CN102205462B - 非金属切割中的激光焦距跟踪装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非金属切割中的激光焦距跟踪装置，其包括气压传感器；所述气压传感器通过阻抗匹配模块与微处理器的输入端相连，所述微处理器的输出端与比较放大器的一个输入端相连，比较放大器的另一输入端与阻抗匹配模块的输出端相连；比较放大器的输出端与误差信号合成模块相连。本发明当切割头喷嘴移动工作时，比较放大器通过将随机电压信号与基准电压信号的误差电压输入到误差信号合成模块内，误差信号合成模块对Z轴电机驱动器的模拟电压值采样，通过Z轴电机驱动器驱动Z轴的移动，达到切割头喷嘴与工件的距离补偿，实现激光焦距跟踪；结构简单，焦距跟踪精确，切割效率高，切割成本低，安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种焦距跟踪装置，尤其是一种非金属切割中的激光焦距跟踪装置，属于激光切割的技术领域。
背景技术
激光在切割金属材料时，可以利用金属材料与切割头喷嘴之间的分布电容变化，实现切割头激光焦距的实时跟踪。但在切割非金属材料时，由于材料本身不导电，无法采集到分布电容的变化，因此给焦距的实时跟踪控制带来了一定的困难，影响对非金属材料的精确切割，切割效率低，切割成本高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种非金属切割中的激光焦距跟踪装置，其结构简单，焦距跟踪精确，切割效率高，切割成本低，安全可靠。
按照本发明提供的技术方案，所述非金属切割中的激光焦距跟踪装置，包括用于检测切割头喷嘴进气端与出气端压力差的气压传感器；所述气压传感器通过阻抗匹配模块与微处理器的输入端相连，所述微处理器的输出端与比较放大器的一个输入端相连，比较放大器的另一输入端与阻抗匹配模块的输出端相连；比较放大器的输出端与误差信号合成模块相连。
所述误差信号合成模块与Z轴电机驱动器相互连接。所述阻抗匹配模块通过A/D转换模块与微处理器的输入端相连，微处理器的输出端通过D/A转换采样保持模块与比较放大器的输入端相连。
所述气压传感器采用摩托罗拉MPX4100气压传感器。所述微处理器为单片机或ARM。
所述比较放大器6包括运算放大器U2，所述运算放大器U2的同相端通过电阻R3与运算放大器U1的输出端相连；运算放大器U2的输出端通过电阻R5与运算放大器U2的反相端，且运算放大器U2的输出端通过电阻R6与运算放大器U3的反相端相连，运算放大器U2的反相端与电阻R4相连；运算放大器U1的输出端通过电阻R2与运算放大器U1的反相端相连，运算放大器U1的反相端通过电阻R1接地；运算放大器U3的同相端通过电阻R7接地，运算放大器U3的输出端通过电阻R9与运算放大器U3的反相端相连，且运算放大器U3的输出端与运算放大器U4的同相端相连，运算放大器U3的反相端与电阻R8相连；运算放大器U4的反相端与运算放大器U4的输出端相连，且运算放大器U4的输出端通过电阻R10接地。
所述电阻R2与电阻R10均采用可变电阻器。所述运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3及运算放大器U4均采用TL082放大器。
本发明的优点：气压传感器检测切割头喷嘴的进气口与出气口的压差，从而来确定切割头喷嘴与工件间的距离；当切割头喷嘴在Z轴驱动器驱动Z轴运动到设定位置时，微处理器将气压传感器检测的气压差及相应的电压信号锁存，并通过D/A转换采样保持模块采样保持后输入到比较放大器的输入端，作为切割头喷嘴的基准位置，并作为焦距跟踪的依据；比较放大器的输入端与阻抗匹配模块相连，当切割头喷嘴移动工作时，气压传感器通过阻抗匹配模块向比较放大器的输入端输入随机电压信号，比较放大器通过将随机电压信号与基准电压信号的误差电压输入到误差信号合成模块内，误差信号合成模块对Z轴电机驱动器的模拟电压值采样，并将对Z轴电机驱动器的采样电压与比较放大器输出的误差电压信号比较处理后作用于Z轴电机驱动器上，通过Z轴电机驱动器驱动Z轴的移动，达到切割头喷嘴与工件的距离补偿，实现激光焦距跟踪；结构简单，焦距跟踪精确，切割效率高，切割成本低，安全可靠。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2为比较放大器与误差信号合成模块间的连接原理图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示：本发明包括气压传感器1、阻抗匹配模块2、A/D转换模块3、微处理器4、D/A转换采样保持模块5、比较放大器6、误差信号合成模块7及Z轴电机驱动器8。
