CN109993034A - 一种激光穿孔检测判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，公开了一种激光穿孔检测判断方法，该方法具体包括：启动系统，并进行系统初始化和参数设置；数据处理模块，用于进行辐射光信号的采集、信号处理和数据运算，得到实时数据；穿孔判断模块，用于根据数据处理模块处理得到的实时数据，进行自适应的穿孔判断，并为所述数据处理模块提供经验数据，实现穿孔的控制输出，完成整个激光快速穿孔过程。本发明能够实时检测激光穿孔过程中的辐射光信号，当穿孔过程完成后，快速做出判断并进行响应。

Description

一种激光穿孔检测判断方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，更具体的说，特别涉及一种激光穿孔检测判断方法。

背景技术

目前应用激光切割机加工工件的过程中，需要先对工件进行穿孔处理再进行切割操作，现在绝大多数采用的方法是设定一个固定的穿孔延时时间，必须在这个延时时间内完成穿孔过程。但是由于所切割的工件的密度不均匀、工件不平整、激光功率不稳定等因素造成穿孔的时间不固定，如果设定的穿孔延时时间太短，会出现未完成穿孔便开始切割操作，造成工件损坏；如果设定的穿孔延时时间太长，则出现穿孔已经完成却还在等待延时结束，极大的降低了生产效率。

而目前已有的采用的激光穿孔检测进行穿孔判断的方法是设定阈值的方式，只要反馈的信号在设定阈值范围内，则认为已完成穿孔过程，并且不同的参数条件设定不同的阈值范围，但是这种方法受激光穿孔过程中穿孔焦点、穿孔功率、穿孔频率、切割嘴大小等工艺参数及外部环境的影响非常大，并且需要不断的调整阈值，稳定性很差。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种激光穿孔检测判断方法，能够实时检测激光穿孔过程中的辐射光信号，当穿孔过程完成后，快速做出判断并进行响应。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

一种激光穿孔检测判断方法，该方法具体包括如下：

启动系统，并进行系统初始化和参数设置；

数据处理模块，用于进行辐射光信号的采集、信号处理和数据运算，得到实时数据；

穿孔判断模块，用于根据数据处理模块处理得到的实时数据，进行自适应的穿孔判断，并为所述数据处理模块提供经验数据，实现穿孔的控制输出，完成整个激光快速穿孔过程。

进一步地，所述数据处理模块中的具体处理过程如下：

步骤S21：采集微弱的辐射光信号，并把采集到的光信号放大处理后转换为数字信号压入源数据SrcQueue中；

步骤S22：从源数据SrcQueue中提取数据并进行低通滤波处理，得到滤波数据队列FilterQueue；

步骤S23：在所述滤波数据队列FilterQueue中提取数据并进行二十阶滑动平均运算，得到平滑数据队列SmoothQueue，并计算得到当前信号值Sval。

进一步地，所述数据处理模块中的具体处理过程还包括如下：

步骤S24：以所述步骤S23中平滑数据队列SmoothQueue为数据源，取其中的当前信号值Sval与历史信号值进行导数运算，得到当前导数值Diff；

步骤S25：以所述步骤S23中平滑数据队列SmoothQueue为数据源，取其中的当前信号值Sval与前十个历史信号值进行十阶方差运算，得到当前方差值Var；

步骤S25：在获取到激光穿孔启动信号之后，整个数据处理模块循环运行过程中，不断对当前信号值Sval与历史极值进行比较，得到当前穿孔过程的历史最大值HMax与历史最小值HMin。

进一步地，所述穿孔判断模块中的具体处理过程如下：

步骤S31：判断是否能获取到激光穿孔启动信号，若能，则执行下一步；若不能，则继续等待激光穿孔启动信号；

步骤S32：判断当前导数值Diff是否小于设定的导数阈值TDiff，若小于，则表明采集的辐射光信号达到了某个下降沿的起点，执行下一步；若不小于，则循环本步骤，继续扫描辐射光信号的下降沿；

步骤S33：启动计时tp；

步骤S34：在设定的查询时间t1内，判断当前导数值Diff是否满足趋近于0，若不满足，则执行步骤S341；若满足，则执行步骤S35，表明到达了信号下降沿的终点；

步骤S341：判断计时tp是否满足大于查询时间t1，若满足，则返回步骤S32；若不满足，则返回步骤S34，在查询时间t1的时间范围内继续检测导数值Diff趋近于0的情况；

