CN103817433B

CN103817433B - 一种激光加工光斑控制方法及其专有装置

Info

Publication number: CN103817433B
Application number: CN201410030553.1A
Authority: CN
Inventors: 胡晓冬; 姚建华; 徐元飞
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2034-01-23
Also published as: CN103817433A

Abstract

一种激光加工光斑控制方法及其专有装置，所述的方法包括以下步骤：将待加工的工件放置在运动工作台上；开启控制器，控制器分别控制电机、第一信号变送器、第二信号变送器发送指令带动相应的运动工作平台、振镜和激光器做相应的改变，使得激光束形成宽度为L的线性光斑，所述的线性光斑作为反射光投射到待加工的工件表面；按照本发明所述的激光加工光斑控制方法构建的专有装置，包括控制器、电机驱动器、电机、第一信号变送器、第二信号变送器、运动工作台、激光器以及振镜。本发明的有益效果是：光斑尺寸、形状和能量密度分布可以根据加工工艺的要求进行动态调整、并且结构简单、实用方便。

Description

一种激光加工光斑控制方法及其专有装置

技术领域

本发明涉及一种激光加工光斑控制方法及其专有装置。

背景技术

在激光加工领域，用于激光热处理、激光熔覆、激光合金化等加工的激光光斑通常是采用一系列静态的光学镜片进行光学变换获得的，所获得的光斑形状有圆形、矩形、线形等，但这种经一系列的光学镜片整形获得的光束普遍具有以下特点：1、不便于调整光斑形状：一套光学镜片只能整形出一种形状的光斑，如果需要不同形状的光斑需要更换整形光路；2、不便于调整光斑内的光强分布特性：不同的激光加工工艺需要不同类型的光强分布特性，有的激光加工工艺需要中心能量密度高、边缘能量密度低的高斯型分布，有的激光加工工艺需要能量分布均匀的光学特性；但经静态光学镜片整形获得的光斑，其内部能量密度分布的特性是固定的，不能随工况的要求而变化。

发明内容

为了解决目前的激光光斑只能整形出一种形状的光斑、无法调节调整光斑内的光强分布特性以及光斑形状的问题，本发明提出了一种能对光斑尺寸、形状和能量密度分布可以根据加工工艺的要求进行动态调整的激光加工光斑控制方法及其专有装置。

一种激光加工光斑控制方法，包括以下步骤：

1）将待加工的工件放置在运动工作台上；

2）开启控制器，控制器的驱动模块向电机驱动器发出运动控制指令，接收到运动控制指令的电机驱动器驱动通过电机运动带动放置在运动工作台上的工件同步运动；控制器的摆动控制模块向第一信号变送器发出摆动指令，控制与第一信号变送器相连的振镜做出相应的摆动；控制器的功率调节模块向第二信号变送器发送功率控制指令，控制与第二信号变送器相连的激光器发出相应功率的激光；

3）激光器发出的点状的激光束作为入射光照射在振镜上，通过来回摆动的振镜反射的激光束形成宽度为L的线性光斑，所述的线性光斑作为反射光投射到待加工的工件表面；其中，在所形成的光斑内的每一点处的能量密度p与该点处激光输出功率f、振镜扫描速度v_b、工作台运动速度v_t构成函数关系，其函数表达式为：

p (x, y) = \frac{f (x, y)}{v (x, y)} - - - (1)

式（1）中，p(x,y)为光斑内某点所要求的能量密度；f(x,y)为在该点处激光器3的输出功率；v(x,y)为在该点处光束投影相对于工件的运动速度，其v(x,y)大小为振镜扫描速度v_b与工作台运动速度v_t的矢量和，即：

v (x, y) = \overset{&RightArrow;}{v_{b}} + \overset{&RightArrow;}{v_{t}} - - - (2);

在满足式（1）中所要求的函数关系的前提下，为了使动态扫描获得的光斑能量分布特性稳定，振镜完成1个周期的扫描轨迹的时间小于等于0.02秒。

按照本发明所述的激光加工光斑控制方法构建的专有装置，其特征在于：包括控制器、电机驱动器、电机、第一信号变送器、第二信号变送器、运动工作台、激光器以及振镜，所述的控制器的驱动模块与电机驱动器的信号输入端相连，所述的电机驱动器的信号输出端与电机相连，所述的电机的输出轴与所述的运动工作台固定；所述的控制器的摆动控制模块与第一信号变送器的信号输入端相连，所述的第一信号变送器的信号输出端与振镜相连；所述的控制器的功率调节模块与所述的第二信号变送器的信号输入端相连，所述的第二信号变送器的信号输出端与所述的激光器相连。

