激光器智能補(bǔ)氣系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種C02激光器智能補(bǔ)氣系統(tǒng)及其控制方法，屬于激光加工技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 從80年代W來(lái)，激光器就廣泛應(yīng)用在加工領(lǐng)域，尤其是在快速橫流和軸流C02激 光器出現(xiàn)后，得到了飛速發(fā)展。C02激光器有切割效率高、非接觸式切割、功率范圍大、切 割速度快，既能連續(xù)又能脈沖輸出等特點(diǎn)，使得其在材料加工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，大功率 C02激光器在工業(yè)上主要用于激光切割、焊接和熱處理，尤其是在激光切割領(lǐng)域。
[0003] 激光器經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，在技術(shù)上進(jìn)展很快，C02激光器與數(shù)控機(jī)床配合組成 的C02激光加工系統(tǒng)在材料加工領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的作用。中國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，國(guó)內(nèi)加 工設(shè)備將逐步升級(jí)，激光設(shè)備行業(yè)的發(fā)展將更為迅速。特別是汽車(chē)、半導(dǎo)體和電子制造產(chǎn)業(yè) 的發(fā)展使中國(guó)的激光市場(chǎng)極具潛力。
[0004] 隨著技術(shù)的不斷更新，市場(chǎng)對(duì)激光器的智能化要求越來(lái)越高，大功率軸快流C02 激光器功能需要不斷的擴(kuò)展和完善。作為激光器的重要組成部分一補(bǔ)氣系統(tǒng)，主要作用 是為光學(xué)諧振腔充入產(chǎn)生激光的工作氣體，同時(shí)還要結(jié)合輔助補(bǔ)氣系統(tǒng)來(lái)穩(wěn)定諧振腔內(nèi)的 工作氣壓?，F(xiàn)今國(guó)內(nèi)激光器的補(bǔ)氣系統(tǒng)都存在十分明顯的缺陷，如下：
[0005] 1、激光器的工作氣體是由N2、C02、化H種氣體組成，在進(jìn)行加工時(shí)，根據(jù)加工材 料材質(zhì)的不同、同種加工材料厚度的不同W及加工路線(xiàn)的改變，都要相應(yīng)改變激光功率，不 同的激光功率所需的工作氣體氣量也肯定不同，但現(xiàn)有的激光器的進(jìn)氣裝置無(wú)論功率變大 或變小，都是W恒定速率向諧振腔內(nèi)充氣，尤其是當(dāng)激光器在待機(jī)狀態(tài)時(shí)，還是保持原充 氣速度不斷充氣，造成工作氣體大量浪費(fèi)，有惇于我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的理念。
[0006] 2、輔助補(bǔ)氣系統(tǒng)是設(shè)立在諧振腔出氣口，用來(lái)恒定諧振腔內(nèi)工作氣壓的?，F(xiàn)有激 光器在檢測(cè)到腔內(nèi)氣壓變、化時(shí)，采取控制電磁閥的開(kāi)閉使得諧振腔內(nèi)氣體的堆積和釋放 來(lái)控制腔氣壓穩(wěn)定，但是由于電磁閥的開(kāi)閉會(huì)使得腔內(nèi)氣壓呈階躍式跳變，送樣一來(lái)氣壓 必然會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致激光功率不穩(wěn)，切割效果下降。而且電磁閥頻繁的開(kāi)閉會(huì)降低其壽 命，使得激光器可靠性降低。
[0007] 3、由于現(xiàn)有激光器補(bǔ)氣系統(tǒng)的供氣部分無(wú)論功率大或小，都是W恒定的速率向光 學(xué)諧振腔內(nèi)充工作氣體，但是腔內(nèi)的工作氣壓是需要恒定的，也就要求輔助補(bǔ)氣系統(tǒng)的真 空泉始終保持在高負(fù)荷抽氣狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間工作就會(huì)降低真空泉的壽命。
