激光器智能补气系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种C02激光器智能补气系统及其控制方法，属于激光加工技术领 域。
【背景技术】
[0002] 从80年代W来，激光器就广泛应用在加工领域，尤其是在快速横流和轴流C02激 光器出现后，得到了飞速发展。C02激光器有切割效率高、非接触式切割、功率范围大、切 割速度快，既能连续又能脉冲输出等特点，使得其在材料加工领域具有广泛的应用，大功率 C02激光器在工业上主要用于激光切割、焊接和热处理，尤其是在激光切割领域。
[0003] 激光器经过30多年的发展，在技术上进展很快，C02激光器与数控机床配合组成 的C02激光加工系统在材料加工领域起着越来越重要的作用。中国是制造业大国，国内加 工设备将逐步升级，激光设备行业的发展将更为迅速。特别是汽车、半导体和电子制造产业 的发展使中国的激光市场极具潜力。
[0004] 随着技术的不断更新，市场对激光器的智能化要求越来越高，大功率轴快流C02 激光器功能需要不断的扩展和完善。作为激光器的重要组成部分一补气系统，主要作用 是为光学谐振腔充入产生激光的工作气体，同时还要结合辅助补气系统来稳定谐振腔内的 工作气压。现今国内激光器的补气系统都存在十分明显的缺陷，如下：
[0005] 1、激光器的工作气体是由N2、C02、化H种气体组成，在进行加工时，根据加工材 料材质的不同、同种加工材料厚度的不同W及加工路线的改变，都要相应改变激光功率，不 同的激光功率所需的工作气体气量也肯定不同，但现有的激光器的进气装置无论功率变大 或变小，都是W恒定速率向谐振腔内充气，尤其是当激光器在待机状态时，还是保持原充 气速度不断充气，造成工作气体大量浪费，有惇于我国建设资源节约型社会的理念。
[0006] 2、辅助补气系统是设立在谐振腔出气口，用来恒定谐振腔内工作气压的。现有激 光器在检测到腔内气压变、化时，采取控制电磁阀的开闭使得谐振腔内气体的堆积和释放 来控制腔气压稳定，但是由于电磁阀的开闭会使得腔内气压呈阶跃式跳变，送样一来气压 必然会产生波动，导致激光功率不稳，切割效果下降。而且电磁阀频繁的开闭会降低其寿 命，使得激光器可靠性降低。
[0007] 3、由于现有激光器补气系统的供气部分无论功率大或小，都是W恒定的速率向光 学谐振腔内充工作气体，但是腔内的工作气压是需要恒定的，也就要求辅助补气系统的真 空泉始终保持在高负荷抽气状态，长时间工作就会降低真空泉的寿命。
[0008] 由于目前还没有成熟的智能补气系统，导致上述技术问题的存在，势必会影响激 光器的加工工艺，送样的激光器长时间工作，轻则是浪费工作气体，严重则会需要经常更换 电磁阀，甚至是更换真空泉，造成不必要的成本流失。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于；克服现有激光器补气系统供气速率单一导致浪费气、辅助补 气部分不能很好的稳定工作气压W及补气系统核必器件的耗损过大送些技术问题，提出一 种C02激光器智能补气系统，该系统不仅节约用气，而且能很好的稳定谐振腔内的工作气 压，同时合理的使用了真空泉解放电磁阀的频繁开闭，节省了系统成本。
[0010] 为了达到上述目的，本发明提出的C02激光器智能补气系统，包括供气系统和辅 助补气系统，所述供气系统包括与光学谐振腔进气口连接的工作气体进气管道、N2进气管 道，所述N2进气管道上安装有充N2电磁阀，所述辅助补气系统包括与光学谐振腔出气口 连接的抽真空管路和抽废气管路，所述抽真空管路上安装有主抽真空电磁阀，所述抽废气 管路上安装有润轮风机，所述抽真空管路和抽废气管路与真空泉连接，其特征在于；所述供 气系统的工作气体进气管道上安装有受控于激光器控制系统的流量控制装置，光学谐振腔 内装有用于监测光学谐振腔气压的气压传感器，所述抽废气管路上安装有位于润轮风机后 方的受控于激光器控制系统的抽废气比例阀，所述真空泉连接受控于激光器控制系统的变 频器，激光器控制系统根据光学谐振腔内的气压变化控制真空泉转速、抽废气比例阀开度、 流量控制装置的流量，使光学谐振腔内的气压达到目标值或维持稳定。