所述的控制器为PLC、计算机、数字信号处理器或单片机。

所述的第二信号变送器采用电流或电压模拟量信号接口的变送器、并行通讯数字接口或串行通讯数字接口的变送器。

所述的振镜为1维扫描振镜、2维扫描振镜或具有自动聚焦功能的扫描振镜装置。

所述的电机采用交流伺服电机或步进电机。

所述的第一信号变送器采用电流或电压模拟量信号变送器、并行通讯数字接口或串行通讯数字接口变送器。

优选的，本发明控制器采用的是使用数字信号处理器开发的控制器；第二信号变送器采用的是电压模拟量信号变送器；振镜采用的是1维扫描振镜；电机采用步进电机；第一信号变送器采用的是电压模拟量信号变送器。

图例中的元件功能描述如下：控制器：控制激光器的输出功率、振镜的转角与速度、工作台的运动速度；

第二信号变送器：接受控制器的控制指令，并将控制指令转换为激光器能接受的电信号，调节激光器的激光输出功率；

激光器：按照第二信号变送器的驱动信号输出相对应功率的激光束，并将激光束投射到振镜的镜片上；

振镜：通过镜片的往复摆动将激光器输出的点状光斑投射到工件上，形成宽度为L的线性光斑；

宽带光斑：由于激光束摆动而在工件上形成的宽度为L的动态光束投影；

运动工作台：承载工件，并在电机的驱动下运动；

工件：受宽带光斑热作用的被加工对象；

电机：接受电机驱动器的电信号驱动而运动，并带动工作台运动；

电机驱动器：将控制器的运动指令转换为驱动电机8的电信号；

第一信号变送器：将控制器的摆动指令转换为驱动振镜运动的电信号。

本发明的有益效果是：光斑尺寸、形状和能量密度分布可以根据加工工艺的要求进行动态调整、并且结构简单、实用方便。

附图说明

图1是本发明的工作原理图（其中，A处的箭头代表运动工作台的运动方向，B处的箭头代表振镜的摆动方向，其余的箭头代表信号传输方向）。

图2是光斑宽带横截面能量分布。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1一种激光加工光斑控制方法，包括以下步骤：

1）将待加工的工件9放置在运动工作台上；

3）激光器发出的点状的激光束作为入射光照射在振镜上，通过来回摆动的振镜反射的激光束形成宽度为L的线性光斑10，所述的线性光斑作为反射光投射到待加工的工件表面；其中，在所形成的光斑内的每一点处的能量密度p与该点处激光输出功率f、振镜扫描速度v_b、工作台运动速度v_t构成函数关系，其函数表达式为：

p (x, y) = \frac{f (x, y)}{v (x, y)} - - - (1)

v (x, y) = \overset{&RightArrow;}{v_{b}} + \overset{&RightArrow;}{v_{t}} - - - (2);

实施例2按照实施例1所述的激光加工光斑控制方法构建的专有装置，包括控制器1、电机驱动器2、电机3、第一信号变送器4、第二信号变送器5、运动工作台6、激光器7以及振镜8，所述的控制器1的驱动模块与电机驱动器2的信号输入端相连，所述的电机驱动器2的信号输出端与电机3相连，所述的电机3的输出轴与所述的运动工作台6固定；所述的控制器1的摆动控制模块与第一信号变送器4的信号输入端相连，所述的第一信号变送器4的信号输出端与振镜8相连；所述的控制器1的功率调节模块与所述的第二信号变送器5的信号输入端相连，所述的第二信号变送器5的信号输出端与所述的激光器7相连。

所述的控制器1为PLC、计算机、数字信号处理器或单片机。

所述的第二信号变送器5采用电流或电压模拟量信号接口的变送器、并行通讯数字接口或串行通讯数字接口的变送器。

所述的振镜8为1维扫描振镜、2维扫描振镜或具有自动聚焦功能的扫描振镜装置。

所述的电机3采用交流伺服电机或步进电机。

所述的第一信号变送器4采用电流或电压模拟量信号变送器、并行通讯数字接口或串行通讯数字接口变送器。

运动工作台：承载工件，并在电机的驱动下运动；

工件：受宽带光斑热作用的被加工对象；

实施例3以中碳钢为例，利用本发明所述的方法和装置对中碳钢表面激光宽带相变硬化层深度均匀化控制应用

在对中碳钢表面进行激光相变硬化处理时，希望处理后获得的硬化层深度分布均匀，传统的处理方法是采用静态光学整形系统获得的能量密度分布均匀的宽带光斑进行热处理，但由于受热工件在宽带光斑的不同部位散热条件不一致（光斑中部热传导速度慢，而光斑边缘处热传导速度快），往往会造成光斑中部比边缘的温度高，中部热处理深度大，而边缘热处理深度小的问题。