[0008] 由于目前還沒(méi)有成熟的智能補(bǔ)氣系統(tǒng)，導(dǎo)致上述技術(shù)問(wèn)題的存在，勢(shì)必會(huì)影響激 光器的加工工藝，送樣的激光器長(zhǎng)時(shí)間工作，輕則是浪費(fèi)工作氣體，嚴(yán)重則會(huì)需要經(jīng)常更換 電磁閥，甚至是更換真空泉，造成不必要的成本流失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于；克服現(xiàn)有激光器補(bǔ)氣系統(tǒng)供氣速率單一導(dǎo)致浪費(fèi)氣、輔助補(bǔ) 氣部分不能很好的穩(wěn)定工作氣壓W及補(bǔ)氣系統(tǒng)核必器件的耗損過(guò)大送些技術(shù)問(wèn)題，提出一 種C02激光器智能補(bǔ)氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅節(jié)約用氣，而且能很好的穩(wěn)定諧振腔內(nèi)的工作氣 壓，同時(shí)合理的使用了真空泉解放電磁閥的頻繁開(kāi)閉，節(jié)省了系統(tǒng)成本。
[0010] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出的C02激光器智能補(bǔ)氣系統(tǒng)，包括供氣系統(tǒng)和輔 助補(bǔ)氣系統(tǒng)，所述供氣系統(tǒng)包括與光學(xué)諧振腔進(jìn)氣口連接的工作氣體進(jìn)氣管道、N2進(jìn)氣管 道，所述N2進(jìn)氣管道上安裝有充N(xiāo)2電磁閥，所述輔助補(bǔ)氣系統(tǒng)包括與光學(xué)諧振腔出氣口 連接的抽真空管路和抽廢氣管路，所述抽真空管路上安裝有主抽真空電磁閥，所述抽廢氣 管路上安裝有潤(rùn)輪風(fēng)機(jī)，所述抽真空管路和抽廢氣管路與真空泉連接，其特征在于；所述供 氣系統(tǒng)的工作氣體進(jìn)氣管道上安裝有受控于激光器控制系統(tǒng)的流量控制裝置，光學(xué)諧振腔 內(nèi)裝有用于監(jiān)測(cè)光學(xué)諧振腔氣壓的氣壓傳感器，所述抽廢氣管路上安裝有位于潤(rùn)輪風(fēng)機(jī)后 方的受控于激光器控制系統(tǒng)的抽廢氣比例閥，所述真空泉連接受控于激光器控制系統(tǒng)的變 頻器，激光器控制系統(tǒng)根據(jù)光學(xué)諧振腔內(nèi)的氣壓變化控制真空泉轉(zhuǎn)速、抽廢氣比例閥開(kāi)度、 流量控制裝置的流量，使光學(xué)諧振腔內(nèi)的氣壓達(dá)到目標(biāo)值或維持穩(wěn)定。
[0011] 作為C02激光器的核必。因?yàn)榧す馄飨牡墓ぷ鳉怏w與激光器的功率大小成正 比，功率大時(shí)消耗的氣體量就大，就要求充氣速度較快，功率小時(shí)消耗的氣體量就小，就要 求放慢充氣速度；尤其是在待機(jī)狀態(tài)下只需要很少量的工作氣體維持諧振腔內(nèi)氣體流動(dòng)， 所W使得進(jìn)氣量可調(diào)對(duì)于節(jié)約用氣是十分有意義的。
[0012] 真空泉連接變頻器，控制系統(tǒng)則可W通過(guò)控制變頻器來(lái)調(diào)節(jié)真空泉的轉(zhuǎn)速，控制 真空泉變頻器的頻率和組合閥（或進(jìn)氣管路的比例閥）的信號(hào)是根據(jù)主控制器傳遞給下位 機(jī)控制器的電流值來(lái)確定的，電流值大對(duì)應(yīng)加工功率高，此時(shí)的進(jìn)氣口的開(kāi)度就要求大，提 高充氣速度，同樣為了使得進(jìn)氣和出氣平衡，同樣要根據(jù)電流值來(lái)調(diào)大真空泉變頻器的頻 率來(lái)提高真空泉的轉(zhuǎn)速，從而提高抽氣速度。
