激光成形闭环控制技术的研究进展

激光成形闭环控制系统指的是由激光机床、控 统和形状、温度监测系统等要素构成的封闭加 统，如图２所示。由于激光成形对激光束的模式 定要求，常规的切割、焊接等激光加工机（如 准分子、Ｎｄ：ＹＡＧ激光器）均可用于激光成形。 的激光成形，在三轴激光加工机上便可完成，对
图２激光成形闭环控制流程图
于复杂形状的工件，需采用五轴激光加工机，以期获 得任意的激光扫描轨迹。如果作为专用的激光成形 设备，还应当具有冷却装置、形状检测装置及红外测 温仪等。工作过程中，监测系统将工件的变形量等数 据实时地传输给控制系统，通过数据库或专家系统， 的比较、修正，调整激光机床的加工参数，从而达到
同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优 点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰 动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就 会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑 制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系 统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复 杂性，而且配置不当时会引起系统的不稳定。为提高 控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按 扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构 成复合控制系统。 ３．２激光成形闭环控制系统的构成
的变形。图ｌ是激光弯曲过程的工艺过程。用适当形 状和能量分布
温下难变形材料或高硬化指数金属的成形，也可实
的激光束以一
现与切割、焊接、刻蚀等激光加工工序的同工位复合
定速度沿一定
化㈣１。因此，对激光成形工艺的研究具有重要意义。
的轨迹扫描金
特别是与光敏树脂固化或叠层式激光快速原型相
属板料表面。
比，激光成形不仅能快速制作原型，而且可以直接成
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｐｐａｒａｔபைடு நூலகம்ｓ；Ｍｕｌｔｉ——ｐｏｉｎｔ ｆｏｒｍｉｎｇ；Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；Ｏｖｅｒｖｉｅｗ
万方数据
ＲＥＶＩＥＷ
进行这种加热和冷却过程，并且在每次扫描时可通 过控制加工工艺参数（激光束输出功率、光斑大小、 扫描速度等）改变每次的弯曲角度，从而使板料得到 所要求的弯曲变形。
ｆａｃｅ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｓｕｒｆａｃｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ａｌｓｏ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｄｉｖｅｒｓｉｆｉｅｄ ｃｏｖｅｒ ｐｉｅｃｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｖｅｈｉｃｌｅ，ｐｌ
ｓｔｅａｍｓｈｉｐ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ．
ｆｏｒｍｉｎｇ ｍｅｎｔ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｓｐｅｃｉａｌ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ
ｐａｒｔ＇ｓ ｓｈａｐｅ ｅｒｒｏｒ ａｎｄ ｆｅｅｄ ｉｔ
ｔｏ ＭＰＦ７Ｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｉｓ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｓｈｅｅｔ ｍｅｔａｌ＂ｓ ｑｕａｄｒａｔｉｃ ａｎｄ ｔｒｉｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｓｐｒｉｎｇ ｂａｃｋ ｐｒｏｈｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｅｅｔ ｍｅｔａｌ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｉｎｓｐｅｃｔ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ
ｍｕｈｉｐｏｉｎｔ ｆｏｒｍｉｎｇ ｐａｒｔ ａｎｄ ｌｅａｖｅ ｏｕｔ ａｌｏｎｇｓｉｄｅ ｗｏｏｄ ｐａｔｔｅｒｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｎｏｎ—ｃｏｎｔａｃｔ ３ Ｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｈａｖｅ
ｂｅｅｎ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｆｅｅｌｅｒ．Ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｍｕｈｉｐｏｉｎｔ ｆｏｒｍｉｎｇ ｐａｒｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｘａｍｉｎｅｄ．Ｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔ ｆｏｒｍｉｎ９７Ｓ
ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｗｉｔｈ ＭＰＦ’Ｓ ｓｅｃｏｎｄ ｔｉｍｅ ｍｏｌｄｉｎｇ，ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，ａｎａｌｙｓｉｓ，ａｄｊｕｓｔｉｎｇ，ｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅ—
３激光成形过程的闭环控制 ３．１闭环控制
