激光切割的功率控制及其與運動的同步控制*

王世勇 李迪 陳超

(華南理工大學機械與汽車工程學院,廣東廣州 510640)

激光加工由于具有非接觸、工件無變形、切縫質量好、加工速度快、容易與數控技術結合等諸多特點,已廣泛地應用于汽車、航空、化工、輕工、電器與電子、石油和冶金等工業(yè)部門[1-2].激光切割加工中,切縫的深度、寬度、粗糙度等與激光功率密切相關[3-6].因此,為了保證均勻一致的切縫質量,必須實現(xiàn)高精度、高靈敏度的激光功率控制.但是,由于難以建立控制信號與切縫質量間定量的函數關系,實際的工業(yè)加工中采用的激光功率控制方法比較粗糙,無法保證材料單位面積接受的功率恒定,難以實現(xiàn)高質量的加工.

激光切割加工中的功率控制包括功率控制和功率與運動的同步控制兩個方面的內容.功率控制是指生成適當的控制信號控制激光器輸出所需功率,功率與運動的同步控制是指功率緊跟加工速度變化以保證一致的加工質量.彭登峰[7]設計了PID激光功率控制器并引入閉環(huán)控制,該控制器能夠提高激光輸出的動態(tài)特性,但是其沒有推導出功率與加工速度的關系,也沒有實現(xiàn)功率與運動的同步控制.黃濤等[8]對功率與運動的同步控制做了有益的嘗試,但功率與運動間存在較大延遲,而且控制器采用開環(huán)架構,控制精度較低.Doval等[9]設計了一個旋轉模具激光切割系統(tǒng),該系統(tǒng)的激光切割部分由 8個激光管組成,通過啟閉不同的激光管實現(xiàn)功率控制.該功率控制系統(tǒng)是分級控制系統(tǒng),只能達到 8級功率控制.Kramer、Kad lec等[10-11]分別介紹了一種激光功率測量系統(tǒng),對設計閉環(huán)激光功率控制有很好的借鑒作用.

文中采用理論分析與實驗相結合的方法,以切縫深度一致性作為評價切割質量的指標,通過建立材料單位面積激光功率與切縫深度、激光器控制信號與輸出功率間的函數關系而建立控制信號與切縫深度間的定量關系;并引入閉環(huán)控制,實現(xiàn)了高精度的激光功率控制.同時在每個插補運動周期內同步更新位置信息和功率信息,實現(xiàn)了功率與運動的同步控制.基于文中所述方法,易于建立激光加工材料數據庫和激光器數據庫[12-13],從而可以實現(xiàn)自動控制,方便用戶使用設備和管理工藝數據.

1 激光功率控制原理

激光軌跡加工中,材料的切縫深度與其單位面積接收的激光功率有關,關系式為

式中:Dcut為切縫深度;Pua為單位面積功率.

單位面積功率與激光器輸出功率及加工速度有關,即

式中:W為能量;A為面積;Pout為激光器輸出功率;F為加工速度;d為光斑直徑;t為加工時間.由于d很小(一般為0.2～0.5mm),所以πd2/(4t)為高階無窮小量,對計算 Pua影響微弱,故予以省略,從而可得

由于光斑直徑隨激光功率變化微弱,為了保證一致的單位面積功率,必須根據加工速度控制輸出功率的大小.控制信號與輸出功率間的關系式為

式中:u為控制信號.

綜上所述,激光切割中的功率控制與材料特性、激光器特性以及運動速度有關.功率控制過程為:用戶指定Dcut,由式(1)計算出Pua,接著由式(3)計算出Pout,最后由式(4)計算出u.從而使激光器輸出功率按一定比率跟隨加工速度變化,保證一致的單位面積功率,獲得均勻一致的切割質量.

2 材料與激光器特性方程

單位面積激光功率越大,則材料切縫越深.但隨著切縫深度的增大,散熱效果變差,因此單位面積功率與切縫深度之間是非線性遞增關系.圖1反映了低碳鋼單位面積功率與其切縫深度之間的關系.可見,激光功率的增加對切縫深度的影響越來越小,當單位面積激光功率增大到 15W/mm2時,很難再通過增大激光功率來增加切縫深度.

圖1 低碳鋼單位面積功率與切縫深度關系曲線Fig.1 History of unitarea power and cutting depth for low carbon steel

現(xiàn)有的激光器及激光電源能夠保證控制信號由最小變化到最大時,激光功率也從最小變化到最大,但是由于激光功率受溫度的影響,激光輸出功率與控制信號間是非線性的遞增關系.圖 2所示是一額定輸出功率為80W的直流激勵CO2激光器,隨著控制信號的增大,激光功率增大,但是增加的幅度越來越小.

圖2 二氧化碳激光器控制信號與其輸出功率關系曲線Fig.2 History of control signal and output power of a CO2 laser

由上述分析可知,式(1)和(4)所反映的Pua-Dcut,u-Pout曲線難以由理論推導建立,但是可由實驗獲得.為了進行功率控制,對實驗曲線進行分段線性化,從而建立Pua-Dcut,u-Pout間的解析表達式.對曲線進行N段線性近似后,相應的特性曲性可由兩個包含N+1個元素的一維數組表示,即

式中:數組X[N+1]為自變量數組,對應單位面積功率或激光器控制信號;數組Y[N+1]為因變量數組,對應材料切縫深度或激光器輸出功率.

