郭宇

[摘? ? 要]與傳統(tǒng)切割方法相比，激光切割具有明顯的優(yōu)勢(shì)。激光切割采用非接觸加工技術(shù)，切割精度高，縫窄效果明顯。在當(dāng)前的工業(yè)形

勢(shì)下，激光切割的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可，國(guó)內(nèi)的鈑金行業(yè)在多年的發(fā)展過(guò)程中不斷地改進(jìn)了對(duì)加工材料的切割工藝，大大提高了生產(chǎn)效率，此外還表現(xiàn)出降低生產(chǎn)成本和提高切割質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)。隨著制造業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)激光切割質(zhì)量的要求越來(lái)越高，而切割后的質(zhì)量檢測(cè)無(wú)法滿足客戶及時(shí)止損、盡早干預(yù)的需求。因此，智能化過(guò)程監(jiān)控成為首選解決方案，在切割前穿孔和切割中進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將信號(hào)實(shí)時(shí)反饋，確保穩(wěn)定生產(chǎn)和較高的切割質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]激光切割;穿孔監(jiān)測(cè);切割中監(jiān)測(cè);切割解決方案

[中圖分類號(hào)]U466;TG485 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）05–000–04

Application of Perforation Monitoring in Laser Cutting

Guo Yu

[Abstract]Compared with traditional cutting methods， laser cutting has obvious advantages. Laser cutting adopts non-contact technology， with high cutting precision and obvious narrow seam effect. In the current industrial situation， the advantages of laser cutting have been widely recognized. The domestic sheet metal industry has continuously improved the cutting process of processing materials in the development process of many years， greatly improving the production efficiency. In addition， it also shows the advantages of reducing production costs and improving the cutting quality. However， with the further development of the manufacturing industry， the requirements for the quality of laser cutting are higher and higher， and the quality detection after cutting can not meet the needs of customers' timely stop loss and early intervention. Therefore， intelligent process monitoring has become the preferred solution， monitoring before and during cutting， real-time signal feedback to ensure stable production and high cutting quality.

[Keywords]laser cutting; Perforation monitoring; monitoring during cutting; cutting solutions

一套完整的激光切割系統(tǒng)，不僅包括硬件設(shè)備、軟件控制，而且生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)（穿孔、切割過(guò)程監(jiān)測(cè)）也極其關(guān)鍵。目前穿孔按照其加工特性可分為脈沖穿孔和爆破穿孔。在實(shí)際生產(chǎn)中，無(wú)論哪種穿孔方式都會(huì)受到以下因素的影響：焦點(diǎn)位置、氣體壓力、氣體純度、噴嘴間距、激光功率和材料質(zhì)量等。這些參數(shù)往往是造成突發(fā)問題的原因，如果不能可靠地監(jiān)測(cè)到穿孔結(jié)束，光學(xué)元件可能會(huì)損壞，并影響之后的切割過(guò)程。因此，穿孔監(jiān)測(cè)技術(shù)（Laser PierceTec，LPT）應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)了激光切割過(guò)程中快速、干凈和可復(fù)現(xiàn)的穿孔。該技術(shù)不僅監(jiān)控穿孔過(guò)程，還可以控制穿孔過(guò)程，從而獲得均勻、穩(wěn)定的穿孔和表面質(zhì)量，使整個(gè)穿孔過(guò)程中形成的材料飛濺明顯減少。不僅減少了所需的返工量，也大大縮短了穿孔時(shí)間。

另外，LPT還確保了切割過(guò)程中更高的可靠性。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到意外的切割中斷，并立即將其反饋給客戶的控制系統(tǒng)。PLC可根據(jù)客戶的系統(tǒng)編程，自動(dòng)進(jìn)行“切割中斷”后的動(dòng)作，急停、關(guān)閉激光、降低切割速度等操作。因此，如果突發(fā)板材批次質(zhì)量不一致或切割參數(shù)發(fā)生變化等情況，則不再需要機(jī)床操作人員的直接干預(yù)，系統(tǒng)會(huì)智能化快速反應(yīng)。此外，LPT系統(tǒng)還可以保護(hù)常見的磨損耗材，例如，下保護(hù)玻璃和切割噴嘴等，延長(zhǎng)了使用壽命，降低了配件成本，減少了機(jī)床的停機(jī)時(shí)間。

1 工作原理

激光穿孔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)等離子體傳感器和背光反射傳感器監(jiān)測(cè)收集的光學(xué)信號(hào)，來(lái)實(shí)時(shí)控制激光輸出的脈沖頻率。通過(guò)調(diào)節(jié)穿孔過(guò)程，為激光穿孔提供了理想的激光能量。切割板材時(shí)，會(huì)產(chǎn)生等離子體，根據(jù)其信號(hào)的強(qiáng)弱，判別切割是否存在異常，進(jìn)行切割中監(jiān)測(cè)和控制。當(dāng)孔未被穿透時(shí)，背光反射光信號(hào)（藍(lán)色）在穿孔過(guò)程中是高于穿孔探測(cè)閾值（紅色虛線）的;但是當(dāng)穿透時(shí)，就會(huì)低于穿孔探測(cè)閾值（紅色虛線）。同時(shí)，穿孔探測(cè)信號(hào)（紅色實(shí)線）輸出高電平。如圖1所示。

