CN105081562B - 一种全数字式激光聚焦自动跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全数字式激光聚焦自动跟踪系统，该系统包括设置在激光器上的前端传感器，其从激光器采集激光焦点信号；伺服电机设备基于伺服电机自动调节激光器的焦点高度；控制主机其接收从所述前端传感器采集到的激光焦点信号并进行滤波处理，然后采用递推平均滤波算法从所述激光焦点信号获取激光器的焦点高度信息，并根据所述焦点高度信息控制所述的伺服电机设备对激光器焦点高度进行自动调节，由于前端传感器进行信号采集，控制主机进行信号处理以及控制输出信号全部为数字式处理，动态响应高，信号传输距离长，不受环境温度影响，测量精度高，实现了自动控制保持激光焦点距离零件平面中心位置不变，维持了加工工艺的一致性。

Description

一种全数字式激光聚焦自动跟踪系统

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种全数字式激光聚焦自动跟踪系统。

背景技术

激光器是现代激光加工系统中必不可少的核心组件之一。随着激光加工技术的发展，激光器也在不断向前发展，目前在激光应用领域，因激光焦点位置是固定的，当待加工处理的材料的出现表面不平整时，激光器会出现离焦现象，这种情况发生后，会造成加工工艺不一致。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种全数字式激光聚焦自动跟踪系统，以自动控制保持激光焦点距离零件平面中心位置不变，维持加工工艺的一致性。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种全数字式激光聚焦自动跟踪系统，其包括：

设置在激光器上的前端传感器，用于从激光器采集激光焦点信号；

伺服电机设备，用于基于伺服电机自动调节激光器的焦点高度；

控制主机，其与前端传感器通过交差拖链线相连，所述控制主机包括主控板，其中主控板上设置有：通过交差拖链线与前端传感器相连的插头CON13，与插头CON13相连的L4共模滤波器，与L4共模滤波器相连的电阻R12，与电阻R12相连的SENSOR_O信号输出端，为前端传感器提供净化电流的由滤波元件F18、滤波元件CB57组成的无源低通滤波器，由静电保护元件TVS1、静电保护元件D20组成的前端传感器静电保护元件，其中SENSOR_O信号通过电容C101耦合，经过电阻R72、电阻R77、电阻R78、电阻R99、电阻R103分压后，输入到比较器U9中，在减去GND地电平，输出标准的方波信号；

主控板上还设置有主机控制器，该主机控制器通过连接器DB15与伺服驱动设备连接，控制伺服电机正反转来实现正负激光焦点的控制，其中F30，FB32，LL7信号为抑制高频磁珠，+-8V和GND信号通过电压的大小来控制伺服电机的动作速度，A+，B+，Z+，A-，B-，Z-信号为激光头的转速信号，控制对激光器激光头的速度检测，SRV_CS信号为激光头的使能信号，ALM-CLR信号为激光头的告警清除信号，SRV_ALM信号为激光头告警信号，电阻R119，电阻R131，电阻R143，电阻R137，电阻R149，电阻R166，二极管D81，二极管D86，二极管D89把共模信号转换成差模处理，通过比较器U39，比较器U46光耦隔离后，经过上拉电阻R258，上拉电阻R259，上拉电阻R260，上拉电阻R262后输入到U54施密特触发器波形整理后，输入到主机控制器进行处理；主机控制器通过16位数模转换器输出VOUT10V信号，经过集成电路IC12阻抗变换，输出+-8V信号，其中电容C16，电阻R111，电容C7为滤波元件，电阻R93，电感F14，变频器G5为共模元件，二极管D66，MOS管M6为静电释放ESD保护元件。

其中，所述伺服电机设备包括：伺服电机，与所述伺服电机相连并对所述伺服电机进行驱动的伺服驱动器。

其中，伺服电机设置在激光器的尾部。

其中，前端传感器设置在激光器的激光头前端。

根据本发明另一方面，一种全数字式激光聚焦自动跟踪系统，其包括：

设置在激光器上的前端传感器，用于从激光器采集激光焦点信号；

伺服电机设备，用于基于伺服电机自动调节激光器的焦点高度；

控制主机，用于接收从所述前端传感器采集到的激光焦点信号并进行滤波处理，然后采用递推平均滤波算法从所述激光焦点信号获取激光器的焦点高度信息，并根据所述焦点高度信息控制所述的伺服电机设备对激光器焦点高度进行自动调节。

其中，所述控制主机包括主控板，其中主控板上设置有：

前端传感器接口电路，用于从所述前端传感器接收激光焦点信号；

伺服接口电路，用于输出调节伺服电机的控制信号；

主机控制器，控制所述前端传感器接口电路和所述伺服接口电路工作，对所述前端传感器接口电路接收到的激光焦点信号进行滤波处理，然后采用递推平均滤波算法从所述焦点高度信号获取激光器的焦点高度信息并根据所述焦点高度信号通过伺服接口电路输出控制伺服电机调节激光器焦点的控制信号。