步骤S35：在检测到激光穿孔过程中辐射光信号的大幅度下降沿后，判断当前信号值Sval是否满足趋近于历史信号阈值HSval，若满足，则可以基本确定到达了穿孔完成的临界点，执行下一步；若不满足，则返回步骤S32，说明扫描判断不正确，继续循环判断；

步骤S36：判断当前方差值Var是否小于方差阈值TVar，若小于，则表明达到了完成穿孔后的弱光信号的平稳阶段，执行下一步；若不小于，则返回步骤S32，说明此次扫描判断不正确，继续循环判断；

步骤S37：操作计时tp重新开始，判断tp是否满足大于连续方差判断时间t2，若满足，则执行下一步；若不满足，则返回步骤S36，继续进行方差判断；

步骤S38：判断当前信号值Sval是否不大于历史最小值HMin并小于历史最大值HMax，若是，发送响应信号给外部执行机构；若否，则返回步骤S32，此次扫描判断不正确，继续循环判断。

进一步地，所述穿孔判断模块中的具体处理过程还包括如下：

步骤S39：将穿孔结束后此时的信号值Sval压入历史阈值数据队列HistoryQueue，并对穿孔的历史阀值数据队列HistoryQueue进行偏差分析；

步骤S310：根据偏差分析的结果更新当前历史信号阈值HSval，并作为下次穿孔判断的依据。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过数据处理模块和穿孔判断模块，可以实时检测激光穿孔过程中的辐射光信号，并根据信号表现进行快速、准确判断，而且不受工艺参数及外部环境因素的影响，可以解决由于设定固定延时时间方法所造成的工件损坏或效率降低，也可以避免采用阈值判断方法引起的穿孔判断不稳定问题，从而提高了激光穿孔的准确性、稳定性及穿孔效率。

附图说明

图1为本发明激光穿孔检测判断方法的流程图。

图2为本发明中数据处理模块的流程图。

图3为本发明中穿孔判断模块的流程图。

图4为进行一次激光穿孔过程中采集到的经过放大后的光信号源数据波形。

图5为经过数据处理之后的波形。其中横坐标是时间，单位是ms，纵坐标是量化后的信号强度。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

参阅图1所示，本发明提供的一种激光穿孔检测判断方法，具体包括如下：

启动系统，并进行系统初始化和参数设置，所述参数包括导数阀值TDiff、信号波形下降沿的查询时间t1、连续方差判断时间t2、方差阈值TVar等。

数据处理模块，用于进行辐射光信号的采集和信号处理(包括数据转换、滤波平滑等)，以及导数、方差、极值等数据运算，为穿孔判断模块提供实时的数据支持。

穿孔判断模块，用于根据数据处理模块处理得到的实时数据，实现在穿孔功率、占空比、穿孔焦点、切割嘴大小等各种外在环境变化的条件下进行自适应穿孔判断，并为数据处理模块提供经验数据，实现穿孔的控制输出，完成整个激光快速穿孔过程。

上述中，所述数据处理模块和穿孔判断模块两者同步进行处理，其中数据处理模块的优先级高，当两个模块存在时间竞争时，数据处理模块优先运行。

进一步地，参阅图2所示，所述数据处理模块中包括信号处理和数据运算，其具体处理过程如下：

步骤S21：采集微弱的辐射光信号，并把采集到的光信号放大处理后转换为数字信号压入源数据SrcQueue中。本步骤可以为后续的数据处理与数学运算提供数据源。

步骤S22：从源数据SrcQueue中提取数据并进行低通滤波处理，得到滤波数据队列FilterQueue。本实施例中，采用十阶IIR滤波器进行低通滤波处理，所述十阶IIR滤波器的参数为通带截止频率15hz、采样率为1000hz。通过本步骤的低通滤波处理能够去除目标频率之外的干扰信号。

步骤S23：在所述滤波数据队列FilterQueue中提取数据并进行二十阶滑动平均运算，得到平滑数据队列SmoothQueue，并计算得到当前信号值Sval。

本步骤目的是去除信号毛刺，提高信号的平稳性，更有利于穿孔判断模块的算法判断。

步骤S24：以所述平滑数据队列SmoothQueue为数据源，取数据队列中的当前信号值Sval与历史信号值进行导数运算得到当前导数值Diff。本步骤为后续穿孔判断模块中信号的变化率提供依据。

本步骤中，所述平滑数据队列SmoothQueue中包含当前信号值和一系列的历史信号值。队列是先进先出，像排队一样，当前信号值压入队列后，则最后的历史信号值会出列，丢弃掉。

步骤S25：以所述平滑数据队列SmoothQueue为数据源，取数据队列中的当前信号值Sval与前十个历史信号值进行十阶方差运算得到当前方差值Var。其中，方差值表述了当前信号的平稳性，是穿孔判断的重要数据。

