激光切紙機(jī)功率控制與效能提升的改善研究

廈門(mén)盈趣科技股份有限公司 林春婷 楊連池 王志煌 張國(guó)忠 林松華 鐘揚(yáng)貴 林肇健

0 引言

當(dāng)激光模組以固定能量輸出時(shí)，電機(jī)攜帶激光模組以不同的速度切割，切割處所接受的激光能量密度將不同。直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)速度快，切割處所接受的激光能量密度相對(duì)較?。欢谵D(zhuǎn)角處，電機(jī)速度慢，切割處所接受的激光能量密度相對(duì)較大，使物體表面“過(guò)度”被加工，產(chǎn)生碳化。通過(guò)對(duì)電機(jī)速度與激光功率進(jìn)行實(shí)時(shí)精確匹配，實(shí)現(xiàn)激光輸出功率與電機(jī)速度的同步性，確保切割處所接受的激光能量密度一致，提高加工品質(zhì)。

激光焦點(diǎn)處的能量密度最大且光斑最小，因此焦點(diǎn)位于紙面時(shí)激光效率最高。目前市場(chǎng)上，激光調(diào)焦大多采用手動(dòng)旋鈕調(diào)節(jié)；大功率激光模組所配套的透鏡體積和重量需相應(yīng)增大，機(jī)械自動(dòng)調(diào)節(jié)困難。

激光在燒灼、切割物體產(chǎn)生的煙霧易附著在激光鏡頭上造成鏡頭臟污，導(dǎo)致激光輸出能量下降。被臟污阻礙未輸出的激光在鏡頭上轉(zhuǎn)成熱能，增加激光模組散熱難度。本文在提出激光手動(dòng)、自動(dòng)調(diào)焦的簡(jiǎn)易方案上，同時(shí)設(shè)計(jì)了激光鏡頭臟污檢測(cè)系統(tǒng)，確保切割處激光能量最大且恒定。保證切割處所受激光能量達(dá)到最佳，改進(jìn)了傳統(tǒng)激光切紙機(jī)在調(diào)焦與鏡頭臟污檢測(cè)清潔方面的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

激光切割是以數(shù)控加工機(jī)床為基礎(chǔ)，激光加工為媒介的一種加工方法，和所雕刻材料的表面沒(méi)有直接接觸，待雕刻材料不會(huì)受到機(jī)械應(yīng)力的影響。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)在切割過(guò)程中精確控制功率的激光切紙機(jī)，自動(dòng)檢測(cè)激光鏡頭臟污情況。系統(tǒng)主要包括中央處理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、激光驅(qū)動(dòng)模塊、激光調(diào)焦模塊和激光鏡頭臟污自動(dòng)檢測(cè)模塊。激光切紙機(jī)的總體框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)的改進(jìn)在于，采用算法控制激光驅(qū)動(dòng)模塊確保激光能量的均勻性，通過(guò)激光調(diào)焦模塊與激光鏡頭臟污自動(dòng)檢測(cè)模塊確保激光能量的有效輸出。

2 激光功率與速度同步控制

二維運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)在進(jìn)行加工作業(yè)時(shí)，每當(dāng)需要進(jìn)行折角、弧線等轉(zhuǎn)彎動(dòng)作時(shí)，均需要先減速運(yùn)行，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)彎位置以后再進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)彎時(shí)的減速對(duì)于傳統(tǒng)的CNC設(shè)備，幾乎沒(méi)有任何影響。只會(huì)導(dǎo)致加工時(shí)間增長(zhǎng)而已。

而在激光切割/雕刻領(lǐng)域，由于激光模組發(fā)出的功率基本恒定，當(dāng)運(yùn)動(dòng)軸攜帶著激光模組以不同的速度加工時(shí)，待切割/雕刻的物體表面所承受的激光能量密度將不同。特別是在直角轉(zhuǎn)彎處，運(yùn)動(dòng)軸將有一短暫瞬間處于停止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)激光將在此表面停留一短暫時(shí)間，而這短暫的停留時(shí)間將使物體表面“過(guò)度”被加工，直角轉(zhuǎn)彎處將留下碳化點(diǎn)。