其中，所述前端传感器与所述控制主机之间通过交差拖链信号线相连，所述交差拖链信号线一端与所述前端传感器的输出端相连，另一端与控制主机的前端传感器接口电路的输入接口端相连，所述交差拖链信号线将从激光器检测到激光焦点信号传送给控制主机。

其中，所述伺服电机设备包括：伺服电机，与所述伺服电机相连，对所述伺服电机进行驱动的伺服驱动器。

其中，所述伺服电机设置在激光器的尾部。

其中，前端传感器设置在激光器的激光头前端。

本发明具有如下有益技术效果：

本发明的全数字式激光聚焦自动跟踪系统中，设置在激光器上的前端传感器从激光器采集激光焦点信号；伺服电机设备基于伺服电机自动调节激光器的焦点高度；控制主机接收从所述前端传感器采集到的激光焦点信号并进行滤波处理，然后采用递推平均滤波算法从所述激光焦点信号获取激光器的焦点高度信息，并根据所述焦点高度信息控制所述的伺服电机设备对激光器焦点高度进行自动调节，由于前端传感器进行信号采集，控制主机进行信号处理以及控制输出信号全部为数字式处理，动态响应高，信号传输距离长，不受环境温度影响，测量精度高，实现了自动控制保持激光焦点距离零件平面中心位置不变，维持加工工艺的一致性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为根据本发明一种全数字式激光聚焦自动跟踪系统的一个具体实施例组成框图；

图2-图3为根据图1中前端传感器接口电路的一个具体实施例电路图；

图4为根据图2和图3中前端传感器接口电路的中涉及的信号波形图；

图5至图7为根据图1中伺服接口电路的一个具体实施例电路图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

参考图1，本实施例的一种全数字式激光聚焦自动跟踪系统，其主要包括：

设置在激光器1上的前端传感器2，用于从激光器1采集激光焦点信号，作为一个优选的实施例，前端传感器设置在激光器的激光头前端，当然其他位置也可以设置，这里不做限定；

伺服电机设备，用于基于伺服电机自动调节激光器1的焦点高度，作为一个优选的实施例，如本实施例中伺服电机设备包括：伺服电机3，与所述伺服电机3相连，对所述伺服电机3进行驱动的伺服驱动器4，作为一个优选的实施例，所述伺服电机3设置在激光器1的尾部，当然实际实现时，也可以根据需求设置在其他位置，这里不做限定。

控制主机5，用于接收从所述前端传感器2采集到的激光焦点信号并进行滤波处理，然后采用递推平均滤波算法从所述激光焦点信号获取激光器的焦点高度信息，并根据所述焦点高度信息控制所述的伺服电机设备对激光器焦点高度进行自动调节。

为了实现上述的功能，作为一个优选的实施例，在主控板上可设置有：

前端传感器接口电路51，本实施例中前端传感器接口电路51主要用于从所述前端传感器接收激光焦点信号；

伺服接口电路52，本实施例中伺服接口电路52主要用于输出调节伺服电机的控制信号；

主机控制器53，本实施例中主机控制器53控制所述前端传感器接口电路51和所述伺服接口电路52工作，对所述前端传感器接口电路51接收到的激光焦点信号进行滤波处理，然后采用递推平均滤波算法从所述焦点高度信号获取激光器的焦点高度信息并根据所述焦点高度信号通过伺服接口电路52输出控制伺服电机调节激光器焦点的控制信号。

上述实施例中，作为一个可选的具体实施例，所述前端传感器2与所述控制主机5之间可通过交差拖链信号线6相连，所述交差拖链信号线6一端与所述前端传感器2的输出端相连，另一端与控制主机5的前端传感器接口电路51的输入接口端相连，所述交差拖链信号线6将从激光器1检测到激光焦点信号传送给控制主机5，需要说明的，实际中也采用其他类似的线实现连接，这里不做限定。

上述实施例中前端传感器接口电路51主要用于从前端传感器接收激光焦点信号，其具体电路结构可根据该功能采用各种形式的具体电路结构，下面举例说明如下：

参考图2-图3，作为一个可选的实施例，前端传感器接口电路51的一个具体电路结构如下：

通过交差拖链线与前端传感器相连的插头CON13，与插头CON13相连的L4共模滤波器，与L4共模滤波器相连的电阻R12，与电阻R12相连的SENSOR_O信号输出端，为前端传感器提供净化电流的由滤波元件F18、滤波元件CB57组成的无源低通滤波器，由静电保护元件TVS1、静电保护元件D20组成的前端传感器静电保护元件，其中SENSOR_O信号通过C101耦合，经过电阻R72、电阻R77、电阻R78、电阻R99、电阻R103分压后，输入到比较器U9中，在减去GND地电平，消除交差拖链线长度的影响，输出标准的方波信号。

