（光学工程专业论文）大功率nd：yag激光切割高度调节技术的研究.pdf

摘要 摘要 n d ：y a g 激光波长为1 0 6um ，可直接用光纤传输，配合多轴联动机器 手，便可以灵活、准确的进行激光三维加工。为保证切割质量和减少示教的 工作强度，n d ；y a g 激光切割需要增加一个与机器手独立的z 轴调节通 过检测喷嘴与工件的间隙，能够根据工件起伏自动调节焦点位置和喷嘴高 度。本文的工作就是设计套带有缝隙检测机制能够实现自动高度调节的激 光切割头。 在系统的整体设计方案上，本文舍弃了两种喷嘴不动的方案，而仍然采 用聚焦透镜和喷嘴同步运动的调节方式。缝隙检测环节是通过自行设计的非 接触电容传感器来实现，其中传感器的变送器使用参考电容法，选用通用电 容传感器接口芯片，配合附属元件构成电容到电压的转换电路；采用切割头 最底端的铜嘴即为检测元件的集成化设计，它与切割头其它部分通过陶瓷体 绝缘。采用步进电机作为执行机构：通过齿轮和螺旋槽实现传动。整个随动 系统通过单片机控制，采用模糊控制，并用汇编语言编写控制程序。光学设 计上选用焦距为1 2 0 m m 的平凸聚焦透镜。 实验中发现电机会对传感器电路产生明显干扰，最后通过电机与其它部 分绝缘、接地等措旄基本消除了干扰，并得到了比较稳定的传感器输出曲线。 模拟和实际跟随实验都得到了满意的跟随效果。完全能够达到课题初所制定 的2 m r a i n 和最大倾角3 0 度的随动要求。 关键词：高度调节缝隙检测非接触电容位移传感器n d ：y a g 激 光切割。 第1 页 摘要 a b s t r a c t b e c a u s eo f t h ei 0 6 “mw a v e l e n g t h ，n d ：y a gl a s e rb e a mc a nb et r a n s m i t t e d c o n v e n i e n t l yb yf i b e r ，a n da s s i s t e db yr o b o ta r m i tc a nb ef l e x i b l ya n d a c c u r a t e l y u s e dt ot h r e e d i m e n s i o n a ll a s e rm a c h i n i n g i no r d e rt oe n s u r eag o o dc u t t i n g q u a l i t ya n dl i g h t e nt h ei n t e n s i t yo f l a b o ri nd e m o n s t r a t i o nf o rt h er o b o ta r m ，t h e r e s h o u l db eaa d d i t i o n a lz a x i sa d j u s t m e n ti nn d ：y a gl a s e r c u t t i n g ，w h i c hi s i n d e p e n d e n to f t h er o b o ta i i na d j u s t m e n t t h a ti s ，i tc a nd e t e c tt h eg a bb e t w e e n l a s e rc u t t i n gh e a da n dw o r k p i e c e ，a n da u t o m a t i c a l l ya d j u s tt h ep o s i t i o no ff o c u s a sw e l la st h eh e i g h to f t h ec u t t i n gh e a d t h e o b j e c t i v eo f t h ep a p e ri st od e s i g na n d ：y a gl a s e rc u t t i n gh e a dw i t hg a p s e n s o f i n ga n dh e i g h ta d j u s t i n gm e c h a n i s m i nt h es y s t e md e s i g n ，b o t hs c h e m e st h a tt h ec u t t i n gh e a dd o e s n tm o v ea r e a b a n d o n e d ，a n dt h es y n c h r o n o u sa d j u s t i n gm a n n e ri sa d o p t e d g a pd e t e c t i n gi s f u l f i l l e db yac o n t a c t l e s sc a p a c i t i v ed i s p l a c e m e n ts e n s o r ，w h i c hi s d e s i g n e db y m y s e l f u s i n gau n i v e r s a lt r a n s d u c e ri n t e r f a c e ( u t i ) c h i p ，t h et r a n s d