為了解決此問(wèn)題，本設(shè)計(jì)在電路以及控制程序上做了相應(yīng)調(diào)整。電路上增加了激光功率的PWM調(diào)整電路，程序上先獲取運(yùn)動(dòng)軸的實(shí)時(shí)速度，再通過(guò)經(jīng)驗(yàn)法來(lái)大致確定激光功率和運(yùn)動(dòng)軸速度的線性關(guān)系系數(shù)，將這個(gè)關(guān)系系數(shù)乘上實(shí)時(shí)速度最終得出控制激光模組的PWM占空比，實(shí)際調(diào)試可有效的解決轉(zhuǎn)角碳化過(guò)度問(wèn)題。能量密度滿足如式（2-1）的關(guān)系。

式中：E——能量密度；W——激光能量；S——紙面面積。

其中W滿足如式（2-2）的關(guān)系，S滿足如式（2-3）的關(guān)系。

式中：P——激光輸出功率；d——激光束直徑；t——切割時(shí)間。

由于d數(shù)值較小，可以得到S的近似關(guān)系式（2-4）。

綜上可得能量密度的關(guān)系式（2-5）

3 激光調(diào)焦模塊

相比傳統(tǒng)的刀片切割，激光作為加工媒介有其高精度低損耗的優(yōu)勢(shì)，但在操作過(guò)程中需要多一道調(diào)試工作：確定激光鏡頭焦點(diǎn)位置。調(diào)節(jié)激光鏡頭組，使得激光焦點(diǎn)落在被加工紙面，從而實(shí)現(xiàn)更精細(xì)更高效的切割。

圖2 斜坡

3.1 手動(dòng)調(diào)焦

采用圖2所示的工裝。當(dāng)激光模組以固定高度勻速運(yùn)行在三角斜坡上方時(shí)，斜坡表面的激光能量密度隨著斜坡高度變化。不同的焦點(diǎn)高度在相同的電機(jī)速度下產(chǎn)生不一樣的切割效果，焦點(diǎn)位置恰好位于紙面上的切割效果最好。以此點(diǎn)為中心對(duì)稱，越遠(yuǎn)離該點(diǎn)，紙面切割效果越差。通過(guò)在三角斜坡上覆蓋紙張，根據(jù)激光模組功率合理設(shè)置電機(jī)運(yùn)行速度，并讓激光在斜坡上運(yùn)行。觀察紙張?zhí)蓟潭?，以焦點(diǎn)位置為中心向兩端逐漸減弱，即可確定具體焦點(diǎn)的高度。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖3根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出：第一組數(shù)據(jù)的焦點(diǎn)偏上，第二組數(shù)據(jù)的焦點(diǎn)偏下，第三組數(shù)據(jù)的焦點(diǎn)適中。通過(guò)該方法可以準(zhǔn)確快速地確定焦點(diǎn)位置，提高激光功率的利用。

3.2 自動(dòng)調(diào)焦

通過(guò)手動(dòng)調(diào)焦獲取多組激光焦點(diǎn)位置與焦點(diǎn)高度的數(shù)據(jù)，并把焦點(diǎn)位置轉(zhuǎn)化為鏡頭旋鈕的調(diào)節(jié)刻度，確定焦點(diǎn)高度與旋鈕刻度的關(guān)系。焦點(diǎn)高度滿足如式（3-1）的關(guān)系。

式中：h——焦點(diǎn)高度；d——旋鈕刻度分度值；a、b、k1——常數(shù)。

旋鈕刻度滿足如式（3-2）的關(guān)系。

式中：X——伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)；K2——常數(shù)。

主控芯片預(yù)先內(nèi)置該關(guān)系算法，通過(guò)光電測(cè)距得到紙面與光源的高度，由算法得到旋鈕刻度，主控芯片驅(qū)動(dòng)伺服調(diào)節(jié)旋鈕刻度讓焦點(diǎn)準(zhǔn)確落在紙面。

通過(guò)光電探測(cè)器進(jìn)行測(cè)距可以采用計(jì)時(shí)測(cè)距方法，計(jì)數(shù)器在對(duì)光信號(hào)進(jìn)行采樣得到采樣信號(hào)時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)接收到所述光信號(hào)對(duì)應(yīng)電信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，從而得到發(fā)射至接收之間的時(shí)長(zhǎng)，根據(jù)時(shí)長(zhǎng)計(jì)算得到高度。

或者通過(guò)反射光在光電探測(cè)器的成像位置進(jìn)行測(cè)距。當(dāng)激光焦點(diǎn)與紙面的距離發(fā)生變化，光電探測(cè)器上的反射光斑隨之以移動(dòng)。根據(jù)移動(dòng)距離，運(yùn)動(dòng)三角形相似原理進(jìn)行計(jì)算得到高度。如圖4為自動(dòng)調(diào)焦框圖。