切割中斷（cut lost）是LPT系統(tǒng)的一個(gè)額外功能，監(jiān)測(cè)依然由傳感器接收的光信號(hào)完成。如果切割不良或切割中斷（cut lost），切割過(guò)程中通常會(huì)產(chǎn)生大量等離子體;與正常切割相比，等離子體強(qiáng)度會(huì)顯著增加。通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度閾值（cut error threshold），可以監(jiān)測(cè)切割中斷時(shí)發(fā)生的等離子體強(qiáng)度，如圖2所示。

如圖3所示，除閾值外，啟動(dòng)報(bào)警延遲時(shí)間設(shè)置（cut error time）可防止在短時(shí)間內(nèi)超過(guò)閾值（例如，由機(jī)床板材支撐條或工件污染引起的）意外觸發(fā)監(jiān)控報(bào)警輸出。當(dāng)超過(guò)閾值且延遲時(shí)間已超時(shí)，發(fā)生切割中斷，此時(shí)PLC將被告知切割中斷，輸出報(bào)警。切割中斷延遲系數(shù)（cut error dropback）可調(diào)節(jié)超過(guò)閾值后的計(jì)時(shí)速率，數(shù)值越大，報(bào)警延遲時(shí)間越快到達(dá)。

2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中出現(xiàn)的主要問題及解決方案

2.1 LPT系統(tǒng)的搭建

傳感器模組可以靈活地內(nèi)置安裝在激光切割頭里或者同軸集成在激光器光路中。集成在激光器中有許多優(yōu)勢(shì)，不僅能獲得優(yōu)良的信號(hào)，保證了高質(zhì)量的過(guò)程控制，也確保了切割頭精簡(jiǎn)緊湊的空間設(shè)計(jì)，避免了穿孔時(shí)的污染飛濺物等?？蛻艨筛鶕?jù)激光器的類型，選擇適配的傳感器安裝方式，如圖4所示。

在客戶現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行激光穿孔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)LPT的安裝，其中包括LPT硬件結(jié)構(gòu)的搭建和LPT軟件系統(tǒng)的調(diào)試。LPT軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信原理如圖5所示。AE PierceTec Box根據(jù)穿孔監(jiān)測(cè)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行分析，能實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制穿孔、切割過(guò)程。具備有兩種功能：穿孔監(jiān)測(cè)、切割中斷監(jiān)測(cè)。整個(gè)激光穿孔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)LPT（傳感器集成在激光器光路里）硬件連接如圖6所示。

2.2 LPT系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定

由于激光穿孔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)LPT只是一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在安裝初期，內(nèi)部沒有數(shù)據(jù)庫(kù)，所以無(wú)法通過(guò)反饋的光信號(hào)，來(lái)自動(dòng)定義穿孔是否穿透。只能通過(guò)安裝在激光器光路上的背光反射傳感器和等離子體監(jiān)測(cè)傳感器，在每次穿孔過(guò)程中描繪出一條實(shí)時(shí)的信號(hào)曲線。在沒有強(qiáng)大數(shù)據(jù)源的支撐下，這些信號(hào)曲線是沒有任何意義的。所以針對(duì)這一技術(shù)難點(diǎn)，首先在試驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，建立數(shù)據(jù)庫(kù);以減少安裝調(diào)試時(shí)的工作，方便客戶現(xiàn)場(chǎng)使用。采取的解決方法如下：以材料類型、氣體類型、激光器類型為可變參數(shù)，利用軟件編程，制定不同程序號(hào)，見表1。調(diào)節(jié)激光出光脈沖頻率，通過(guò)穿孔質(zhì)量的好壞、數(shù)百次優(yōu)質(zhì)穿孔監(jiān)測(cè)信號(hào)曲線的擬合，確定與程序號(hào)匹配的激光脈沖頻率，燒錄在AE PierceTec Box內(nèi)程序，用于實(shí)際穿孔AE PierceTec Box來(lái)控制激光器輸出脈沖頻率。

客戶可在工控機(jī)（IPC）上安裝過(guò)程監(jiān)控軟件（Laser Process Monitoring LPM），如圖7所示，與AE PierceTec Box進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，來(lái)設(shè)置激光器類型、傳感器類型、最大穿孔時(shí)間、功率系數(shù)等。并且，通過(guò)LPM軟件，可記錄穿孔時(shí)信號(hào)強(qiáng)度，如圖8所示，便于穿孔后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，來(lái)優(yōu)化參數(shù)或查找問題。

2.3 LPT系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)弱的校準(zhǔn)

由于背光反射傳感器、等離子體監(jiān)測(cè)傳感器安裝在激光器光路上，光路的同軸、安裝位置等，都會(huì)影響信號(hào)的強(qiáng)弱。信號(hào)過(guò)強(qiáng)或者過(guò)弱都無(wú)法進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，這是因?yàn)長(zhǎng)PT系統(tǒng)內(nèi)部分析信號(hào)強(qiáng)度的范圍和精度都有限。所以，切割頭同軸校準(zhǔn)后，在噴嘴處安裝極低功率激光光源，從噴嘴處向里射入1.5 mW激光，如圖9所示，模擬激光出光時(shí)的背光反射，測(cè)試監(jiān)測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度。根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱，如圖10所示，調(diào)節(jié)背光反射傳感器的安裝位置，以達(dá)到理想的信號(hào)強(qiáng)度。

