CN102806421A - 光点补偿控制系统及其激光切割设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光切割技术领域，提供了一种光点补偿控制系统，用于激光切割设备中的误差补偿，该系统包括微控制器、位置检测单元、位置调准控制器和执行机构。本发明根据检测出的误差信号进行光路微调，补偿由于激光切割设备的机械控制精度不高造成的误差量，可以提高切割光点的控制精度，即便在控制精度不高的激光切割设备上也可以完成高质量的切割工作。

Description

光点补偿控制系统及其激光切割设备

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，特别是涉及一种光点补偿控制系统及其激光切割设备。

背景技术

传统的数控机床，如车床、铣床、加工中心等，属于接触加工设备。影响数控机床加工精度的关键因素也有很多，但激光切割数控机床加工的误差远小于传统的数控机床。尽管如此，激光切割数控机床仍然会产生或多或少的加工误差。在激光切割加工过程中，激光光斑运动轨迹与理想图形轨迹(也称设定轨迹)之间的关系对加工精度有着至关重要的作用，怎样在激光切割加工过程中保持激光光斑运动轨迹与理想图形轨迹完全相同，就成为激光切割加工中的一项关键技术。由于激光光斑运动轨迹与理想图形轨迹之间的关系发生变化的因素很多，加工工件表面凸凹不平、工件装夹方式、机床的几何误差等都会造成激光头的位移和理想位移发生偏差，从而导致加工误差。

减少机床的加工误差从而提高加工精度有两种基本方法：误差预防法和误差补偿法。误差预防法是一种硬件技术，通过设计和制造机床结构的途径以及保证机床装配的精确程度来减少误差。误差预防法有比较大的局限性，其成本较高。误差补偿法是一种软件技术，通过人为产生出一种新的误差去抵消当前的原始误差，是一种既高效又经济的提高机床加工精度的手段。通过误差补偿可在机床上加工出超过机床本身精度的工件。误差补偿法一般有两种补偿方式：离线补偿和实时补偿。离线补偿是测量离线状态下的误差并根据该误差对数控加工程序修改后将程序输入机床，或者将测量得到的误差作为误差文件置于数控系统中，使系统在运行过程中可以调用，达到加工时补偿误差的效果。离线补偿一般只能补偿几何误差。实时补偿是通过硬件辅助装置，将位置等外部信号输入补偿装置，由补偿装置中的误差模型实时计算误差补偿的数值，通过接口输入到数控系统进行误差补偿。实时补偿方法在机床中的适用性强，可以补偿包括几何误差在内的多种误差，并且误差预测模型的选择很灵活，从简单的线性模型到复杂的神经网络模型都可通过软件建模，选用最有效的误差预测模型以提高补偿精度。

现在，用于激光切割的中低端数控机床一般只采用离线补偿方法，其误差补偿程度有限，无法满足高加工精度的要求。在高端的激光切割设备中采用实时补偿方法的也不多见。

目前的激光焦点位置补偿采用步进电机加同步带的方式控制激光束的运动。激光切割中需要精确控制激光束的运动轨迹，才能切出需要的曲线，通常的做法是通过数控的两维机械运动完成相应的任务。但是，如果采用步进电机加同步带的方式控制激光束的运动，一般控制精度不高，主要原因是步进电机加同步带的控制属开环控制系统，这样的系统无法保证控制的高精度，同时抗干扰能力也不强。

另外，有些方案中在机械控制中加入检测工作头实际位置的传感器(如光栅、磁栅尺等可以检测具体位置的传感器)，可以实时检测出工作头的机械位置，该位置与理想位置会有一个误差，特别是在工作头在加速度变化较大运行时差值更大。目前，激光束与工作头基本都设计成一体，工作头与激光束相对固定不变，工作头的即时坐标就是激光点的即时坐标，即实际加工出的工件轮廓即为工作头的实际运动轨迹。激光切割光点的控制精度完全取决于机械的控制精度，如果需要较高的控制精度，就需要对机械导轨及控制电机等提出很高的要求，特别是对于加工幅面比较大的切割设备，对其要求更高。

