機(jī)床商務(wù)網(wǎng)技術(shù)文章
激光切割激光焦點問題
閱讀：809 發(fā)布時間：2022-9-18
激光切割利用聚焦后的高能量密度的激光作用于加工對象，激光和物體分子相互作用而使加工區(qū)的物體熔化。隨著光速的移動，就在物體中產(chǎn)生切縫，從而達(dá)到切割的目的。由于激光焦點和加工對象的相對位置決定了作用于加工對象上激光光斑和功率密度的大小，因此，激光焦點和加工對象的相對位置就對加工質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。怎樣在激光切割加工過程中保持激光焦點和加工對象之間的相對位置為一合理而恒定的值，就成為上海激光切割機(jī)維修中的一項關(guān)鍵技術(shù)。
研究激光切割焦點位置自動跟蹤系統(tǒng)可以分兩個方面來考慮：
(1)怎樣穩(wěn)定、可靠而又方便地檢測出激光焦點和加工對象之間的相對位置
激光加工屬于非接觸加工，無法直接檢測焦點位置，而焦點位置由聚焦鏡和加工對象表面的距離決定。因此，常用的辦法是檢測聚焦鏡和加工對象表面的距離，從而間接檢測激光焦點和加工對象表面的相對位置。
常用的檢測方法分接觸式和非接觸式兩種：
接觸式傳感器采用一機(jī)械傳動裝置和一些直線位移傳感器(常用的為電感式傳感器)組成，將聚焦鏡和加工對象表面的相對位移轉(zhuǎn)換成電壓量供控制系統(tǒng)使用。
非接觸式傳感器是在光頭上裝一個電容和電感渦流式傳感器，利用光頭上傳感器的電容或電感的變化來檢測聚焦鏡和加工對象表面的相對距離。
這兩種檢測方法是為了不同的使用場合而定的，電容式非接觸式傳感器主要是用于三維激光金屬加工場合，因為這種場合不便于使用接觸式傳感器。其他場合則使用接觸式傳感器比較合適。
但這兩種傳感器都是采用模擬信號進(jìn)行檢測處理的，而在激光切割過程中會在加工區(qū)產(chǎn)生電離作用，形成電磁干擾，對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響；同時，電感型LVDT傳感器的響應(yīng)頻率低，影響控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，這些都是當(dāng)前迫切需要解決的問題。
(2)在檢測出激光焦點和加工對象的位置變化以后，怎樣快速地補(bǔ)償?shù)羝罴次恢秒S動系統(tǒng)的設(shè)計問題
通常的分離式焦點跟蹤系統(tǒng)是利用單片機(jī)的最小系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)的。由于單片機(jī)性能比較簡單，難以實現(xiàn)較為復(fù)雜的控制策略，而普通步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)特性比較差，很難滿足激光焦點跟蹤的快速要求。
為了克服上述缺點，本文介紹一種基于運動控制器的激光焦點自動跟蹤系統(tǒng)，采用光碼盤作為位移傳感器，利用運動控制器的主從跟蹤(電子齒輪)功能實現(xiàn)焦點位置誤差的快速補(bǔ)償。
點動子程序主要用于調(diào)試工作和初始焦點位置對準(zhǔn)。由于不同厚度的鋼板，激光焦點距加工對象表面的距離要求不同，所以每次加工一個新的材料之前，要手動調(diào)好焦距，然后通過設(shè)定功能記下傳感器的位置，作為焦點位置跟蹤的參考點。
在加工過程中，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控程序的不同的M代碼經(jīng)I/O口控制焦點位置控制裝置完成跟蹤、保持和注銷功能。考慮到加工過程可能要通過已切掉的部分，此時要關(guān)掉焦點位置跟蹤功能，以避免激光切割光頭掉進(jìn)切割形成的洞中而損壞。另外，考慮到加工對象表面的變化，在關(guān)掉跟蹤功能的同時要抬起光頭一段距離，在打開焦點位置自動跟蹤功能時再自動對準(zhǔn)焦點。 由于光碼盤為數(shù)字化位移傳感器，故其檢測的穩(wěn)定性要高于電感式LVDT位移傳感器；PARKER500運動控制器對光碼盤的采樣頻率非常高，所以，采用光碼盤傳感器和PARKER500運動控制器結(jié)合檢測，可以大大提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度；PARKER運動控制器有效的位置控制算法可以保證主從跟蹤誤差在幾個絲之內(nèi)，完滿足激光切割對焦點位置精度的要求。
