Способ управления лазерной установкой
METHOD FOR CONTROL OF LASER INSTALLATION

Изобретение относится к лазерам и волоконной оптике и может быть использовано в производственной, научной, медицинской или космической отраслях промышленности.
Известен способ управления лазерной установкой, который включает переключение контроллером мощности оптического импульса лазерной установки при наличии управляющего сигнала до одного уровня и переключение контроллером мощности при отсутствии управляющего сигнала до первоначального уровня [US 10230209, дата публикации: 12.03.2019, МПК: H01S 3/13, H01S 5/68, H01S 5/68].
Известен способ управления лазерной установкой, который включает дискретное изменение контроллером мощности оптического импульса лазерной установки при наличии и отсутствии управляющего сигнала [US 10456860, дата публикации: 29.10.2019, МПК: B23K 26/00, B23K 26/06, H01S 3/13].
Общим недостатком известных технических решений является низкое качество полученного оптического импульса лазерной установкой, что обусловлено дискретным характером изменения контроллером величины тока накачки излучателя лазерной установки, вследствие чего пиковая мощность полученных лазерной установкой импульсов имеет нестабильную величину, а ее характеристики меняются с каждым новым циклом, что в существенной степени влияет на качество обработки поверхности лазерной установкой.
В качестве прототипа выбран способ управления лазерной установкой, который включает вариативное изменение тока накачки излучателя лазерной установки между импульсами лазерной установки в виде постепенного увеличения контроллером мощности лазерной установки до получения импульса и постепенного снижения контроллером мощности лазерной установки после получения импульса [CN 107577166, дата публикации: 12.01.2018, МПК: B23K 26/70, G05B 19/04].
Преимуществом прототипа перед известными техническими решениями является более стабильная величина оптического импульса, получаемого лазерной установкой, за счет вариативного изменения величины тока накачки излучателя лазерной установки в промежутке между импульсами, который обеспечивается за счет предварительной подготовки излучателя лазерной установки путем постепенного увеличения контроллером тока накачки перед получением управляющего сигнала, вследствие чего пиковая мощность полученных лазерной установкой импульсов имеет стабильную величину, а качество обработки поверхности лазерной установкой при этом существенно возрастает.
Однако недостатком прототипа является то, что такой способ управления лазерной установкой обеспечивает стабильную величину только длительного оптического импульса, имеющего сравнительно малую частоту. При этом в случае необходимости существенного увеличения частоты оптических импульсов лазерной установки существенным образом возрастает нагрузка на контроллер, а также возрастает фазовое дрожание и происходят нежелательные фазовые или частотные отклонения импульса лазерной установки, а также в процессе накачки излучателя лазерной установки имеет место высокая инерционность этого процесса, что негативно сказывается на стабильности характеристик оптического импульса и снижает качество управления лазерной установкой.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении качества управления лазерной установкой.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении стабильности характеристик импульсов лазерной установки.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Способ управления лазерной установкой включает вариативное изменение контроллером величины тока накачки излучателя лазерной установки в промежутках между импульсами лазерной установки. В отличие от прототипа вариативное изменение контроллером величины тока накачки излучателя лазерной установки в промежутке между импульсами лазерной установки осуществляется в зависимости от длительности этого промежутка.
Вариативное изменение величины тока накачки излучателя лазерной установки между импульсами лазерной установки осуществляется контроллером лазерной установки. Под вариативным изменением величины тока накачки излучателя лазерной установки подразумевается плавное или резкое снижение и/или повышение силы тока накачки в промежутках между импульсами лазерной установки.
Поскольку определить заранее значения силы тока накачки для набора времен в промежутке между импульсами невозможно, то для программирования вариативного изменения величины тока накачки излучателя лазерной установки первоначально получают параметры лазерной установки, в том числе данные мощностных характеристик лазера, частоты следования импульсов лазера, количества импульсов и пр. С учетом всех возможных комбинаций параметров лазерной установки определяют необходимое значение силы тока в промежутке между импульсами лазерной установки путем установки значений силы тока от 0 до рабочего или пикового значения тока накачки для фиксированной комбинации параметров лазерной установки и наблюдением за пиковой мощностью импульсов лазерной установки. При этом выбирают те значения силы тока накачки, при которых мощностные характеристики полученных импульсов лазерной установки имеют одинаковую величину. Эти значения могут быть получены вручную оператором или автоматически и после они могут быть занесены в таблицу значений силы тока накачки. Автоматически значения силы тока накачки могут быть получены при помощи, например, калибровочного стенда, осуществляющего перебор возможных комбинаций параметров лазерной установки.
