[發(fā)明專利]數(shù)控激光加工材料恒定去除的能量控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410446113.4
• 申請日: 2014-09-03
• 公開（公告）號: CN104318050B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 賈振元;劉巍;趙凱;王泠;丁立超
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心21200
• 代理人: 關(guān)慧貞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于數(shù)控激光加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種保證材料去除量恒定的激光能量自適應(yīng)控制方法。

背景技術(shù)

數(shù)控激光加工集合了數(shù)控機床加工精度高，柔性好，可進行三維零件制造以及激光加工的無刀具磨損，去除率高等優(yōu)勢，在制造領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛。激光加工實現(xiàn)材料去除的原理為利用高能激光束照射工件表面，令材料迅速熔化甚至氣化。激光束在工件表面某一位置的停留時間對材料去除量的大小有著極大的影響，該時間的長短由數(shù)控機床進給速度來決定。在加工曲率變化極大的零件時，由于受機床動態(tài)性能限制，機床進給速度往往無法達到預(yù)設(shè)值，且實際速度受多方面影響而無法準確預(yù)估，導(dǎo)致工件被過度燒蝕現(xiàn)象發(fā)生并最終影響其制造精度。因此，實現(xiàn)數(shù)控激光加工中激光束能量跟隨機床實際進給速度而自適應(yīng)調(diào)整是保證數(shù)控激光加工去除量恒定的關(guān)鍵。

為了實現(xiàn)對激光加工過程的實時監(jiān)測與控制，在金相午等人專利公告號為CN101928932A的“可控制激光束長度及強度的激光加工設(shè)備”的專利中，利用光電探測器作為反饋手段接受由光束隔離手段反射的激光束,并測量其強度后反饋給激光裝置,從而控制激光裝置輸出的激光束強度。然而該方法僅針對光束強度信息進行了檢測，仍然無法解決由于進給速度不可控導(dǎo)致的能量過度累積。

在高云峰等人專利公告號為CN101693324A的“激光加工系統(tǒng)中的激光隨動的控制方法及系統(tǒng)”的專利中，利用編碼器以檢測該伺服電機的位置,并將該編碼器的檢測輸出信號進行處理、變換成能夠為該PLC中的計數(shù)器接受的脈沖信號,然后該PLC根據(jù)該計數(shù)器的值,在當前的掃描周期內(nèi)及時對該激光器輸出相應(yīng)的能量變化、開激光或者關(guān)激光控制信號,從而實現(xiàn)激光隨動的實時、閉環(huán)控制。該方法未建立起采用不同激光能量時去除量與工作臺進給速度之間的耦合關(guān)系，因而仍需通過大量的反復(fù)試驗以確定需要的去除量與進給速度之間的關(guān)系。發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對數(shù)控激光加工中，由于受機床動態(tài)性能約束實際進給速度無法達到預(yù)設(shè)值，且實際速度難以準確預(yù)測，在該情況下激光能量會在工件表面過度累積，使去除量超過預(yù)定值而產(chǎn)生工件質(zhì)量無法滿足要求這一問題，發(fā)明了一種在數(shù)控激光加工中保證材料去除量恒定的能量自適應(yīng)控制方法，以解決恒定能量激光加工造成的加工質(zhì)量及加工精度不滿足要求的問題。該方法考慮了機床動態(tài)性能的限制，建立了激光去除量與進給速度之間的關(guān)系；同時基于商業(yè)化數(shù)控系統(tǒng)，將激光能量作為虛擬主軸，實時采集機床的實際進給速度并根據(jù)該速度調(diào)整虛擬主軸轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)激光能量根據(jù)機床實際進給速度的自適應(yīng)調(diào)整，從而保證材料去除量恒定，提高激光加工的加工質(zhì)量和加工精度。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種數(shù)控激光加工材料恒定去除的能量控制方法，其特征在于，首先，通過工藝實驗已知激光二極管工作電流、加工速度與燒蝕深度三者間的關(guān)系，求出給定去除厚度條件下激光輸出電流I(v)與進給速度v的函數(shù)關(guān)系；然后，設(shè)定虛擬主軸，使得激光的輸出功率能夠通過加工代碼進行遠程控制；通過在執(zhí)行G代碼加工工件時統(tǒng)計已執(zhí)行的加工代碼，包括G1/G2/G3插補代碼的數(shù)目，得到路徑的實時速度，代入擬合出的方程，得到激光輸出電流；執(zhí)行同步動作代碼，更新激光輸出電流，實現(xiàn)數(shù)控激光加工中保證材料去除量恒定的能量自適應(yīng)控制；該控制方法具體步驟如下：

1)激光輸出電流I(v)與進給速度v的函數(shù)關(guān)系

基于Srinivasan-Smrtic-Babu理論模型，單脈沖激光燒蝕深度為d,

其中，F(xiàn)-激光能量密度，k₀-激光燒蝕深度比例系數(shù)，F(xiàn)_th-目標材料的燒蝕閾值，E^*-有效活化能，α-吸收系數(shù)；

采用高斯激光束，并假設(shè)相鄰激光脈沖間距離為Δx,加工起始點為第一個激光加工脈沖的前沿，則將指定點厚度為D的材料進行完全去除，所需的激光脈沖數(shù)為n_sum＝2n_m+1，第n個脈沖在加工起始點處的能量分布為：

其中，w為光束束腰半徑；根據(jù)單脈沖激光燒蝕深度公式，第n個激光脈沖在指定點的燒蝕深度為：

令F_n≥F_th時，則將指定厚度材料進行完全去除所需的激光脈沖數(shù)為

忽略納秒級脈沖激光的持續(xù)時間，則兩相鄰激光脈沖間的距離為Δx＝v/f，其中，v為進給速度，f為激光脈沖的重復(fù)頻率；

加工直槽作為樣本，采用恒定進給速度經(jīng)過一組激光脈沖序列加工的直槽深度為