CN102430863B - 具有多点测量功能的激光切割头位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有多点测量功能的激光切割头位移传感器，包括传感线连接头、联接座、分瓣式金属连接套、固定绝缘套、固定屏蔽罩、活动屏蔽罩、激光切割头喷嘴。该结构的传感器还能够快速确定被加工表面的法矢量，能够较为容易的实现对激光头姿态的调整，有效地将激光切割头的位置反馈机构与工件法矢量的测量机构结合起来，实现高精度、高效率的激光切割工作。

Description

具有多点测量功能的激光切割头位移传感器

技术领域

本发明属于激光三维切割中激光焦点位置检测及检测被加工材料曲面法矢量技术领域，特别是涉及一种具有多点测量功能的测量方法及具有多点测量功能的激光切割头位移传感器，能够迅速对激光头进行自动垂直定位及对激光头与工件位置距离检测。

背景技术

在激光切割过程中，为了保证切割质量，需要使切口处的功率密度最大，这要求切割头的喷嘴与被加工表面有一定间隙，而且要保证间隙恒定。激光束聚焦点与工件间的相对位置，即离焦量，是激光切割一个重要的工艺参数，在切割过程中，必须使其始终保持恒定，以达到控制切口形状和提高切割质量的目的。由于工件表面的起伏不平和弯曲，机床工作台的不平整，以及切割过程中工件轻度的热变形，两者之间的间距经常发生变化。为了使离焦量在切割过程中始终保持恒定，就必须给激光头配备自动聚焦跟踪装置，以使激光头能随工件表面的起伏自动调整激光束的聚焦位置。另外，三维激光切割工艺要求激光束在切割过程中时刻与被加工表面垂直，这样才能够保证加工的质量和效率，这就要求在激光切割工件前先进行数控编程模拟切割过程。

目前激光三维切割中激光切割头的跟随控制系统采用的检测传感器分为接触式的和非接触式的。接触式的主要是电感式的，这种方式检测效率低，使用环境受到传感器的限制，因此目前主要采用非接触式的电容式传感器。电容式的传感器具有结构简单、体积小、分辨率高、响应速度快、发热小等优点，所以非常适合于激光切割中激光头与工件位置距离的检测。传统技术应用中的电容传感器通常只有一块感应极板，为提高检测精度只能通过多次采样和数据平均的办法，这样将极大的降低加工效率。

目前三维切割的主要编程形式还是示教编程，示教时必须使激光束垂直于示教点处的工件表面，同时获取示教点处表面的法向矢量的信息，传统的示教方法，一种是凭借操作者的视觉来调整，然后进行数控编程，这种方法误差大；另一种方法是激光头在人为的操作下，运动到示教点，使喷嘴中心正对示教点，在示教点的附近逐点测量出多个均匀分布点与喷嘴的距离值，这样就可以确定出这几个点的坐标值，从而确定被加工曲面的法向矢量，这两种方法的效率都非常低，严重的影响了激光切割的质量和效率。因此有效地解决三维激光切割中切割头与被加工工件表面法矢量方向一致的问题，对扩大激光切割的应用范围，提高生产效率等都有着现实的意义。

基于激光头与工件的距离及激光头与被加工表面的垂直度这两个问题，申请人设计出一套传感器检测系统，能够自动实现激光头与工件的距离检测以及激光头姿态位置的测量，而且能大大提高劳动生产率、提高激光切割质量。

发明内容

本发明方案采用新的多通道并行传感技术，能够提高焦点位置控制系统的定位精度，同时还能有效地解决三维激光切割中切割头与被加工工件表面法矢量方向一致的问题。所采用的传感方式是多电容式传感方式，包括多电容传感器极板以及传感器安装架，其核心主要包括两个方面，一是把感应极板结构对等分成多个单元以形成多个传感通道并行工作；二是在信号检测电路中设置多个信号检测通道。

本发明的技术方案：一种具有多点测量功能的激光切割头位移传感器，其特征在于：包括传感线连接头、联接座、分瓣式金属连接套、固定绝缘套、固定屏蔽罩、活动屏蔽罩、激光切割头喷嘴，联接座用于与传感器上面的部件相连，传感线连接头设置在联接座侧面，用于将传感器的信号传送给控制系统，分瓣式金属连接套在联接座内，起导线作用，在连接套与联接座之间设有固定绝缘套，在连接套外部且固定绝缘套下方设有活动绝缘套，活动绝缘套通过螺纹与金属连接套相连，固定屏蔽罩和活动屏蔽罩通过螺纹与活动绝缘套相连，喷嘴是分瓣式的，通过螺钉与相应连接套连接在一起，感应极板由绝缘陶瓷层分隔成多个独立的传感单元。

