光斑的摆动，并采用引导光产生光斑轨迹图形投射到切割物料上；
系统控制激光头以预设下落速度下落，第一次碰到切割物料后，上抬至预设高度后再次下落，直到第二次碰板上抬至限位最高点，此时为激光头初始高度位置设置完毕；
系统控制激光头水平移动，在切割物料的边框上方移动，通过引导光监测激光头是否会移动至切割物料范围外；
若引导光未移动到切割物料的边框外，切割范围确定完毕。
进一步需要说明的是，切割材料主要包括不锈钢板、铜板、铝板和碳钢板；根据厚度可分为1mm～6mm为薄板，7mm～15mm为中板，16mm以上为厚板；
切割不锈钢中板或厚板时，光斑轨迹直径为40-160像素，摆动频率为80-300Hz，焦点采用负焦，切割辅助气体为氮气或空气时压力为5-25bar；采用本方法，与相同参数但光斑不可调的激光切割相比，切割速度可提高30-80％；
切割碳钢中板及厚板时，光斑轨迹直径为10-80像素，摆动频率为100-200Hz，焦点采用正焦，切割辅助气体为氧气时压力为0.4-2.8bar；采用本方法后，与相同参数但光斑不可调的激光切割相比，切割速度可提高10-45％；
切割铜或铝的中板或厚板时，光斑轨迹直径为40-90像素，摆动频率为100-300Hz，焦点采用负焦，切割辅助气体为氮气或空气时压力为5-25bar；采用本方法，与相同参数但光斑不可调的激光切割相比，切割速度可提高20-300％。
方法进一步需要说明的是，激光切割光斑控制装置上电后，主处理器输出第一 工作状态信息和第二工作状态信息；
第一工作状态信息输出给辅助芯片，辅助芯片实时检测第一工作状态信息；
当辅助芯片检测到第一工作状态信息异常时，发出报警信息至系统；
当辅助芯片死机时，设置在辅助芯片内部的看门狗启动，辅助芯片进行复位重启，继续检测主处理器状态；控制器实时监测第二工作状态信息及辅助芯片状态信息，当检测到第二工作状态信息或辅助芯片状态信息异常时，切割设备的控制器立即关闭激光器出光，同时报警；
辅助芯片实时监测驱动板状态，当驱动板故障或报错时，辅助芯片输出驱动板故障信号；
辅助芯片通过温度传感器检测驱动板温度，当温度超阈值时，发出温度超阈值报警信号。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明通过采用光斑轨迹可变的激光切割，可以实现不锈钢、铜、铝和碳钢的中厚板快速切割，相较于非光斑轨迹可变的激光头，可以实现更厚板材的切割。在切割光斑轨迹参数选取后即光斑轨迹形状选取后，光斑尺寸及图形满足切割需要，保证切割质量。
本申请中通过光斑的连续微小运动，使切缝和熔池变大，有利于板材熔融物的流出，大大减小爆孔率；并且在切割过程中光束焦点位置也相应的降低，保证激光能量在板材中的均匀性；此外切割气体压力相比光斑固定时数值降低，因此本方式能够在加速排出熔融金属的情况下，减弱切割气体的冷却效果，提高激光切割的热量利用率，实现更快速和更厚板材的切割。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对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为本发明涉及的激光切割光斑控制系统示意图；
图2为激光切割光斑控制系统实施例示意图；
图3为上位机和激光切割光斑控制装置之间通信示意图；
图4为激光切割光斑控制方法流程图；
图5为激光切割光斑控制方法实施例流程图。
1-上位机，2-激光切割光斑控制装置，3-主处理器，4-图形处理模块，5-储存模块，6-辅助芯片，7-驱动板。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
本发明提供的激光切割光斑控制系统中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
本发明提供的激光切割光斑控制系统附图中，所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
本发明提供的激光切割光斑控制系统中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
