CN110039208B - 一种激光切割头气压检测装置及其检测方法 - Google Patents

一种激光切割头气压检测装置及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种激光切割头气压检测装置及其检测方法，包括中空的壳体、下保护镜座、和喷嘴，壳体远离光纤的一端设置有下保护镜座，壳体与下保护镜座固定连接；下保护镜座远离光纤的一端设置有喷嘴，喷嘴与下保护镜座固定连接；壳体、下保护镜座和喷嘴内部依次连通形成贯通的激光通路；壳体内具有封闭的第一内腔；喷嘴上设置有贯通的进气管，进气管分别与激光通路和气源连通，进气管将辅助切割气体导入激光通路中；其特征在于：还包括气压检测模块；气压检测模块分别对第一内腔和激光通路内的气压进行检测，对检测到的气压与预设值进行对比，判断气压是否超限。本发明通过对壳体和喷嘴内部的气压情况进行主动检测，便于及时检修和维护。

Description

一种激光切割头气压检测装置及其检测方法
技术领域
本发明涉及激光切割设备领域，尤其涉及一种激光切割头气压检测装置及其检测方法。
背景技术
激光加工设备是利用激光高能量和高效率的优势，使得生产与加工更加快捷和安全的设备。激光加工设备主要包括激光焊接、激光切割、激光打标和激光打孔等应用。其中，激光切割是利用激光切割头发出的高功率密度的激光束，将金属材料表面温度快速升至沸点，从而完成切割作业，激光切割的断面光滑无毛刺，对各种厚度的板材均与较好的切割效果。
激光切割头主要包括将光纤导入切割头的激光接口部分、将光纤的发散光进行收敛的准直镜片组件、将准直后的平行激光束聚焦的聚焦镜片组件、调整激光焦距的调焦组件、激光喷嘴、冷却水路或者气路以及保护镜片等。激光切割过程中常常会出现切割质量不佳的现象，导致切割质量不佳主要是由镜片受到污染以及气流不稳引起。由于激光切割头工作环境中的气体一般都含有粉尘及水汽，会对镜片造成污染。为保证激光切割头的可靠性，通常采用的方法是人工定期清理和更换保护镜片，对切割头的密闭状况或者喷嘴出气是否稳定的状况判断比较滞后，非常不便。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种可对切割头内气压进行检测的激光切割头气压检测装置及其检测方法。
本发明的技术方案是这样实现的：一方面，本发明提供了一种激光切割头气压检测装置，包括中空的壳体(1)、下保护镜座(2)、和喷嘴(3)，壳体(1)远离光纤的一端设置有下保护镜座(2)，壳体(1)与下保护镜座(2)固定连接；下保护镜座(2)远离光纤的一端设置有喷嘴(3)，喷嘴(3)与下保护镜座(2)固定连接；壳体(1)、下保护镜座(2)和喷嘴(3)内部依次连通形成贯通的激光通路(4)；壳体(1)内具有封闭的第一内腔(11)；喷嘴(3)上设置有贯通的进气管(31)，进气管(31)分别与激光通路(4)和气源连通，进气管(31)将辅助切割气体导入激光通路(4)中；还包括气压检测模块(5)；气压检测模块(5)包括若干气压传感器(51)、MCU(52)、信号传输单元(53)和上位机(54)，所述气压传感器(51)与MCU(52)的输入端信号连接，MCU(52)的输出端与信号传输单元(53)信号连接；信号传输单元(53)与上位机(54)信号连接；
所述气压传感器(51)，用于检测第一内腔(11)和激光通路(4)内的气压信号，并将该气压信号传输至MCU(52)；
所述MCU(52)接收气压传感器(51)发送的气压信号，并将气压信号换算成当前气压，将当前气压与预设气压阈值进行比较，然后将当前气压数值和气压比较结果转发至信号传输单元(53)；
信号传输单元(53)接收到MCU(52)的输出的当前气压数值和气压比较结果并发送至上位机(54)中；
上位机(54)对接收到的当前气压数值和气压比较结果进行输出。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述气压传感器(51)分别设置在壳体(1)和喷嘴(3)上，壳体(1)上设置有第一通孔(12)，喷嘴(3)上设置有第二通孔(32)；气压传感器(51)设置在第一通孔(12)和第二通孔(32)内，并分别与第一内腔(11)和激光通路(4)连通，气压传感器(51)与壳体(1)和喷嘴(3)密封连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述MCU(52)为STM单片机，MCU(52)包括同步串行数据接口和通用同步异步收发器USART；气压传感器(51)与MCU(52)的同步串行数据接口信号连接；MCU(52)通过通用同步异步收发器USART与信号传输单元(53)信号连接；MCU(52)固定设置在壳体(1)上。
进一步优选的，所述同步串行数据接口为I2C接口。
在以上技术方案的基础上，进一步优选的，所述上位机(54)为PC机，上位机(54)包括显示器，上位机(54)对当前气压数值和气压比较结果进行显示输出。
更进一步优选的，所述信号传输单元(53)分别与通用同步异步收发器USART和上位机(54)信号连接。