u c e rc a n d e t e c tt h er e l a t i v e c a p a c i t i v ec h a n g eo ft h em e a s u r i n gc a p a c i t y t oaf i x e d r e f e r e n c ec a p a c i t y ，a n dg e n e r a t e sac o n s e q u e n tv o l t a g eo u t p u t t h ei n t e g r a t e d d e t e c t i n ge l e m e n ti s t h en o z z l ea tt h eb o t t o mo ft h e c u t t i n g h e a d ，w h i c hi s i n s u l a t e df r o mt h ec u t t i n gh e a db yac e r a m i cc o n n e c t o r t h es y s t e mi sd r i v e nb ya s t e pm o t o r ，a n dt w og e a r sa n das p i r a ls l o ts e r v ef o rt r a n s m i s s i o n t h ew h o l e p o s i t i o nf o l l o w i n gs y s t e m i sc o n t r o l l e db ya s c m ，a d o p t sf u z z yc o n t r o l ，a n d t h e p r o g r a m i sw r i t t e ni na s s e m b l el a n g u a g e t h el a s e rb e a mi sc o n c e n t r a t e do nt h e w o r k p i e c et h r o u g h a p i a n o c o n v e xl e n sw j t l la1 2 0 m m f o c u s l e n g t h i nt h ee x p e r i m e n t ，i tf i n d st h a tt h em o t o rb r i n g sao b v i o u sd i s t u r b a n c ei n p u t t ot h es e n o rt r a n s d u c e rc i r c u i t f i n a l l y ，t h ed i s t u r b a n c ei se l i m i n a t e db yi n s u l a t e t h em o t o rf r o mt h ec u t t i n gh e a d ，a sw e l la sb yap r o p e rg r o u n d i n g ，c o n s e q u e n t l y ， a r e l a t i v e l ys t a b l es e n s o ro u t p u t c u r v ei sa t t a i n e d a s a r i s f y i n gf o l l o w i n ge f f e c ti s a c h i e v e di nb o t ht h es i m u l a t i v ea n dt h ep r a c t i c a lf o l l o w i n ge x p e r i m e n t ，a n di t r e a c h e st h er e q u i r e m e n to fc l i m b i n ga3 0 0i n c l i n e dp l a n ea t2m m i nc u t t i n g s p e e d ，w h i c h i sp u tf o r w a r da tt h eb e g i n n i n go f t h e p a p e r k e yw o r d s ：h e i g h ta d j u s t i n g ，g a pd e t e c t i n g ， c o n t a c t l e s s c a p a c i t i v ed i s p l a c e m e n ts e n s o r ， n d ：y a gl a s e rc u t t i n g 第1 i 页 北京工业大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：堡，垫翌 日期 关于论文使用授权的说明 2 哪 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：堡，叁里导师签名：弛日期 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 前言 激光加工技术作为一种先进的制造技术，在工业生产中得到了越来越广 泛的应用。目前，用于激光材料加工激光器主要有c 0 2 激光器和n d ：y a g 激 光器等。