激光切紙機功率控制與效能提升的改善研究

廈門盈趣科技股份有限公司 林春婷 楊連池 王志煌 張國忠 林松華 鐘揚貴 林肇健

0 引言

當激光模組以固定能量輸出時，電機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。直線運動時，電機速度快，切割處所接受的激光能量密度相對較小；而在轉角處，電機速度慢，切割處所接受的激光能量密度相對較大，使物體表面“過度”被加工，產生碳化。通過對電機速度與激光功率進行實時精確匹配，實現激光輸出功率與電機速度的同步性，確保切割處所接受的激光能量密度一致，提高加工品質。

激光焦點處的能量密度最大且光斑最小，因此焦點位于紙面時激光效率最高。目前市場上，激光調焦大多采用手動旋鈕調節；大功率激光模組所配套的透鏡體積和重量需相應增大，機械自動調節困難。

激光在燒灼、切割物體產生的煙霧易附著在激光鏡頭上造成鏡頭臟污，導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成熱能，增加激光模組散熱難度。本文在提出激光手動、自動調焦的簡易方案上，同時設計了激光鏡頭臟污檢測系統，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到最佳，改進了傳統激光切紙機在調焦與鏡頭臟污檢測清潔方面的問題。

1 系統總體設計

激光切割是以數控加工機床為基礎，激光加工為媒介的一種加工方法，和所雕刻材料的表面沒有直接接觸，待雕刻材料不會受到機械應力的影響。本設計實現在切割過程中精確控制功率的激光切紙機，自動檢測激光鏡頭臟污情況。系統主要包括中央處理模塊、電機驅動模塊、激光驅動模塊、激光調焦模塊和激光鏡頭臟污自動檢測模塊。激光切紙機的總體框圖如圖1所示。

圖1 總體設計框圖

本設計的改進在于，采用算法控制激光驅動模塊確保激光能量的均勻性，通過激光調焦模塊與激光鏡頭臟污自動檢測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

二維運動控制機構在進行加工作業時，每當需要進行折角、弧線等轉彎動作時，均需要先減速運行，經過轉彎位置以后再進行加速運動。轉彎時的減速對于傳統的CNC設備，幾乎沒有任何影響。只會導致加工時間增長而已。

而在激光切割/雕刻領域，由于激光模組發出的功率基本恒定，當運動軸攜帶著激光模組以不同的速度加工時，待切割/雕刻的物體表面所承受的激光能量密度將不同。特別是在直角轉彎處，運動軸將有一短暫瞬間處于停止狀態。此時激光將在此表面停留一短暫時間，而這短暫的停留時間將使物體表面“過度”被加工，直角轉彎處將留下碳化點。

為了解決此問題，本設計在電路以及控制程序上做了相應調整。電路上增加了激光功率的PWM調整電路，程序上先獲取運動軸的實時速度，再通過經驗法來大致確定激光功率和運動軸速度的線性關系系數，將這個關系系數乘上實時速度最終得出控制激光模組的PWM占空比，實際調試可有效的解決轉角碳化過度問題。能量密度滿足如式（2-1）的關系。

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）的關系，S滿足如式（2-3）的關系。

式中：P——激光輸出功率；d——激光束直徑；t——切割時間。

由于d數值較小，可以得到S的近似關系式（2-4）。

綜上可得能量密度的關系式（2-5）

3 激光調焦模塊

相比傳統的刀片切割，激光作為加工媒介有其高精度低損耗的優勢，但在操作過程中需要多一道調試工作：確定激光鏡頭焦點位置。調節激光鏡頭組，使得激光焦點落在被加工紙面，從而實現更精細更高效的切割。

圖2 斜坡

3.1 手動調焦

采用圖2所示的工裝。當激光模組以固定高度勻速運行在三角斜坡上方時，斜坡表面的激光能量密度隨著斜坡高度變化。不同的焦點高度在相同的電機速度下產生不一樣的切割效果，焦點位置恰好位于紙面上的切割效果最好。以此點為中心對稱，越遠離該點，紙面切割效果越差。通過在三角斜坡上覆蓋紙張，根據激光模組功率合理設置電機運行速度，并讓激光在斜坡上運行。觀察紙張碳化程度，以焦點位置為中心向兩端逐漸減弱，即可確定具體焦點的高度。

