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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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3 切割過(guò)程中等離子云對焦點(diǎn)位置檢測系統的影響
在工件尚未被切穿的瞬間，激光和金屬相互作用，在噴嘴和加工對象之間產(chǎn)生云霧狀等離子體，改變電容極板之間的介質(zhì)，從而對電容傳感器產(chǎn)生干擾。在正常切割過(guò)程中，輔助氣體將等離子體從切縫中吹散，對電容傳感器產(chǎn)生影響較小。但如果加工速度太快和剛開(kāi)始切割時(shí)，由于工件未被完全切穿，激光照射點(diǎn)附近會(huì )產(chǎn)生等離子體云，對電容傳感器產(chǎn)生干擾，嚴重時(shí)甚至使傳感器無(wú)法正常工作，嚴重影響加工質(zhì)量。圖4為等離子體干擾示意圖。 
由電磁學(xué)原理可知，相鄰的兩個(gè)極板間電容量為
C=εS/h
式中ε---極板之間介電常數)一般為(1)
S---極板相對有效面積
h---兩極板間距離
如果沒(méi)有等離子體的干擾，那么，根據式(1)所測到的電容就和極板（噴嘴和加工對象）之間距離成反比，由電容量可以方便求出兩極板間距離，進(jìn)而求出焦點(diǎn)和被加工對象之間的相對位置。
但是，當噴嘴和被加工對象之間存在等離子體或噴渣時(shí)，電容極板之間的電介質(zhì)就不是空氣了，其介電常數就發(fā)生變化。由電容原理公式，此時(shí)兩個(gè)極板間電容量為：
C'=ε S1 /[(h-h1)+h1ε/ε1 ]+εS2/h (2)
式中ε1---等離子體的介電常數
h1---等離子體云的厚度
S1 + S2 =S分別為有等離子云或噴渣的區域和無(wú)等離子云或噴渣的區域的面積。
如果等離子云均勻分布于噴嘴和被加工對象之間的一定高度范圍之內，則電容傳感器所測得的兩極板間距離為：
h'=(h-h1)+ h1ε/ε1 (3)
檢測的誤差理論值：
Δh = h'-h
= h1 (ε/ε1 -1) (4)
從式(4)可知，誤差的大小由極板間等離子體云的厚度及等離子體的介電常數決定。而等離子體介電常數具有非常大的值，可以達到105的數量級。所以由式(4)可以看出等離子云或噴渣對檢測結果的影響是非常大的，文獻[2～4]得出，如果等離子體云的厚度為1～2mm，則由電容傳感器檢測的兩極板間距離的理論誤差也達到1～2mm，顯然達不到激光焦點(diǎn)位置檢測的精度指標（為±0.2mm）。
4 傳感器優(yōu)化設計技術(shù)減少等離子云對檢測結果的影響
等離子體對電容傳感器的干擾是由于等離子體改變了電容兩極板之間的介質(zhì)。因此，為了消除等離子體對電容傳感器的干擾，就要使電容兩極板之間的介質(zhì)不受等離子體的影響，可以加大圓環(huán)形極板的中心小孔和將電容傳感器移至等離子云以外兩種方法來(lái)實(shí)現。
(1)要消除等離子體對電容量的影響，就要將等離子體置于電容傳感器的極板之外?？紤]到等離子云是沿切割點(diǎn)周?chē)植嫉?，因此可以如圖5所示：將圓環(huán)形極板的中心小孔直徑擴大至2～3mm并嵌入絕緣的耐高溫陶瓷材料，由于電容傳感器極板是空心的，在不考慮邊緣效應的情況下，照射點(diǎn)附近的等離子體云對傳感器電容量和檢測值不產(chǎn)生影響，所以采用這種辦法能有效地減小等離子云的干擾影響。 
(2)對于平面激光切割加工，還可以通過(guò)機械傳動(dòng)方法進(jìn)行間接測量。即通過(guò)一機械裝置跟隨被加工對象運動(dòng)，將機械裝置的上端和檢測傳感器形成極板，通過(guò)檢測傳感器和這個(gè)機械裝置之間的距離來(lái)間接檢測激光焦點(diǎn)和被加工對象之間的位置。這種方法可以最大限度避免了離子云和噴渣對檢測精度的影響，也發(fā)揮了電容傳感器響應迅速的優(yōu)點(diǎn)。
5 結論
激光焦點(diǎn)位置檢測與控制是激光切割加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，對于快速切割加工，焦點(diǎn)位置檢測精度和快速性將直接影響到焦點(diǎn)位置的控制精度和加工質(zhì)量，電容傳感器具有檢測靈敏度高、響應快速的優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)計算機系統的線(xiàn)性化來(lái)克服其非線(xiàn)性；
通過(guò)特殊的傳感器結構來(lái)消除加工過(guò)程中產(chǎn)生的等離子云和噴渣對檢測結果的影響，提高其在激光切割加工系統中的使用效果。
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