n d ：y a g 激光具有：可用光纤传输，吸收率高，激光器结构紧凑等 优点，使得n d ：y a g 激光器在一些加工领域打破了c 0 2 激光器统治地位；配 合多轴联动机器手，便可以灵活、准确的用n d ：y a g 激光进行多种三维加工。 ， 在激光切割时，根据被加工工件的不同，应使激光焦点位于被加工工件 表面以下l 3 的板厚处，通常要保证切割头的喷嘴与工件表面缝隙在 - o 5 1 5 r a m 间( 通常是l m m ) ，从而得到合适的焦点位置和气流。但由于运 输、先期工序，以及加工过程中局部受热等诸多因素，某些工件局部不可避 免的会存在若干不规则的形变1 2j 。然而，预先设计的加工程序，例如使用c a d c a m 、示校等，不能完全反映出这些形变尤其是面积小、变化缓慢的突 起或凹陷。这势必导致：在切割质量方面，无法严格保证合适的焦点位置， 切割效果变差，甚至无法切割；对于切割头本身，形变严重的工件可能会导 致与切割头的碰撞，造成切割头损伤或损坏! 因此，有必要设计一套带有缝隙调节机制( g a ps e n s o rm e c h a n i s m ) 的切 割头：首先通过传感器自动检测喷嘴与工件间的缝隙的变化；然后，主控制 电路将传感器的输出变化采集进来，通过一定的控制算法，向调节机构 电机，输出一个合适的调节信号；电机水平方向上的转动，通过传动机构一 一例如齿轮、齿形带、螺旋槽或者蜗杆等，转化为切割头在垂直方向上的上 升或下降，使得喷嘴与工件间的缝隙基本保持恒定，从而保证切割质量。 带有缝隙调节机制的激光切割头在提高切割质量的同时，还可以大大减 轻切割前示校工作的劳动强度，提高加工效率。 1 2 激光切割缝隙调节技术现状及分析 目前，国外已经开发出带有缝隙调节机制的激光切割头，并已成为商品 在市场上销售，但其价格不菲通常都在1 0 0 0 0 美元以上：而国内由于激 北京工业大学工学硕j 二学位论文 光加工技术整体起步较晚，因而带缝隙调节机制的激光切割头尚未有产品在 市场上出现。据悉，北京密云机床厂已经研制出整套的随动系统并通过 妄图 轺萤 头吾 例 适用：n d ：y a g 机器手3 d 加工 内置集成的非接触电容传感器 透镜可事先手动调节聚焦 透镜及其连接部件水冷却或空气冷却 透镜焦距：7 3 r a m 透镜直径：3 0 m m 传感器分辨率： o o l m m 调节精度：0 i m m 缝隙调节范围：0 3 5 o m m 质量：i i k g 带碰撞检测功能 适用：n d ：y a g 机器手3 d 加工 内置集成的非接触电容传感器 透镜可事先手动调节聚焦 透镜及其连接部件水冷却或空气冷却 透镜焦距：8 0 m m 1 2 0 m m 1 5 0 m m 透镜直径：50 m m 50 i i l l n 5 2 m m 传感器分辨率： o 0 l m m 调节精度：0 1 n m 缝隙调节范围：0 3 5 o m m 质量：1 1k g 1 ik g 1 1 k g 带碰撞检测功能 妄图 h 羚 产 实 侈0 鉴定，上海光机所也在抓紧研制整套切割头，但均未有成品出售。国际上有 若干公司生产带缝隙调节机制的激光切割头产品，如p r e c i t e c 、h y p e r t h e r m 等，其中以德国的p r e c i t e c 公司的l a s e r m a t i c z 系列最为知名，可用于c o , 量里切割、曼q i ：3 q 切割和n d ：y a g 3 d 切割。图1 1 和图1 2 分别为n d ：y a g - 3 d 系列的y r 3 0 和y k 5 2 切割头的主要性能指标。 经查阅资料后分析，带有缝隙调节机制( g a ps e n s o rm e c h a n i s m ) 的切割 头由以下几部分组成快速性和精确性是各部分都要满足的p j 。 1 2 1 传感器及变送电路 第1 霈绪论 传感器及变送电路单元是整套系统的开始环节，首先需要将喷嘴与工件 间缝隙的大小和变化情况检测出来，然后输入到后续电路；变送器是将检测 元件得到的初始信号经过滤波、放大等环节后，转换为后续控制电路所需的 电压信号或电流信号。同时，传感器环节也是整个系统的难点所在目前 国内尚未生产适应激光切割的传感器。早期，使用较多的通常是滚轮一 种接触传感方式，现已淘汰；目前， 一般大多使用非接触电容位移传感 器，位于喷嘴的最下端，构成上可 动检测极板此部分与切割头的 其他部分被绝缘材料( 通常为陶瓷) 隔离开来，如右图所示。电容传感 器相对于其它类型的传感器的优势 在于，它适用于小范围的距离检测， 精度高，成本低，最突出的是它不 l 喷嘴主体 与2 绝缘 2 电容传感 器上极板 3 工件( 下极 板) 受温度的影响【4 】( 温度漂移很小) ；所以目 图1 3 电容传感器示意图 前被广泛采用。在目前通用电容位移传感器产品中，以德国米铱公司 ( m i c r o e p s i l o nm e s s t e c h n i kg m b h ) 的c a p a n c d t 系列传感器在精度、 线性度、温漂和上限频率等指标表现都非常出色，但其每套售价在2 0 0 0 0 元 人民币以上，而且其前置端子难以与激光切割头相集成，因此，传感器单元 需要自行设计。 