另一方面，本发明提供了一种激光切割头气压检测装置的检测方法，包括如下步骤：
S1：开启辅助气体；
S2：启动激光器，使激光切割头处于待命状态，导入切割头相应的加工程序；
S3：将切割辅助气体从进气管(31)导入激光通路(4)中，启动加工工序，并根据切割工艺要求调整不同的气压；同时启用气压传感器(51)分别对第一内腔(11)和激光通路(4)中的气压进行检测，将获取的气压信号传输至MCU(52)内，在MCU(52)内完成当前气压与气压阈值的比较，当前气压超过上限阈值或者当前气压低于下限阈值时，MCU(52)会置位告警标志状态，发出告警标志状态信息；然后MCU(52)将当前气压和气压比较结果一起发送给信号传输单元(53)；
S4：信号传输单元(53)将MCU(52)发送的当前气压和告警标志状态信息转发给上位机(54)；
S5：上位机(54)显示接受到的当前气压和告警标志状态信息。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述激光通路(4)内的辅助切割气体的气压的上限值为2.0MPa，辅助切割气体的气压的下限值为0.6MPa。
进一步优选的，所述第一内腔(11)内的气压的上限值为0.1MPa。
本发明提供的一种新型激光切割头气压检测装置及其检测方法，相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明通过对壳体和喷嘴内部的气压情况进行主动检测，可及时了解壳体内部的密封情况和激光通路内气流的气压；
(2)获取气压情况后，可通过上位机进行结果输出，使操作人员及时了解壳体内封闭环境是否改变，或者直观了解激光通路内的气压情况是否稳定；
(3)本发明可改变设备维护的策略，将被动维护变为主动检测，可排除因气压不稳定或外部气体进入第一内腔导致的切割质量不佳的因素，提高激光切割质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种新型激光切割头气压检测装置及其检测方法的系统结构框图；
图2为本发明一种新型激光切割头气压检测装置及其检测方法的气压传感器、MCU、信号传输单元与激光切割头的组合状态前视图；
图3为图2的半剖左视图；
图4为本发明一种新型激光切割头气压检测装置及其检测方法的气压传感器与MCU的一种接线图；
图5为本发明一种新型激光切割头气压检测装置及其检测方法的MCU、信号传输单元和上位机的一种接线图；
图6为本发明一种新型激光切割头气压检测装置及其检测方法的MCU、信号传输单元和上位机的另一种接线图；
图7为本发明一种新型激光切割头气压检测装置及其检测方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1结合图2、图3和图4所示，本发明提供了一种激光切割头气压检测装置，包括中空的壳体1、下保护镜座2、喷嘴3和气压检测模块5。其中壳体1远离光纤的一端设置有下保护镜座2，壳体1与下保护镜座2固定连接；下保护镜座2远离光纤的一端设置有喷嘴3，喷嘴3与下保护镜座2固定连接；壳体1、下保护镜座2和喷嘴3内部依次连通形成贯通的激光通路4；壳体1内具有封闭的第一内腔11；喷嘴3上设置有贯通的进气管31，进气管31分别与激光通路4和气源连通，进气管31将辅助切割气体导入激光通路4中。壳体1内部作为调焦组件的容置空间，为保证其内部光学器件工作的可靠性，应尽量避免空气进入，因为激光切割现场的空气含有大量灰尘和水汽，如果环境空气进入壳体1内部，对激光切割机的切割效果将产生持续的不利影响。激光通路4内的辅助切割气体一方面可以为下保护镜座2上的下保护镜进行降温除尘，另一方面能吹走熔融气化的加工金属，稳定的辅助切割气体有利于激光切割的端面质量，有必要对这两部分的气压进行检测，以提高激光切割的质量，降低维护成本。
如图1所示，气压检测模块5包括若干气压传感器51、MCU52、信号传输单元53和上位机54，所述气压传感器51与MCU52的输入端信号连接，MCU52的输出端与信号传输单元53信号连接；信号传输单元53与上位机54信号连接。其中：
气压传感器51用于检测第一内腔11和激光通路4内的气压信号，并将该气压信号传输至MCU52中；
MCU52接收气压传感器51发送的气压信号，并将气压信号换算成当前气压，将当前气压与预设气压阈值进行比较，然后将当前气压数值和气压比较结果转发至信号传输单元53；MCU52可将气压信号换算成相同长度的16位数据采用由高位到低位逐个对比的方式进行阈值比较；首先对比最高位的数据，如果数据相同，则对比第二位的数据，直至完成比较过程。
信号传输单元53接收到MCU52的输出的当前气压数值和气压比较结果并发送至上位机54中；
上位机54对接收到的当前气压数值和气压比较结果进行输出。
气压传感器51检测第一内腔11和激光通路4内的辅助切割气体的气压后，将气压信号输送至MCU52内进行进一步处理。MCU52将气压信号进行比较和判定后向上位机54输出，以便提示技术人员关注激光切割机的气压状况，及时进行检修和维护。