步骤S26：在获取到激光穿孔启动信号之后，整个数据处理模块循环运行过程中，不断对当前信号值Sval与历史极值进行比较，得到当前穿孔过程的历史最大值HMax与历史最小值HMin。计算的极值表述整个穿孔过程中的光信号强弱的边界，通过利用极值可以提高整个判断方法的正确率。

本步骤中，所述历史极值是在循环过程中进行动态运算更新的，比如当前信号值如果大于历史最大值，则把当前信号值作为下一次的历史最大值。

上述中，完成整个信号采集、滤波处理与数学运算的时间为500us(<1ms，不能超过1ms)，在1ms的运算周期到达后，返回数据处理模块的起始步骤S21继续循环处理与更新数据。

进一步地，参阅图3所示，所述穿孔判断模块中包括穿孔判断过程和穿孔完成后的数据更新与结果输出，其具体处理过程如下：

步骤S31：判断是否能获取到激光穿孔启动信号，若能，则执行下一步；若不能，则继续等待激光穿孔启动信号。

步骤S32：判断当前导数值Diff是否小于设定的导数阈值TDiff，若小于，则表明采集的辐射光信号达到了某个下降沿的起点，执行下一步；若不小于，则循环本步骤，继续扫描辐射光信号的下降沿。

步骤S33：启动计时tp。此计时tp为统计下降沿维持的时间，正常的穿孔完成会在查询时间t1范围内完成下降沿过程，否则存在异常。

步骤S34：在设定的查询时间t1内，判断当前导数值Diff是否满足趋近于0，若不满足，则执行步骤S341；若满足，则执行步骤S35，表明到达了信号下降沿的终点。经过这个过程的处理，可以检测到激光穿孔过程中辐射光信号的大幅度下降沿趋势。

步骤S341：判断计时tp是否满足大于查询时间t1，若满足，则返回步骤S32；若不满足，则返回步骤S34，在查询时间t1的时间范围内继续检测导数值Diff趋近于0的情况，直到检测到满足条件为止。

步骤S35：在检测到激光穿孔过程中辐射光信号的大幅度下降沿后，判断当前信号值Sval是否满足趋近于历史信号阈值HSval，若满足，则可以基本确定到达了穿孔完成的临界点，但要确保无误，需要继续对信号的方差进行判断，执行下一步；若不满足，则返回步骤S32，说明扫描判断不正确，继续循环判断。

步骤S36：判断当前方差值Var是否小于方差阈值TVar，若小于，则表明达到了完成穿孔后的弱光信号的平稳阶段，执行下一步；若不小于，则返回步骤S32，说明此次扫描判断不正确，继续循环判断。

步骤S37：操作计时tp重新开始，判断tp是否满足大于连续方差判断时间t2，正常穿孔完成后，会保持至少连续方差判断时间t2的平稳时间，若满足，则执行下一步；若不满足，则返回步骤S36，继续进行方差判断。

本步骤中，计时tq为当前方差值Var小于方差阈值TVar，即光信号平稳阶段的维持时间。

步骤S38：判断当前信号值Sval是否不大于历史最小值HMin并小于历史最大值HMax，若是，则可以断定完成了激光穿孔过程，并发送响应信号给外部执行机构；若否，则返回步骤S32，此次扫描判断不正确，继续循环判断。本步骤是为了排除错误判断的干扰项，正常的穿孔完成后的信号值一定在历史极值范围内

步骤S39：将穿孔结束后此时的信号值Sval压入历史阈值数据队列HistoryQueue，并对穿孔的历史阀值数据队列HistoryQueue进行偏差分析。

其中，偏差分析指的是对历史阈值数据队列中的所有数据进行均值计算，如果队列中存在某个数据偏差过大，则把该数据从队列中删除，从而去除干扰因素对历史阈值的影响。

步骤S310：根据偏差分析的结果更新当前历史信号阈值HSval，并作为下次穿孔判断的依据。通过历史阈值的处理，可以适应穿孔功率、穿孔频率等各种工艺参数对阈值判断的影响。

上述过程完成后返回步骤S31，重新等待下一次穿孔启动信号。

参阅图4和图5，两者展现的是整个穿孔过程的波形，而穿孔检测判断的过程是一个强实时性的动态过程，只能根据当前处理得到的数据和历史数据进行快速判断，在完成激光穿孔后，必须在100ms之内进行判断。图5中标注的位置即为激光穿孔完成时的位置，在穿孔的光信号动态变化过程中，必须在此位置的100ms内实现穿孔判断。本发明上述所描述的判断方法实现了这个效果。

