CN104959735A - 大功率数控激光切割机床用z轴浮动控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种大功率数控激光切割机床用Z轴浮动控制装置，本申请超声波传感器安装座上共安装有8个安装孔，8个安装孔分别是四个垂直安装孔和四个倾斜安装孔，所述垂直安装孔与倾斜安装孔相互间隔并均布于安装座圆周上，四个垂直安装孔内分别安装有垂直安装超声波传感器一、垂直安装超声波传感器二、垂直安装超声波传感器三和垂直安装超声波传感器四，四个倾斜安装孔内分别安装有倾斜安装超声波发射器一、倾斜安装超声波接收器一、倾斜安装超声波发射器二和倾斜安装超声波接收器二。本发明能够实现对任何材料板材距离的非接触式探测，采用两对倾斜设置的传感器，并外加四个垂直传感器辅助，使得其激光切割Z轴浮动精度和可靠性得到了有效保证。

Description

大功率数控激光切割机床用Z轴浮动控制装置及控制方法

技术领域  

本发明涉及能实现大功率数控激光切割机床Z轴浮动的方法和装置领域，特别涉及一种大大功率数控激光切割机床用Z轴浮动控制装置及控制方法。

背景技术

激光切割头是数控激光切割机最重要的配件之一。数控激光切割机在使用过程中，为保证获得高质量的切口，喷嘴到被切割工件表面的高度必须保持稳定。由于数控激光切割机速度快，操作人员采用眼看、手调的方式调整高度不可能满足高速切割的需要，因此一种能够保持激光切割头与被加工板材之间距离相对稳定的装置便成为大功率数控激光切割系统的必需。早期，大功率数控激光切割机采用接触式探脚，利用电感传感器来实现对激光切割头与被加工板材之间距离的监控（也称Z浮或Z轴随动），但这种方式存在一个明显的缺陷，即在检测时探脚必须接触被加工板材表面，对有些较软的板材（如不锈钢板、铝板等）会留下一些划痕，不能满足对工件表面质量要求较高的加工。目前，国际上最新的方法是采用电容传感器来实现对激光切割头与被加工板材之间距离的监控，它能实现Z轴浮动与板面不接触的加工要求；不过这一方法也有缺陷，那就是电容传感器只能使Z轴浮于金属板材表面，而对非金属板材不适用，这样就限制了大功率数控激光切割机的使用范围，因此有人想到设置超声波传感器，由超声测距原理知，超声波测距为非接触式测距，且对任何材质的物体都能进行测距，所以它能满足数控激光切割机切割任何板材时对距离的非接触式检测的需求，但是目前在小功率数控激光切割机系统中应用的超声传感器是平行于光束安装的（大功率数控激光切割机系统中尚未见面市的成品），即垂直（或近似垂直）被切割物体表面，则在被切割物体表面，传感器测量点与光束入射点必然有一段距离，而这一距离就可能有起伏，并因此会导致光束聚焦点与被切割物体表面的光束入射点之间距离有变化；当然，对于数控激光切割机来说，一个很严重的问题是，传感器正下方的板材可能已经被切割，即脱离了母体，甚至已经掉落，对于大功率数控激光切割机来说，这是其工作常态，从这一情况来看，这样设计的装置就不能适合大功率数控激光切割机，它仅适用于小功率，且在加工中要采取一定的切割技巧，如用桥位保持板材被分割部件与母体的一丝连接，但这也必然造成其存在加工缺陷，由此可见，现有的在小功率数控激光切割机应用上使用的超声波传感器有明显的不足。