На основе полученной таблицы может быть осуществлена интерполяция и посредством многомерной функции получены коэффициенты интерполяции, определяющие непрерывную зависимость силы тока накачки излучателя лазерной установки от длительности промежутка между импульсами. Таким образом, на основе коэффициентов интерполяции может быть получена необходимая таблица (около 20-40 значений силы тока накачки излучателя лазерной установки в промежутках между импульсами) непосредственно для определенного набора параметров каждой конкретной лазерной установки.
Дополнительно для повышения точности и стабильности характеристик импульсов лазерной установки величина тока накачки излучателя лазерной установки может быть получена контроллером в любой момент времени управления лазерной установкой. В таком случае точность импульсов будет напрямую связана с шагом дискретизации вычислений контроллера, что позволяет при увеличении его вычислительной мощности пропорционально снижать шаг дискретизации вычислений и тем самым увеличивать точность импульсов лазерной установки.
Алгоритм вариативного изменения величины тока накачки излучателя лазерной установки может храниться во внутренней памяти контроллера или на съемных устройствах хранения информации, подключенных к контроллеру. Контроллер может быть представлен интегральной схемой, микросхемой или микрокомпьютером, имеющим вход для получения управляющего сигнала и питания, и выход для подключения излучателя лазерной установки.
Изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Изобретение характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что вариативное изменение контроллером величины тока накачки излучателя лазерной установки между импульсами лазерной установки осуществляется в зависимости от длительности этого промежутка, что обеспечивает возможность плавного регулирования силы тока накачки излучателя лазерной установки между импульсами и предотвратить ситуацию, при которой пиковая мощность вновь включенных импульсов лазерной установки отличается от заданной мощности.
Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении стабильности характеристик импульсов лазерной установки, тем самым повышается качество управления лазерной установкой.
Изобретение обладает ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «новизна».
Из уровня техники известно вариативное изменение величины тока накачки лазерной установки в промежутке между импульсами путем плавного повышения ее мощности с нулевой отметки до получения импульса и плавное снижение ее мощности до нулевой отметки после получения импульса. Однако из уровня техники не известно вариативное изменение контроллером величины тока накачки излучателя лазерной установки в промежутке между импульсами лазерной установки в зависимости от длительности этого промежутка. Ввиду этого изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется следующими фигурами.
Фиг.1 – График изменения характеристик импульса, получаемого способом управления лазерной установкой по изобретению до загрузки в контроллер алгоритма вариативного изменения величины тока накачки излучателя лазерной установки, который отображает отличие действительных характеристик пиковой мощности оптического импульса лазерной установки от расчетной.
Фиг. 2 - График изменения характеристик импульса, получаемого способом управления лазерной установкой по изобретению после загрузки в контроллер алгоритма вариативного изменения величины тока накачки излучателя лазерной установки, при этом отличие действительных характеристик пиковой мощности импульса лазерной установки от расчетной не наблюдается.
Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути изобретения ниже представлен вариант его осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.
Изобретение работает следующим образом.
Для изменения величины тока накачки полупроводникового диода волоконного усилителя лазерных импульсов пикосекундного лазера для микрообработки материалов предварительно осуществляли загрузку в контроллер алгоритма вариативного изменения величины тока накачки излучателя лазерной установки, который в соответствии с мощностными характеристиками лазерной установки получал коэффициенты интерполяции, определяющие непрерывную зависимость силы тока накачки излучателя лазерной установки от длительности промежутка между импульсами..
В процессе микрообработки материала на вход контроллера поступал управляющий сигнал от блока управления и контроллер устанавливал максимальную величину тока накачки полупроводникового диода, которая составляла 8 А. В процессе микрообработки материала для выполнения переходов блок управления прерывал управляющий сигнал на 30 мс и контроллер, за счет алгоритма вариативного изменения величины тока накачки излучателя лазерной установки, определял необходимую силу тока накачки излучателя лазерной установки в промежутке между импульсами для постепенного снижения тока накачки полупроводникового диода.
При получении управляющего сигнала от блока управления контроллер повышал ток накачки до 8 А с той величины, которая была достигнута с момента прекращения получения управляющего сигнала контроллером. При этом наблюдалось отсутствие разницы между пиковой мощностью вновь включенных импульсов лазерной установки и от заданной мощности.
Благодаря этому достигался технический результат, заключающийся в повышении стабильности характеристик импульсов лазерной установки, тем самым повышалось качество управления лазерной установкой.