CN111571039A - 一种避免过烧的激光切割装置及切割方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种避免过烧的激光切割装置的机台上设置x伺服轴，所述x伺服轴上滑动设置y伺服轴，所述y伺服轴上滑动设置z伺服轴，所述z伺服轴上设置激光切割头，所述机台上设至控制机构，所述控制机构能够进行图形处理，所述控制机构控制所述x伺服轴、y伺服轴、z伺服轴和所述激光器。一种避免过烧的激光切割方法包括获取工件图形处理生成切割轨迹、对轨迹优化处理，通过模型建立切割速度功率的线性关系，根据轨迹曲率半径建立曲率半径切割速度线性关系，从而初步建立切割轨迹中弧线部分与切割速度，功率的关系，建立直线与弧线的过滤，确定切割轨迹、切割速度、功率之间关系。上述关系保证切割时切割轨迹上激光能量分布均匀，避免过烧。
Description
技术领域
本发明涉及激光切割装置领域，尤其涉及一种避免过烧的激光切割装置及切割方法。
背景技术
激光切割是利用高功率密度的聚焦激光束扫描过材料表面，在极短时间内将材料加热到几千甚至上万摄氏度，使材料瞬间熔化或汽化，再用高压气体将熔化或汽化物质从切缝中吹走，从而达到切割材料的目的。
由于激光光束照射到物体表面时，物体局部产生高温，如果光束与物体之间的相对移动速度够快的话，对于非照射部位几乎没有影响，激光加工的热影响区域小，对材料的破坏较小，一般来说可以达到很好的加工效果，但是，在实际切割过程中，激光光束的移动路径中需要有曲率变化较大的拐点时，一般情况下，会造成激光光束的失速，激光光束与物体之间的相对移动速度会降低，这样激光作用于物体产生的热量多，热影响区域会变大，导致在曲率变化大的拐点处往往会形成过烧的现象，影响切割质量。
现有技术中，有一种速度功率调整的方式来解决过烧问题，通过测量x伺服轴速度和y伺服轴速度来确定光束的切割速度，然后根据光束的切割速度控制激光器输出相应的功率，但是实际生产中速度测量到功率输出过程中有时间延迟，对于高度移动的激光切割头来说时间延迟内可能早已走出需要激光功率改变的区域，改良的效果有限。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明一种避免过烧的激光切割装置及切割方法。
本发明提供的避免过烧的激光切割装置包括机台，其中，
所述机台的两侧沿长度方向设置有x伺服轴，所述x伺服轴上滑动设置有y伺服轴，所述y伺服轴垂直于所述x伺服轴，所述y伺服轴上滑动设置z伺服轴，所述z伺服轴上设置有激光切割头；所述激光切割头连接设置于所述机台内的激光器；
所述机台上设置能够进行图形处理的控制机构，所述控制机构包括运动控制模块和激光控制模块，所述运动控制模块电性连接所述激光切割头所述x伺服轴、y伺服轴以及z伺服轴，所述激光控制模块控制所述激光器的功率输出，所述控制机构还包括存储模块、图形处理模块、轨迹优化模块、模型模块、速度功率分配模块以及速度功率优化模块。
优选的，所述运动控制模块为PMAC多轴运动控制卡，所述激光控制模块为LPC-1激光功率控制模块。
本发明还提供一种应用于所述避免过烧的激光切割装置的避免过烧的激光切割方法，包括以下步骤：
S1：将工件图形导入存储模块；
S2：控制机构的图形处理模块从存储模块读取工件图形，并将工件图形建立于机械坐标系中，使得工件图形的点与机械坐标对应；
S3：图形处理模块根据工件图形生成切割轨迹，图形处理模块通过切割轨迹的机械坐标找出切割轨迹中拐角位置；
S4：轨迹优化模块针对步骤S3中拐角的位置进行切割轨迹优化，优化的切割轨迹数据传递给图形处理模块进行切割轨迹曲率半径计算，确定曲率半径的变化范围；
S5：向模型模块输入工件的材质类型、厚度、切缝的宽度，模拟得出复合参数设置的切割速度与激光功率之间的线性关系，根据激光器性能，选取适当的激光功率范围，获取对应的速度范围；
S6：速度功率分配模块将步骤S4中的曲率半径与步骤S5中的速度线性拟合，通过S5中速度功率的线性关系获取实现曲率半径与功率的线性关系，将功率与速度分配到轨迹的对应位置，速度功率分配模块将最大速度和最大功率分配到轨迹中的直线部分；
S7：速度功率优化模块对轨迹直线与弧线相连接处优化，临近弧线的直线上截取过滤区，过滤区以逐渐变化的加速度进行平缓的速度变化，速度变化范围在过滤区一端的直线速度与过渡区另一端的弧线速度之间；