为了改进上述技术现状，迫切需要研发出一种对整台激光切割设备的导轨和控制电机等机械配件要求不变的前提下提高切割质量的激光切割设备。

发明内容

本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种光点补偿控制系统及其激光切割设备，其结构简单，制造成本低，在对整台设备的导轨和控制电机等机械配件要求不变的前提下提高了切割质量。

本发明采用的技术方案是：

一种光点补偿控制系统，用于激光切割设备中的误差补偿，所述系统包括微控制器、位置检测单元、位置调准控制器和执行机构；

微控制器与位置调准控制器连接，用于接收运动轴的设定脉冲信号的输入，并将设定脉冲信号传输给位置调准控制器；

位置检测单元与位置调准控制器连接，用于检测运动轴导轨的位移，并将检测到的位移信号转换为检测脉冲信号反馈给位置调准控制器；

位置调准控制器分别与微控制器、执行机构和所述位置检测单元连接，接收微控制器传输的设定脉冲信号和检测单元反馈的所述检测脉冲信号，根据设定脉冲信号和检测脉冲信号计算光点补偿量，将所述光点补偿量输出给所述执行机构；

执行机构与位置调准控制器连接，用于接收位置调准控制器输入的光点补偿量，并根据所述光点补偿量进行加工。

优选地，所述位置调准控制器包括信号处理单元、比较单元、数模转换单元和放大单元；

所述信号处理单元截取设定脉冲信号和检测脉冲信号，通过信号处理形成有效的设定脉冲信号和有效的检测脉冲信号；

所述比较单元接收所述有效的设定脉冲信号和有效的检测脉冲信号，通过比较运算形成运动轴调整数字信号；

所述数模转换单元接收所述运动轴调整数字信号，通过数模转换将运动轴调整数字信号转换为运动轴调整模拟信号；

所述放大单元接收所述运动轴调整模拟信号，通过电位放大和调整形成光点补偿量。

优选地，所述位置检测单元为磁栅位移传感器。

优选地，所述磁栅位移传感器的测量方式为鉴相测量。

优选地，所述执行机构包括激光切割头和电磁驱动器，所述电磁驱动器与位置调准控制器连接，接收位置调准控制器输入的光点补偿量，并根据所述光点补偿量控制激光切割头的运动位移。

优选地，所述电磁驱动器设有至少两组，所述至少两组电磁驱动器相互垂直设置。

优选地，所述电磁驱动器包括电磁铁和线圈。

优选地，所述位置调准控制器还用于根据设定脉冲信号和检测脉冲信号计算机械偏差，将所述机械偏差输出给所述微控制器，微控制器将机械偏差传输给运动轴电机驱动器，从而控制运动轴的运动位移。

优选地，所述运动轴包括X轴、Y轴和Z轴中的一种或多种。

本发明还提供了一种激光切割设备，所述激光切割设备包括上述光点补偿控制系统。

本发明根据检测出的误差信号(即光点补偿量)进行光路微调，补偿由于激光切割设备的机械控制精度不高造成的误差量，可以提高切割光点的控制精度，即便在控制精度不高的激光切割设备上也可以完成高质量的切割工作。

附图说明

图1为本发明一优选实施例的光点补偿控制系统的结构框图；

图2为位置调准控制器的工作原理图；

图3为执行机构的结构示意图；

图4为执行机构的俯视图；

图5为步进电机输入脉冲波形图；

图6为理想输出信号误差波形图；

图7为在X往正方向的实际输出信号波形图；

图8为在X往负方向的实际输出信号波形图；

图9为实际输出信号误差波形图。

图标说明：

1 光点补偿控制系统，        11MCU，

12 位置检测，            13 位置调准控制器，

14 执行机构，            141 激光头，

142 工作头，             143 电磁铁，

144 线圈，               145 聚焦透镜，

146X 方向导轨1，         147X 方向导轨2，

148Y 方向导轨1，         149Y 方向导轨2，

2 工件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种光点补偿控制系统，用于激光切割设备中的误差补偿，所述系统包括微控制器、位置检测单元、位置调准控制器和执行机构；