若已知Xk＜X＜Xk+1,其中k＜N,則相應的Y可由式(6)計算得到:

在已知Yk＜Y＜Yk+1的條件下,可以利用反函數求出所需的X:

對多種材料和多個激光器的特性曲線作上述處理,可以建立激光加工材料數據庫和激光器數據庫,以方便用戶的使用和管理工藝數據.

3 激光功率控制

激光功率控制流程如圖 3所示,圖中U、I為電壓電流.根據材料編號由材料數據庫確定單位面積功率與切縫深度的函數關系 f,從而計算出切縫深度為Dcut時所需的單位面積激光功率 Pua.然后結合運動控制器給出的速度 F與激光光斑直徑 d確定所需的輸出功率Pout.為了補償u-Pout曲線線性近似所引入的誤差,對激光功率進行閉環(huán)控制,閉環(huán)控制算法為式中:Pf為從激光電源引入的反饋信號.在采樣周期k,若反饋功率 Pf小于給定功率Pout,則在下一控制周期,增大控制功率 Pk+1,從而增大激光器的輸出功率.反之,若Pf大于 Pout,則在下一控制周期減小Pk+1.由激光器編號與激光器數據庫,可以確定激光器控制信號與輸出功率間的函數關系 g,從而可以計算出控制功率Pk所對應的控制信號u以控制激光電源輸出對應的激勵信號(直流電壓或者脈寬調制信號),從而控制激光器發(fā)出所需功率的激光.

圖3 激光功率控制流程圖Fig.3 Flowchart of power control of laser

4 激光功率與運動同步控制

在每個插補周期同步更新激光功率與插補位置以實現(xiàn)功率與運動的精確同步控制.如圖 4所示,在周期性的功率控制與插補計算之前進行速度規(guī)劃,以確定加工軌跡的速度方程:F=f(t).這樣下一個插補點處的速度可由Fi+1=f(ti+1)計算得到,其中i表示當前插補周期,i+1表示下一個插補周期,ti+1為累計插補時間,ti+1=ti+T,T為插補周期.

圖4 激光功率與運動同步控制流程圖Fig.4 Synchronization control of laser power andmotion

根據速度 Fi+1和軌跡信息可計算出下一插補點的位置Pi+1(Xi+1,Yi+1,Zi+1),將該位置信號送至位置控制模塊,從而控制機床按給定軌跡運動.同時,將速度信號 Fi+1送至功率控制模塊,從而控制激光器發(fā)出給定功率的激光.可見在每個插補周期,插補位置和激光功率都進行了更新,使得功率跟隨速度同步變化,從而實現(xiàn)了功率與運動的精確同步控制.

5 實驗結果與討論

實驗所用材料為 20號的低碳鋼,其 Pua-Dcut如圖 1所示.將該曲線進行 7段線性近似后得到的 8個端點坐標為采用廣州安特激光技術有限公司 80W直流激勵二氧化碳激光管,配合濟南宏源電氣有限公司80W二氧化碳激光電源,其u-Pout曲線如圖 2所示.將該曲線進行 8段線性近似后得到的 9個端點坐標為

加工軌跡是連續(xù)小線段輪廓,如圖5所示.圖示輪廓共由 46段小線段和一長直線段組成.其中位于T0T21段的小線段長為4.49mm;位于T40T46段的小線段位長為1.96mm;T21P40間的線段由長到短.圖示輪廓在設定速度為100mm/s,設定加速度為5000mm/s2的條件下經小線段速度規(guī)劃算法處理后,速度曲線如圖 6所示.

圖5 連續(xù)小線段輪廓Fig.5 Continuous short line contour

圖6 連續(xù)小線段輪廓速度曲線Fig.6 Feedrate profile for continuous short line contour

控制器采用實驗室自行開發(fā)的基于DSP+FPGA的運動控制卡,當設定切縫深度為 0.2mm時其輸出功率如圖7所示.由圖7可以看出,在 1 s之前及2.1s以后,實際功率曲線與理想功率曲線重合;在 1～2.1 s之間,實際輸出功率能夠跟隨速度變化,誤差較小,約為1.47%.

圖7 激光器輸出功率Fig.7 Output power of laser

圖5所示輪廓的加工結果如圖 8所示,為便于觀察,線條作描黑處理.在圖中軌跡上取 23點,采用Kestrel非接觸式測量系統(tǒng)(測量顯微鏡)測得各點深度如圖9所示.深度值最大測量誤差為0.0005mm.從圖 9中可以看出,除起始點外,最大切縫深度誤差在1%以內.

圖8 激光切割加工樣品Fig.8 Samp le of laser cuttingmachining

圖9 采樣點切縫深度Fig.9 Cutting depths of samp le points

6 結論

材料的單位面積激光功率與切縫深度,激光器控制信號與輸出功率間存在非線性的遞增關系.通過多段線性近似建立相應的定量關系,并結合閉環(huán)控制策略能夠實現(xiàn)高精度的功率控制.通過在每個插補周期更新插補位置和激光功率能夠實現(xiàn)功率與運動精確的同步控制.實驗結果表明,功率控制精度約為1.47%,切縫深度誤差在1%以內.

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