S8：运动控制模块根据分配的速度输出控制信号控制x伺服轴、y伺服轴的运动速度，激光控制模块根据分配的功率输出控制信号控制激光器输出功率。
优选的，步骤S1中工件图形设置于与机械坐标系成比例的坐标系k中，步骤S2中图形处理模块使坐标系k与机械坐标原点重合，按比例缩放所述坐标系k，将工件图形的点与机械坐标对应。
优选的，步骤S3中拐角是指直线与直线、直线与弧线、弧线与弧线形成的影响速度连续变化的尖角结构。
优选的，步骤S4中切割轨迹优化，具体包括将拐角处的两段线的相交处通过连续的弧线连接。
与相关技术相比较，本发明的一种避免过烧的激光切割装置以及一种避免过烧的激光切割方法具有如下有益效果：
本发明提供的一种避免过烧的激光切割装置以及一种避免过烧的激光切割方法的能够读取工件图形，根据工件图形进行切割轨迹的优化，优化过程中，不连续的拐角被连续的弧线连接，这样除了直线处切割轨迹的其他位置的曲率半径可计算，同时引入连续的弧线，两次加工拐角处形成一定的时间间隔，利于散热，避免第二次加工过程中热量过于集中导致过烧；通过将曲率半径与加工弧线的切割速度进行线性拟合，确定切割轨迹上各个位置的切割速度，然后通过一定的参数确定切割速度与激光功率之间的线性关系，确定切割轨迹各个位置的加工功率，通过所述控制机构控制所述避免过烧的激光切割装置以相应的速度功率来切割工件，避免了通过测量速度来计算加工功率过程中，由于控制过程导致的时间延迟，而时间延迟使得功率控制落后于速度检测，造成功率改变不及时造成的过烧避免失败的情况。
附图说明
图1为本发明的一种避免过烧的激光切割装置的一种较佳实施例的结构示意图；
图2为图1所示的避免过烧的激光切割装置的控制关系示意图；
图3为本发明提供的一种避免过烧的激光切割方法的过程示意图；
图4为优化轨迹过程中几种较佳的对拐角的优化的实施例示意图(虚线为优化部分)；
图5为一种直线轨迹上的过渡区(椭圆虚线范围内)实施例示意图；
图6为图5拐角上游的过渡区速度变化示意图；
图7为图5拐角下游的过渡区速度变化示意图。
图中标号：1、机台，2、x伺服轴，3、y伺服轴，4、z伺服轴，5、激光切割头，6、控制机构，7、激光器。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
请结合参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6以及图7，其中图1为本发明的一种避免过烧的激光切割装置的一种较佳实施例的结构示意图；图2为图1所示的避免过烧的激光切割装置的控制关系示意图；图3为本发明提供的一种避免过烧的激光切割方法的过程示意图；图4为优化轨迹过程中几种较佳的对拐角的优化的实施例示意图(虚线为优化部分)；图5为一种直线轨迹上的过渡区(椭圆虚线范围内)实施例示意图；图6为图5拐角上游的过渡区速度变化示意图；图7为图5拐角下游的过渡区速度变化示意图。
参阅图1所示，本发明提供的一种避免过烧的激光切割装置包括机台1，其中，
所述机台1的两侧沿长度方向设置有x伺服轴2，所述x伺服轴2上滑动设置有y伺服轴3，所述y伺服轴3垂直于所述x伺服轴2，所述y伺服轴3上滑动设置z伺服轴4，所述z伺服轴4上设置有激光切割头5；所述激光切割头5连接设置于所述机台1内的激光器7；
所述机台1上设置能够进行图形处理的控制机构6，所述控制机构6包括运动控制模块和激光控制模块，所述运动控制模块为PMAC多轴运动控制卡，所述激光控制模块为LPC-1激光功率控制模块。所述运动控制模块电性连接所述激光切割头所述x伺服轴2、y伺服轴3以及z伺服轴4，所述激光控制模块控制所述激光器的功率输出，参阅图2所示，所述PMAC多轴运动控制卡控制所述x伺服轴2、y伺服轴3以及所述z伺服轴4的运动，所述LPC-1激光功率控制模块控制所述激光器7的运行。所述控制机构6还包括存储模块、图形处理模块、轨迹优化模块、模型模块、速度功率分配模块以及速度功率优化模块。
参阅图3所示，本发明提供一种避免过烧的激光切割装置的避免过烧的激光切割方法，包括以下步骤：
S1：将包含工件图形的图像文件导入存储模块；具体实施过程中，包含工件图形的图像文件中设置有坐标系k，工件图形设置于坐标系k中，坐标系k与避免过烧的激光切割装置的机械坐标成比例。
