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激光切割中的焦點(diǎn)位置檢測方法研究
作者：
時(shí)間：2013-09-12
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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引言
激光切割加工具有切割精度高、切割速度快、熱效應低、無(wú)污染、無(wú)噪音等優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)、船舶、航空航天和電子工業(yè)中都得到了廣泛的應用。而激光切割加工質(zhì)量與激光焦點(diǎn)與工件之間的相對位置有著(zhù)密切的關(guān)系，保證激光焦點(diǎn)和切割對象之間的合理的相對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)法直接測量，但可以通過(guò)間接方法檢測。對于一個(gè)激光切割加工系統，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），因此可以通過(guò)檢測聚焦鏡和被加工對象之間的相對位置來(lái)間接檢測焦點(diǎn)和被加工對象之間的位置關(guān)系。
激光焦點(diǎn)和被加工對象之間的相對位置可以通過(guò)電感位移傳感器和電容傳感器來(lái)檢測，在使用中各有優(yōu)缺點(diǎn)。電感傳感器的響應頻率較低，不太適用于高速加工和像!維加工這樣需要非接觸檢測的場(chǎng)合；電容傳感器，具有響應速度快，檢測精度高等優(yōu)點(diǎn)，但在使用過(guò)程中存在非線(xiàn)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的組成。在此基礎上分別討論了兩種傳感器檢測系統組成以及實(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)和被加工對象表面之間相對位置發(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、機床的幾何誤差以及機床在負載力下的變形、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（如機床的幾何誤差）具有規律性，可以通過(guò)定量補償方法進(jìn)行補償，但有些誤差為隨機誤差，只能通過(guò)在線(xiàn)檢測和控制來(lái)消除，這些誤差是：
1.1 工件幾何誤差
激光切割的對象為板材或覆蓋件型零件，由于各種?因的影響，加工對象表面具有起伏不平，且在切割過(guò)程中的熱效應的影響也會(huì )產(chǎn)生薄板零件的表面變形，對于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)與被加工對象表面的位置與理想位置發(fā)生隨機變化。
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上，由于加工誤差、長(cháng)時(shí)間與工件之間的磨損和激光的燒傷，針床會(huì )出現凸凹不平，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，復雜曲面上的加工軌跡是通過(guò)直線(xiàn)、圓弧等擬合的，這些擬合曲線(xiàn)和實(shí)際曲線(xiàn)存在一定誤差，這些誤差使得實(shí)際焦點(diǎn)和加工對象表面的相對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(xiàn)檢測與控制系統的組成
如圖1所示，激光切割焦點(diǎn)位置在線(xiàn)檢測與控制系統由控制器、檢測系統、執行裝置等部分組成。 
根據焦點(diǎn)位置檢測控制系統和系統的關(guān)系，焦點(diǎn)位置檢測控制系統分為獨立式和集成式兩種。
獨立式焦點(diǎn)位置檢測與控制系統采用單獨的坐標軸進(jìn)行焦點(diǎn)位置誤差的補償控制，機械結構復雜，成本較高，但可與各種數控系統和激光切割機床配合使用。
而集成式采用激光切割機床本身的一個(gè)進(jìn)給軸（對平面加工）或多個(gè)進(jìn)給軸的合成（對于1維切割加工）運動(dòng)來(lái)進(jìn)行焦點(diǎn)位置誤差的補償。這種方式具有結構簡(jiǎn)單、成本低，易于調整等優(yōu)點(diǎn)，但要求和數控系統統一設計，對數控系統的開(kāi)放性要求較高。
2.1 電容傳感器檢測電路
如圖2所示，電容傳感器檢測電路由調諧振蕩器、信號放大器、晶體穩頻振蕩器、同步電路、混頻電路、信號處理電路等將電容量信號變成對應頻率的脈沖信號，通過(guò)對脈沖信號進(jìn)行頻率采樣和處理，得到相應的電容量。這里的電容為切割噴嘴和切割對象之間兩個(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)位置與切割對象之間的距離有關(guān)。這就是電容傳感器檢測焦點(diǎn)位置的原理。 
從圖中可以看出，頻率和焦點(diǎn)位置誤差之間的關(guān)系為非線(xiàn)性關(guān)系，必須通過(guò)計算機進(jìn)行線(xiàn)性化處理。同時(shí)，由于電容量還和極板之間的介質(zhì)有關(guān)，所以檢測結果容易受加工過(guò)程中產(chǎn)生的等離子云和噴渣影響，必須加以克服。
2.2 電感傳感器檢測電路
如圖3所示，由于采用了最新的大規模集成電路，電感傳感器的檢測電路比較簡(jiǎn)單，且集成電路采用了新的調制解調方法和算法，減少了以前的檢測外差式調頻檢測電路方法由于傳感器的激勵信號的相角、頻率以及幅值漂移對檢測結果的影響，大大提高了檢測精度和穩定性。
傳感器信號通過(guò)處理后得到與傳感器測頭位移成正比的電壓信號，通過(guò)變換電路轉換成相應的頻率信號，通過(guò)計算機處理得到了焦點(diǎn)的位置誤差信號。 
由于電感傳感器的固有特性，對被測信號的頻率有一定的限制（幾百），不太適用于高速加工場(chǎng)合，同時(shí)，由于其為接觸式檢測方式，只能用于平面加工場(chǎng)合。
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