德国通快轴快流CO2激光器
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Trumpf轴快流CO2激光器
设计：李波
2012.8.22
设计：李波
轴快流CO2激光器基本原理
光的受激辐射
设计：李波
CO2激光器的受激辐射
设计：李波
激光的特性
设计：李波
单色性
相干性
方向性
激光模式
设计：李波
TEM00 Mode <1000Watts
D Mode 1000-4000Watts
Q Mode >4000Watts
轴快流激光仍将是工业加工中的主流激光器
设计：李波
• 薄板+ 3D切割： 光纤激光器占优 • 厚板+非金属/金属+切割+ 价格： CO2激光器具有明显优势
来自德国“Fraunhofer研究所”研究结果
Trumpf最新10kW激光器
设计：李波
激光切割的市场需求
设计：李波
德国Trumpf推出了功率高达12kW的CO2激光复合加工机和功率高达 15kW的三维CO2激光切割机，表明了激光加工装备的高功率发展趋势！
1、滤波器 2、整流器 3、变频器 4、中间电路5、制动斩波器 6、磁轴承控制器 7、逆变器 8、正弦波滤波器 9、涡轮风机
磁轴承控制器
设计：李波
1、径向传感器，上 2、径向磁轴承，上 3、控制器MBE-50 4、轴向磁轴承 5、保护轴承，上 6、轴向传感器 7、驱动轴 8、转子 9、定子 10、保护轴承，下 11、径向磁轴承，下 12、速度传感器 设计：李波 13、径向传感器，下
模块地址编码
设计：李波
RM2-DP12模块
设计：李波
输入模块
设计：李波
输出模块
设计：李波
设计：李波
设计：李波
9、数码管状态显示 10，11、控制板 13、+5V，+\-15V电源
14、24V电源
1、A7通信接口板(RS232,Canbus) 2、A8 Profibus接口板 3、Profibus接口 4、A10安全联锁接口板 5、X8测量插头 6、扩展板
33
阻抗匹配布置
设计：李波
为每台电源配置一个阻抗匹配器
阻抗匹配布置
设计：李波
1、左匹配器
2、右匹配器
AS：窗口
反射功率变化曲线
设计：李波
匹配网络对反射功率的影响
设计：李波
a、正常的匹配曲线
b、增长串联线圈
c、减小串联线圈
放电建立时间
设计：李波
匹配失调的原因 1、工作气压 2、气体比例变化 3、气体纯度 4、气体温度(冷却系统故障) 5、射频功率幅值 6、射频连接 7、射频电缆或电极物理位置 8、参数MD48错误 9、反射功率计故障
光束质量参数
设计：李波
轴快流CO2激光器的诞生
设计：李波
轴快流CO2激光器是在早期的封离式圆形玻璃管纵向激 励CO2激光器的基础上发展而来的。 1965年，Bridge和Petel将放电管壁的温度冷却到60ºC以下来提高激光器的输出功率。 Moeller, Rigder[8]以及Patel[9]等人则采用风冷和水冷的方式来 使放电管冷却。 1969年Cool等人将快速流动技术引入到了这种激光器 中，通过工作气体的高速流动来使其冷却，从而获得 了较高功率的激光输出。
设计：李波
Trumpf轴快流CO2激光器概述
激光器构成
设计：李波
冷水机 控制系统 射频电源
激光发生器 操作面板
激光发生器构成
设计：李波
热交换器
涡轮风机
激光谐振腔
光闸
功率计
激光器支撑
激光谐振腔构成
设计：李波
转折镜
窗口与尾镜
放电管
基本工作原理
设计：李波
设计：李波
Trumpf CO2激光器谐振腔
德国Trumpf 12kW-CO2激光切 割、焊接和表面处理复合加工机
德国Trumpf 的15kW-CO2 激光三维激光切割机
重大行业应用
设计：李波
现代船舶制造中已开始大量使用的轻型“三明治”多层空心结构厚钢板的 切割加工，更是对万瓦轴快流激光切割装备提出了迫切需求。
德国Trumpf公司的12kW--20kW轴快流CO2激光器已用于世界上许多大型船 厂的生产线上，可大大提高船舶的有效载荷，并大幅度减低制造成本。 日本的Kawasaki重工等造船企业已经安装了高功率激光平板切割系统。德国的 Meyer Werft也安装了四台12KW的CO2激光器，用来焊接不同长度的船体加强杆
设计：李波
设计：李波
Trumpf CO2气体循环冷却
气体循环原理图
设计：李波
风机罩
设计：李波
