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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?。欢谵D(zhuǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(zhì)。

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(diào)焦大多采用手動旋鈕調(diào)節(jié)；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(diào)節(jié)困難。

激光在燒灼、切割物體產(chǎn)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(zhuǎn)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(diào)焦的簡易方案上，同時設(shè)計了激光鏡頭臟污檢測系統(tǒng)，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(tǒng)激光切紙機在調(diào)焦與鏡頭臟污檢測清潔方面的問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

激光切割是以數(shù)控加工機床為基礎(chǔ)，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(shè)計實現(xiàn)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(tǒng)主要包括中央處理模塊、電機驅(qū)動模塊、激光驅(qū)動模塊、激光調(diào)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(shè)計框圖

本設(shè)計的改進在于，采用算法控制激光驅(qū)動模塊確保激光能量的均勻性，通過激光調(diào)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(gòu)在進行加工作業(yè)時，每當需要進行折角、弧線等轉(zhuǎn)彎動作時，均需要先減速運行，經(jīng)過轉(zhuǎn)彎位置以后再進行加速運動。轉(zhuǎn)彎時的減速對于傳統(tǒng)的CNC設(shè)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(lǐng)域，由于激光模組發(fā)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(zhuǎn)彎處，運動軸將有一短暫瞬間處于停止狀態(tài)。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(zhuǎn)彎處將留下碳化點。

為了解決此問題，本設(shè)計在電路以及控制程序上做了相應調(diào)整。電路上增加了激光功率的PWM調(diào)整電路，程序上先獲取運動軸的實時速度，再通過經(jīng)驗法來大致確定激光功率和運動軸速度的線性關(guān)系系數(shù)，將這個關(guān)系系數(shù)乘上實時速度最終得出控制激光模組的PWM占空比，實際調(diào)試可有效的解決轉(zhuǎn)角碳化過度問題。能量密度滿足如式（2-1）的關(guān)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(guān)系，S滿足如式（2-3）的關(guān)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(shù)值較小，可以得到S的近似關(guān)系式（2-4）。

綜上可得能量密度的關(guān)系式（2-5）

3 激光調(diào)焦模塊

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

圖2 斜坡

3.1 手動調(diào)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(chǎn)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(jù)激光模組功率合理設(shè)置電機運行速度，并讓激光在斜坡上運行。觀察紙張?zhí)蓟潭?，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(jié)果

如圖3根據(jù)實驗結(jié)果，得出：第一組數(shù)據(jù)的焦點偏上，第二組數(shù)據(jù)的焦點偏下，第三組數(shù)據(jù)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(diào)焦

通過手動調(diào)焦獲取多組激光焦點位置與焦點高度的數(shù)據(jù)，并把焦點位置轉(zhuǎn)化為鏡頭旋鈕的調(diào)節(jié)刻度，確定焦點高度與旋鈕刻度的關(guān)系。焦點高度滿足如式（3-1）的關(guān)系。

式中：h——焦點高度；d——旋鈕刻度分度值；a、b、k1——常數(shù)。

旋鈕刻度滿足如式（3-2）的關(guān)系。

式中：X——伺服電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)；K2——常數(shù)。

主控芯片預先內(nèi)置該關(guān)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(qū)動伺服調(diào)節(jié)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(shù)器在對光信號進行采樣得到采樣信號時開始計數(shù)，當接收到所述光信號對應電信號時，計數(shù)器停止計數(shù)，從而得到發(fā)射至接收之間的時長，根據(jù)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(fā)生變化，光電探測器上的反射光斑隨之以移動。根據(jù)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(diào)焦框圖。

圖4 自動調(diào)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(fā)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(fā)射模塊、光電傳感器設(shè)置于激光模組上，由主控芯片產(chǎn)生包括多個第一電信號的初始信號串，激光發(fā)射模塊將多個第一電信號轉(zhuǎn)換為多個光信號，并以預設(shè)的配置功率進行輸出。光電傳感器將接收的每個光信號轉(zhuǎn)換為第二電信號，主控芯片根據(jù)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(shè)配置功率

激光發(fā)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(qū)動模塊改變激光發(fā)射模塊的輸出功率，當檢測信號串和初始信號串的比對結(jié)果一致時，主控芯片獲取當前輸出功率，設(shè)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(fā)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(fā)射模塊的輸出功率由最高往下遞減，則直到出現(xiàn)脈沖信號丟失，記錄出現(xiàn)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(shù)量和檢測信號串的頻率與脈沖數(shù)量進行對比。主控芯片根據(jù)初始信號串的頻率與脈沖數(shù)量和檢測信號串的頻率與脈沖數(shù)量確定丟失脈沖的頻率和數(shù)量，并根據(jù)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(shù)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(shè)的臟污等級，若是，則表示激光鏡頭符合預設(shè)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(shè)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(jié)語

本設(shè)計采用功率較小的半導體激光模組作為切割源，結(jié)合手動焦點與自動焦點調(diào)節(jié)，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(xiàn)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(xiàn)有激光鏡頭作為發(fā)射源，巧妙的解決鏡頭臟污問題。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了高質(zhì)量切割和高可靠性運行的設(shè)計目標。

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

[2]王江.激光切割機高度跟隨及功率控制研究[D].哈爾濱工業(yè)大學,17-25.