1 2 2 控制单元 此单元主要作用是，读入传感器的检测结果，运行相应的控制程序，向 执行机构输出相应的调节信号，最后是提供一些人机接口。此部分由：微处 理器( m i c r o p r o c e s s o r ) 、总线、存储器( m e m o r y ) 、a d 和d a 环节、电机控 制环节以及人机对话接口等部分组成。通过查阅国外带缝隙调节机制的激光 切割头的产品资料，发现几乎没有对此部分的介绍，在本课题中，单片机是 微处理器比较合理的选择它除了具有通用c p u 所具有的a l u 和c u ， 还有存储器( r a m r o m ) 、寄存器、时钟、计数器、定时器、串并口等， 有些型号的单片机还集成了a d ，d a 等接口电路。由于其使用方便、价格 北京丁业大学工学顺学位论文 低廉，在工业控制、检测仪表中被大量使用【5 1 。另外，在运算速度要求比较 高的场合，还可以考虑d s p 或者工控计算机。 1 2 3 控制算法 与控制单元的情况类似，国外产品说明中没有此部分的任何资料，目前 尚未查到国外产品所使用的控制算法。但对于这种典型的位移跟踪控制，比 较流行的控制算法有：经典p i d 控制预测控制，自适应控制，模糊控制， 及其他智能控制【2 1 。由于此类控制系统，通常所使用的计算机为单片机，由 于处理器运算速度和存储器容量的限制，更加复杂的控制理论算法使用的可 能性不大。对于本系统，由于控制对象通常是电机，可以通过电机的参数整 定出p i d 控制参数，实现单闭环的位鹭控制，但p i d 参数的选择比较繁琐。实 际经验表明，使用模糊控制效果会很好。模糊控制代替经典p i d 控制可以使 系统的响应速度加快拍1 ，并且系统的鲁棒性会大大提高7 。1 。另外，可以将 自适应控制和预测控制等方法同时使用。自适应控制通过自动调节控制参数 来改善系统的控制效果，并且有助于减小振荡。【9 如1 模糊控制通常用误差e 和误差的变化量c e 作为输入，再将两个输入量根据大小划分为不同的级别， 使用较多的级别数量为7 ( 或1 3 ) ，依次为：负大( n b ) 、负中( n m ) 、负小( n s ) 、 零( o ) 、正大( p b ) 、正c o ( p m ) 、正小( p s ) 。依据误差和误差变化量不同级别的 组合，根据经验定制出输出量的级别j 。 1 2 4 执行机构 传感机检测出来缝隙间隔，再由控制电路运算出相应的控制量，最后执 行机构根据运算结果发生动作。执行机构通常为电机，根据国外相关产品 ( p r e c i t e c 、n t ca m e r i c ac o r p o r a t i o n 等) 的一些技术文档，国外所使用的电 机多数是交流伺服电机( a cs e r v om o t o r ) 。由于在位置跟随系统中，电机主 要是在起动和停止之间切换，因此对电机的高速特性没有任何要求，但必须 满足以下几个条件：启动转矩大、响应速度快和便于精确控制。伺服电动机 又叫执行电动机，或叫控制电动机佗1 。在自动控制系统中，伺服电动机是一 个执行元件，它的作用是把信号( 控制电压或相位) 变换成机械位移，也就 是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移。其容量以前一般都在 0 1 1 0 0 w 范围之内，但由于应用场合的增加，功率在】k w 以上的伺服电机已 笫i 蕈绪论 经很常见了。伺服电动机有直流和交流之分。直流伺服电动机和交流伺服电 动机相比，它具有机械特性较硬、输出功率较大、不自转，起动转矩大等优 点【】。近来随着直线电机的产生并兴起，目前已经有很多带缝隙调节机制的 激光切割头采用直线电机。另外，工控使用较多的一种电机是步进电机。步 进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系【1 4 1 。 在目前国内数字控制系统中，步迸电机的应用十分广泛；它的优点是启动力 矩大和控制方便。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用 步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机【”】。这种电机在使用方式 上与步进电机相同，控制起来极其方便，但由于价格很高( 以松下的产品为 + 例，功率在1 0 0 0 瓦以上的产品m s m a l 0 2 a 1 c g + m s d a l 0 3 a 1 a 在万元以上) ， 所以本课题采用可能性不大。 1 2 6 传动机构 由于传统电机产生的是轴向旋转运动，而本课题需要的是聚焦透镜和喷 嘴的直线运动，因此除了电机外，还需要一套传动机构。国外产品一些采用 齿形带传动，但随着直线电机和一些特制的电机的逐渐被采用，这一环节有 逐渐被省略的趋势，目前国外中选用直线电机的产品逐渐增多。考虑到价格 因素，本文选用直线电机的可能性很小。使用较多的传动方式有：齿轮传动， 丝杠传动和皮带传动等方式。对于本课题，选用丝杠传动可以减少机械设 计，缩短开发周期；但从合理受力和提高传动比的角度，齿轮传动比较有优 势，而且可以获得较高的速比。 