激光切割中的焦點(diǎn)位置檢測(cè)方法研究
加入技術(shù)交流群
激光切割加工具有切割精度高、切割速度快、熱效應(yīng)低、無(wú)污染、無(wú)噪音等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、船舶、航空航天和電子工業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用。而激光切割加工質(zhì)量與激光焦點(diǎn)與工件之間的相對(duì)位置有著密切的關(guān)系，保證激光焦點(diǎn)和切割對(duì)象之間的合理的相對(duì)位置是保證激光切割加工質(zhì)量的關(guān)鍵之一。
激光聚焦的焦點(diǎn)位置無(wú)法直接測(cè)量，但可以通過(guò)間接方法檢測(cè)。對(duì)于一個(gè)激光切割加工系統(tǒng)，其焦點(diǎn)位置是由聚焦鏡的光學(xué)焦點(diǎn)決定的，所以在聚焦鏡一定情況下其位置是不變的（不考慮聚焦鏡的熱效應(yīng)），因此可以通過(guò)檢測(cè)聚焦鏡和被加工對(duì)象之間的相對(duì)位置來(lái)間接檢測(cè)焦點(diǎn)和被加工對(duì)象之間的位置關(guān)系。
激光焦點(diǎn)和被加工對(duì)象之間的相對(duì)位置可以通過(guò)電感位移傳感器和電容傳感器來(lái)檢測(cè)，在使用中各有優(yōu)缺點(diǎn)。電感傳感器的響應(yīng)頻率較低，不太適用于高速加工和像!維加工這樣需要非接觸檢測(cè)的場(chǎng)合；電容傳感器，具有響應(yīng)速度快，檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，但在使用過(guò)程中存在非線性和易受激光切割加工過(guò)程中產(chǎn)生的等離子云和噴渣的干擾的影響。
本文將系統(tǒng)討論激光切割加工中激光焦點(diǎn)位置誤差的產(chǎn)生途徑和自動(dòng)消除誤差的控制系統(tǒng)的組成。在此基礎(chǔ)上分別討論了兩種傳感器檢測(cè)系統(tǒng)組成以及實(shí)際使用中存在的不足和克服的方法。
1 激光切割過(guò)程中焦點(diǎn)位置誤差的產(chǎn)生
在激光切割過(guò)程中，產(chǎn)生焦點(diǎn)和被加工對(duì)象表面之間相對(duì)位置發(fā)生變化的因素很多，被加工工件表面凸凹不平、工件裝夾方式、機(jī)床的幾何誤差以及機(jī)床在負(fù)載力下的變形、工件在加工過(guò)程中的熱變形等都會(huì)造成激光焦點(diǎn)位置和理想給定位置（編程位置）發(fā)生偏差。有些誤差（如機(jī)床的幾何誤差）具有規(guī)律性，可以通過(guò)定量補(bǔ)償方法進(jìn)行補(bǔ)償，但有些誤差為隨機(jī)誤差，只能通過(guò)在線檢測(cè)和控制來(lái)消除，這些誤差是：
1.1 工件幾何誤差
激光切割的對(duì)象為板材或覆蓋件型零件，由于各種?因的影響，加工對(duì)象表面具有起伏不平，且在切割過(guò)程中的熱效應(yīng)的影響也會(huì)產(chǎn)生薄板零件的表面變形，對(duì)于1維激光加工，覆蓋件在壓制成型過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生表面的不平，所有這些，都會(huì)產(chǎn)生激光焦點(diǎn)與被加工對(duì)象表面的位置與理想位置發(fā)生隨機(jī)變化。
1.2 工件裝夾裝置產(chǎn)生的誤差
激光切割加工的工件是放在針狀工作臺(tái)上，由于加工誤差、長(zhǎng)時(shí)間與工件之間的磨損和激光的燒傷，針床會(huì)出現(xiàn)凸凹不平，這種不平也會(huì)產(chǎn)生薄鋼板和激光焦點(diǎn)之間的位置的隨機(jī)誤差。
1.3 編程產(chǎn)生的誤差
在1維激光切割加工過(guò)程中，復(fù)雜曲面上的加工軌跡是通過(guò)直線、圓弧等擬合的，這些擬合曲線和實(shí)際曲線存在一定誤差，這些誤差使得實(shí)際焦點(diǎn)和加工對(duì)象表面的相對(duì)位置和理想編程位置產(chǎn)生一定誤差。而有些示教編程系統(tǒng)也會(huì)引入一些偏差。
2 激光切割過(guò)程中焦點(diǎn)位置在線檢測(cè)與控制系統(tǒng)的組成
如圖1所示，激光切割焦點(diǎn)位置在線檢測(cè)與控制系統(tǒng)由控制器、檢測(cè)系統(tǒng)、執(zhí)行裝置等部分組成。
獨(dú)立式焦點(diǎn)位置檢測(cè)與控制系統(tǒng)采用單獨(dú)的坐標(biāo)軸進(jìn)行焦點(diǎn)位置誤差的補(bǔ)償控制，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，但可與各種數(shù)控系統(tǒng)和激光切割機(jī)床配合使用。
而集成式采用激光切割機(jī)床本身的一個(gè)進(jìn)給軸（對(duì)平面加工）或多個(gè)進(jìn)給軸的合成（對(duì)于1維切割加工）運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行焦點(diǎn)位置誤差的補(bǔ)償。這種方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，易于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，但要求和數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性要求較高。
2.1 電容傳感器檢測(cè)電路
如圖2所示，電容傳感器檢測(cè)電路由調(diào)諧振蕩器、信號(hào)放大器、晶體穩(wěn)頻振蕩器、同步電路、混頻電路、信號(hào)處理電路等將電容量信號(hào)變成對(duì)應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)，通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行頻率采樣和處理，得到相應(yīng)的電容量。這里的電容為切割噴嘴和切割對(duì)象之間兩個(gè)極板形成的電容。顯然其電容量除了與兩個(gè)極板的面積有關(guān)外，還與極板之間的介質(zhì)、極板之間的距離有關(guān)。而這個(gè)距離就與激光聚焦鏡和工件之間的距離有關(guān)，也就是與激光焦點(diǎn)與工件之間的距離有關(guān)，所以電容量近似和焦點(diǎn)位置與切割對(duì)象之間的距離有關(guān)。這就是電容傳感器檢測(cè)焦點(diǎn)位置的原理。
2.2 電感傳感器檢測(cè)電路
如圖3所示，由于采用了最新的大規(guī)模集成電路，電感傳感器的檢測(cè)電路比較簡(jiǎn)單，且集成電路采用了新的調(diào)制解調(diào)方法和算法，減少了以前的檢測(cè)外差式調(diào)頻檢測(cè)電路方法由于傳感器的激勵(lì)信號(hào)的相角、頻率以及幅值漂移對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，大大提高了檢測(cè)精度和穩(wěn)定性。
傳感器信號(hào)通過(guò)處理后得到與傳感器測(cè)頭位移成正比的電壓信號(hào)，通過(guò)變換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理得到了焦點(diǎn)的位置誤差信號(hào)。
傳感器相關(guān)文章:傳感器工作原理
風(fēng)速傳感器相關(guān)文章:風(fēng)速傳感器原理 電容相關(guān)文章:電容原理 電容傳感器相關(guān)文章:電容傳感器原理
評(píng)論