另外，参考图4，该图为根据图2和图3中前端传感器接口电路的中涉及的信号波形图，具体的，VIN+，VIN-为输入正负点的波形，CMP+，CMP-为经过分压电阻输入到比较器正负端的波形，Vout为比较器输出到一个数据处理芯片的波形。

需要说明的，本发明中控制主机的主控板上还设置有主机控制器，同样的，本发明中伺服接口电路52主要用于输出调节伺服电机的控制信号，其具体电路结构同样也可以各种形式的具体电路结构，下面举例说明如下：

作为一个可选的实施例，伺服接口电路52中该主机控制器通过DB15与伺服驱动设备连接，控制伺服电机正反转来实现正负激光焦点的控制，其中F30，FB32，LL7信号为抑制高频磁珠，+-8V和GND信号通过电压的大小来控制伺服电机的动作速度，A+，B+，Z+，A-，B-，Z-信号为激光头的转速信号，控制对激光器激光头的速度检测，SRV_CS信号为激光头的使能信号，ALM-CLR信号为激光头的告警清除信号，SRV_ALM信号为激光头告警信号，电阻R119，电阻R131，电阻R143，电阻R137，电阻R149，电阻R166，二极管D81，二极管D86，二极管D89把共模信号转换成差模处理后，通过比较器U39，比较器U46光耦隔离后，经过上拉电阻R258，上拉电阻R259，上拉电阻R260，上拉电阻R262后输入到U54施密特触发器波形整理后，输入到主机控制器进行处理；主控板的主机控制器通过16位数模转换器输出VOUT10V信号，经过集成电路IC12阻抗变换，输出+-8V信号，其中电容C16，电阻R111，电容C7为滤波元件，电阻R93，电感F14，变频器G5为共模元件，二极管D66，MOS管M6为静电释放ESD保护元件。

需要说明的，本发明中为了更好的实现自动跟踪，在控制主机中最好还进行如下的设置，例如，设置伺服标定，即对伺服电机零漂进行标定并补偿，一般只在初次上电时使用；设置激光头标定，即在不同激光头，激光头与加工板材之间的位置对应关系不是固定的，当更换配件后，需要重新标定一次，形成初始值，可以准确的定位激光焦点位置；以及或者设置随动补偿：当动态响应过大时，伺服电机控制会形成过冲现象，从而告警跟踪激光焦点位置出现偏差，需要通过这一值补偿偏差值。

在上述所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (4)

1.一种全数字式激光聚焦自动跟踪系统，其特征在于，包括：

设置在激光器上的前端传感器，用于从激光器采集激光焦点信号；

伺服电机设备，用于基于伺服电机自动调节激光器的焦点高度；

控制主机，其与前端传感器通过交差拖链线相连，所述控制主机包括主控板，其中主控板上设置有：通过交差拖链线与前端传感器相连的插头CON13，与插头CON13相连的L4共模滤波器，与L4共模滤波器相连的电阻R12，与电阻R12相连的SENSOR_O信号输出端，为前端传感器提供净化电流的由滤波元件F18、滤波元件CB57组成的无源低通滤波器，由静电保护元件TVS1、静电保护元件D20组成的前端传感器静电保护元件，其中SENSOR_O信号通过电容C101耦合，经过电阻R72、电阻R77、电阻R78、电阻R99、电阻R103分压后，输入到比较器U9中，在减去GND地电平，输出标准的方波信号；

主控板上还设置有主机控制器，该主机控制器通过连接器DB15与伺服驱动设备连接，控制伺服电机正反转来实现正负激光焦点的控制，其中F30，FB32，LL7信号为抑制高频磁珠，+-8V和GND信号通过电压的大小来控制伺服电机的动作速度，A+，B+，Z+，A-，B-，Z-信号为激光头的转速信号，控制对激光器激光头的速度检测，SRV_CS信号为激光头的使能信号，ALM-CLR信号为激光头的告警清除信号，SRV_ALM信号为激光头告警信号，电阻R119，电阻R131，电阻R143，电阻R137，电阻R149，电阻R166，二极管D81，二极管D86，二极管D89把共模信号转换成差模处理，通过比较器U39，比较器U46光耦隔离后，经过上拉电阻R258，上拉电阻R259，上拉电阻R260，上拉电阻R262后输入到U54施密特触发器波形整理后，输入到主机控制器进行处理；主机控制器通过16位数模转换器输出VOUT10V信号，经过集成电路IC12阻抗变换，输出+-8V信号，其中电容C16，电阻R111，电容C7为滤波元件，电阻R93，电感F14，变频器G5为共模元件，二极管D66，MOS管M6为静电释放ESD保护元件。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述伺服电机设备包括：伺服电机，与所述伺服电机相连并对所述伺服电机进行驱动的伺服驱动器。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，伺服电机设置在激光器的尾部。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，前端传感器设置在激光器的激光头前端。