闭环控制是由信号正向通路和反馈通路构成闭 合回路的自动控制系统，又称反馈控制系统。所谓反 馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制， 即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏 差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制 系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包 含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一 个闭合的回路，因此，反馈控制系统又称为闭环控制 系统。反馈控制是自动控制的主要形式，自动控制系 统多数是反馈控制系统。在工程上常把在运行中使 输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动 调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的 反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。反馈控制 系统由控制器、受控对象和反馈通路组成。
图５激光微加工系统构成
４结论 目前，激光成形的难点之一在于制做出满足预
定形状及精度要求的工件；作为一种累积成形，要满 足效率高、能耗少、稳定控制的最佳工艺参数组合是 其难点之二。激光成形要进入大规模的工程应用，则 闭环控制技术的发展与完善，并与工艺过程的有机 复合是急需解决的问题。
【参考文献】
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过程的稳定性与结果的可靠性，必须进行闭环控制。闭环控制技术能在保证加工质量的前提下获得最优的加
工参数。实现激光成形的闭环控制，不仅可实现激光弯曲精密成形，而且可实现成形过程的智能化。
关键词：机械制造；闭环控制；激光成形；板料；综述
中图分类号：ＴＦｌ２４．３９
文献标识码：Ａ
１引言
２激光成形的工艺过程
板料激光弯曲成形是一种近年来新兴的塑性加
使板料局部瞬
形工件。因此，它在航空航天、造船、汽车等众多：【业
间加热至高温
部门有着广阔的应用前景。
图１激光弯曲成形的工艺过程
状态，在热作
１．扫描线２．夹持器３．板料
用区域内板厚
收稿日期：２００８－－０１一１７
方向上产生明显的温度梯度，同时在滞后于激光束
作者简介：王家安（１９８０一），男，助理工程师，从事塑性成形工艺的设
基于材料的热胀冷缩特性，利用高能激光束扫
工方法。它是基于材料热胀冷缩特性，利用激光扫描 描金属薄板表面，在热作用区产生强烈的温度梯度，
板料产生的热应力成形。与传统的塑性加工方法相 引起超过材料屈服极限的内应力，使板料产生所需
比，它具有快速柔性、无模、无外力、清洁无噪声等优 点。而且激光成形作为一种热态累积成形，可实现常
墩精确的弯曲变形控制！！竺！塑。
３．３典型激光成形闭环控制工艺 方管的激光弯曲是管材激光成形中比较典型的
工艺，根据其外形和所要弯曲的几何形状的不同，通 过选择不同的照射区域，就可成形变化多端的形状， 其变形机理很复杂。图３是德国学者Ａ．Ｈｕｔｔｅｒｅｒ在 激光加工机上，通过闭环控制完成的零件及其工艺 过程【１３１。通过闭环控制的传感器，改善柔性成形过程 的可重复性以及效率。
态．激光技术，１９９９，２３（５）：３１９—３２３． 【１１］宁国庆，钟敏霖，杨林，等．激光直接制造金属零件过程的闭环
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程．应用激光，２００１，２１（５）：３０３—３０５． 【１３】Ａ．Ｈｕｔｔｅｒｅｒ，Ｔ．Ｍｅｎｚｅｌ，Ａ．Ｏｔｔｏ，ｅｔ ａ１．Ｆｅａｔｕｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ａｄｖａｎｃｅｄ
某距离处，用水流或气流沿扫描轨迹进行冷却。一次
计与生产
扫描后板料即获得一个小的弯曲角度，循环往复地
—－卜一＋－＋－＋－＋一＋－—卜—＋－－４－－＋一十－＋－—＋—·十·＋－＋‘＋－＋－—＋－。＋—＋－十－。●一。十‘１＿卜’‘卜‘。。十‘。—卜。‘’卜‘—卜’十。十‘。卜。十。１卜。‘。卜。十。十４‘卜’十‘。‘＋’。‘卜‘—卜。—卜。。。’一’
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板料激光弯曲是一个非常复杂的热力耦合过 程，影响其成形的因素很多【６叫，包括成形的工艺参 数、材料性能参数、板料几何参数以及光学参数等。 在板料激光成形过程中，升温与降温同在，加载（应 力增加）与卸载（应力衰减）并存，有时还可能产生屈 服与反向屈服现象；材料性质与温度相关；热载荷位 置动态变化；温度和变形相互影响等。
图３方管的激光成形闭环控制
Ｇ．Ｔｈｏｍｓｏｎｔｌ４，１５ｌ用激光成形闭环控制系统成形了 汽车车门，其工艺过程如图４所示，这代表着目前该 领域应用研究的较高水平。
随着微机械制造技术和微型机电系统ＭＥＭＳ （Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）的研究与应用， 激光加工的一个新兴分支——激光微加工正在蓬勃 地兴起。激光微加工一般是指特征尺寸小于１００／比ｍ 的加工。激光微加工和其他微加工方法相比具有明 显的优越性：加工条件简单、功率密度高、加工对象 广泛等，此外，还有应用领域广泛，诸如精密打孔、精
Ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ ３Ｄ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ＭＰＦ
ＦＵ Ｗｅｎｚｈｉ，ＬＩ Ｍｉｎｇｚｈｅ，ＤＥＮＧ Ｙｕｓｈａｎ，ＬＩＵ Ｆｅｉ
（Ｄｉｅｌｅｓｓ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｅｈｕｎ １３００２５，Ｊｉｌｉｎ Ｃｈｉｎａ）
ＲＥＶｌＥＷ
文章编号：１６７２—０１２１（２００８）０２—００２１—０３
激光成形闭环控制技术的研究进展
王家安－。王慧敏２。高鹏’，张鹏２ （１．北京航星机器制造公司，北京１０００１３； ２．哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨１５０００１）
摘要：分析了激光成形的工艺过程以及影响成形的因素。为了克服外界干扰对激光加工的影响，确保加工
万方数据
ＲＥＶｌＥＷ
图４汽车车门的激光成形过程 （ａ）激光切割下料（ｂ）激光弯曲成形（ｃ）将板料反转（ｄ）向对 面进行弯曲成形（ｅ）成形细部，并切出总体轮廓
密切割、精密成形、精密焊接等。在进行激光微加工 时，要求激光的功率可调、加工方式可调、激光脉冲 宽度可调，并且可以对加工区域和加工过程进行显 微观察和存储，因此，一般激光微加工系统也应实施 闭环控制。激光微加工系统的构成如图５所示ｆｌｑ。