激光切割中的焦点位置检测方法研究(一)

详细内容

引言

激光切割加工具有切割精度高、切割速度快、热效应低、无污染、无噪音等优点，在汽车、船舶、航空航天和电子工业中都得到了广泛的应用。而激光切割加工质量与激光焦点与工件之间的相对位置有着密切的关系，保证激光焦点和切割对象之间的合理的相对位置是保证激光切割加工质量的关键之一。

激光聚焦的焦点位置无法直接测量，但可以通过间接方法检测。对于一个激光切割加工系统，其焦点位置是由聚焦镜的光学焦点决定的，所以在聚焦镜一定情况下其位置是不变的（不考虑聚焦镜的热效应），因此可以通过检测聚焦镜和被加工对象之间的相对位置来间接检测焦点和被加工对象之间的位置关系。

激光焦点和被加工对象之间的相对位置可以通过电感位移传感器和电容传感器来检测，在使用中各有优缺点。电感传感器的响应频率较低，不太适用于高速加工和像!维加工这样需要非接触检测的场合；电容传感器，具有响应速度快，检测精度高等优点，但在使用过程中存在非线性和易受激光切割加工过程中产生的等离子云和喷渣的干扰的影响。

本文将系统讨论激光切割加工中激光焦点位置误差的产生途径和自动消除误差的控制系统的组成。在此基础上分别讨论了两种传感器检测系统组成以及实际使用中存在的不足和克服的方法。

1 激光切割过程中焦点位置误差的产生

在激光切割过程中，产生焦点和被加工对象表面之间相对位置发生变化的因素很多，被加工工件表面凸凹不平、工件装夹方式、机床的几何误差以及机床在负载力下的变形、工件在加工过程中的热变形等都会造成激光焦点位置和理想给定位置（编程位置）发生偏差。有些误差（如机床的几何误差）具有规律性，可以通过定量补偿方法进行补偿，但有些误差为随机误差，只能通过在线检测和控制来消除，这些误差是：

1.1 工件几何误差

激光切割的对象为板材或覆盖件型零件，由于各种?因的影响，加工对象表面具有起伏不平，且在切割过程中的热效应的影响也会产生薄板零件的表面变形，对于1维激光加工，覆盖件在压制成型过程中也会产生表面的不平，所有这些，都会产生激光焦点与被加工对象表面的位置与理想位置发生随机变化。

1.2 工件装夹装置产生的误差

激光切割加工的工件是放在针状工作台上，由于加工误差、长时间与工件之间的磨损和激光的烧伤，针床会出现凸凹不平，这种不平也会产生薄钢板和激光焦点之间的位置的随机误差。

1.3 编程产生的误差

在1维激光切割加工过程中，复杂曲面上的加工轨迹是通过直线、圆弧等拟合的，这些拟合曲线和实际曲线存在一定误差，这些误差使得实际焦点和加工对象表面的相对位置和理想编程位置产生一定误差。而有些示教编程系统也会引入一些偏差。

2激光切割过程中焦点位置在线检测与控制系统的组成

如图1所示，激光切割焦点位置在线检测与控制系统由控制器、检测系统、执行装置等部分组成。

频率和焦点位置误差之间的关系为非线性关系，必须通过计算机进行线性化处理。同时，由于电容量还和极板之间的介质有关，所以检测结果容易受加工过程中产生的等离子云和喷渣影响，必须加以克服。

2.2 电感传感器检测电路

如图1所示，由于采用了最新的大规模集成电路，电感传感器的检测电路比较简单，且集成电路采用了新的调制解调方法和算法，减少了以前的检测图1焦点位置控制系统框图图"外差式调频检测电路方法由于传感器的激励信号的相角、频率以及幅值漂移对检测结果的影响，大大提高了检测精度和稳定性。

传感器信号通过处理后得到与传感器测头位移成正比的电压信号，通过变换电路转换成相应的频率信号，通过计算机处理得到了焦点的位置误差信号。

由于电感传感器的固有特性，对被测信号的频率有一定的限制（几百），不太适用于高速加工场合，同时，由于其为接触式检测方式，只能用于平面加工场合。

3 切割过程中等离子云对焦点位置检测系统的影响

在工件尚未被切穿的瞬间，激光和金属相互作用，在喷嘴和加工对象之间产生云雾状等离子体，改变电容极板之间的介质，从而对电容传感器产生干扰。在正常切割过程中，辅助气体将等离子体从切缝中吹散，对电容传感器产生影响较小。但如果加工速度太快和刚开始切割时，由于工件未被完全切穿，激光照射点附近会产生等离子体云，对电容传感器产生干扰，严重时甚至使传感器无法正常工作，严重影响加工质量。图(为等离子体干扰示意图。

由电磁学原理可知，相邻的两个极板间电容量为

C=εS/h
式中ε---极板之间介电常数)一般为(1)
S---极板相对有效面积
h---两极板间距离

如果没有等离子体的干扰，那么，根据式(1)所测到的电容就和极板（喷嘴和加工对象）之间距离成反比，由电容量可以方便求出两极板间距离，进而求出焦点和被加工对象之间的相对位置。