1、涡轮风机 2、叶轮 3、风机罩 4、热交换器 5、翅片管 6、冷却水入口 7、气体入口 8、气体出口
设计：李波
涡轮风机
热交换器
设计：李波
1、叶轮 2、外壳 3、扩散器 A、气体入口 B、气体出口
脉冲宽度 脉冲宽度 间歇宽度
X 100 %
设计：李波
斜坡模式
设计：李波
设计：李波
设计：李波
1、供电电源 2、控制电源 3、控制器 4、磁轴承驱动 5、传感器信号处理 6、数字接口 7、LCD显示 A、到磁轴承的信号 B、磁轴承返回信号
风机启停曲线
设计：李波
设计：李波
气体混合器原理图
设计：李波
激光器工作过程中的气压曲线
设计：李波
1、抽气 2、自动净化 3、充气 4、Beam off 5、Beam on 6、Beam off 7、关机
谐振腔结构
设计：李波
US：转折镜
RS：尾镜
AS：窗口
设计：李波
1、窗口
2、尾镜
3、转折镜
4、转折镜安装组件
设计：李波
1、调节垂直方向 2、调节水平方向
模式检测工具
设计：李波
1、热敏板
2、紫外灯
检测示意图
设计：李波
1、热敏板
2、紫外灯
3、激光束（尾镜）
设计：李波
未调整好的模式分布
调整好的模式分布
主控制器
设计：李波
CP 600-S
处理器 存储 操作系统 维护
奔腾133M 32M Ram 8M flash Vx Works 免维护
设计：李波
设计：李波
1、32路输入模块
2、32路输入模块 3、RM2-DP12模块 4、数码管状态显示 5、Profibus DP接口 6、+24V电源 7、扩展槽 8、32路输出模块 BE1-BE4：输入插槽 BA1-BA4：输出插槽
射频功率反馈
设计：李波
射频功率控制
设计：李波
射频电源控制信号
设计：李波
RF ON
RF OFF
设计：李波
连续模式
脉冲模式
连续工作模式
设计：李波
连续工作模式
设计：李波
设计：李波
门控频率=200Hz
设计：李波
门控频率=5000Hz
设计：李波
门控频率=50000Hz
设计：李波
负载周期 TV
设计：李波
射频放电特点
设计：李波
电极位于放电管外，是电容耦合的横向放电(放电方向垂直 于光束方向)； 电极形状要求严格，以提高放电的对称性； 起辉电压低； 放电均匀稳定，无可见的放电辉光抖动； 易于调制，调制脉冲频率可达100kHz； 电源复杂，易产生辐射污染，电源及放电管须进行屏蔽。
轴快流CO2激光器
射频激励轴快流CO2激光器
射频电源
3 1
设计：李波
激光器谐振腔
匹配网络
2
2
激 光 器 中 央 控 制 系 统
7
7
8
全自动混气单元
6
4
冷水机 气体循环冷却系统
5
N2
CO2
He
Air
1 激光谐振腔 2 谐振腔镜片 3 放电电极 4 涡轮风机 5 真空泵 6 电磁阀 7 风机出气口换热器 8 风机进气口换热器
Profibus连接原理图
设计：李波
设计：李波
1、Profibus通信电缆
2、以太网线
A、TASC3控制系统 B、BUSCH IO模块
C、射频电源控制模块
设计：李波
TASC3 控制系统
1、软驱
2、电源 3、射频电源控制模块
4、多功能板
5、扩展插槽 6、CP600S嵌入式系统 7、Profibus从模块 8、Profibus主模块
激光烧斑图样
设计：李波
wenku.baidu.com
扩束镜
设计：李波
1、凹面镜
a、进入的光束直径
2、凸面镜
b、离开的光束直径
采用扩束镜延长激光加工的可用光程，在飞行光路激光加工中广泛应用。
光闸
设计：李波
设计：李波
Trumpf CO2放电结构
多根放电管串联
设计：李波
放电结构
设计：李波
1、玻璃管
2、放电区
3、放电电极
两种放电结构
设计：李波
1、扩散器
2、叶轮
风机结构
设计：李波
1、叶轮 2、上保护轴承 3、转子（永磁） 4、定子 5、下保护轴承 6、驱动轴 7、磁板
定子
设计：李波
1、水冷
2、开口
3、线圈
4、电机电缆
5、电机温度电缆
设计：李波
1、正弦波滤波器
2、变频器
3、混合滤波器
4、操作面板KP100
风机控制原理
设计：李波
气压控制原理
设计：李波
设计：李波
Trumpf CO2激光器功率检测
功率检测方法－输出激光采样
设计：李波
功率检测方法－尾镜取样检测
设计：李波
Trumpf激光器功率采集
1、尾镜 3、冷却水
设计：李波
2、功率传感器 4、模拟量采集