如图1至3所示，本发明提供的激光切割光斑控制系统包括：上位机1和设置在切割设备上的激光切割光斑控制装置2；这里是上位机1对应与一台切割设备通信控制，根据实际需要，还可以将上位机1与多台切割设备通信控制，实现同步或异步切割，提高切割效率。
本发明涉及的切割设备是对板材或者相关材料进行切割的设备，主要采用激光切割的方式。
在切割设备上配置了激光切割光斑控制装置2，本发明中激光切割光斑控制装置2包括：图形处理模块4、储存模块5以及主处理器3；
当然作为本发明的实施例，激光切割光斑控制装置2还可以涉及通信单元、输入单元、感测单元、输出单元、存储器、接口单元和电源单元等等。但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件。可以替代地实施更多或更少的组件。
上位机1与主处理器3通信连接，上位机1用于获取用户输入的光斑轨迹参数，并将输入的光斑轨迹参数传输给主处理器3；主处理器3通过图形处理模块4将输入的光斑轨迹参数拟合后形成光斑轨迹图形数据即切割坐标集合；储存模块5用于储存用户输入的光斑轨迹参数以及切割坐标集合。
图形处理模块4根据用户输入的光斑轨迹参数进行坐标点拟合，该坐标点的集合即形成光斑图形的最小组成单元，然后基于该最小组成单元通过旋转、平移、复制、拉伸的一种或多种操作，最终形成的光斑轨迹图形数据。，光斑轨迹参数涉及的光斑轨迹图形可包括椭圆形，或8字形，或半圆形，或O形，或∞形等。光斑轨迹图形数据还涉及摆动频率、光束扫描速度、切割速度等参数。其中，摆动频率即振镜的震动频率，振镜震动一个周期最终的光束会运动一个周期。
上位机1与主处理器3可以通过总线通信连接，图形处理模块4对接收到数据参数进行图形插补运算并将生成的数据点集放入储存模块5。储存模块5可以是储存器等等。图形处理模块4可以是光斑轨迹参数进行处理的软件程序。图形处理模块4预先安装到切割设备中，由主处理器3作为硬件来执行。也就是主处理器3按照预设顺序调取切割坐标集合，发送至驱动板进而控制振镜电机的摆动，带动激光头发出的光束以光斑轨迹图形进行激光切割。
其中，图形计算方式可以通过数学计算公式，依次计算出全部的坐标点数据；。生成的光斑轨迹图形数据为椭圆形，或8字形，或半圆形，或O形，或∞形；但不限于上述图形，还可以根据设置其他形状的图形。
光斑轨迹图形数据包括了光斑轨迹图形以及光斑轨迹图形对应的尺寸等参数。
以一种具体实施方式来讲，以图形中心对称点(x0,y0)为基准，做1/4椭圆圆弧，然后利用对称关系获取到完整的椭圆坐标点集合，再对多个1/4圆弧进行排列组 合，形成光斑轨迹图形，光斑轨迹图形可以为“8”字形，或半圆形，或“O”形，或“∞”形等。
图形中心对称点的位移数据是完成当前的光斑轨迹图形运行之后，图形中心对称点(x0,y0)移动的参数，比如当前的光斑轨迹图形拟合之后，图形整体移动0.5mm，再进行光斑轨迹图形切割运行。
本实施例通过设置图形中心对称点(x0,y0)的位移数据可以实现切割坐标集合整体偏移，通过修改光斑轨迹参数可以控制图形的横向或纵向的拉伸，根据上位机1下发的控制指令及设置的参数，将储存模块5中储存的切割坐标集合进行提取，并执行切割进程。
上述涉及了对光斑轨迹图形的生成配置，本发明中，为了设置每个光斑轨迹图形的运行方式。
主处理器3还用于按照预设切割顺序从储存模块5调取切割坐标集合执行切割进程；
预设切割顺序包括：
按照顺时针方向对光斑轨迹图形数据进行扫描；也就是说，在切割过程中，主处理器3以按照顺时针方向执行切割进程，比如采用光斑轨迹图形采用椭圆形，则在切割时采用顺时针方向对光斑轨迹图形数据进行扫描。当然本发明还可以按照逆时针方向对光斑轨迹图形数据进行扫描。
作为本发明的实施方式，在执行切割过程时，根据切割需要并非是连续提取光斑轨迹图形数据进行切割。可以以预设时间间隔调取光斑轨迹图形数据，实现光斑轨迹图形数据的周期扫描；执行一次光斑轨迹图形数据之后，间隔预设时长，再提取一次光斑轨迹图形数据进行切割以此类推。