微控制器与位置调准控制器连接，用于接收运动轴的设定脉冲信号的输入，并将设定脉冲信号传输给位置调准控制器；

位置检测单元与位置调准控制器连接，用于检测运动轴导轨的位移，并将检测到的位移信号转换为检测脉冲信号反馈给位置调准控制器；

位置调准控制器分别与微控制器、执行机构和位置检测单元连接，接收微控制器传输的设定脉冲信号和检测单元反馈的所述检测脉冲信号，根据设定脉冲信号和检测脉冲信号计算光点补偿量，将所述光点补偿量输出给执行机构；

执行机构与位置调准控制器连接，用于接收位置调准控制器输入的光点补偿量，并根据所述光点补偿量进行加工。

本发明实施例还提供了一种包括上述光点补偿控制系统的激光切割设备。

本发明实施例根据检测出的误差信号(即光点补偿量)进行光路微调，补偿由于激光切割设备的机械控制精度不高造成的误差量，可以提高切割光点的控制精度，即便在控制精度不高的激光切割设备上也可以完成高质量的切割工作。

下面以在X轴和Y轴方向进行加工的光点补偿控制系统为例，进行本发明实施例的说明。

请参阅图1所示，为本发明一优选实施例的光点补偿控制系统的结构框图。在激光切割过程中，步进电机控制中易出现丢步或失控，皮带的振动以及抖动等情况会产生1mm以上的位移误差(也即机械偏差)，同时由于机器的振动等各种原因亦会产生各种微位移误差，降低了加工精度及切割效率。该光点补偿控制系统1用于激光切割设备中的误差补偿，光点补偿控制系统1包括微控制器(以下简称MCU，Micro Control Unit)11、位置检测单元12、位置调准控制器13和执行机构14。MCU11与位置调准控制器12连接，用于接收两个运动轴(X轴和Y轴)的设定脉冲信号的输入，包括X轴设定脉冲值和Y轴设定脉冲值，并将X轴设定脉冲值和Y轴设定脉冲值传输给位置调准控制器13。位置检测单元12与位置调准控制器13连接，用于检测X轴导轨和Y轴导轨的位移，并将检测到的位移信号转换为检测脉冲信号(包括X轴检测脉冲值和Y轴检测脉冲值)反馈给位置调准控制器12。位置调准控制器12分别与MCU11、执行机构14和位置检测单元12连接，接收MCU11传输的X轴设定脉冲值、Y轴设定脉冲值和检测单元反馈的X轴检测脉冲值、Y轴检测脉冲值，根据X轴设定脉冲值、Y轴设定脉冲值和X轴检测脉冲值、Y轴检测脉冲值计算光点补偿量，将光点补偿量输出给执行机构14。执行机构14与位置调准控制器13连接，用于接收位置调准控制器13输入的光点补偿量，并根据光点补偿量进行加工。

本实施例中采用磁栅位移传感器作为位置检测单元12，磁栅位移传感器检测X轴导轨、Y轴导轨的位移，并把位移信号转换为检测脉冲信号反馈给位置调准控制器13。磁栅的测量方式有鉴幅测量和鉴相测量两种，采用相位检测的精度大大高于录磁节距λ并可以通过提高内插脉冲频率以提高系统的分辨率，本实施例中磁栅位移传感器的测量方式采用鉴相测量。位置检测单元12主要是为了补偿前文所述的微位移误差。

