[發明專利]一種基于閉環控制的超快激光加工系統及方法

在審

• 申請號: 201611215614.7
• 申請日: 2016-12-26
• 公開（公告）號: CN106735865A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 王自;朱文奇;姜寶寧;楊洋;張亞明;楊小君
• 申請（專利權）人: 西安中科微精光子制造科技有限公司
• 主分類號: B23K26/00
• 分類號: B23K26/00;B23K26/70
• 代理公司: 深圳市科進知識產權代理事務所(普通合伙)44316
• 代理人: 趙勍毅

技術領域

本發明涉及激光加工系統和方法，尤其涉及一種基于閉環控制的超快激光加工系統及方法。

背景技術

隨著激光加工技術的深入發展，激光加工技術的應用領域不斷拓寬，例如高精度激光加工設備、遠程高能激光輸送系統、空間光通信、測量設備和車機彈等運載激光系統。在超快激光加工領域中，先進的激光加工工藝是建立在激光束高精度高穩定度的掃描控制技術的基礎上，但由于環境溫度變化，各種原因造成的振動以及激光器指向漂移等因素影響，這些動態干擾因素所引起的光束抖動、光束漂移等光束指向性問題會影響光束掃描精度，嚴重時甚至會影響超快激光加工系統的實用性。且激光器及其光路傳輸系統在使用過程中受鏡片污染，激光器自身功率漂移等眾多原因，會造成激光最終輸出光功率的不穩定，嚴重時會影響最終加工產品的質量。如在超快激光精密加工領域中，若無法保證激光光束掃描與輸出光功率的精度和穩定性，會嚴重影響最終的加工精度和工藝效果。因此，在工業化的高精密激光微結構加工過程中，保證最終掃描軌跡和激光功率的長期穩定，對加工質量有著至關重要的影響。

在現有技術中，二維振鏡和快速反射鏡作為系統的執行器件，控制系統根據位置傳感器反饋工件的位置信息，進而控制二維振鏡或快速反射鏡的X、Y兩軸電機，以拖動反射鏡旋轉，其通過保證X、Y軸鏡片的旋轉軌跡的精度來確保激光光束的最終控制精度，其原理屬于半閉環控制，因而無法滿足高精度、高速度、長時間等激光光束高穩定性的控制需求，此外，現有技術采用二維振鏡或快速反射鏡作為執行器件，其存在結構復雜，響應速度慢，精度不高等問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術的不足，提供一種結構簡單、響應速度快、加工精度高、穩定性好的基于閉環控制的超快激光加工系統及方法。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案。

一種基于閉環控制的超快激光加工系統，其包括有：一激光器，用于出射激光束；一反射鏡，設于激光器的出光側，所述反射鏡用于反射激光束；一壓電陶瓷二維偏擺臺，用于帶動反射鏡偏擺而控制激光束的指向；一分光鏡，設于反射鏡出光側，所述分光鏡用于將反射鏡反射后的激光束分光，形成第一激光束和第二激光束；一加工載臺，用于承載待加工的工件，所述第一激光束射向工件表面；一光斑位置檢測裝置，所述第二激光束射向光斑位置檢測裝置，藉由所述光斑位置檢測裝置來檢測第二激光束的光斑位置，并輸出光斑位置電信號；一控制器，所述激光器、壓電陶瓷二維偏擺臺和光斑位置檢測裝置分別電性連接于控制器，所述控制器用于接收上位機指令和光斑位置電信號，并根據上位機指令和光斑位置電信號控制激光器出射激光束的功率，以及控制壓電陶瓷二維偏擺臺的偏擺軌跡。

優選地，所述壓電陶瓷二維偏擺臺包括有并行設置的第一PZT壓電陶瓷塊和第二PZT壓電陶瓷塊，所述反射鏡跨設于第一PZT壓電陶瓷塊和第二PZT壓電陶瓷塊的端部，所述第一PZT壓電陶瓷塊和第二PZT壓電陶瓷塊分別電性連接于控制器，所述控制器用于向第一PZT壓電陶瓷塊和第二PZT壓電陶瓷塊加載驅動電壓，并通過調整驅動電壓的方向和大小而控制第一PZT壓電陶瓷塊和第二PZT壓電陶瓷塊的伸縮狀態，以驅使反射鏡偏擺。

優選地，所述第一PZT壓電陶瓷塊和第二PZT壓電陶瓷塊遠離反射鏡的一端均連接于一支撐臺，所述支撐臺與反射鏡通過拉簧連接。

優選地，所述光斑位置檢測裝置包括有依次電性連接的橫向效應位移傳感器、信號調理單元和信號處理單元，其中：所述橫向效應位移傳感器用于將其感應到的激光脈沖信號轉化為電流信號并傳輸至信號調理單元；所述信號調理單元用于對該電流信號進行I/V轉換和A/D轉換處理后，形成光斑位置電信號并傳輸至控制器。

優選地，所述壓電陶瓷二維偏擺臺包括有應變傳感器，所述應變傳感器電性連接于控制器，所述應變傳感器用于感應第一PZT壓電陶瓷塊和第二PZT壓電陶瓷塊的形變而產生形變電信號，并將所述形變電信號反饋回控制器，以供控制器監測壓電陶瓷二維偏擺臺的偏擺軌跡。

優選地，所述控制器內置有PID算法，所述控制器接收上位機指令、光斑位置檢測裝置反饋的光斑位置電信號和應變傳感器反饋的偏擺軌跡數據后，通過調用所述PID算法而生成用于驅動壓電陶瓷二維偏擺臺偏擺的控制指令。

優選地，所述第一激光束的功率大于第二激光束的功率。