或，根据坐标点的稀疏度，对光斑轨迹图形数据进行间隔提取扫描。比如将光斑轨迹图形数据按照顺序进行排列，如只提取偶数序列的光斑轨迹图形数据，控制输出光斑轨迹图形数据，实现切割过程。
本发明不局限于上述切割顺序，还可以根据实际需要设置其他方式的切割顺序执行切割。
通过上述实施例，实现对光斑轨迹图形的配置生成，还配置了光斑轨迹图形的切割顺序，系统可以将在先已经生成的光斑轨迹图形数据储存到储存模块5中，以便于在后续进行切割时，可以直接提取在先已有的光斑轨迹图形数据，提高切割效率。
进一步的讲，本发明中激光切割光斑控制装置2包括：存储器；存储器可以采用AT24C02芯片。
其中，存储器是激光切割光斑控制装置2上的一个装机后免维护部件，为了延长存储器的使用寿命，减少写入次数主处理器3接收上位机1传输的光斑轨迹参数，将接收的光斑轨迹参数与存储器内储存的进行比对，判断是否一致；
若一致，接收的不写入存储器内，且调取存储器内储存的光斑轨迹参数配置成光斑轨迹图形数据；若不一致，则将接收的光斑轨迹参数写入至存储器内，再将接收的光斑轨迹参数配置成光斑轨迹图形数据。
若上位机1直接向主处理器3发送启动控制指令，且未附带光斑轨迹参数，这时如果切割头未指向板材物料，而指向侧部或其他方向，会对周围的人员或设备造成伤害，在此情况下，主处理器3从存储器调取操作人员最后一次使用的光斑轨迹参数，并配置成光斑轨迹图形数据进行切割作业，切割作业时切割头，朝向工件，防止激光在开机时处于不可预料的发射角度，危害人员和设备的安全，以保证操作 安全性。
作为本发明的实施方式，激光切割光斑控制装置2还包括：辅助芯片；辅助芯片用于监测激光切割光斑控制系统运行数据，当监测到激光切割光斑控制系统的故障数据时，进行报警提示。
主处理器3和辅助芯片均可以采用ARM芯片。主处理器3与上位机1通信连接，获取操作人员输入的光斑轨迹参数，通过图形处理模块4将输入的光斑轨迹参数拟合后形成光斑轨迹图形数据；主处理器3从储存模块5调取切割坐标集合，执行切割进程。
辅助芯片用于监测主处理器3运行状态，主处理器3出现故障时，可以进行报警。辅助芯片还可以监控切割设备中运行温度，驱动板状态值等，并对切割设备的运行状态进行显示、本发明中涉及的上位机1，可以获取用户的控制指令，切割预设参数以及监控切割过程数据等。
本发明涉及的主处理器3还可以通过使用特定用途集成电路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)、数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processing)、数字信号处理装置(DSPD，Digital Signal Processing Device)、可编程逻辑装置(PLD，Programmable Logic Device)、现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)、处理器、微控制器、微处理器、被设计为执行这里描述的功能的电子单元中的至少一种来实施，在一些情况下，这样的实施方式可以在控制器中实施。对于软件实施，诸如过程或功能的实施方式可以与允许执行至少一种功能或操作的单独的软件模块来实施。软件代码可以由以任何适当的编程语言编写的软件应用程序(或程序)来实施，软件代码可以存储在存储器中并且由控制器执行。
基于激光切割光斑控制系统，本发明还提供一种激光切割光斑控制方法，如图4 所示，方法包括：
S101，获取光斑轨迹参数，拟合光斑轨迹图形；
光斑轨迹参数包括光斑轨迹图形、光斑直径，摆动频率或摆动速度，位移数据等。
S102，调节光斑轨迹图形的位移数据，使光斑图形的图形对称点与气路、喷嘴及腔体中心同轴；
S103，调取光斑轨迹图形数据并设置摆动频率或速度；
S104，光斑轨迹图形数据配置完成后，主处理器按照预设顺序调取切割坐标集合，发送至驱动板7进而控制激光头内部的振镜电机动作，使光斑沿预设轨迹做连续微小运动，即实现光斑的摆动。并采用引导光产生光斑轨迹图形投射到切割物料上；
S105，切割设备的控制器控制激光头以预设下落速度下落，第一次碰到切割物料后，上抬至预设高度后再次下落，直到第二次碰板上抬至限位最高点，此时为激光头初始高度位置设置完毕；