发明内容

针对以上问题，本发明为一种大功率数控激光切割机床用Z轴浮动控制装置及控制方法，本发明能够实现对任何材料板材距离的非接触式探测，这样不仅能克服电容传感检测方式不适用于非金属板材的缺陷，也能避免电感传感检测方式的接触式探脚对较软板材的划伤，并且采用两对倾斜设置的传感器，并外加四个垂直传感器辅助，使得其激光切割Z轴浮动精度和可靠性得到了有效保证，为达此目的，本发明提供一种大功率数控激光切割机床用Z轴浮动控制装置，包括超声波传感器安装座、垂直安装超声波传感器、倾斜安装超声波发射器和倾斜安装超声波接收器，所述Z轴浮动控制装置通过超声波传感器安装座套装在大功率数控激光切割机床的Z轴的喷嘴上方，所述喷嘴上方有聚焦镜镜座组件，加工中所述喷嘴下方有待切割板材，所述超声波传感器安装座上共有8个安装孔，8个安装孔分别是四个垂直安装孔和四个倾斜安装孔，所述垂直安装孔与倾斜安装孔相互间隔并均布于安装座圆周上，四个垂直安装孔内分别安装有垂直安装超声波传感器一、垂直安装超声波传感器二、垂直安装超声波传感器三和垂直安装超声波传感器四，所述垂直安装超声波传感器一、垂直安装超声波传感器二、垂直安装超声波传感器三和垂直安装超声波传感器四为超声发射器与超声接收器一体式超声波传感器，四个倾斜安装孔内分别安装有倾斜安装超声波发射器一、倾斜安装超声波接收器一、倾斜安装超声波发射器二和倾斜安装超声波接收器二，所述倾斜安装超声波发射器一与倾斜安装超声波接收器一的轴线共面，所述倾斜安装超声波发射器二与倾斜安装超声波接收器二的轴线共面，所述倾斜安装超声波发射器一与倾斜安装超声波接收器一以及倾斜安装超声波发射器二与倾斜安装超声波接收器二的交点在喷嘴下方的待切割板材的板面附近。

作为本发明进一步改进，所述超声波传感器安装座上安装的8个安装孔，相邻安装孔之间圆弧所对的圆心角为45o，为了保证对称安装孔之间角度一般为45°。

作为本发明进一步改进，所述垂直安装超声波传感器一、垂直安装超声波传感器二、垂直安装超声波传感器三和垂直安装超声波传感器四以及倾斜安装超声波发射器一与倾斜安装超声波接收器一以及倾斜安装超声波发射器二与倾斜安装超声波接收器二的工作超声波波段不同；即在工作过程中，为防止超声波传感器之间的相互干扰，四个垂直且独立的超声波传感器与两对倾斜超声波发射、接收器分别工作在六个不同的超声波段。

本发明一种大功率数控激光切割机床用Z轴浮动控制装置的Z轴悬浮控制方法如下：

二维数控激光切割机Z轴在随动工作方式下，采用超声传感器单元进行待加工板面与激光切割头之间的距离检测，检测到的距离信号转换成电压信号并经放大电路单元进行放大后，反馈回控制系统单元进行信号处理，将处理结果经控制信号输出单元输出到Z轴伺服驱动单元，驱动Z轴伺服电机微调这一距离；在数控激光切割机切割板材过程中，这一过程不断地循环进行，实现对板材表面不同部位起伏的自动跟随；

在跟随过程中，倾斜安装超声波发射器一发出的超声波经被切割板面反射被倾斜安装超声波接收器一接收，倾斜安装超声波发射器二发出的超声波经被切割板面反射被倾斜安装超声波接收器二接收，系统通过对两对输出、输入超声波信号的处理，以及四个垂直独立的超声波传感器的辅助下，测量和控制激光切割头与被切割板面的距离。

本发明为一种大功率数控激光切割机床用Z轴浮动控制装置及控制方法，其喷嘴的超声波传感器安装座有两对传感器采用合适的倾角，直指喷嘴正下方待切割部位（或正在被切割部位），并外加四个垂直传感器辅助，其中垂直安装的四个超声波传感器，它们是超声发射器与超声接收器为一体的超声波传感器，用于垂直测量被切割板面与切割中心点（喷嘴下部）等距的四个点相对于切割头的位置，倾斜安装的四个超声波传感器，它们实际分为两对，每对斜设的超声波传感器，分别有一个超声接收器和一个超声发射器，超声发射器与超声接收器的轴线共面，且它们的交点是喷嘴下方的待切割板面附近，在工作过程中，超声发射器发出的超声波经被切割板面反射被超声接收器接收，系统通过对两对输出、输入超声波信号的处理，以及在四个垂直独立的超声波传感器的辅助下，就能精确测量和控制激光切割头与被切割板面的距离，从而使得激光切割的精度和可靠性也得到了有效保证，并且四个垂直传感器的测量点也不可能都与母体脱离，这也有效克服了单一传感器的测量点有可能与母体脱离的缺陷。