2.4 LPT系統(tǒng)測(cè)試方案和測(cè)試結(jié)果

2.4.1 LPT系統(tǒng)測(cè)試方案

穿孔監(jiān)測(cè)測(cè)試：根據(jù)板材和氣體選取AE PierceTec Box中對(duì)應(yīng)的程序號(hào)，調(diào)取客戶數(shù)據(jù)庫(kù)中的穿孔參數(shù)，除了激光器脈沖頻率，PLC可控制其他穿孔參數(shù)。編寫如圖11所示圖形，進(jìn)行穿孔;根據(jù)穿孔質(zhì)量和時(shí)間，優(yōu)化穿孔參數(shù)。

通過(guò)記錄的信號(hào)曲線，利用分析軟件LPM測(cè)量起點(diǎn)電脈沖和光脈沖之間的延遲，如圖12所示，延遲應(yīng)在200～300 μs（如信號(hào)曲線No.1）;如果數(shù)值更大，那么很可能需要優(yōu)化下穿孔參數(shù)（如信號(hào)曲線No.2）;如果數(shù)值大于500 ～600 μs（如信號(hào)曲線No.3），需檢查激光器和電器柜的接地，排除信號(hào)干擾;如果激光器未準(zhǔn)備好，導(dǎo)致出光延遲，起初無(wú)光脈沖反饋（如信號(hào)曲線No.4）。

切割中斷（cut lost）測(cè)試：首先調(diào)整切割參數(shù)，得到優(yōu)質(zhì)的切割質(zhì)量，記錄切割時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度;然后，改變切割參數(shù)，促使切割質(zhì)量逐漸變差，直到切不透。監(jiān)測(cè)此過(guò)程信號(hào)強(qiáng)度變化和切割質(zhì)量變化，以優(yōu)化報(bào)警參數(shù)，致使切割中斷報(bào)警能有效觸發(fā)。同時(shí)，兩種情況下切割時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度需進(jìn)行比較分析。

2.4.2 LPT系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

如表2和圖13所示，以激光功率4 kW穿孔舉例，穿孔時(shí)間大大減少;適用于所有輪廓尺寸，即使是小輪廓;穿孔后板材不會(huì)過(guò)熱，而是溫的，從而減少了板材受熱變形的風(fēng)險(xiǎn);提高了板材切割效率，無(wú)需散熱;引線更簡(jiǎn)單，可以更短。

穿孔質(zhì)量對(duì)比（帶穿孔監(jiān)測(cè)VS無(wú)穿孔監(jiān)測(cè)）如圖14和圖15所示，穿孔質(zhì)量明顯提高;板材表面飛濺較少，避免影響切割中隨動(dòng);穿孔穩(wěn)定，不易暴孔，減少了噴嘴、下保護(hù)鏡等損耗;避免了材料的浪費(fèi)。

切割過(guò)程信號(hào)對(duì)比：調(diào)整好切割參數(shù)后，優(yōu)質(zhì)切割質(zhì)量的信號(hào)強(qiáng)度如圖16所示（舉例），信號(hào)強(qiáng)度大約在450 000左右。

切割穩(wěn)定后，不斷提高切割速度，如圖17所示，等離子體信號(hào)強(qiáng)度開始增加，信號(hào)強(qiáng)度大約在500 000以上，超過(guò)設(shè)置的報(bào)警延遲時(shí)間，AE PierceTec Box輸出報(bào)警給PCL，切割中斷。另外，更改其他切割參數(shù)（切割氣壓、焦點(diǎn)位置、隨動(dòng)距離、激光功率等）造成切割不穩(wěn)定后（切不透冒藍(lán)光等），報(bào)警依然能正常輸出。根據(jù)客戶要求的切割質(zhì)量，分析測(cè)試樣品的切割質(zhì)量，優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，再進(jìn)行多次測(cè)試，驗(yàn)證傳感器工作正常。

3 結(jié)語(yǔ)

LPT系統(tǒng)在實(shí)際切割生產(chǎn)過(guò)程中起到了對(duì)整個(gè)過(guò)程的智能化監(jiān)控，減少了操作人員的人工干預(yù)，大大提高了生產(chǎn)安全性。該系統(tǒng)的調(diào)試不僅涉及前期硬件連接和信號(hào)通信，而且需要長(zhǎng)時(shí)間的后期現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、優(yōu)化參數(shù)等。只有處理好安裝過(guò)程中遇到的實(shí)際問題，并調(diào)試好穩(wěn)定、有效的信號(hào)反饋，才能確保LPT系統(tǒng)發(fā)揮最大的監(jiān)測(cè)效用，并保證整個(gè)項(xiàng)目的順利運(yùn)行。

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