一种光固化快速成型设备的激光功率在线检测与控制方法

专利名称:一种光固化快速成型设备的激光功率在线检测与控制方法
技术领域：
本发明属于快速成型技术领域：
，提出了一种用于光固化快速成型设备的激光功率在线检测与控制方法。
背景技术：
光固化快速成型以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光的扫描轨迹使其凝固成型。首先在槽中盛满液态光敏树脂，激光器发出的紫外激光束在偏转系统的控制下按零件的分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层因被紫外光照射而产生光聚合反应，固化形成零件的一个薄层。此后，工作台下移一个薄层厚度，以使在上次固化的树脂表面敷上一层新的液态树脂，通过对下一层的扫描加工，新固化的一层将粘结在前一层上，如此重复直至零件制造完毕，得到三维实体原型。
精确的单丝成型精度是制件精度的基础。而单丝成型精度取决于恒定的激光加工功率及恒定的扫描速度。所以，激光加工功率的恒定是确保快速成型单丝精度的关键。
由于激光器工作电压和环境温度的波动，导致激光器输出功率不恒定，从而引起过固化或欠固化，影响成型质量。尤其是加工大型工件时，成型时间达数小时时乃至数十小时，激光功率的漂移往往达到±20％甚至更多，严重影响成型效果，甚至导致加工失败。
在没有采用激光功率在线检测与控制系统之前，激光器的功率是否恒定主要靠人工监视，因此其自动化程度相对较低，效果差。

发明内容针对上述现有技术存在的光固化成型系统中激光功率的波动影响工件成型精度，本发明的目的在于，提供一种用于光固化快速成型设备的激光功率在线检测与控制方法。
为了实现上述任务，一种光固化快速成型设备的激光功率在线检测与控制方法，其特征在于，该方法在快速成型设备的激光器与振镜扫描头之间设置一个光衰减片，该光衰减片由直流可逆电动机带动，在树脂槽上设有一个光敏传感器，用于适时在线检测激光器的激光功率；激光器发出的光束经由光路系统投射至光衰减片，再进入振镜扫描头照射到树脂槽工作平面上，并由光敏传感器检测激光功率，检测后的功率信号被转换成电信号，经由控制器比例积分控制后与预设值相比较，控制功率驱动电路发出驱动电流，驱动直流可逆电动机定量转动，控制调节衰减片的角度，保证激光器的输出功率的恒定。
本发明的方法由于采用了比例积分控制，输出功率的误差大小只取决于光敏传感器的漂移(5小时内小于1％)。经实验验证，本发明简单可靠，能够满足光固化快速成型设备对激光功率稳定性控制的要求，可显著提高工作激光的功率稳定性质量。比未用此方法时有了质的改观，因为未用时，工作激光功率取决于激光器本身的漂移。
图1是光衰减片器件的基本结构图；图2是激光功率在线检测与控制方法的原理图；也是依本发明的方法开发的激光功率在线检测与控制系统基本结构图。
以下结合附图和本发明的技术原理对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式本发明采用由直流可逆电动机带动的光衰减片，光敏传感器作为激光功率在线检测元件，经由控制器比例积分(PI)控制功率放大器驱动带有光衰减片的可逆电动机，来实现激光功率的在线检测与控制调节。
1.光衰减片的基本结构及特性光衰减片是一种光功率衰减元件。其基本结构如附图1所示。
它的每条半径的衰减系数与角度成正比衰减系数α＝c*θ，其中c是常数，θ是角度位置。
若输入激光功率为Wi，输出功率为Wo，则有Wo＝Wi(1-α)＝Wi(1-c*θ)上式说明，激光输出功率值与角度θ相关，可以通过控制θ来控制Wo。
2.激光功率在线检测与控制原理在线检测就是在加工过程中对工况参数进行检测。加工完每层后，激光束被扫描头偏转到特定的树脂槽液面位置。该位置安装有用于激光功率测量的光敏传感器，能把激光能量转化为电信号。该信号送至控制器，控制器把该信号与预设激光功率值比较，做比例积分(PI)控制，通过控制功率驱动电路发出驱动电流，驱动可逆直流电机带动光衰减片转动，来控制调节对激光功率的衰减率。
本发明的激光功率在线检测与控制方法中，激光器发出的光束经由光路系统投射至光衰减片，再进入振镜扫描头照射到树脂槽工作平面上。原理如图2所示。激光束照射在光敏传感器上，功率信号被转换成电信号，经由控制器与预设值相比较，然后据此计算而得出所需的控制信号。控制信号通过驱动电路进行功率放大，驱动直流可逆电动机做定量转动控制光衰减片的角度，进而能对激光器输出功率进行实时的控制调节。
驱动电路可按照电路原理教科书进行设计。经申请人的实践证明，本发明的方法控制稳定性好，可有效地改善成型工件的制作质量。可以克服激光器功率不稳定而导致的各种问题，特别是对树脂的过固化与欠固化，提高了工件的成型精度，稳定了工艺质量。
应用本发明的方法，可根据制件精度要求的不同而采用不同的扫描速度。从而，为了保证零件的成型效果(防止出现过固化与欠固化)，并兼顾成型效率，快速成型设备针对不同的零件及精度要求。这样，在扫描每一层时，既可以选择较小的扫描速度(对应较小的激光加工功率)，以保证较高的零件成型质量，也可以采用大的扫描速度(对应较大的激光加工功率)，以减少制作时间。
本发明特点①激光功率在线检测与实时控制来保证光固化加工过程中的工作激光功率恒定，②工作激光强度根据被测功率而自适应地改变，可得到不同的激光工作功率，③采用闭环反馈，通过比例积分调节改变激光强度，自动将激光功率控制为常数。
权利要求
1.一种光固化快速成型设备的激光功率在线检测与控制方法，其特征在于，该方法在快速成型设备的激光器与振镜扫描头之间设置一个光衰减片，该光衰减片由直流可逆电动机带动，在树脂槽上设有一个光敏传感器，用于适时在线检测激光器的激光功率；激光器发出的光束经由光路系统投射至光衰减片，再进入振镜扫描头照射到树脂槽工作平面上，并由光敏传感器检测激光功率，检测后的功率信号被转换成电信号，经由控制器比例积分控制后与预设值相比较，控制功率驱动电路发出驱动电流，驱动直流可逆电动机定量转动，控制调节衰减片的角度，保证激光器的输出功率的恒定。
专利摘要
本发明公开了一种光固化快速成型设备的激光功率在线检测与控制方法，其特征在于，该方法在快速成型设备的激光器与振镜扫描头之间设置一个光衰减片，该光衰减片由直流可逆电动机带动，在树脂槽上设有一个光敏传感器，用于适时在线检测激光器的激光功率；激光器发出的光束经由光路系统投射至光衰减片，再进入振镜扫描头照射到树脂槽工作平面上，并由光敏传感器检测激光功率，检测后的功率信号被转换成电信号，经由控制器比例积分控制后与预设值相比较，控制功率驱动电路发出驱动电流，驱动直流可逆电动机定量转动，控制调节衰减片的角度，保证激光器的输出功率的恒定。克服了传统采用人工监视调节的缺点，提高了测量精度和自动化程度。
文档编号G02B26/02GK1994725SQ200610104988
公开日2007年7月11日 申请日期2006年11月28日
发明者王伊卿, 卢秉恒, 胡德洲, 施仁, 张振, 乐光 申请人:西安交通大学