1 2 6 聚焦透镜 聚焦透镜是将准直后的光束汇聚到被加工工件上进行切割，在整套系统 中，它与喷嘴同步运动。设计时根据实际需要可以选择不同的焦距、直径和 形状；聚焦透镜的参数决定切割头的部分尺寸参数。 1 3 论文工作的要求和目的 要求：用于大功率n d ：y a g 薄板切割，薄板厚度2 m m ，切割速度2 米m i n 。 目的：设计一套适用于激光切割的非接触电容位移传感器，包括检测元 件及其相应的变送电路；设计并实现一套位置随动控制系统：最终实现一套 北京l t 业大学工学硕士学位论文 带缝隙调节机制的n d ：y a g 激光切割头。 - 6 第2 章面向大功率n d ：y a g 激光切割的缝隙调节控制系统 第2 章面向大功率n d ：y a g 激光切割的 缝隙调节控制系统 激光切割的缝隙调节系统，涉及到光、机、电和控制等多方面的知识，交 叉性和综合性非常强。在提出系统的整体设计方案之前，首先对各组成环节的 需求进行定性的分析，为后续章节的具体设计工作提出了有针对性指导，而定 量计算将在后续章节的具体设计中具体阐述；在提出设计方案之后，又介绍了 两种特别的设计思路，然后分析了它们的弊端。本章未对各环节的方案选择、 设计进行定性分析具体设计的内容留在后面章节中分别论述。 2 1 各组成部分的需求分析 2 1 1 传感器环节的需求分析 传感器环节( 包括检测元件和变送电路) 是整个缝隙调节系统中的苴垩环 节：欲对缝隙的大小进行闭环控制，必须首先能够对其进行自动检测，之后才 能通过后续环节对其进行控制。同时，相对于其他环节，传感器环节也是整个 系统的难点国内尚无可以选用的产品，国外的通用传感器产品又价格昂 贵，而且也无法直接用于激光切割；完全自行开发的难度也比较大。 用于激光切割缝隙调节的位移传感器，早期的接触式传感已淘汰，目前所 用的几乎都是非接触式传感，而且以电容传感器居多。以下是适用于本系统的 传感器需要满足的条件。 应省学够近应殿踏勿割的荬厮琢鳍：切割时，高能量密度的激光光束照 射在工件上可以将其局部熔化，会引起切口附近的温度有较大幅度的 升高：熔化的飞溅物抛射到四周，可能导致检测元件的损坏；另外， 切割时会在缝隙间产生等离子体也可能会对自动检测产生影响。因此， 检测元件必须适应温度的上升、熔化的金属飞溅物和等离子体，其中 第一项是关键，即传感器的输出尽量不受温度影响，温度漂移尽可能 小。 ? 绔巍激光切割加工焦点位蜀检测的要求是w 激光焦点位置控制的精 度指标为o 2 m m ，检测误差最多不能超过o i m m 】。而目前市场上的 北京工业大学工学破士学位论文 各种通用传感器( 包括电容传感器、电涡流传感器和光学传感器等， 均为非接触传感器，以下同) 的分辨率已经达到ium 以下，因此精度 指标容易满足。 彩应荔痒：在设计或者选择传感器时，最高响应频率是必须考虑的指 标，这是为了满足整个控制系统快速性要求所必需的。通常，通用的 传感器产品此项指标在0 5 k h z i o k h z ，本系统所需的响应频率与切割 速度、工件最大倾角有关，0 5 k h z 响应频率可以满足需求，在第3 章 传感器设计中将给出详细的定量计算。 衙删元缪膨彩彤月矿：国外成品切割头多采用电容传感器，在第3 章 对各种类型的传感器进行对比之后，也将选择电容传感器。喷嘴下端 的铜嘴就是传感器的检测元件，它与整个切割头被陶瓷体隔离，与工 件分别构成电容的上下极板。铜嘴的直径一般在l o m m 以下，最小的不 到4 m m ( 如p r e c i t e c 的y k 5 2 切割头) ；若其直径过大，会使得检测 面积增大，这样一则会导致测量不精确( 测量面增大) ，二则容易与工 件发生碰撞。在后续设计中要充分考虑到检测元件的尺寸因素。 2 1 2 控制电路和程序环节的需求分析 控制电路是在硬件上实现对传感器输出的信号的采集；根据控制算法产生 执行机构( 电机) 所需要的控制信号包括方向和旋转的角度；另外还要提 供些输入输出接口，其中最重要的就是碰撞提示接口当激光切割头与被 加工工件发生碰撞时，用来向激光器发出关闭激光输出的信号。 从提高整个系统快速性方面考虑，延时主要产生于机械运动部分，如电机 和传动装置。而控制软件也应尽量减少延时，因此控制流程的设计和代码的编 写必须合理和精炼，在实时性要求比较高的环节可采用中断控制方式。 2 1 3 执行和传动环节的需求分析 这两个环节应在保证精度的同时，尽量提高响应速度，减少延时a 执行机 构通常为电机，而电机的种类又非常多，针对本缝隙调节系统属于典型的位置 跟随控制，因此在电机种类和型号的选择时应尽量挑选启动快、扭矩大的产品。 在传动机构设计时，应尽量减少整体的转动惯量以提高启动速度。另外，在电 够基黧黧是冀黧黧以及喷嘴快速的飙从而使得缝隙能 篡霎耋罴。慧警竺黼玳蒜嚣茹瑟嚣能 豁篓黧竺微竺慧竺竺机和传动装置必螽淼筹谶! 焉篙电 淼雾纛裳懋攀呲升磊罴焉裟 雾淼黧三麓也竺瑚编淼柔芸簇嚣j 霎麓：；：i 署兰黧耋兰| ：耋课题中使用的机；裟嚣i 篡雾翟銮 ? = 篓竺竺糠蝴蛐蜘种赢磊荽黼主 j 2 2 1 薄透镜移动改变焦点位置 “。 砒嚣黧著j 篡譬掌竺切割喷嘴能够根据缝刚蝴做起艟 君滤篓篇黑篓黧眦燃出淼磊雾纛 黧黧黧篓燃黼燃，：篡蒜麓 翥篓鬻黧黧鬻黻吣入参数差孺嚣耄 耋霎2 1 所示。