圖4 自動(dòng)調(diào)焦框圖

4 激光鏡頭臟污自動(dòng)檢測(cè)模塊

激光鏡頭臟污檢測(cè)模塊包括激光發(fā)射模塊、光電傳感器和清潔模塊等部分。激光鏡頭臟污自動(dòng)檢測(cè)模塊框圖如圖5所示。

圖5 臟污自動(dòng)檢測(cè)模塊框圖

激光發(fā)射模塊、光電傳感器設(shè)置于激光模組上，由主控芯片產(chǎn)生包括多個(gè)第一電信號(hào)的初始信號(hào)串，激光發(fā)射模塊將多個(gè)第一電信號(hào)轉(zhuǎn)換為多個(gè)光信號(hào)，并以預(yù)設(shè)的配置功率進(jìn)行輸出。光電傳感器將接收的每個(gè)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為第二電信號(hào)，主控芯片根據(jù)第二電信號(hào)得到檢測(cè)信號(hào)串。通過(guò)比對(duì)檢測(cè)信號(hào)串和初始信號(hào)串，判斷激光鏡頭的臟污情況。

4.1 預(yù)設(shè)配置功率

激光發(fā)射模塊的配置功率需要在確保激光鏡頭清潔無(wú)臟污的情況下進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)模塊改變激光發(fā)射模塊的輸出功率，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)串和初始信號(hào)串的比對(duì)結(jié)果一致時(shí)，主控芯片獲取當(dāng)前輸出功率，設(shè)置該輸出功率為配置功率并進(jìn)行存儲(chǔ)。

在學(xué)習(xí)過(guò)程中，激光發(fā)射模塊的輸出功率可以從最低功率開(kāi)始往上遞增，也可以從最高功率開(kāi)始往下遞減。若激光發(fā)射模塊的輸出功率由最高往下遞減，則直到出現(xiàn)脈沖信號(hào)丟失，記錄出現(xiàn)脈沖信號(hào)丟失前后的臨界輸出功率為配置功率。

4.2 臟污自動(dòng)檢測(cè)與清理

通過(guò)將檢測(cè)信號(hào)串和初始信號(hào)串進(jìn)行對(duì)比，也就是將初始信號(hào)串的頻率與脈沖數(shù)量和檢測(cè)信號(hào)串的頻率與脈沖數(shù)量進(jìn)行對(duì)比。主控芯片根據(jù)初始信號(hào)串的頻率與脈沖數(shù)量和檢測(cè)信號(hào)串的頻率與脈沖數(shù)量確定丟失脈沖的頻率和數(shù)量，并根據(jù)頻率進(jìn)行分組，將頻率相同的丟失脈沖分為一組，以確定出不同頻率的丟失脈沖的數(shù)量，從而確定出激光鏡頭的臟污等級(jí)。

確定出激光鏡頭的臟污等級(jí)后，主控芯片判斷臟污等級(jí)是否低于預(yù)設(shè)的臟污等級(jí)，若是，則表示激光鏡頭符合預(yù)設(shè)臟污要求，此時(shí)激光鏡頭無(wú)需清理；否則表示激光鏡頭不符合預(yù)設(shè)臟污要求，此時(shí)主控芯片控制臟污清理模塊對(duì)激光鏡頭進(jìn)行清理。

如圖6為激光鏡頭臟污自動(dòng)檢測(cè)流程圖。

圖6 臟污自動(dòng)檢測(cè)流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用功率較小的半導(dǎo)體激光模組作為切割源，結(jié)合手動(dòng)焦點(diǎn)與自動(dòng)焦點(diǎn)調(diào)節(jié)，讓功率較小的激光模組達(dá)到較高能效。加入了激光功率與速度的同步算法，實(shí)現(xiàn)了更加精細(xì)的圖案切割，有效的降低了切割面碳化程度。同時(shí)在激光鏡頭的臟污檢測(cè)上利用現(xiàn)有激光鏡頭作為發(fā)射源，巧妙的解決鏡頭臟污問(wèn)題。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量切割和高可靠性運(yùn)行的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1]朱云峰,聶紅偉.金屬激光切割機(jī)焦點(diǎn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2016,29(9):50-52.

[2]王江.激光切割機(jī)高度跟隨及功率控制研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),17-25.