[0011] 作为C02激光器的核必。因为激光器消耗的工作气体与激光器的功率大小成正 比，功率大时消耗的气体量就大，就要求充气速度较快，功率小时消耗的气体量就小，就要 求放慢充气速度；尤其是在待机状态下只需要很少量的工作气体维持谐振腔内气体流动， 所W使得进气量可调对于节约用气是十分有意义的。
[0012] 真空泉连接变频器，控制系统则可W通过控制变频器来调节真空泉的转速，控制 真空泉变频器的频率和组合阀（或进气管路的比例阀）的信号是根据主控制器传递给下位 机控制器的电流值来确定的，电流值大对应加工功率高，此时的进气口的开度就要求大，提 高充气速度，同样为了使得进气和出气平衡，同样要根据电流值来调大真空泉变频器的频 率来提高真空泉的转速，从而提高抽气速度。
[0013] 在谐振腔的出气位置，安装一个抽废气比例阀（电控比例阀），送个抽废气比例 阀可W控制出气口的大小，从而可W和真空泉配合来控制抽气速度，与真空泉控制抽气速 度不同的是真空泉的调速是根据上位机发给下位机的电流值来控制的，而送个比例阀的控 制是根据装在谐振腔上的气压传感器检测到的气压大小信号来控制开度的。安装在谐振 腔内的气压传感器将检测到的气压信号传递给控制器，由于气压信号是比较微弱的模拟信 号，需要进行信号放大和AD转换后才能被控制芯片接收使用，控制芯片将采集到的气压信 号和上位机传递的设定气压值进行比较，如果高于设定值，就开大比例阀的开度，使得抽气 速度加快，降低谐振腔内的气压；相反，如果采集到的气压值低于设定值就减小比例阀的开 度，降低抽气速度，提高谐振腔内的气压，经过送样的调节W后就可W实现谐振腔内气压的 稳定。
[0014] 本发明进一步的改进在于：
[0015] 1、所述流量控制装置为进气比例阀。
[0016] 2、所述工作气体进气管道具有H个并联的支管路，所述流量控制装置包括安装在 每个支管路上的节流阀和受控激光器控制系统的进气电磁阀，H个支管路上的节流阀口径 各不相同，组合后获得7种进气流量。
[0017] 3、所述激光控制系统与变频器之间通过485总线进行通讯；激光控制系统与抽废 气比例阀之间接有D/A转换单元。
[0018] 4、所述激光器控制系统包括通过总线通讯的主控制器和下位机控制器，激光器通 入谐振腔内的电流值通过电源模块反馈给主控制器；H个并联支管路上的电磁阀、控制真 空泉转速的变频器、抽废气比例阀及气压传感器与下位机控制器连接，所述电源模块通过 电流采样电路获取激光器通入谐振腔内的电流值，所述电流采样电路包括依次连接的电流 传感器、跟随放大电路、A/D转换器，所述下位机控制器与抽废气比例阀之间连接有D/A转 换器，气压传感器与下位机控制器之间连接有跟随放大电路和D/A转换器。
[0019] 此外，本发明还提供了C02激光器智能补气系统的控制方法，步骤如下：
[0020] S1、激光器开始工作时，主控制器通过下位机控制器把辅助补气系统中的主抽真 空电磁阀和抽废气比例阀打开，抽废气比例阀的开度为全开，通过下位机控制器控制变频 器启动真空泉，W最大速度对光学谐振腔抽气；
[0021] S2、实时通过压力传感器采集谐振腔内的气压，并依次经跟随放大电路、A/D转换 器、下位机控制器将气压信号反馈给主控制器；
[0022] S3、当谐振腔内的气压值低于预设的真空气压，关闭主抽真空电磁阀，通过变频器 将真空泉的工作频率调节到最低工作频率，抽废气比例阀的开度调节为最小开度；
[0023] S4、主控制器通过下位机控制器将供气系统中H个支管路上的电磁阀全部打开， 通过工作气体进气管道W最大充气速度向光学谐振腔内充工作气体；
[0024] S5、当谐振腔内的气压值达到预设的工作气压，主控制器调整H个支管路上的电 磁阀的开闭，使进气量与激光器功率相符；
[00巧]S6、激光器工作时，将检测到的谐振腔气压与预设的工作气压值进行比较，并据此 调节真空泉的转