附图说明

图1为超声波测距反馈驱动系统图；

图2为超声传感Z轴浮动控制装置示意图；

图3为超声传感器位置说明示意图。

其中：

1、超声波传感器单元；             2、放大电路单元；

3、系统信号处理单元；             4、控制信号输出单元；

5、Z轴伺服驱动单元；             6、待切割板材；

7、聚焦镜镜座组件；               8、超声波传感器安装座；

9、喷嘴；                         10、超声波传感器安装座上表面；

11、超声波传感器安装座下表面；    12、垂直安装超声波传感器一；

13、垂直安装超声波传感器二；      14、垂直安装超声波传感器三；

15、垂直安装超声波传感器四；      16、倾斜安装超声波发射器一；

17、倾斜安装超声波接收器一；      18、倾斜安装超声波发射器二；

19、倾斜安装超声波接收器二。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对发明做详细的说明：

本发明为一种大功率数控激光切割机床用Z轴浮动控制装置及控制方法，本发明能够实现对任何材料板材距离的非接触式探测，这样不仅能克服电容传感检测方式不适用于非金属板材的缺陷，也能避免电感传感检测方式的接触式探脚对较软板材的划伤，并且采用两对倾斜设置的传感器，并外加四个垂直传感器辅助，使得其激光切割精度和可靠性得到了有效保证。

如图1所示，本发明所采用的技术方案是：二维数控激光切割机Z轴有两种工作方式，即数控和随动。在随动工作方式下，采用超声传感器单元1进行待加工板面与激光切割头之间的距离检测，检测到的距离信号转换成电压信号并经放大电路单元2进行放大后，反馈回控制系统单元3进行信号处理，将处理结果经控制信号输出单元4输出到Z轴伺服驱动单元5，驱动Z轴伺服电机微调这一距离；在数控激光切割机切割板材过程中，这一过程不断地循环进行，这样就实现了对板材表面不同部位起伏的自动跟随。由超声测距原理知，这一测距为非接触式测距，且对任何材质的物体都能进行测距，所以它能满足数控激光切割机切割任何板材时对距离的非接触式检测的需求。

如图2所示，为基于超声传感器反馈的Z轴浮动装置示意图，图中7为聚焦镜镜座组件，用于装调聚焦镜，8为超声波传感器安装座，9为喷嘴，6为待切割板材。为有效且可靠检测待加工板面与激光切割头之间的距离，超声波传感器安装座上共安装有8个安装孔，它们分别是四个垂直安装孔和四个倾斜安装孔，如图3所示，10为超声波传感器安装座上表面，11为超声波传感器安装座下表面，通过上下表面的孔位可以知垂直安装孔与倾斜安装孔相互间隔并均布于安装座圆周上，相邻孔之间圆弧所对的圆心角为45o，图3中12~15为垂直安装的四个超声波传感器，它们是超声发射器与超声接收器为一体的超声波传感器，用于垂直测量被切割板面与切割中心点（喷嘴下部）等距的四个点相对于切割头的位置。图3中16~19为倾斜安装的四个超声波传感器，它们实际分为两对，即16为倾斜安装超声波发射器一，17为倾斜安装超声波接收器一，倾斜安装超声波发射器一16与倾斜安装超声波接收器一17的轴线共面，且它们的交点是喷嘴下方的待切割板面；同样18为倾斜安装超声波发射器二，19为倾斜安装超声波接收器二，倾斜安装超声波发射器二18与倾斜安装超声波接收器二19的轴线共面，且它们的交点也是喷嘴下方的待切割板面附近，偏上也可偏下，可根据实际切割需要进行调整，调整范围与超声波发射器发出的超声波发散角有关，与此同时也要对喷嘴进行上下位置调整。

在工作过程中，倾斜安装超声波发射器一16发出的超声波经被切割板面反射被倾斜安装超声波接收器一17接收，倾斜安装超声波发射器二18发出的超声波经被切割板面反射被倾斜安装超声波接收器二19接收，系统通过对两对输出、输入超声波信号的处理，以及四个垂直独立的超声波传感器的辅助下，就能精确测量和控制激光切割头与被切割板面的距离。