设计：李波
Trumpf CO2激光器控制系统
控制系统结构图
设计：李波
设计：李波
2012.8.22
设计：李波
轴快流CO2激光器基本原理
光的受激辐射
设计：李波
CO2激光器的受激辐射
设计：李波
激光的特性
设计：李波
单色性
相干性
方向性
激光模式
设计：李波
TEM00 Mode <1000Watts
D Mode 1000-4000Watts
Q Mode >4000Watts
轴快流激光仍将是工业加工中的主流激光器
设计：李波
• 薄板+ 3D切割： 光纤激光器占优 • 厚板+非金属/金属+切割+ 价格： CO2激光器具有明显优势
来自德国“Fraunhofer研究所”研究结果
Trumpf最新10kW激光器
设计：李波
激光切割的市场需求
设计：李波
德国Trumpf推出了功率高达12kW的CO2激光复合加工机和功率高达 15kW的三维CO2激光切割机，表明了激光加工装备的高功率发展趋势！
1、滤波器 2、整流器 3、变频器 4、中间电路5、制动斩波器 6、磁轴承控制器 7、逆变器 8、正弦波滤波器 9、涡轮风机
磁轴承控制器
设计：李波
1、径向传感器，上 2、径向磁轴承，上 3、控制器MBE-50 4、轴向磁轴承 5、保护轴承，上 6、轴向传感器 7、驱动轴 8、转子 9、定子 10、保护轴承，下 11、径向磁轴承，下 12、速度传感器 设计：李波 13、径向传感器，下
模块地址编码
设计：李波
RM2-DP12模块
设计：李波
输入模块
设计：李波
输出模块
设计：李波
设计：李波
设计：李波
9、数码管状态显示 10，11、控制板 13、+5V，+\-15V电源
14、24V电源
1、A7通信接口板(RS232,Canbus) 2、A8 Profibus接口板 3、Profibus接口 4、A10安全联锁接口板 5、X8测量插头 6、扩展板
33
阻抗匹配布置
设计：李波
为每台电源配置一个阻抗匹配器
阻抗匹配布置
设计：李波
1、左匹配器
2、右匹配器
AS：窗口
反射功率变化曲线
设计：李波
匹配网络对反射功率的影响
设计：李波
a、正常的匹配曲线
b、增长串联线圈
c、减小串联线圈
放电建立时间
设计：李波
匹配失调的原因 1、工作气压 2、气体比例变化 3、气体纯度 4、气体温度(冷却系统故障) 5、射频功率幅值 6、射频连接 7、射频电缆或电极物理位置 8、参数MD48错误 9、反射功率计故障
光束质量参数
设计：李波
轴快流CO2激光器的诞生
设计：李波
轴快流CO2激光器是在早期的封离式圆形玻璃管纵向激 励CO2激光器的基础上发展而来的。 1965年，Bridge和Petel将放电管壁的温度冷却到60ºC以下来提高激光器的输出功率。 Moeller, Rigder[8]以及Patel[9]等人则采用风冷和水冷的方式来 使放电管冷却。 1969年Cool等人将快速流动技术引入到了这种激光器 中，通过工作气体的高速流动来使其冷却，从而获得 了较高功率的激光输出。
设计：李波
Trumpf轴快流CO2激光器概述
激光器构成
设计：李波
冷水机 控制系统 射频电源
激光发生器 操作面板
激光发生器构成
设计：李波
热交换器
涡轮风机
激光谐振腔
光闸
功率计
激光器支撑
激光谐振腔构成
设计：李波
转折镜
窗口与尾镜
放电管
基本工作原理
设计：李波
设计：李波
Trumpf CO2激光器谐振腔
德国Trumpf 12kW-CO2激光切 割、焊接和表面处理复合加工机
德国Trumpf 的15kW-CO2 激光三维激光切割机
重大行业应用
设计：李波
现代船舶制造中已开始大量使用的轻型“三明治”多层空心结构厚钢板的 切割加工，更是对万瓦轴快流激光切割装备提出了迫切需求。
德国Trumpf公司的12kW--20kW轴快流CO2激光器已用于世界上许多大型船 厂的生产线上，可大大提高船舶的有效载荷，并大幅度减低制造成本。 日本的Kawasaki重工等造船企业已经安装了高功率激光平板切割系统。德国的 Meyer Werft也安装了四台12KW的CO2激光器，用来焊接不同长度的船体加强杆
设计：李波
设计：李波
Trumpf CO2气体循环冷却
气体循环原理图
设计：李波
风机罩
设计：李波
1、涡轮风机 2、叶轮 3、风机罩 4、热交换器 5、翅片管 6、冷却水入口 7、气体入口 8、气体出口