[0013] 在諧振腔的出氣位置，安裝一個(gè)抽廢氣比例閥（電控比例閥），送個(gè)抽廢氣比例 閥可W控制出氣口的大小，從而可W和真空泉配合來(lái)控制抽氣速度，與真空泉控制抽氣速 度不同的是真空泉的調(diào)速是根據(jù)上位機(jī)發(fā)給下位機(jī)的電流值來(lái)控制的，而送個(gè)比例閥的控 制是根據(jù)裝在諧振腔上的氣壓傳感器檢測(cè)到的氣壓大小信號(hào)來(lái)控制開(kāi)度的。安裝在諧振 腔內(nèi)的氣壓傳感器將檢測(cè)到的氣壓信號(hào)傳遞給控制器，由于氣壓信號(hào)是比較微弱的模擬信 號(hào)，需要進(jìn)行信號(hào)放大和AD轉(zhuǎn)換后才能被控制芯片接收使用，控制芯片將采集到的氣壓信 號(hào)和上位機(jī)傳遞的設(shè)定氣壓值進(jìn)行比較，如果高于設(shè)定值，就開(kāi)大比例閥的開(kāi)度，使得抽氣 速度加快，降低諧振腔內(nèi)的氣壓；相反，如果采集到的氣壓值低于設(shè)定值就減小比例閥的開(kāi) 度，降低抽氣速度，提高諧振腔內(nèi)的氣壓，經(jīng)過(guò)送樣的調(diào)節(jié)W后就可W實(shí)現(xiàn)諧振腔內(nèi)氣壓的 穩(wěn)定。
[0014] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：
[0015] 1、所述流量控制裝置為進(jìn)氣比例閥。
[0016] 2、所述工作氣體進(jìn)氣管道具有H個(gè)并聯(lián)的支管路，所述流量控制裝置包括安裝在 每個(gè)支管路上的節(jié)流閥和受控激光器控制系統(tǒng)的進(jìn)氣電磁閥，H個(gè)支管路上的節(jié)流閥口徑 各不相同，組合后獲得7種進(jìn)氣流量。
[0017] 3、所述激光控制系統(tǒng)與變頻器之間通過(guò)485總線(xiàn)進(jìn)行通訊；激光控制系統(tǒng)與抽廢 氣比例閥之間接有D/A轉(zhuǎn)換單元。
[0018] 4、所述激光器控制系統(tǒng)包括通過(guò)總線(xiàn)通訊的主控制器和下位機(jī)控制器，激光器通 入諧振腔內(nèi)的電流值通過(guò)電源模塊反饋給主控制器；H個(gè)并聯(lián)支管路上的電磁閥、控制真 空泉轉(zhuǎn)速的變頻器、抽廢氣比例閥及氣壓傳感器與下位機(jī)控制器連接，所述電源模塊通過(guò) 電流采樣電路獲取激光器通入諧振腔內(nèi)的電流值，所述電流采樣電路包括依次連接的電流 傳感器、跟隨放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器，所述下位機(jī)控制器與抽廢氣比例閥之間連接有D/A轉(zhuǎn) 換器，氣壓傳感器與下位機(jī)控制器之間連接有跟隨放大電路和D/A轉(zhuǎn)換器。
[0019] 此外，本發(fā)明還提供了C02激光器智能補(bǔ)氣系統(tǒng)的控制方法，步驟如下：
[0020] S1、激光器開(kāi)始工作時(shí)，主控制器通過(guò)下位機(jī)控制器把輔助補(bǔ)氣系統(tǒng)中的主抽真 空電磁閥和抽廢氣比例閥打開(kāi)，抽廢氣比例閥的開(kāi)度為全開(kāi)，通過(guò)下位機(jī)控制器控制變頻 器啟動(dòng)真空泉，W最大速度對(duì)光學(xué)諧振腔抽氣；
[0021] S2、實(shí)時(shí)通過(guò)壓力傳感器采集諧振腔內(nèi)的氣壓，并依次經(jīng)跟隨放大電路、A/D轉(zhuǎn)換 器、下位機(jī)控制器將氣壓信號(hào)反饋給主控制器；
[0022] S3、當(dāng)諧振腔內(nèi)的氣壓值低于預(yù)設(shè)的真空氣壓，關(guān)閉主抽真空電磁閥，通過(guò)變頻器 將真空泉的工作頻率調(diào)節(jié)到最低工作頻率，抽廢氣比例閥的開(kāi)度調(diào)節(jié)為最小開(kāi)度；
[0023] S4、主控制器通過(guò)下位機(jī)控制器將供氣系統(tǒng)中H個(gè)支管路上的電磁閥全部打開(kāi)， 通過(guò)工作氣體進(jìn)氣管道W最大充氣速度向光學(xué)諧振腔內(nèi)充工作氣體；
[0024] S5、當(dāng)諧振腔內(nèi)的氣壓值達(dá)到預(yù)設(shè)的工作氣壓，主控制器調(diào)整H個(gè)支管路上的電 磁閥的開(kāi)閉，使進(jìn)氣量與激光器功率相符；
[00巧]S6、激光器工作時(shí)，將檢測(cè)到的諧振腔氣壓與預(yù)設(shè)的工作氣壓值進(jìn)行比較，并據(jù)此 調(diào)節(jié)真空泉的轉(zhuǎn)