位置调准控制器13是光点补偿控制系统1的核心模块。位置调准控制器13由电压和电流的信号调理电路、输出报警电路、控制输出电路、程序及数据存贮器等部分构成。按期具体功能划分，位置调准控制器13包括信号处理单元、比较单元、数模转换单元和放大单元等部分，其工作原理图如图2所示。两个信号处理单元分别截取X轴、Y轴的设定脉冲信号和X轴、Y轴的检测脉冲信号，通过信号处理形成有效的数字信：实测值X1和设定值X2。比较单元为位置比较器，将实测值X1和设定值X2通过比较运算形成X轴、Y轴的调整数字信号，也即X轴、Y轴调整值，传输给数模转换单元进行D/A转换，将X轴、Y轴调整值转换为X轴、Y轴调整模拟值。最后，通过放大单元将X轴、Y轴调整模拟值进行电位放大和调整，形成最终的有效电位差，也即光点补偿量。本实施例除了将检测到的脉冲值输入位置调准控制器13，还将设定的脉冲值同时也输入位置调准控制器13，经过模拟运算后输出补偿量，则实际加工运动轨迹即为导轨运动位移与补偿量间的综合轨迹，这样激光焦点位置(即实际加工位置)与理想给定位置尽可能保持完全一致。

请参阅图3所示，为执行机构14的结构示意图。执行机构14包括激光切割头141、工作头142和电磁驱动器，激光切割头141接受光纤激光器发出的激光束，电磁驱动器与位置调准控制器13连接，接收位置调准控制器13输入的光点补偿量，并根据光点补偿量控制激光切割头141的运动位移。执行机构14的激光切割头141由电磁驱动器控制，可以实时快速地在X和Y两个方向上微位移，其位移控制端与光点补偿量相连，通过补偿计算使激光的运动轨迹始终趋向于理论轨迹。本实施例中，设有两个相互垂直的电磁驱动器，也即一对电磁驱动器组，分别控制X轴和Y轴的运动位移。该电磁驱动器包括电磁铁143和线圈144(包括X线圈和Y线圈)，激光切割头141在线圈144和电磁铁143激励下在工作头142内发生微调。两片聚焦透镜145设置于激光切割头141的激光输出光路上，激光经过两片聚焦透镜145后到达工件2，进行切割加工。从光纤激光器所发出的激光束经两片聚焦透镜145聚焦在被加工工件2上，激光切割头141中电磁驱动器接收到位置调准控制器13输入的实时模拟误差信号(即光点补偿量)，会在工作头142内产生X、Y方向上的微位移进行补偿，提高加工光点的控制精度。如图4所示，为执行机构14的俯视图，其中双向箭头X表示X运动方向，双向箭头Y表示Y运动方向，143为电磁铁，146为X方向导轨1，147为X方向导轨2，148为Y方向导轨1，149为Y方向导轨2。

将磁栅位移传感器磁头的励磁信号移相90°，则得到输出电压u1和u2如式(1)和式(2)所示：

$u_1=u_0\sin \frac{2\mathrm{\πx}}{\mathrm{\λ}}\cos \mathrm{\ωt}---\left(1\right)$

$u_2=u_0\sin \frac{2\mathrm{\πx}}{\mathrm{\λ}}\cos \mathrm{\ωt}---\left(2\right)$

将式(1)和式(2)相加，得到磁头总输出电压u为：

$u=u_0\sin (\frac{2\mathrm{\πx}}{\mathrm{\λ}}+\mathrm{\ωt})---\left(3\right)$

式(1)、(2)和(3)中：u0为输出电压系数，λ为磁尺上磁化信号的节距(即录磁节距)；x为磁头相对磁尺的相对位移；ω为励磁电压的角频率。由式(3)可知，总输出电压u的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位移x变化而变化。根据MCU脉冲计数器读出实际输出信号的相位，就可确定磁头的位置。经过误差信号反馈与数字运算，可使执行机构14在线圈磁场激励下在工作头142内发生微调，使发出的激光位置和角度接近理想值(即设定值)。

实际运动轨迹与理想运动轨迹之间的关系为：

X_d＝X_p+ΔX_i            (4)

其中，X_d为理想运动轨迹(编程点)与起始点(参考点)间的位移，X_p为实际运动轨迹与起始点间的位移，ΔX_i为补偿量。

图4为步进电机输入脉冲波形图，图5为理想输出信号误差波形图，图6为在X往正方向的实际输出信号波形图，图7为在X往负方向的实际输出信号波形图，图8为实际输出信号误差波形图。从图4～图8可以看出，只要使实际输出信号误差无限接近于理想输出信号误差，即补偿量更加精确，就可使实际运动轨迹与理想运动轨迹趋向重合，达到提高加工精度的目的。