如图1所示：为了能够在切割非金属材料时，达到激光焦距的跟踪，采用气压传感器1对切割头的进气口与出气口的气压差进行检测，气压传感器1采用摩托罗拉公司生产的MPX4100型号的气压传感器。在切割头喷嘴与工件的距离，影响切割头喷嘴的气流速度，喷嘴与工件的距离越大，气体流量越大，切割头喷嘴的进气口与出气口间的气压差越大，因此切割头喷嘴进气口与出气口的压差与喷嘴及工件间的距离具有相对应的关系；气压传感器1通过对压差进行检测后，通过微处理器4相应处理后能够实现对焦距的跟踪。气压传感器1的输出端通过阻抗匹配模块2及A/D转换模块3与微处理器4的输入端相连，气压传感器1将检测的气压差通过阻抗匹配模块2转换为相应的电压信号，相应的模拟电压信号通过A/D转换模块3为相应的数字量后输入到微处理器4内，微处理器4可以采用单片机、ARM（Advanced RISC Machines）或者其他处理芯片。微处理器4的输出端与D/A转换采样保持模块5相连，D/A转换采样保持模块5与比较放大器6的一个输入端相连，比较放大器6的另一个输入端与阻抗匹配模块2相连，阻抗匹配模块2将实时采样的气压差电压信号输入到比较放大器6内，比较放大器6与将阻抗匹配模块2输入的随机气压差形成的随机电压信号与微处理器4输出的基准信号进行比较，且比较放大器6的输出端与误差信号合成模块7相连，误差信号合成模块7与Z轴电机驱动器8相互连接，Z轴电机驱动器8用于驱动Z轴的运动，Z轴动作时，能够带动切割喷头在Z轴方向的运动，从而能够将切割头喷嘴与工件间的距离进行补偿，达到对焦距跟踪的目的。Z轴电机驱动器8的工作模拟电压反馈到误差信号合成模块7内，误差信号合成模块7将上述信号比较后在作用于Z轴电机驱动器8上，通过Z轴电机驱动器8控制Z轴的运动，从而能够对切割头喷嘴与工件间的距离进行补偿，以达到自动跟踪的目的。微处理器4内可以预先设置相应的焦距距离参数，微处理器4将相应预先设置焦距位置信号输入到比较放大器6的输入端，能够实现对切割头喷嘴的焦距自动定位。当切割头喷嘴初始工作定位后，微处理器4将相应的焦距位置锁定，并输入到比较放大器6的输入端，并将锁定的焦距位置作为整个切割过程中焦距跟踪的调节依据。
如图2所示：为比较放大器6与误差信号合成模块7间连接的电路原理图。所述比较放大器6包括运算放大器U2，所述运算放大器U2的同相端通过电阻R3与运算放大器U1的输出端相连；运算放大器U2的输出端通过电阻R5与运算放大器U2的反相端，且运算放大器U2的输出端通过电阻R6与运算放大器U3的反相端相连，运算放大器U2的反相端与电阻R4相连，电阻R4对应于运算放大器U2反相端相连的另一端与阻抗匹配模块2相连，用于接收阻抗匹配模块2输出的实时采样电压；运算放大器U1的输出端通过电阻R2与运算放大器U1的反相端相连，运算放大器U1的反相端通过电阻R1接地，运算放大器U1的同相端与D/A转换采样保持模块5相连，用于接收微处理器4输出的基准信号；运算放大器U3的同相端通过电阻R7接地，运算放大器U3的输出端通过电阻R9与运算放大器U3的反相端相连，且运算放大器U3的输出端与运算放大器U4的同相端相连，运算放大器U3的反相端与电阻R8相连，电阻R8对应于与运算放大器U3的反相端相连的另一端与Z轴电机驱动器8相连，用于对Z轴电机驱动器8的模拟电压进行采样；运算放大器U4的反相端与运算放大器U4的输出端相连，且运算放大器U4的输出端通过电阻R10接地，电阻R10的调节端与Z轴电机驱动器8的控制端相连，通过控制Z轴电机驱动器8的工作状态，使Z轴电机驱动器8带动切割头喷嘴相应的运动，对切割头喷嘴与工件间的距离进行补偿。所述电阻R2与电阻R10均采用可变电阻器。所述运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3及运算放大器U4均采用TL082放大器。
运算放大器U2形成比较放大器6的放大比较功能，运算放大器U3形成误差信号合成模块7的功能。