使用小功率的电机便可带动薄透镜运动，；盖薹荔差萎善羞凳 时芸聚焦透镜的焦距为f 2 薄透镜的焦距为f i ，当改变这两个透镜的间距l 时，有： 川也吼口j i 刈业e l ，。；基垡二趔 1 一f l + l( 2 - 2 ) 叫 石 上，卜 上。沁 北京 _ 业大学： 学硕 二学位论文 其中，公式( 2 2 ) 中，焦点位嚣s 是两个透镜间距l 的函数。 性能分析：该方法放宽了对电机的要求，因而可以选用量较小的步进电机， 也使得控制部分大大简化。但由于喷嘴并不与焦点同时运动，在应用中会产生 以下问题： 气流减弱；若工件表面凹陷，喷嘴与工件的缝隙会变大，这样加工点 的气流会减弱。这会对切割产生不良影响。 喷嘴与工件碰撞：若工件表面突出超过1 m m ，喷嘴就会与工件发生碰 撞，此时如果不及时停止加工，可能造成切割头的毁坏。 光束毁坏喷嘴；若喷嘴和工件间距过大，焦点必须朝远离喷嘴的方向 移动，这可能会导致喷嘴被激光光束烧毁。 2 2 2 外加电磁场改变焦点位置 基本方法：与前一种方法类似，也只是根据缝隙大小改变焦点位置，而 不改变切割头的高度。但是手段与前者不同，这种方法是选择一种可以根据电 场( 或磁场) 而变化焦距的聚焦透镜，通过控制电场( 或磁场) 的强度，来改 变焦点位置，图2 2 为示意图。这样便可以省去机械运动，简化控制。 准占囊焦、啼嘴 图2 2 通过外加电磁场改变焦点不意 性能分析：整套系统中不存在机械运动，省去了电机和传动机制，大大 简化了控制，并且对于提高快速性和精确性很有好处。但是，由于只是焦点位 置的改变，而切割头始终保持不动，这就同样会遇到前一种方法的三种问题： 气流减弱；喷嘴与工件碰撞：光束毁坏喷嘴。 综上所述，由于切割头不运动带来的种种弊端，这两种方案均不会在本课 题中采用。但这两种思路可能会在其他的激光材料加工领域中具有一定价值， 第2 章面向大功率n d ：y a g 激光切割的缝隙诺| 节拎制系统 但在本课题中不再讨论。 2 3 控制系统的整体设计方案 由于前面提到的两种新思路用于实际激光切割会出现一些不可解决的问 题( 原因是喷嘴不动) ，因此，本文使用国外缝隙调节常用的方式完成课题： 传感器的检测元件位于喷嘴最下方，即喷嘴最下端的铜嘴，它与切割头的其它 部分用陶瓷隔离，与工件分别构成电容的上、下极板，光束和气流从其中穿过， 此部分完全由自己设计实现包括检测元件和变送电路；电机通过传动机构 带动聚焦透镜和喷嘴一起在垂直于工件表面的方向运动；控制电路和控制程序 ：对整个过程循环控制。下图为整个系统的方框图。各环节的具体设计将分别在 后续章节中介绍。 传感器：非接触电容传感器，自行设计变送电路；( 第3 章) 控制电路：选用单片机作为处理器，自己设计主体控制电路；( 第4 章) 控制算法：模糊控制；( 第4 章) 执行机构：步进电机；( 第5 章) 传动方式：齿轮传动；( 第5 章) 辅助接i z l 电路：用于人机交互。( 第4 章) 图23 系统整体方框图 2 4 本章小结 本章中提到了两种比较新的设计思路，但由于两者都是喷嘴不运动，因此， 当被用于激光切割时不可避免的会出现很多弊端，因此总体方案还是沿用常用 的实现方法。各组成部分的需求分析为后续章节的具体选型和设计工作提供了 针对性的指导。从下一章开始，将进入系统各部分的详细设计的内容，首先是 北京工业大学工学硕士学位论文 传感器设计。 1 2 一 第3 章传感器设计及实验 第3 章传感器设计及实验 传感器部分是本论文的重点和难点。在上一章已经对这个环节的需求进 行了比较详细的分析，接下来的工作就是在前文分析的指导下，进行传感器 类型的选择，然后是具体的设计工作。最后则是传感器的测量数据和分析。 3 1 传感器类型选择 传感器在整个激光切割缝隙调节系统中，用来自动检测喷嘴与工件间的 缝隙，属于位移传感器的范畴。其检测方式可分为接触式和非接触式。接触 式传感器存在如下缺点：只适合平面切割，不能满足复杂形状的切割；触头 工作环境恶劣高温、金属熔化物会对其长期使用不利：要求触头具有非 常高灵活性，否则易发生卡死现象。因此除在早期缝隙检测中被采用过， 现在已被淘汰。可用于激光切割焦点位置检测的非接触位移传感器，按照工 作原理分主要有：电容式、电涡流式( 电感) 、光学式等类型。 3 1 1 电容非接触位移传感器 1 、检测原理：电容位移测量原理的基础是由理想平板电容构成。两个 平板电极是由传感器电极和相对应的被测体( 即工件) 组成。 甲s i 。么_ 图3 】影响电容量的参数 由电学原理可知，在其他参数不改变的情况下，图3 1 中的两个相互平 行的金属极扳产生的电容量c 与极板的间隙d 成反比，如公式3 一l 所示 c ：竺( 3 一1 ) 其中，s 为极板相对覆盖面积，s 为介电常数。当d 由d 0 增加d 后，电容 量的变化如公式( 3 - 2 ) 所示 羽千等+ 蝌千胁- z ， 北京工业_ 人掌理学域士学位论文 若ad 如公式( 3 2 ) 中除常数项和次项之外的其余项可以省略。可见， 当极板间距离d 微小变化时，电容c 和极板间距离d 基本呈线性关系。 2 、变送电路：根据上述原理，通过传感嚣的检测元件，切割头与工件 的间隙变化已经转换为电容量的变化，接下来的任务就是检测出电容量的变 化，并产生电流或电压输出由变送电路来完成。