在工作过程中，为防止超声波传感器之间的相互干扰，四个垂直且独立的超声波传感器与两对倾斜超声波发射、接收器分别工作在六个不同的超声波段。

两对倾斜安装的超声波传感器其倾角主要由焦距、焦点位置、喷嘴位置等几个因素决定。

当激光切割头到待切割板材表面的距离大于设定值时，系统接收超声波传感器的距离反馈信号经处理后控制Z轴伺服驱动器，驱动Z轴向下移动；当其到待切割板材表面的距离小于设定值时，系统接收收超声波传感器的距离反馈信号经处理后控制Z轴伺服驱动器，驱动Z轴向上移动；这样，就能够随时保证激光切割头与板面距离的一致性，从而实现了Z轴的浮动工作。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种大功率数控激光切割机床用Z轴浮动控制装置，包括超声波传感器安装座（8）、垂直安装超声波传感器、倾斜安装超声波发射器和倾斜安装超声波接收器，所述Z轴浮动控制装置通过超声波传感器安装座（8）套装在大功率数控激光切割机床的Z轴的喷嘴（9）上方，所述喷嘴（9）上方有聚焦镜镜座组件（7），加工中所述喷嘴（9）下方有待切割板材（6），其特征在于：所述超声波传感器安装座（8）上共有8个安装孔，8个安装孔分别是四个垂直安装孔和四个倾斜安装孔，所述垂直安装孔与倾斜安装孔相互间隔并均布于安装座圆周上，四个垂直安装孔内分别安装有垂直安装超声波传感器一（12）、垂直安装超声波传感器二（13）、垂直安装超声波传感器三（14）和垂直安装超声波传感器四（15），所述垂直安装超声波传感器一（12）、垂直安装超声波传感器二（13）、垂直安装超声波传感器三（14）和垂直安装超声波传感器四（15）为超声发射器与超声接收器一体式超声波传感器，四个倾斜安装孔内分别安装有倾斜安装超声波发射器一（16）、倾斜安装超声波接收器一（17）、倾斜安装超声波发射器二（18）和倾斜安装超声波接收器二（19），所述倾斜安装超声波发射器一（16）与倾斜安装超声波接收器一（17）的轴线共面，所述倾斜安装超声波发射器二（18）与倾斜安装超声波接收器二（19）的轴线共面，所述倾斜安装超声波发射器一（16）与倾斜安装超声波接收器一（17）以及倾斜安装超声波发射器二（18）与倾斜安装超声波接收器二（19）的交点在喷嘴（9）下方的待切割板材（6）的板面附近。

2.根据权利要求1所述的一种大功率数控激光切割机床用Z轴浮动控制装置，其特征在于：所述超声波传感器安装座（8）上安装的8个安装孔，相邻安装孔之间圆弧所对的圆心角为45o。

3.根据权利要求1所述的一种大功率数控激光切割机床用Z轴浮动控制装置，其特征在于：所述垂直安装超声波传感器一（12）、垂直安装超声波传感器二（13）、垂直安装超声波传感器三（14）和垂直安装超声波传感器四（15）以及倾斜安装超声波发射器一（16）与倾斜安装超声波接收器一（17）以及倾斜安装超声波发射器二（18）与倾斜安装超声波接收器二（19）的工作超声波波段不同。

4.根据权利要求1所述的一种大功率数控激光切割机床用Z轴浮动控制装置的Z轴悬浮控制方法，其特征在于：

二维数控激光切割机Z轴在随动工作方式下，采用超声传感器单元（1）进行待加工板面与激光切割头之间的距离检测，检测到的距离信号转换成电压信号并经放大电路单元（2）进行放大后，反馈回控制系统单元（3）进行信号处理，将处理结果经控制信号输出单元（4）输出到Z轴伺服驱动单元（5），驱动Z轴伺服电机微调这一距离；在数控激光切割机切割板材过程中，这一过程不断地循环进行，实现对板材表面不同部位起伏的自动跟随；

在跟随过程中，倾斜安装超声波发射器一（16）发出的超声波经被切割板面反射被倾斜安装超声波接收器一（17）接收，倾斜安装超声波发射器二（18）发出的超声波经被切割板面反射被倾斜安装超声波接收器二（19）接收，系统通过对两对输出、输入超声波信号的处理，以及在四个垂直独立的超声波传感器的辅助下，测量和控制激光切割头与被切割板面的距离。