S2：控制机构的图形处理模块从存储模块读取工件图形，将坐标系k与避免过烧的激光切割装置的机械坐标原点对齐，将坐标系按比例关系进行缩放，使得工件图形建立于机械坐标系中，使得工件图形的点与机械坐标对应。
S3：向图形处理模块输入切缝的宽度数据，取切缝宽度的一半作为标准，以工件图形为基础确定基于工件图形的切割轨迹，图形处理模块通过切割轨迹的机械坐标找出切割轨迹中拐角位置；其中，步骤S3中拐角是指直线与直线、直线与弧线、弧线与弧线形成的影响速度连续变化的尖角结构。
S4：轨迹优化模块针对步骤S3中拐角的位置进行切割轨迹优化，参阅图4所示，具体实施过程中，切割轨迹优化，是将拐角处的两段线的相交处补充一个连续的弧线，弧线的起始部位与终止部位分别于拐角处的两段线相切，优化的切割轨迹数据传递给图形处理模块进行切割轨迹曲率半径计算，确定曲率半径的变化范围。
S5：向模型模块输入工件的材质类型、厚度、切缝的宽度，模拟得出复合参数设置的切割速度与激光功率之间的线性关系，根据激光器性能，选取适当的激光功率范围，获取对应的速度范围。
S6：速度功率分配模块将步骤S4中的曲率半径与步骤S5中的速度线性拟合，通过步骤S5中速度功率的线性关系获取实现曲率半径与功率的线性关系，将与曲率半径对应的功率与速度分配到轨迹中的弧线位置；速度功率分配模块将最大速度和最大功率分配到轨迹中的直线部分。
S7：参阅图5所示，速度功率优化模块对轨迹直线与弧线相连接处优化，临近弧线的直线上截取过滤区，过滤区以逐渐变化的加速度进行平缓的速度变化，参阅图6和图7，加速度的绝对值起初由零慢慢增大，增速加快，加速度的绝对值到达最大之后快速下降，慢慢降低，期间速度变化范围在过滤区一端的直线速度与过渡区另一端的弧线速度之间。
S8：控制机构按照优化好的切割轨迹来控制运动控制模块和激光控制模块，运动控制模块根据分配的速度输出控制信号控制x伺服轴、y伺服轴的运动速度，激光控制模块根据分配的功率输出控制信号控制激光器输出功率。
本发明的一种避免过烧的激光切割装置及切割方法工作原理如下：
避免过烧的激光切割装置的所述激光器7的激光输出功率随着激光切割头5移动的速度变化而变化，所述激光切割头5的移动速度越快所述激光器7的功率越大，所述激光切割头5移动速度越慢，所述激光器7的输出功率越低，保证切割长度相同的情况下，消耗的能量尽量相同，从而避免过烧。而在忽略能量损耗的情况下，功率p＝E*ν*d，其中E为能量密度，v为切割移动速度，d为聚焦后光斑直径，由此可见，激光功率与切割速度之间具有线性的关系，通过模型模块输入简单的材质、厚度、切缝宽度信息所述模型模块根据简单模型模拟获取激光功率与切割速度之间的线性关系，通过所述激光器7的参数性能，确定合理的功率范围，将功率范围带入到功率与切割速度的线性关系中，获取切割速度范围。通过所述控制机构6获取工件图形，所述控制机构6的图形处理模块将工件图形投射到机械坐标系中，做好图形处理准备，图形处理机构利用切缝宽度和工件图形确定初步的切割轨迹，图形处理模块找出初步的切割轨迹的拐角，轨迹优化模块利用弧形库中的弧形对拐角进行优化，将拐角处的两段线的相交处补充一个连续的弧线，弧线的起始部位与终止部位分别于拐角处的两段线相切，将优化的轨迹传递给所述图形处理模块进行曲率半径的计算，确定曲率半径的变化范围。对于所述激光切割头5来说，一般在曲率半径越小的位置，移动速度越慢，通过曲率半径变化范围与切割速度范围建立线性的拟合关系，使得曲率半径与切割速度对应，速度功率分配模块将切割轨迹的弧线部分(曲率半径确定)与切割速度建立起对应关系，速度功率分配模块根据切割速度与功率之间的线性关系，在切割预计的弧线部分与功率之间建立对应关系，所述速度功率分配模块将切割轨迹的直线部分与最快的切割速度最大功率对应。初步建立的对应关系中，切割轨迹弧线与直线之间存在速度突变，通过速度功率优化模块在切割轨迹的直线上建立一定的过渡区，在过渡区，所述激光切割头5的移动速度渐渐在直线速度和弧线速度之间过渡，根据过渡的速度分配对应的功率。这样完整的切割轨迹速度功率控制方案形成，所述控制机构6根据形成的方案对所述避免过烧的激光切割装置进行控制。采用分配速度、分配功率的方式，保证速度变化和功率变化的一致性，避免常规方法中测量速度、计算速度计算功率过程分配功率过程中，由于时间延迟导致的功率变化滞后。