原理是：当频率恒定的 交流施加在传感器电容上，传感器产生的交流电压与电容电极之间的距离成 正比。交流电压经检波器，与一个可设置的补偿电压叠加，经放大，作为模 拟信号输出。电容变化量非常小，一般都在i p f 以下；与此同时，测量电路、 引线等存在的杂散电容和分布电容的大小远比l p f 要大数倍。因此完全独立 设计测量难度很大。电容测量的主要方法是阻抗法，即电容的阻抗x c 与缝 隙d 成正比，如式( 3 3 ) 所示： 弘去= 去几 驴上j c - o q e o 删s ， 其中，u 是激励信号的频率，e ，和eo 分别为空气的相对介电常数和真空介 电常数，s 为相对有效面积。 在设计变送电路时，可以考虑使用通用电容传感器接口集成芯片来简化 电路设计。查阅到有两种通用传感器接口芯片可以选用：一种是s m a r t e c 的通用传感器接口，测量范围， ” 0 2 p f ，非常适合本课题选用， 但没能购买到；另外一个选择女 a n a l o gm i c r o e l e c t r o n i c s 公司自 产品，最小测量范围0 5 - 1 0 p f 也可基本满足测量需求。 3 、电容传感器产品实例： 通过查阅资料和网上搜索，没有 查到国内生产的小量程电容位移 传感器产品，非接触电容位移传 感器以德国米铱公司 ( m i c r o e p s i l o nm e s s t e c h n i k 图3 2 电容传感器产品实例 g m b h ) 的产品系列最为全面。以 第3 章 传感器改计及实验 c a p a n c d t 6 2 0 系列为例，测量系统由以下单元组成如右图，变送电路的方框 图如下图：1 、电容传感器，2 、传感器电缆，3 前置器( 变送器) ，4 供电电 源，5 、电源。 图33c a p a n c d t 6 2 0 变送电路方框图 本系列中的s 6 0 0 - 1 型号的产品主要性能指标如下： 测量范围：2 r a m ；传感器外径：l o m m ；有效传感器测量面：5 5 m m 2 ： 线性度：o 2 ；分辨率( 动态6 k h z ) ：0 2um ：灵敏度：l o v m m ； 传感器温度稳定性：3 0 p p m ： 输出电压：0 。1 0 v 。 3 1 2 电涡流位移传感器 l 、检测原理 固化在传感器头部体里的线圈由高频信号激励，在探头头部的线圈中产 生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这 一磁场能量会全部损失：当有被测金属体靠近这一 磁场，则在此金属表面产生感应电流，电磁学上称 之为电涡流。与此同时该电涡流场也产生个方向 与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用， 使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变( 线圈胁 的有效阻抗) ，这一变化与金属体磁导率、电导率、 线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线 圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金 图3 5 检测线圈等效电 属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性 质可由金属导体的电导率6 、磁导率l 、尺寸因子t 、导体表面的距离d 、电 流 图3 。4 电涡漉位移传感器测量原理示意图 强度i 和频率c t ) 参数来描述。则线圈特征阻抗可用z = f ( t ，e ，6 ，d ，i ，) 函数来 表示。通常我们能做到控制t ，l ，6 ，i ，( 0 这几个参数在一定范围内不变，则线 圈的特征阻抗z 就成为距离d 的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的， 其函数特征为“s ”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过后 续电路( 前置器) 的处理，将线圈阻抗z 的变化，即头部体线圈与金属导体 的距离d 的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体 表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的 位移、振动等参数的测量 1 9 l ( 如图3 4 所示) 。 由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一部分， 即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。传感器特性与被测体的电导 率6 、磁导率e 有关，当被测体为导磁材料( 如普通钢、结构钢等) 时，由 于涡流效应和磁效应同时存在，磁效应反作用于涡流效应，使得涡流效应减 弱，即传感器的灵敏度降低。而当被测体为弱导磁材料( 如铜，铝，合金钢 等) 时，由于磁效应弱，相对来说涡流效应要强，因此传感器感应灵敏度要 高。