如图1和图2所示：当切割头根据运行指令要求进行切割时，切割头按程序设定快速向工件移动，同时打开送气开关，由于此时喷嘴没有任何物体遮挡，气压传感器1检测相应压差的变化。随着喷嘴越来越靠近工件，切割头喷嘴进气口与出气口间的压差越来越小，当喷嘴与工件接触的那一瞬间，气流被减至最小，压差达到最小值，Z轴电机驱动器8检测到此最小压差后，根据设定的控制策略，喷嘴快速向反向移动离开工件而上升，达到人为设定的气隙高度后，停止上升运动。气压传感器1检测相应的气压差信号，并将相应的电压信号输入到微处理器4内，微处理器4处理后锁存相应的气压差信号，并通过D/A转换采样保持模块5进行采样锁存，D/A转换采样保持模块5将锁存的焦距基准位置输入到比较放大器6的输入端，作为整个切割头喷嘴焦距跟踪的依据。
喷嘴到达指定高度后，开启激光，Z轴驱动器8控制激光并开始按图形要求作平面运动。当切割头喷嘴运动后，气压传感器1和A/D转换模块3组成的采样器对喷嘴运行时切割头喷嘴进气口与出气口间的气压差进行采样，A/D转换模块3采用AD0832的A/D模数转换器。当切割头喷嘴运动时，气压传感器1检测的随机气压差转换为相应的电压信号后输入到比较放大器6的输入端，作为一个随机采样端；所述随机采样端与D/A转换采样保持模块5输出的焦距基准位置进行比较，从而能够实现焦距的跟踪。
气压传感器1检测到喷嘴与工件的气隙变量分成两路，一路经过阻抗匹配模块2及A/D转换模块3后输入到微处理器4内，微处理器4经过处理后由D/A转换采样保持模块5输出存在比较放大器6的基准端，另一路，经过阻抗匹配模块2后直接被送到比较放大器6的另一输入端，形成随机采样端。
在采样得到的基准电压被锁存到比较放大器6的基准端时，气压传感器1采样的随机通过阻抗匹配模块2输入到比较放大器6的另一输入端。初始时，当切割头喷嘴在Z轴运动时上升到设定高度时，气压传感器1检测的气压差与微处理器4锁存的基准位置气压差相同，因此输入到比较放大器6输入端的这两个电压相等，比较放大器6的输出端不输出任何误差电压。
在随后的过程中，随着喷嘴的移动，由于喷嘴和工件的距离（气隙）在不断的变化，随机采样端的电压也在作相应的变化，此变化不断与锁存在比较放大器6基准端的基准焦距比较，于是比较放大器6的输出端不断随机输出误差电压。比较放大器6输出的误差电压与Z轴电机驱动器8的控制模拟电压叠加后，反作用于Z轴电机驱动器8上，Z轴电机驱动器8通过控制Z轴的运动，使切割头喷嘴作正/反向移动，而使气隙变化造成的误差，得到补偿，直至切割头喷嘴与工件间的焦距保持平衡；达到利用气隙变化实现在非金属工件上实现焦距跟踪的基本原理。
本发明气压传感器1检测切割头喷嘴的进气口与出气口的压差，从而来确定切割头喷嘴与工件间的距离；当切割头喷嘴在Z轴驱动器8驱动Z轴运动到设定位置时，微处理器4将气压传感器1检测的气压差及相应的电压信号锁存，并通过D/A转换采样保持模块5采样保持后输入到比较放大器6的输入端，作为切割头喷嘴的基准位置，并作为焦距跟踪的依据；比较放大器6的输入端与阻抗匹配模块2相连，当切割头喷嘴移动工作时，气压传感器1通过阻抗匹配模块2向比较放大器6的输入端输入随机电压信号，比较放大器6通过将随机电压信号与基准电压信号的误差电压输入到误差信号合成模块7内，误差信号合成模块7对Z轴电机驱动器8的模拟电压值采样，并将对Z轴电机驱动器8的采样电压与比较放大器6输出的误差电压信号比较处理后作用于Z轴电机驱动器8上，通过Z轴电机驱动器8驱动Z轴的移动，达到切割头喷嘴与工件的距离补偿，实现激光焦距跟踪；结构简单，焦距跟踪精确，切割效率高，切割成本低，安全可靠。
Claims (7)
1.一种非金属切割中的激光焦距跟踪装置，包括用于检测切割头喷嘴进气端与出气端压力差的气压传感器（1）；其特征是：所述气压传感器（1）通过阻抗匹配模块（2）与微处理器（4）的输入端相连，所述微处理器（4）的输出端与比较放大器（6）的一个输入端相连，比较放大器（6）的另一输入端与阻抗匹配模块（2）的输出端相连；比较放大器（6）的输出端与误差信号合成模块（7）相连；
所述比较放大器（6）包括运算放大器U2，所述运算放大器U2的同相端通过电阻R3与运算放大器U1的输出端相连；运算放大器U2的输出端通过电阻R5与运算放大器U2的反相端相连，且运算放大器U2的输出端通过电阻R6与运算放大器U3的反相端相连，运算放大器U2的反相端与电阻R4相连；运算放大器U1的输出端通过电阻R2与运算放大器U1的反相端相连，运算放大器U1的反相端通过电阻R1接地；运算放大器U3的同相端通过电阻R7接地，运算放大器U3的输出端通过电阻R9与运算放大器U3的反相端相连，且运算放大器U3的输出端与运算放大器U4的同相端相连，运算放大器U3的反相端与电阻R8相连；运算放大器U4的反相端与运算放大器U4的输出端相连，且运算放大器U4的输出端通过电阻R10接地。