本发明提供的一种避免过烧的激光切割装置以及一种避免过烧的激光切割方法的能够读取工件图形，根据工件图形进行切割轨迹的优化，优化过程中，不连续的拐角被连续的弧线连接，这样除了直线处切割轨迹的其他位置的曲率半径可计算，同时引入连续的弧线，两次加工拐角处形成一定的时间间隔，利于散热，避免第二次加工过程中热量过于集中导致过烧；通过将曲率半径与加工弧线的切割速度进行线性拟合，确定切割轨迹上各个位置的切割速度，然后通过一定的参数确定切割速度与激光功率之间的线性关系，确定切割轨迹各个位置的加工功率，通过所述控制机构控制所述避免过烧的激光切割装置以相应的速度功率来切割工件，避免了通过测量速度来计算加工功率过程中，由于控制过程导致的时间延迟，而时间延迟使得功率控制落后于速度检测，造成功率改变不及时造成的过烧避免失败的情况。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种避免过烧的激光切割装置，其特征在于，包括机台(1)，其中，
所述机台(1)的两侧沿长度方向设置有x伺服轴(2)，所述x伺服轴(2)上滑动设置有y伺服轴(3)，所述y伺服轴(3)垂直于所述x伺服轴(2)，所述y伺服轴(3)上滑动设置z伺服轴(4)，所述z伺服轴(4)上设置有激光切割头(5)；所述激光切割头(5)连接设置于所述机台(1)内的激光器(7)；
所述机台(1)上设置能够进行图形处理的控制机构(6)，所述控制机构(6)包括运动控制模块和激光控制模块，所述运动控制模块电性连接所述激光切割头(5)、所述x伺服轴(2)、y伺服轴(3)以及z伺服轴(4)，所述激光控制模块控制所述激光器(7)的功率输出，所述控制机构(6)还包括存储模块、图形处理模块、轨迹优化模块、模型模块、速度功率分配模块以及速度功率优化模块。
2.根据权利要求1所述的一种避免过烧的激光切割装置，其特征在于，所述运动控制模块为PMAC多轴运动控制卡，所述激光控制模块为LPC-1激光功率控制模块。
3.一种避免过烧的激光切割方法，应用如权利要求1或2所述的避免过烧的激光切割装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将工件图形导入存储模块；
S2：控制机构的图形处理模块从存储模块读取工件图形，并将工件图形建立于机械坐标系中，使得工件图形的点与机械坐标对应；
S3：图形处理模块根据工件图形形成切割轨迹，图形处理模块通过切割轨迹的机械坐标找出切割轨迹中拐角位置；
S4：轨迹优化模块针对步骤S3中拐角的位置进行切割轨迹优化，优化的切割轨迹数据传递给图形处理模块进行切割轨迹曲率半径计算，确定曲率半径的变化范围；
S5：向模型模块输入工件的材质类型、厚度、切缝的宽度，模拟得出复合参数设置的切割速度与激光功率之间的线性关系，根据激光器性能，选取适当的激光功率范围，获取对应的速度范围；
S6：速度功率分配模块将步骤S4中的曲率半径与步骤S5中的速度线性拟合，通过步骤S5中速度功率的线性关系获取实现曲率半径与功率的线性关系，将功率与速度分配到轨迹的对应位置，速度功率分配模块将最大速度和最大功率分配到轨迹中的直线部分；
S7：速度功率优化模块对轨迹直线与弧线相连接处优化，临近弧线的直线上截取过滤区，过滤区以逐渐变化的加速度进行平缓的速度变化，速度变化范围在过滤区一端的直线速度与过渡区另一端的弧线速度之间；
S8：运动控制模块根据分配的速度输出控制信号控制x伺服轴、y伺服轴的运动速度，激光控制模块根据分配的功率输出控制信号控制激光器输出功率。
4.根据权利要求3所述的一种避免过烧的激光切割方法，其特征在于，步骤S1中工件图形设置于与机械坐标系成比例的坐标系k中，步骤S2中图形处理模块使坐标系k与机械坐标原点重合，按比例缩放所述坐标系k，将工件图形的点与机械坐标对应。
5.根据权利要求3所述的一种避免过烧的激光切割方法，其特征在于，步骤S3中拐角是指直线与直线、直线与弧线、弧线与弧线形成的影响速度连续变化的尖角结构。
6.根据权利要求5所述的一种避免过烧的激光切割方法，其特征在于，步骤S4中切割轨迹优化，具体包括将拐角处的两段线的相交处通过连续的弧线连接。
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