为适应光斑不同部位热传导速度不同的条件，获得均匀的热处理深度，所采用的光束能量分布应该是中部能量密度略小，边缘能量密度略大，所需宽带激光的能量分布特征如图2所示。

控制方案为：采用1维振镜进行宽度为L的线性扫描，并将1个扫描周期T离散为若干个时间点（t₁,t₂,t₃……t_n），按照公式1计算出与图2中能量分布曲线相对应的各时间点上的振镜转速（v₁,v₂,v₃……v_n）与激光输出功率（p₁,p₂,p₃……p_n），形成1个扫描周期内的振镜转速、激光功率与时间映射关系，如表1所示。在加工中，按照表1中的控制时序关系，在扫描周期的不同时间点输出对应的振镜转速、激光功率，即获得所需能量分布特性的光斑，实现对激光宽带相变硬化层深度的均匀化控制。

表1振镜转速、激光功率与时间的输出关系

时间

t₁

t₂

t₃

……

t_n-2

t_n-1

t_n

振镜转速

v₁

v₂

v₃

……

v_n-2

v_n-1

v_n

激光功率

p₁

p₂

p₃

……

p_n-2

p_n-1

p_n

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims

1.一种激光加工光斑控制方法，包括以下步骤：

1)将待加工的工件放置在运动工作台上；

2)开启控制器，控制器的驱动模块向电机驱动器发出运动控制指令，接收到运动控制指令的电机驱动器驱动通过电机运动带动放置在运动工作台上的工件同步运动；控制器的摆动控制模块向第一信号变送器发出摆动指令，控制与第一信号变送器相连的振镜做出相应的摆动；控制器的功率调节模块向第二信号变送器发送功率控制指令，控制与第二信号变送器相连的激光器发出相应功率的激光；

3)激光器发出的点状的激光束作为入射光照射在振镜上，通过来回摆动的振镜反射的激光束形成宽度为L的线性光斑，所述的线性光斑作为反射光投射到待加工的工件表面；其中，在所形成的光斑内的每一点处的能量密度p与该点处激光输出功率f、振镜扫描速度v_b、工作台运动速度v_t构成函数关系，其函数表达式为：

式(1)中，p(x,y)为光斑内某点所要求的能量密度；f(x,y)为在该点处激光器的输出功率；v(x,y)为在该点处光束投影相对于工件的运动速度，其v(x,y)大小为振镜扫描速度v_b与工作台运动速度v_t的矢量和，即：

在满足式(1)中所要求的函数关系的前提下，振镜完成1个周期的扫描轨迹的时间小于等于0.02秒。

2.按照权利要求1所述的激光加工光斑控制方法构建的专有装置，其特征在于：包括控制器、电机驱动器、电机、第一信号变送器、第二信号变送器、运动工作台、激光器以及振镜，所述的控制器的驱动模块与电机驱动器的信号输入端相连，所述的电机驱动器的信号输出端与电机相连，所述的电机的输出轴与所述的运动工作台固定；所述的控制器的摆动控制模块与第一信号变送器的信号输入端相连，所述的第一信号变送器的信号输出端与振镜相连；所述的控制器的功率调节模块与所述的第二信号变送器的信号输入端相连，所述的第二信号变送器的信号输出端与所述的激光器相连。

3.如权利要求2所述的专有装置，其特征在于：所述的控制器为PLC、计算机、数字信号处理器或单片机。

4.如权利要求2所述的专有装置，其特征在于：所述的第二信号变送器采用电流或电压模拟量信号接口的变送器、并行通讯数字接口或串行通讯数字接口的变送器。

5.如权利要求2所述的专有装置，其特征在于：所述的振镜为1维扫描振镜、2维扫描振镜或具有自动聚焦功能的扫描振镜装置。

6.如权利要求2所述的专有装置，其特征在于：所述的电机采用交流伺服电机或步进电机。

7.如权利要求2所述的专有装置，其特征在于：所述的第一信号变送器采用电流或电压模拟量信号变送器、并行通讯数字接口或串行通讯数字接口变送器。

8.如权利要求2所述的专有装置，其特征在于：所述的控制器采用的是使用数字信号处理器开发的控制器；第二信号变送器采用的是电压模拟量信号变送器；振镜采用的是1维扫描振镜；电机采用步进电机；第一信号变送器采用的是电压模拟量信号变送器。