2.根据权利要求1所述的非金属切割中的激光焦距跟踪装置，其特征是：所述误差信号合成模块（7）与Z轴电机驱动器（8）相互连接。
3.根据权利要求1所述的非金属切割中的激光焦距跟踪装置，其特征是：所述阻抗匹配模块（2）通过A/D转换模块（3）与微处理器（4）的输入端相连，微处理器（4）的输出端通过D/A转换采样保持模块（5）与比较放大器（6）的输入端相连。
4.根据权利要求1所述的非金属切割中的激光焦距跟踪装置，其特征是：所述气压传感器（1）采用摩托罗拉MPX4100气压传感器。
5.根据权利要求1所述的非金属切割中的激光焦距跟踪装置，其特征是：所述微处理器（4）为单片机或ARM。
6.根据权利要求1所述的非金属切割中的激光焦距跟踪装置，其特征是：所述电阻R2与电阻R10均采用可变电阻器。
7.根据权利要求1所述的非金属切割中的激光焦距跟踪装置，其特征是：所述运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3及运算放大器U4均采用TL082放大器。
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 214028 18 factory building, block 52, national hi tech Industrial Development Zone, Wuxi, Jiangsu Patentee after: Wuxi chuangkeyuan laser equipment Co.,Ltd. Address before: 214028 18 factory building, block 52, national hi tech Industrial Development Zone, Wuxi, Jiangsu Patentee before: WUXI CHUANGKEYUAN LASER EQUIPMENT Co.,Ltd. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Laser focusing tracking device for nonmetal cutting Effective date of registration: 20151225 Granted publication date: 20131211 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited by Share Ltd. Wuxi science and Technology Branch Pledgor: Wuxi chuangkeyuan laser equipment Co.,Ltd. Registration number: 2015990001158 |
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| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 214028 18 factory building, block 52, national hi tech Industrial Development Zone, Wuxi, Jiangsu Patentee after: JIANGSU CKYLASER EQUIPMENT CO.,LTD. Address before: 214028 18 factory building, block 52, national hi tech Industrial Development Zone, Wuxi, Jiangsu Patentee before: Wuxi chuangkeyuan laser equipment Co.,Ltd. |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131211 |