数控激光加工材料恒定去除的能量控制方法

摘要

本发明数控激光加工材料恒定去除的能量控制方法属于数控激光加工技术领域，涉及一种保证材料去除量恒定的激光能量自适应控制方法。该方法先通过工艺实验已知激光二极管工作电流、加工速度与烧蚀深度三者间的关系，求出给定去除厚度条件下激光输出电流I(v)与进给速度v的函数关系；设定虚拟主轴，使得激光的输出功率能够通过加工代码进行远程控制；通过在执行G代码加工工件时统计已执行的加工代码，得到路径的实时速度，代入拟合出的方程，得到激光输出电流；执行同步动作代码，更新激光输出功率。本发明实现了激光能量根据机床实际进给速度的自适应调整，从而保证材料去除量恒定，提高激光加工质量和加工精度。

主权项

一种数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，通过工艺实验已知激光二极管工作电流、加工速度与烧蚀深度三者间的关系，求出给定去除厚度条件下激光输出电流I(v)与进给速度v的函数关系；然后，设定虚拟主轴，使得激光的输出功率能够通过加工代码进行远程控制；通过在执行G代码加工工件时统计已执行的加工代码，包括G1/G2/G3插补代码的数目，得到路径的实时速度，代入拟合出的方程，得到激光输出电流；执行同步动作代码，更新激光输出电流，实现数控激光加工中保证材料去除量恒定的能量自适应控制；该控制方法具体步骤如下：1)激光输出电流I(v)与进给速度v的函数关系基于Srinivasan‑Smrtic‑Babu理论模型，单脉冲激光烧蚀深度为d,$d=k_0·\exp [({-E}^{*}·\ln \frac{F}{F_{\mathrm{th}}})/(\alpha ·(F-F_{\mathrm{th}}))]---\left(1\right)$其中，F‑激光能量密度，k₀‑激光烧蚀深度比例系数，F_th‑目标材料的烧蚀阈值，E^*‑有效活化能，α‑吸收系数；采用高斯激光束，并假设相邻激光脉冲间距离为Δx,加工起始点为第一个激光加工脉冲的前沿，则将指定点厚度为D的材料进行完全去除，所需的激光脉冲数为n_sum＝2n_m+1，第n个脉冲在加工起始点处的能量分布为：$F_n=2·\mathrm{Fexp}(-\frac{2{\left(\mathrm{n\Delta x}\right)}^2}{w^2})n\in \{-n_m,{-n}_m+1,···,\mathrm{0,1},···,n_m\}\cap \mathrm{\Delta x}\in [-w,+w]---\left(2\right)$其中，w为光束束腰半径；根据单脉冲激光烧蚀深度公式，第n个激光脉冲在指定点的烧蚀深度为：$d_n=\frac{1}{\alpha }\ln \left(\frac{F_n}{F_{\mathrm{th}}}\right)+k_0·\exp [({-E}^{*}·\ln \frac{F_n}{F_{\mathrm{th}}})/(\alpha ·(F_n-F_{\mathrm{th}}))]---\left(3\right)$令F_n≥F_th时，则将指定厚度材料进行完全去除所需的激光脉冲数为$n_{\mathrm{sum}}={2n}_m+1=2\times \sqrt{\frac{w^2}{{2\mathrm{\Delta x}}^2}\ln \frac{F_0}{F_{\mathrm{th}}}}+1---\left(4\right)$忽略纳秒级脉冲激光的持续时间，则两相邻激光脉冲间的距离为Δx＝v/f，其中，v为进给速度，f为激光脉冲的重复频率；加工直槽作为样本，采用恒定进给速度经过一组激光脉冲序列加工的直槽深度为$D=\underset{{-n}_m}{\overset{n_m}{\Sigma }}{d}_n=\underset{{-n}_m}{\overset{n_m}{\Sigma }}{k}_0·\exp [({-E}^{*}·\ln \frac{2·\mathrm{Fexp}(-\frac{2{(\mathrm{nv}/f)}^2}{w^2})}{F_{\mathrm{th}}})/(\alpha ·\mathrm{Fexp}(-\frac{2{(\mathrm{nv}/f)}^2}{w^2})-F_{\mathrm{th}})]---\left(5\right)$由公式(5)中得到k₀，E^*和F_th的值，通过样本分析，建立激光加工深度D与激光能量密度F和进给速度v间的关系：F＝f(D,v)＝f(v)   (6)给定激光加工深度后，得到不同进给速度v下所需激光能量密度F，进而得到在某一激光频率下，加工得到相同槽深时，激光输出电流I(v)与进给速度v的对应函数关系；拟合函数方程为：I(v)＝a₀+a₁v+a₂v²   (7)2)设定虚拟主轴向激光器外控激光器接口的外控电流模拟量输入针脚输入电压值，通过数模接口模块实现控制系统输出电压模拟量；将数模接口模块未分配给主轴的第二个模拟设定值接口分配给激光器；数控系统中第二主轴额定转速值设置为最大工作电流，在加工代码中编程第二主轴转速范围即对应着数模接口模块输出电压范围，也对应着激光电流范围；第二主轴转速与激光电流在数值上相等，直接通过编写主轴转速即改变激光输出功率；3)以同步动作方式编写激光电流输出代码在执行G代码的同时，统计已执行的加工代码，包括G1/G2/G3插补代码的数目，这个数目保存在同步动作变量$AC_MARKER[0]中；通过系统变量$AC_VACTB获取实时的路径速度，代入拟合出的方程，得到激光输出电流：S＝a₀+a₁*$AC_VACTB+a₂*$AC_VACTB*$AC_VACTB；若每执行两行加工代码就更新一次，则对$AC_MARKER[0]除以2取余，当余数为1时，执行同步动作代码，更新激光输出功率；若每执行n行加工代码就更新一次，则对该同步动作变量除以n取余，当余数为0时，执行同步动作代码，更新激光输出功率；将同步动作嵌入加工代码中，使得主轴转速(激光电流)跟随插补周期同步循环刷新，同时进给保持，实现功率与轨迹速度实时控制。