S106，切割设备的控制器控制激光头水平移动，在切割物料的边框上方移动，通过引导光监测激光头是否会移动至切割物料范围外；
S107，若引导光未移动到切割物料的边框外，切割范围确定完毕。
比如以图形中心对称点(x0,y0)为基准，做1/4椭圆圆弧，然后利用对称关系获取到完整的椭圆坐标点集合，再对多个1/4圆弧进行排列组合，形成光斑轨迹图形，光斑轨迹图形可以为8字形，或半圆形，或O形，或∞形等。
本发明中的切割设备具有独立的控制器，用来控制切割头运行以及切割设备的运行。切割设备的控制器可以与主处理器通信连接，进行数据交互。
本发明提供的方法中，还可以将多个所述圆弧进行排列组合及坐标旋转形成光斑轨迹图形数据；也就是除了采用对称方式将圆弧组合成光斑轨迹图形数据，还可以基于多个所述圆弧根据相对位置关系来进行组合形成光斑轨迹图形。
还可以采用圆弧为光斑轨迹图形数据；也就是不局限于采用椭圆形，或8字形，或半圆形，或O形，或∞形。
作为本发明的方法中，为了起到对激光切割光斑控制系统运行过程的实时监控，保证系统稳定运行，激光切割光斑控制装置还包括：辅助芯片6；辅助芯片6用于监测激光切割光斑控制系统运行数据，当系统出现故障时，进行报警提示。
具体来讲，如图5所示：
S201，激光切割光斑控制装置上电后，主处理器输出第一工作状态信息和第二工作状态信息；工作状态信息可以包括不限于频率信息，电平信息，通讯信号等。
S202，第一工作状态信息输出给辅助芯片6，辅助芯片6实时检测第一工作状态信息；
S203，当辅助芯片6检测到第一工作状态信息异常时，发出报警信息至系统，实现了辅助芯片6对主处理器状态的监测。
上述步骤S201至S203是在激光切割光斑控制系统上电后开启监控进程，该监控进程伴随着整个切割过程。激光切割光斑控制系统可以是一套切割设备。
如果辅助芯片6死机时辅助芯片6死机时，通过设置在辅助芯片6内部的看门狗启动，对辅助芯片6进行复位重启，继续检测主处理器状态。
辅助芯片6中的看门狗，本质上来说就是一个定时器电路，设有一个输入端口和一个输出端口，输出端口连接到辅助芯片6的复位端。看门狗的功能是定期的查看辅助芯片6的运行情况，一旦辅助芯片6发生错误就向辅助芯片6发出重启信号。 看门狗命令在程序的中断中拥有最高的优先级。
切割设备的控制器实时监测第二工作状态信息以及辅助芯片6状态信息，当检测到第二工作状态信息或辅助芯片6状态信息异常时，切割设备的控制器立即关闭激光器出光，同时报警；
本发明为了能够实现对系统各个电气模块的检测，辅助芯片6实时监测切割设备的驱动板7状态，当驱动板7故障或报错时，辅助芯片6输出驱动板7故障信号；
驱动板7用于接收主处理器的光斑轨迹图形数据并控制激光头内部的振镜电机动作，使光斑按轨迹作连续微小运动形成光斑轨迹图形。辅助芯片6连接驱动板7，可以获取各个电气元件的状态，如果出现故障或异常，及时进行报警。
辅助芯片6还可以通过温度传感器检测驱动板7温度，当温度超阈值时，发出温度超阈值报警信号。
这样保证了切割设备的稳定运行，如出现异常或故障可以及时监测并报警，避免异常或故障扩大影响切割质量。
本发明在使用上述激光切割光斑控制方法进行切割的过程可以包括如下方式，具体来讲，获取光斑轨迹参数；
光斑轨迹参数可以涉及切割物料的材质、厚度、切割高度、切割焦点、切割速度、切割气体压力参数、切割喷嘴、光斑轨迹图形，光斑直径，摆动频率或速度等参数。
调节光斑轨迹图形对称点的位移数据，使光斑图形的图形对称点与气路、喷嘴及腔体中心同轴；
调取光斑轨迹图形数据并设置摆动频率或速度，以及设置切割过程中运动状态下的光束焦点以及非运动状态下的光束焦点；
光斑轨迹图形数据配置完成后，引导光产生光斑轨迹图形投射到切割物料上；
系统控制激光头以预设下落速度下落，第一次碰到切割物料后，上抬至预设高度后再次下落，直到第二次碰板上抬至限位最高点，此时为激光头初始高度位置设置完毕；
切割设备的控制器控制激光头水平移动，在切割物料的边框上方移动，通过引导光监测激光头是否会移动至切割物料范围外；