根据本发明另一实施方式，感应极板被分隔成四个传感单元。

根据本发明另一实施方式，利用防松螺母固定所述屏蔽罩与绝缘套。

根据本发明另一实施方式，分瓣式喷嘴与工件的间距为0.5-3mm。

本发明提出的具有多点测量功能的激光切割头位移传感器具有以下特点：

(1)在激光切割头前端集成环形感应极板使其与被加工材料表面形成电容传感器，感应极板分为4部分，各个部分之间由绝缘陶瓷分开。

(2)传感器具有多点测量功能，可以提高切割头与工件间距的检测精度；

(3)激光切割头能够快速确定被加工表面的法矢量，简化示教过程，能够较为容易的实现对激光头姿态的调整；

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明

图1为多电容式传感器电场线的空间分布，

图2为多电容式传感器等效连接图，

图3为多电容传感器激光头二维剖面图，

图4为分瓣式喷嘴与感应极板二维剖面图，

图5为多电容传感器A向的剖视图。

其中：1-传感线连接头，2-联接座，3-金属连接套，4-固定绝缘套，5-防松螺母，6-活动绝缘套，7-固定屏蔽罩，8-活动屏蔽罩，9-内六角螺钉，10-激光切割头喷嘴，11-感应极板，12、13、14、16-传感单元，15-绝缘陶瓷层。

具体实施方式

本发明的激光切割头位移传感器的结构主要包括：传感线连接头1、联接座2、分瓣式金属连接套3、固定绝缘套4、固定屏蔽罩7、活动屏蔽罩8、激光切割头喷嘴10等，其中分瓣式喷嘴10与感应极板11是本发明的主要设计部分。联接座2用于与传感器上面的部件相连，传感线连接头1设置在联接座2侧面，用于将传感器的信号传送给控制系统，分瓣式金属连接套3在联接座2内，起导线作用，因为如果采用引线的方式，可能会导致引线挪动和转动。为了使连接套3与其他部件绝缘，在连接套3与联接座2之间设有固定绝缘套4，在连接套3外部且固定绝缘套4下方设有活动绝缘套6，活动绝缘套6通过螺纹与金属连接套3相连。在空间曲面的激光切割时，电容传感器的边缘效应影响较大，给传感器检测带来误差。因此，在电容传感器(即喷嘴)的侧表面装有屏蔽罩，用来减小边缘效应的影响，提高传感器的抗干扰能力。屏蔽罩包括活动屏蔽罩8和固定屏蔽罩7，都是通过螺纹与活动绝缘套6相连。激光切割头喷嘴10的形式是分瓣式的，就是将一个完整的喷嘴切割成几部分，通过内六角螺钉9与相应连接套3连接在一起。防松螺母5用来固定屏蔽罩与绝缘套。感应极板11与工件形成电容传感器且由绝缘陶瓷层15分隔为四个独立的传感单元12，13，14，16。

图3中的分瓣式喷嘴10分为4个部分，感应极板11由图5中的12、13、14、16组成，中间由绝缘陶瓷层15分开，以起到相互独立的作用，使其与被加工表面形成4个独立的电容传感器。分瓣式喷嘴10与喷嘴连接套采用内六角螺钉9连接成一体，具有通用性，当某瓣喷嘴在加工中损坏时，便于喷嘴的拆卸。

所述的四个相互独立的传感单元之间由绝缘陶瓷填充，它们彼此相互独立，形状上相同，尺寸上相等，结构上对称，电位上相等，电气上相互绝缘。其可以使环形传感器的四个传感单元相互独立，各个传感单元检测到的信号通过独立的检测通道传送到检测系统并对检测信号计算得到标定极板间距的变化量。

需要说明的是，感应极板被分隔的数量不局限于四个，也可以根据需要设定其他数目。

所述的分瓣式喷嘴10与工件间隙一般在0.8-3mm左右，在进行三维切割时，为了防止喷嘴与工件相撞，感应极板11的外环直径不能太大。本发明设计的分瓣式喷嘴10与工件的间距可以达到0.5-3mm的距离。

Claims (1)

1.一种具有多点测量功能的激光切割头位移传感器，其特征在于：包括传感线连接头（1）、联接座（2）、分瓣式金属连接套（3）、固定绝缘套（4）、固定屏蔽罩（7）、活动屏蔽罩（8）、激光切割头喷嘴（10），联接座（2）用于与传感器上面的部件相连，传感线连接头（1）设置在联接座（2）侧面，用于将传感器的信号传送给控制系统，分瓣式金属连接套（3）在联接座（2）内，起导线作用，在连接套（3）与联接座（2）之间设有固定绝缘套（4），在连接套（3）外部且固定绝缘套（4）下方设有活动绝缘套（6），活动绝缘套（6）通过螺纹与金属连接套（3）相连，固定屏蔽罩（7）和活动屏蔽罩（8）通过螺纹与活动绝缘套（6）相连，激光切割头喷嘴（10）是分瓣式的，通过螺钉（9）与相应连接套（3）连接在一起，感应极板（11）由绝缘陶瓷层（15）分隔成多个独立的传感单元；

在空间曲面的激光切割时，电容传感器的边缘效应影响较大，给传感器检测带来误差；因此，在电容传感器即喷嘴的侧表面装有屏蔽罩，用来减小边缘效应的影响，提高传感器的抗干扰能力；

感应极板（11）被分隔成四个传感单元，四个相互独立的传感单元之间由绝缘陶瓷填充，它们彼此相互独立，形状上相同，尺寸上相等，结构上对称，电位上相等，电气上相互绝缘；其使环形传感器的四个传感单元相互独立，各个传感单元检测到的信号通过独立的检测通道传送到检测系统并，对检测信号计算得到标定极板间距的变化量；

利用防松螺母（5）固定所述屏蔽罩与绝缘套；

分瓣式喷嘴（10）与工件的间距为0. 5-3mm。