圖3 實驗結果

如圖3根據實驗結果，得出：第一組數據的焦點偏上，第二組數據的焦點偏下，第三組數據的焦點適中。通過該方法可以準確快速地確定焦點位置，提高激光功率的利用。

3.2 自動調焦

通過手動調焦獲取多組激光焦點位置與焦點高度的數據，并把焦點位置轉化為鏡頭旋鈕的調節刻度，確定焦點高度與旋鈕刻度的關系。焦點高度滿足如式（3-1）的關系。

式中：h——焦點高度；d——旋鈕刻度分度值；a、b、k1——常數。

旋鈕刻度滿足如式（3-2）的關系。

式中：X——伺服電機轉動圈數；K2——常數。

主控芯片預先內置該關系算法，通過光電測距得到紙面與光源的高度，由算法得到旋鈕刻度，主控芯片驅動伺服調節旋鈕刻度讓焦點準確落在紙面。

通過光電探測器進行測距可以采用計時測距方法，計數器在對光信號進行采樣得到采樣信號時開始計數，當接收到所述光信號對應電信號時，計數器停止計數，從而得到發射至接收之間的時長，根據時長計算得到高度。

或者通過反射光在光電探測器的成像位置進行測距。當激光焦點與紙面的距離發生變化，光電探測器上的反射光斑隨之以移動。根據移動距離，運動三角形相似原理進行計算得到高度。如圖4為自動調焦框圖。

圖4 自動調焦框圖

4 激光鏡頭臟污自動檢測模塊

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

圖5 臟污自動檢測模塊框圖

激光發射模塊、光電傳感器設置于激光模組上，由主控芯片產生包括多個第一電信號的初始信號串，激光發射模塊將多個第一電信號轉換為多個光信號，并以預設的配置功率進行輸出。光電傳感器將接收的每個光信號轉換為第二電信號，主控芯片根據第二電信號得到檢測信號串。通過比對檢測信號串和初始信號串，判斷激光鏡頭的臟污情況。

4.1 預設配置功率

激光發射模塊的配置功率需要在確保激光鏡頭清潔無臟污的情況下進行學習。通過控制驅動模塊改變激光發射模塊的輸出功率，當檢測信號串和初始信號串的比對結果一致時，主控芯片獲取當前輸出功率，設置該輸出功率為配置功率并進行存儲。

在學習過程中，激光發射模塊的輸出功率可以從最低功率開始往上遞增，也可以從最高功率開始往下遞減。若激光發射模塊的輸出功率由最高往下遞減，則直到出現脈沖信號丟失，記錄出現脈沖信號丟失前后的臨界輸出功率為配置功率。

4.2 臟污自動檢測與清理

通過將檢測信號串和初始信號串進行對比，也就是將初始信號串的頻率與脈沖數量和檢測信號串的頻率與脈沖數量進行對比。主控芯片根據初始信號串的頻率與脈沖數量和檢測信號串的頻率與脈沖數量確定丟失脈沖的頻率和數量，并根據頻率進行分組，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量，從而確定出激光鏡頭的臟污等級。

確定出激光鏡頭的臟污等級后，主控芯片判斷臟污等級是否低于預設的臟污等級，若是，則表示激光鏡頭符合預設臟污要求，此時激光鏡頭無需清理；否則表示激光鏡頭不符合預設臟污要求，此時主控芯片控制臟污清理模塊對激光鏡頭進行清理。

如圖6為激光鏡頭臟污自動檢測流程圖。

圖6 臟污自動檢測流程圖

5 結語

本設計采用功率較小的半導體激光模組作為切割源，結合手動焦點與自動焦點調節，讓功率較小的激光模組達到較高能效。加入了激光功率與速度的同步算法，實現了更加精細的圖案切割，有效的降低了切割面碳化程度。同時在激光鏡頭的臟污檢測上利用現有激光鏡頭作為發射源，巧妙的解決鏡頭臟污問題。整個系統實現了高質量切割和高可靠性運行的設計目標。

[1]朱云峰,聶紅偉.金屬激光切割機焦點控制系統的設計[J].工業控制計算機,2016,29(9):50-52.

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