若引导光未移动到切割物料的边框外，切割范围确定完毕。系统控制激光头动作，激光束以预设的光斑轨迹图形进行切割。
切割材料主要包括不锈钢板、铜板、铝板和碳钢板；根据厚度可分为1mm～6mm为薄板，7mm～15mm为中板，16mm以上为厚板。
对于不同厚度的各种板材，可依照以下设置：切割不锈钢中板或厚板时，光斑轨迹直径为40-160像素，摆动频率为80-300Hz，焦点采用负焦，切割辅助气体为氮气或空气时压力为5-25bar，采用本方法，相对同种参数但光斑不可调的激光切割，对不锈钢中厚板的切割速度能够提高30-80％。
切割碳钢中板及厚板时，光斑轨迹直径为10-80像素，摆动频率为100-200Hz，焦点采用正焦，切割辅助气体为氧气时压力为0.4-2.8bar，，采用本方法后，切割碳钢中厚板时切割速度能够相对同种参数但光斑不可调的激光切割方法提高10-45％。
切割铜或铝的中板或厚板时，光斑轨迹直径为40-90像素，摆动频率为100-300Hz，焦点采用负焦，切割辅助气体为氮气或空气时压力为5-25bar，采用本方法，相对同种参数但光斑不可调的激光切割，切割速度能够提高20-300％。
此外，对于不锈钢薄板、碳钢的薄板和中板、铜或铝的薄板，切割时可根据切割需求选择开启或关闭光斑轨迹可调功能。
本方案的效果在于：通过光斑发生连续微小运动，实际输出光束与垂直方向成一定的角度，切缝相应的变大，板材熔池变大，有利于板材熔融物的流出，大大的减小切割过程中爆孔的可能性，并且光束在切割过程中焦点位置也相应的降低，保证激光能量在板材中的均匀性，使切割速度更快，切割板材熔池的增大为切割更厚的板材提供良好的条件，此外切割气体压力相比光斑固定时数值降低，因此本方式能够在加速排出熔融金属的情况下，减弱切割气体的冷却效果，提高激光切割的热量利用率。另外，因为光斑为摆动状态因此光的主要能量分部与图形的轨迹，因此相对于点状光斑的切割方式让板材受热的均匀性更好，该均匀的受热方式、合理的割缝大小以及配合相应稳定的气压可以改善切割板材底部挂渣问题。并且，相比较与非光斑轨迹可变的激光切割可以实现更快速和更厚板材的切割。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

  1. 一种激光切割光斑控制系统，其特征在于，包括：上位机和设置在切割设备上的激光切割光斑控制装置；
    激光切割光斑控制装置包括：图形处理模块、储存模块以及主处理器；
    上位机与主处理器通信连接，上位机用于获取用户输入的光斑轨迹参数，并将输入的光斑轨迹参数传输给主处理器；
    主处理器通过图形处理模块将输入的光斑轨迹参数进行坐标点拟合，形成光斑图形的最小组成单元，基于所述最小组成单元通过旋转、平移、复制、拉伸操作，形成最终光斑轨迹图形数据及切割坐标集合，储存至储存模块中。
  2. 根据权利要求1所述的激光切割光斑控制系统，其特征在于，
    主处理器还用于按照预设切割顺序从储存模块调取切割坐标集合执行切割进程；
    预设切割顺序包括：
    按照顺时针方向对光斑轨迹图形数据进行扫描；
    或，按照逆时针方向对光斑轨迹图形数据进行扫描；
    或，以预设时间间隔调取光斑轨迹图形数据，实现光斑轨迹图形数据的周期扫描；
    或，根据坐标点的稀疏度，对光斑轨迹图形数据进行间隔提取扫描。
  3. 根据权利要求1或2所述的激光切割光斑控制系统，其特征在于，
    激光切割光斑控制装置包括：存储器；
    存储器内储存有光斑轨迹参数；
    主处理器接收上位机传输的光斑轨迹参数，将接收的光斑轨迹参数与存储器内储存的光斑轨迹参数进行比对，判断是否一致；
    若一致，接收的光斑轨迹参数不写入存储器内，且调取存储器内储存的光斑轨 迹参数配置成光斑轨迹图形数据；
    若不一致，则将接收的光斑轨迹参数写入至存储器内，再将接收的光斑轨迹参数配置成光斑轨迹图形数据。
  4. 根据权利要求3所述的激光切割光斑控制系统，其特征在于，
    上位机向主处理器发送启动控制指令，且未附带光斑轨迹参数时，主处理器从存储器调取在先光斑轨迹参数，并配置成光斑轨迹图形数据进行切割作业。