电涡流传感器的输出还与被测体的表面平整度、表面磁效应、表面镀层 有关。此外，被测体的厚度也会影响测量结果。被测体中电涡流场作用的深 度由频率、材料导电率、导磁率决定。因此如果被测体太薄，将会造成电涡 流作用不够，使传感器灵敏度下降，钢等导磁材料一般要求厚度大于0 1 m m ， 铜、铝等弱导磁材料要求厚度大于o 0 5 r a m ， 则灵敏度不会受其厚度的影响【2 。 2 、产品实例 电涡流传感器发展较早，因此目前国内、 国外的实际产品非常多被广泛应用于位 幽3 6s t _ 1 型位移传感器外 移、厚度、振动、温度和会属表面裂纹等很多方面的检测 2 ”。国内生产此种 第3 章 传感器设计及实验 类型传感器的单位有昆仑工控集团、北京京仪、清华大学电子工程系等；国 外公司有德国米铱、欧姆龙等。现以国内昆仑工控集团的s t - i 型非接触式 位移振动传感器为例，介绍其主要性能指标，见表3 1 ；传感器的工作温度 见表3 - 2 。 型吁 s t - l - 0 3s t 1 0 5s i l 一0 8s t 1 “s t 一1 2 5s t 1 5 0 探头直径 中3 m m中5 m m中8 m m中1 1 m m中2 5 m m中5 0 m m 线性量程 l m m15 m m2 r n m4 m m1 2 m m2 2 m m 线性区电压 。2 1 2 v- 2 - 1 4 v一2 - ，1 8 v- 2 1 8 v一2 1 2 v2 1 2 v 中点电压 7 v8 v10 v1 0 v6 v - 6 v 灵敏度 1 0 m v u m8 m y u m8 m v t u m4 m v u m08 m v u m0 4 m y um 分辨率 0 1u m0 1 2 5u m0 1 2 5u m0 2 5u m l5u m 3u m 温度漂移 0 l ，05 05 门c05 0 5 o5 稳定性 00 5 00 5 00 5 00 5 00 5 00 5 线性度 1 5 1o lo 2 0 20 20 互换性误差25 25 25 2 5 25 25 响应频率 1 0 k h z ，最高 可至2 5 0 k h z ) 等方面较国内产品具有明显优势，其他参数没有太大差异。 3 1 3 激光非接触位移传感器 l 、测量原理 由传感器输出的光束经聚焦后投射到测量体表面，成为一极细小的光 点。此亮点通过透镜成像到c c d 表面。之后的信号处理电路通过检测像点 的位置计算出物体的位置，如图3 7 所示。 2 、产品实例 目前，大多激光位移传感器由国外公司生产，如米铱、欧姆龙等。以德 国米铱公司的o p t o2 2 0 0n c d t 为例( 外形见图3 7 ) ，该产品具有模拟电 压电流输出，或者通过r s ，2 3 2 串1 2 1 与计算机相连：其主要性能参数见表 3 8 。 北京工业大学理学硕士学位论文 图3 7 激光位移传感器工作原理 型弓 i l d2 2 0 0 2i l o2 2 0 0 1 0 测量范嘲 2r f f m 1 0m m 起始口4 量范国s m r 2 4m m 3 0m 是大测量范嗣e m r 2 6m m4 0m m 线性度 1i j m 3 i j m 分辨率( 1 0 k h z ) 01 u m 0 5 p m 最高测量频率 1 0 k h z 1 0 k h z 测量点直径 3 5u r n5 0u m 工作温度 0 5 0 输出模拟：5 v ；数字；r s 4 8 5 表3 - 3o p t o2 2 0 0n c d t 主要性能参数 可见，使用激光位移传感器的突出优点是： 可以远离测量点，例如i l d2 2 0 0 2 的量程为 2 m m ，其初始测量距离最小为2 4 m m ，这样可以 远离激光切割的实际环境。另外，激光位移传感 器的测量面的直径较之其它类型的传感器要小3 个数量级大大提高测量的精度! 例3 8 。t 。2 2 0 0n c d t 外形 3 1 4 传感器类型选择 以上介绍了三种传感器的原理和性能参数分别是电容位移传感器、 电涡流位移传感器和激光位移传感器。参照第2 章2 1 1 传感器环节的需求 第3 荦传屈 槲改计及实验 分析中提到过的各种指标，对三种类型的传感器进行对比，以选择最适合激 光切割焦点位置的传感器类型。 1 、精度指标。 反映传感器精度最主要的性能指标是分辨率。如第2 章所述，激光切割 焦点位置检测的精度是 o 1 m m ，而前面所提到的几种传感器分辨率均达到 u m 数量级以下其中( 以米铱公司的量程为2 m m 的不同类型传感器为 例) 电容位移传感器在6 k h z 的检测频率下分辨率为0 2 u m ；电涡流位移传 感器在1 0 k h z 的检测频率下分辨率2 p m ；激光传感器在1 0 k h z 的检测频率 下分辨率为1u m 。因此，此项指标并不是传感器类型选择的关键。 2 、响应频率 极限响应频率是传感器选型中需要考虑的一项指标。如前一章所述，在 激光切割缝隙调节系统中，传感器的最大响应频率应不小于0 5 k h z 。上面讨 论的三种类型的传感器的极限响应频率分别是：电容传感器，4 6 k h z ；电涡 流传感器，i o k h z