研究激光切割焦點位置自動跟蹤系統(tǒng)可以分兩個方面來考慮：
(1)怎樣穩(wěn)定、可靠而又方便地檢測出激光焦點和加工對象之間的相對位置
激光加工屬于非接觸加工，無法直接檢測焦點位置，而焦點位置由聚焦鏡和加工對象表面的距離決定。因此，常用的辦法是檢測聚焦鏡和加工對象表面的距離，從而間接檢測激光焦點和加工對象表面的相對位置。
接觸式傳感器采用一機(jī)械傳動裝置和一些直線位移傳感器(常用的為電感式傳感器)組成，將聚焦鏡和加工對象表面的相對位移轉(zhuǎn)換成電壓量供控制系統(tǒng)使用。
非接觸式傳感器是在光頭上裝一個電容和電感渦流式傳感器，利用光頭上傳感器的電容或電感的變化來檢測聚焦鏡和加工對象表面的相對距離。
這兩種檢測方法是為了不同的使用場合而定的，電容式非接觸式傳感器主要是用于三維激光金屬加工場合，因為這種場合不便于使用接觸式傳感器。其他場合則使用接觸式傳感器比較合適。
但這兩種傳感器都是采用模擬信號進(jìn)行檢測處理的，而在激光切割過程中會在加工區(qū)產(chǎn)生電離作用，形成電磁干擾，對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響；同時，電感型LVDT傳感器的響應(yīng)頻率低，影響控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，這些都是當(dāng)前迫切需要解決的問題。
(2)在檢測出激光焦點和加工對象的位置變化以后，怎樣快速地補(bǔ)償?shù)羝罴次恢秒S動系統(tǒng)的設(shè)計問題
通常的分離式焦點跟蹤系統(tǒng)是利用單片機(jī)的最小系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)的。由于單片機(jī)性能比較簡單，難以實現(xiàn)較為復(fù)雜的控制策略，而普通步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)特性比較差，很難滿足激光焦點跟蹤的快速要求。
為了克服上述缺點，本文介紹一種基于運動控制器的激光焦點自動跟蹤系統(tǒng)，采用光碼盤作為位移傳感器，利用運動控制器的主從跟蹤(電子齒輪)功能實現(xiàn)焦點位置誤差的快速補(bǔ)償。
點動子程序主要用于調(diào)試工作和初始焦點位置對準(zhǔn)。由于不同厚度的鋼板，激光焦點距加工對象表面的距離要求不同，所以每次加工一個新的材料之前，要手動調(diào)好焦距，然后通過設(shè)定功能記下傳感器的位置，作為焦點位置跟蹤的參考點。
在加工過程中，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控程序的不同的M代碼經(jīng)I/O口控制焦點位置控制裝置完成跟蹤、保持和注銷功能。考慮到加工過程可能要通過已切掉的部分，此時要關(guān)掉焦點位置跟蹤功能，以避免激光切割光頭掉進(jìn)切割形成的洞中而損壞。另外，考慮到加工對象表面的變化，在關(guān)掉跟蹤功能的同時要抬起光頭一段距離，在打開焦點位置自動跟蹤功能時再自動對準(zhǔn)焦點。 由于光碼盤為數(shù)字化位移傳感器，故其檢測的穩(wěn)定性要高于電感式LVDT位移傳感器；PARKER500運動控制器對光碼盤的采樣頻率非常高，所以，采用光碼盤傳感器和PARKER500運動控制器結(jié)合檢測，可以大大提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度；PARKER運動控制器有效的位置控制算法可以保證主從跟蹤誤差在幾個絲之內(nèi)，完滿足激光切割對焦點位置精度的要求。