  5. 根据权利要求1或2所述的激光切割光斑控制系统，其特征在于，
    激光切割光斑控制装置还包括：辅助芯片；
    辅助芯片用于监测激光切割光斑控制系统运行数据，当监测到激光切割光斑控制系统的故障数据时，进行报警提示。
  6. 一种激光切割光斑控制方法，其特征在于，方法采用如权利要求1至5任意一项所述的激光切割光斑控制系统；
    方法包括：
    获取光斑轨迹参数；
    通过图形处理模块将输入的光斑轨迹参数进行坐标点拟合，形成光斑图形的最小组成单元，然后基于该最小组成单元通过旋转、平移、复制、拉伸操作，形成最终光斑轨迹图形数据，进行储存；
    按照预设切割顺序从储存模块调取切割坐标集合执行切割进程。
  7. 根据权利要求6所述的激光切割光斑控制方法，其特征在于，
    方法中，图形处理模块根据用户输入的光斑轨迹图形数据进行坐标点拟合，计算形成光斑图形的最小组成单元，然后基于该最小组成单元通过旋转、平移、复制、拉伸操作，最终形成的第一光斑轨迹图形数据；
    第一光斑轨迹图形数据包括：椭圆形，或8字形，或半圆形，或O形，或∞形；
    配置执行完成第一光斑轨迹图形数据之后，形成第二光斑轨迹图形数据时，第一光斑轨迹图形数据对应的图形中心对称点与第二光斑轨迹图形数据对应的图形中心对称点之间的偏移量，即为图形中心对称点的位移数据。
  8. 根据权利要求6所述的激光切割光斑控制方法，其特征在于，方法还包括：
    调节其中的图形对称点的位移数据，使光斑图形的图形对称点与气路、喷嘴及腔体中心同轴；
    调取光斑轨迹图形数据并设置摆动频率或速度；
    光斑轨迹图形数据配置完成后，主处理器按照预设顺序调取切割坐标集合，发送至驱动板进而控制激光头内部的振镜电机动作，使光斑沿预设轨迹做连续微小运动，即实现光斑的摆动，并采用引导光产生光斑轨迹图形投射到切割物料上。
  9. 根据权利要求6或7或8所述的激光切割光斑控制方法，其特征在于，方法还包括：
    控制激光头以预设下落速度下落，第一次碰到切割物料后，上抬至预设高度后再次下落，直到第二次碰板上抬至限位最高点，此时为激光头初始高度位置设置完毕；
    控制激光头水平移动，在切割物料的边框上方移动，通过引导光监测激光头是否会移动至切割物料范围外；
    若引导光未移动到切割物料的边框外，切割范围确定完毕。
  10. 根据权利要求6或7或8所述的激光切割光斑控制方法，其特征在于，
    切割不锈钢中板或厚板时，光斑轨迹直径为40-160像素，摆动频率为80-300Hz，焦点采用负焦，切割辅助气体为氮气或空气时压力为5-25bar；
    切割碳钢中板及厚板时，光斑轨迹直径为10-80像素，摆动频率为100-200Hz，焦点采用正焦，切割辅助气体为氧气时压力为0.4-2.8bar；
    切割铜或铝的中板或厚板时，光斑轨迹直径为40-90像素，摆动频率为100-300Hz，焦点采用负焦，切割辅助气体为氮气或空气时压力为5-25bar。
  11. 根据权利要求6或7或8所述的激光切割光斑控制方法，其特征在于，
    方法还包括，激光切割光斑控制装置上电后，主处理器输出第一工作状态信息和第二工作状态信息；
    第一工作状态信息输出给辅助芯片，辅助芯片实时检测第一工作状态信息；
    当辅助芯片检测到第一工作状态信息异常时，发出报警信息至系统；
    当辅助芯片死机时，通过设置在辅助芯片内部的看门狗启动，对辅助芯片进行复位重启，继续检测主处理器状态。
  12. 根据权利要求11所述的激光切割光斑控制方法，其特征在于，
    实时监测第二工作状态信息以及辅助芯片状态信息，当检测到第二工作状态信息或辅助芯片状态信息异常时，立即关闭激光器出光，同时报警；
    辅助芯片实时监测驱动板状态，当驱动板故障或报错时，辅助芯片输出驱动板故障信号；
    辅助芯片通过温度传感器检测驱动板温度，当温度超阈值时，发出温度超阈值报警信号。
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