设计：李波
涡轮风机
热交换器
设计：李波
1、叶轮 2、外壳 3、扩散器 A、气体入口 B、气体出口
脉冲宽度 脉冲宽度 间歇宽度
X 100 %
设计：李波
斜坡模式
设计：李波
设计：李波
设计：李波
1、供电电源 2、控制电源 3、控制器 4、磁轴承驱动 5、传感器信号处理 6、数字接口 7、LCD显示 A、到磁轴承的信号 B、磁轴承返回信号
风机启停曲线
设计：李波
设计：李波
气体混合器原理图
设计：李波
激光器工作过程中的气压曲线
设计：李波
1、抽气 2、自动净化 3、充气 4、Beam off 5、Beam on 6、Beam off 7、关机
谐振腔结构
设计：李波
US：转折镜
RS：尾镜
AS：窗口
设计：李波
1、窗口
2、尾镜
3、转折镜
4、转折镜安装组件
设计：李波
1、调节垂直方向 2、调节水平方向
模式检测工具
设计：李波
1、热敏板
2、紫外灯
检测示意图
设计：李波
1、热敏板
2、紫外灯
3、激光束（尾镜）
设计：李波
未调整好的模式分布
调整好的模式分布
主控制器
设计：李波
CP 600-S
处理器 存储 操作系统 维护
奔腾133M 32M Ram 8M flash Vx Works 免维护
设计：李波
设计：李波
1、32路输入模块
2、32路输入模块 3、RM2-DP12模块 4、数码管状态显示 5、Profibus DP接口 6、+24V电源 7、扩展槽 8、32路输出模块 BE1-BE4：输入插槽 BA1-BA4：输出插槽
射频功率反馈
设计：李波
射频功率控制
设计：李波
射频电源控制信号
设计：李波
RF ON
RF OFF
设计：李波
连续模式
脉冲模式
连续工作模式
设计：李波
连续工作模式
设计：李波
设计：李波
门控频率=200Hz
设计：李波
门控频率=5000Hz
设计：李波
门控频率=50000Hz
设计：李波
负载周期 TV
设计：李波
射频放电特点
设计：李波
电极位于放电管外，是电容耦合的横向放电(放电方向垂直 于光束方向)； 电极形状要求严格，以提高放电的对称性； 起辉电压低； 放电均匀稳定，无可见的放电辉光抖动； 易于调制，调制脉冲频率可达100kHz； 电源复杂，易产生辐射污染，电源及放电管须进行屏蔽。
轴快流CO2激光器
射频激励轴快流CO2激光器
射频电源
3 1
设计：李波
激光器谐振腔
匹配网络
2
2
激 光 器 中 央 控 制 系 统
7
7
8
全自动混气单元
6
4
冷水机 气体循环冷却系统
5
N2
CO2
He
Air
1 激光谐振腔 2 谐振腔镜片 3 放电电极 4 涡轮风机 5 真空泵 6 电磁阀 7 风机出气口换热器 8 风机进气口换热器
Profibus连接原理图
设计：李波
设计：李波
1、Profibus通信电缆
2、以太网线
A、TASC3控制系统 B、BUSCH IO模块
C、射频电源控制模块
设计：李波
TASC3 控制系统
1、软驱
2、电源 3、射频电源控制模块
4、多功能板
5、扩展插槽 6、CP600S嵌入式系统 7、Profibus从模块 8、Profibus主模块
激光烧斑图样
设计：李波
wenku.baidu.com
扩束镜
设计：李波
1、凹面镜
a、进入的光束直径
2、凸面镜
b、离开的光束直径
采用扩束镜延长激光加工的可用光程，在飞行光路激光加工中广泛应用。
光闸
设计：李波
设计：李波
Trumpf CO2放电结构
多根放电管串联
设计：李波
放电结构
设计：李波
1、玻璃管
2、放电区
3、放电电极
两种放电结构
设计：李波
1、扩散器
2、叶轮
风机结构
设计：李波
1、叶轮 2、上保护轴承 3、转子（永磁） 4、定子 5、下保护轴承 6、驱动轴 7、磁板
定子
设计：李波
1、水冷
2、开口
3、线圈
4、电机电缆
5、电机温度电缆
设计：李波
1、正弦波滤波器
2、变频器
3、混合滤波器
4、操作面板KP100
风机控制原理
设计：李波
气压控制原理
设计：李波
设计：李波
Trumpf CO2激光器功率检测
功率检测方法－输出激光采样
设计：李波
功率检测方法－尾镜取样检测
设计：李波
Trumpf激光器功率采集
1、尾镜 3、冷却水
设计：李波
2、功率传感器 4、模拟量采集
设计：李波
Trumpf CO2激光器控制系统
控制系统结构图
设计：李波