如前文所述，步进电机控制中除了微位移外，还会产生机械偏差，对此，本实施例也进行了机械偏差的误差控制：位置调准控制器13根据X轴设定脉冲值、Y轴设定脉冲值和X轴检测脉冲值、Y轴检测脉冲值计算机械偏差，将机械偏差输出给MCU11，MCU11将机械偏差传输给X轴步进电机驱动器和Y轴步进电机驱动器，从而控制X轴导轨和Y轴导轨的运动位移，以减少机械偏差。

本发明还提供了另一实施例：一种激光切割设备，该激光切割设备中设有前述实施例的光点补偿控制系统1，根据点补偿控制系统1检测出的误差信号(即光点补偿量)进行光路微调，补偿由于该激光切割设备的机械控制精度不高造成的误差量，提高切割光点的控制精度，完成高质量的切割工作。

本实施例是以在X轴和Y轴方向进行加工的光点补偿控制系统为例进行的说明。当然，本发明的光点补偿控制系统1还可以应用于其他运动轴类型的激光切割设备中，例如在X轴、Y轴和Z轴方向均进行加工的激光切割设备，等等。

本发明实施例在机械控制精度不高的激光切割设备上配备光点补偿控制系统，根据检测出的误差信号，主动快速控制激光束与工作头的相对关系，补偿由于机械控制精度不高造成的误差量，可以提高切割光点的控制精度，即便在控制精度不高的激光切割设备上也可以完成高质量的切割工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光点补偿控制系统，用于激光切割设备中的误差补偿，其特征在于，

所述系统包括微控制器、位置检测单元、位置调准控制器和执行机构；

微控制器与位置调准控制器连接，用于接收运动轴的设定脉冲信号的输入，并将设定脉冲信号传输给位置调准控制器；

位置检测单元与位置调准控制器连接，用于检测运动轴导轨的位移，并将检测到的位移信号转换为检测脉冲信号反馈给位置调准控制器；

位置调准控制器分别与微控制器、执行机构和位置检测单元连接，接收微控制器传输的设定脉冲信号和检测单元反馈的所述检测脉冲信号，根据设定脉冲信号和检测脉冲信号计算光点补偿量，将所述光点补偿量输出给执行机构；

执行机构与位置调准控制器连接，用于接收位置调准控制器输入的光点补偿量，并根据所述光点补偿量进行加工。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述位置调准控制器包括信号处理单元、比较单元、数模转换单元和放大单元；

所述信号处理单元截取设定脉冲信号和检测脉冲信号，通过信号处理形成有效的设定脉冲信号和有效的检测脉冲信号；

所述比较单元接收所述有效的设定脉冲信号和有效的检测脉冲信号，通过比较运算形成运动轴调整数字信号；

所述数模转换单元接收所述运动轴调整数字信号，通过数模转换将运动轴调整数字信号转换为运动轴调整模拟信号；

所述放大单元接收所述运动轴调整模拟信号，通过电位放大和调整形成光点补偿量。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述位置检测单元为磁栅位移传感器。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述磁栅位移传感器的测量方式为鉴相测量。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述执行机构包括激光切割头和电磁驱动器，所述电磁驱动器与位置调准控制器连接，接收位置调准控制器输入的光点补偿量，并根据所述光点补偿量控制激光切割头的运动位移。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电磁驱动器设有至少两组，所述至少两组电磁驱动器相互垂直设置。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电磁驱动器包括电磁铁和线圈。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述位置调准控制器还用于根据设定脉冲信号和检测脉冲信号计算机械偏差，将所述机械偏差输出给所述微控制器，微控制器将机械偏差传输给运动轴电机驱动器，从而控制运动轴的运动位移。

9.根据权利要求1～8任一项所述的系统，其特征在于，所述运动轴包括X轴、Y轴和Z轴中的一种或多种。

10.一种激光切割设备，其特征在于，所述激光切割设备包括权利要求1～9任一项所述的光点补偿控制系统。

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