本发明中能够避免在激光穿孔的过程中，辐射光信号会受到穿孔焦点、穿孔功率、穿孔频率，切割嘴大小等各种工艺参数及外部环境对穿孔检测判断结果的影响，从而提高穿孔的准确度和效率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种激光穿孔检测判断方法，其特征在于：该方法具体包括如下：

启动系统，并进行系统初始化和参数设置；

数据处理模块，用于进行辐射光信号的采集、信号处理和数据运算，得到实时数据；

穿孔判断模块，用于根据数据处理模块处理得到的实时数据，进行自适应的穿孔判断，并为所述数据处理模块提供经验数据，实现穿孔的控制输出，完成整个激光快速穿孔过程。

2.根据权利要求1所述的激光穿孔检测判断方法，其特征在于：所述数据处理模块中的具体处理过程如下：

步骤S21：采集微弱的辐射光信号，并把采集到的光信号放大处理后转换为数字信号压入源数据SrcQueue中；

步骤S22：从源数据SrcQueue中提取数据并进行低通滤波处理，得到滤波数据队列FilterQueue；

步骤S23：在所述滤波数据队列FilterQueue中提取数据并进行二十阶滑动平均运算，得到平滑数据队列SmoothQueue，并计算得到当前信号值Sval。

3.根据权利要求2所述的激光穿孔检测判断方法，其特征在于：所述数据处理模块中的具体处理过程还包括如下：

步骤S24：以所述步骤S23中平滑数据队列SmoothQueue为数据源，取其中的当前信号值Sval与历史信号值进行导数运算，得到当前导数值Diff；

步骤S25：以所述步骤S23中平滑数据队列SmoothQueue为数据源，取其中的当前信号值Sval与前十个历史信号值进行十阶方差运算，得到当前方差值Var；

步骤S25：在获取到激光穿孔启动信号之后，整个数据处理模块循环运行过程中，不断对当前信号值Sval与历史极值进行比较，得到当前穿孔过程的历史最大值HMax与历史最小值HMin。

4.根据权利要求3所述的激光穿孔检测判断方法，其特征在于：所述穿孔判断模块中的具体处理过程如下：

步骤S31：判断是否能获取到激光穿孔启动信号，若能，则执行下一步；若不能，则继续等待激光穿孔启动信号；

步骤S32：判断当前导数值Diff是否小于设定的导数阈值TDiff，若小于，则表明采集的辐射光信号达到了某个下降沿的起点，执行下一步；若不小于，则循环本步骤，继续扫描辐射光信号的下降沿；

步骤S33：启动计时tp；

步骤S34：在设定的查询时间t1内，判断当前导数值Diff是否满足趋近于0，若不满足，则执行步骤S341；若满足，则执行步骤S35，表明到达了信号下降沿的终点；

步骤S341：判断计时tp是否满足大于查询时间t1，若满足，则返回步骤S32；若不满足，则返回步骤S34，在查询时间t1的时间范围内继续检测导数值Diff趋近于0的情况；

步骤S35：在检测到激光穿孔过程中辐射光信号的大幅度下降沿后，判断当前信号值Sval是否满足趋近于历史信号阈值HSval，若满足，则可以基本确定到达了穿孔完成的临界点，执行下一步；若不满足，则返回步骤S32，说明扫描判断不正确，继续循环判断；

步骤S36：判断当前方差值Var是否小于方差阈值TVar，若小于，则表明达到了完成穿孔后的弱光信号的平稳阶段，执行下一步；若不小于，则返回步骤S32，说明此次扫描判断不正确，继续循环判断；

步骤S37：操作计时tp重新开始，判断tp是否满足大于连续方差判断时间t2，若满足，则执行下一步；若不满足，则返回步骤S36，继续进行方差判断；

步骤S38：判断当前信号值Sval是否不大于历史最小值HMin并小于历史最大值HMax，若是，发送响应信号给外部执行机构；若否，则返回步骤S32，此次扫描判断不正确，继续循环判断。

5.根据权利要求4所述的激光穿孔检测判断方法，其特征在于：所述穿孔判断模块中的具体处理过程还包括如下：

步骤S39：将穿孔结束后此时的信号值Sval压入历史阈值数据队列HistoryQueue，并对穿孔的历史阀值数据队列HistoryQueue进行偏差分析；

步骤S310：根据偏差分析的结果更新当前历史信号阈值HSval，并作为下次穿孔判断的依据。