如图3所示，气压传感器51分别设置在壳体1和喷嘴3上，壳体1上设置有第一通孔12，喷嘴3上设置有第二通孔32；气压传感器51设置在第一通孔12和第二通孔32内，并分别与第一内腔11和激光通路4连通，气压传感器51与壳体1和喷嘴3密封连接。如图所示，为了进一步提高气压传感器51的测量精度，可以在气压传感器51外增设箱体，将气压传感器51与外部环境隔离开。
如图3结合图4、图5和图6所示，MCU52为STM单片机，MCU52包括同步串行数据接口和通用同步异步收发器USART；气压传感器51与MCU52的同步串行数据接口信号连接；MCU52通过通用同步异步收发器USART与信号传输单元53信号连接；MCU52固定设置在壳体1上。
同步串行数据接口为I2C接口。信号传输单元53分别与通用同步异步收发器USART和上位机54信号连接。
本发明中，MCU52采用STM32系列32位单片机，优选为STM32系列STM32F103VCT6。当然，也可以采用STM8L系列16位低功耗单片机。其实现方式基本类似。图4提供了MCU52与气压传感器51的接线示意图，I2C接口支持并联多个并联在I2C总线上的器件与MCU52进行信息传递，每个气压传感器51通过唯一的硬件地址进行识别。
信号传输单元53可将MCU52发出的信号进行电平转换；然后通过转接线将MCU52和上位机54信号连接，信号传输单元53可以采用如RS232转USB模块、RS485转RS232模块、RS232转RJ45模块、RS485转RJ45模块或者RS232电平转换模块等。根据激光切割头与上位机54之间的间距，采用不同的转换模块来实现信号传输。如图4和图5所示，提供了两种不同的信号传输单元53的接线图。
上位机54为PC机，上位机54包括显示器，上位机54能对当前气压数值和气压比较结果进行显示输出。
另外，本发明还提供了一种激光切割头气压检测装置的检测方法，包括如下步骤：
S1：开启辅助气体；
S2：启动激光器，使激光切割头处于待命状态，导入切割头相应的加工程序；
S3：将切割辅助气体从进气管31导入激光通路4中，启动加工工序，并根据切割工艺要求调整不同的气压；同时启用气压传感器51分别对第一内腔11和激光通路4中的气压进行检测，将获取的气压信号传输至MCU52内，在MCU52内完成当前气压与气压阈值的比较，当前气压超过上限阈值或者当前气压低于下限阈值时，MCU52会置位告警标志状态，发出告警标志状态信息；然后MCU52将当前气压和气压比较结果一起发送给信号传输单元53；激光通路4内的辅助切割气体的气压的上限值为2.0MPa，辅助切割气体的气压的下限值为0.6MPa；第一内腔11内的气压的上限值为0.1MPa，无下限值；
S4：信号传输单元53将MCU52发送的当前气压和告警标志状态信息转发给上位机54；
S5：上位机54显示接受到的当前气压和告警标志状态信息。
具体的流程图参加图7所示。本发明通过对壳体和喷嘴内部的气压情况进行主动检测，可及时了解壳体内部的密封情况和激光通路内气流的气压；获取气压情况后，可通过上位机进行结果输出，使操作人员及时了解壳体内封闭环境是否改变，或者直观了解激光通路内的气压情况是否稳定。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种激光切割头气压检测装置，包括中空的壳体(1)、下保护镜座(2)、和喷嘴(3)，壳体(1)远离光纤的一端设置有下保护镜座(2)，壳体(1)与下保护镜座(2)固定连接；下保护镜座(2)远离光纤的一端设置有喷嘴(3)，喷嘴(3)与下保护镜座(2)固定连接；壳体(1)、下保护镜座(2)和喷嘴(3)内部依次连通形成贯通的激光通路(4)；壳体(1)内具有封闭的第一内腔(11)；喷嘴(3)上设置有贯通的进气管(31)，进气管(31)分别与激光通路(4)和气源连通，进气管(31)将辅助切割气体导入激光通路(4)中；其特征在于：还包括气压检测模块(5)；气压检测模块(5)包括若干气压传感器(51)、MCU(52)、信号传输单元(53)和上位机(54)，所述气压传感器(51)与MCU(52)的输入端信号连接，MCU(52)的输出端与信号传输单元(53)信号连接；信号传输单元(53)与上位机(54)信号连接；
所述气压传感器(51)，用于检测第一内腔(11)和激光通路(4)内的气压信号，并将该气压信号传输至MCU(52)；对壳体(1)内部和喷嘴(3)内部的气压情况进行主动检测，及时了解壳体(1)内部的密封情况和激光通路(4)内气流的气压；在气压传感器(51)外设置有箱体，使气压传感器(51)与外部环境隔离开；
所述MCU(52)接收气压传感器(51)发送的气压信号，并将气压信号换算成当前气压，将当前气压与预设气压阈值进行比较，判断激光通路(4)内的气压是否低于该处气压阈值下限或者高于气压阈值上限，以及判断第一内腔(11)内的气压是否超过该处气压阈值上限；然后将当前气压数值和气压比较结果转发至信号传输单元(53)；
信号传输单元(53)接收到MCU(52)的输出的当前气压数值和气压比较结果并发送至上位机(54)中；
上位机(54)对接收到的当前气压数值和气压比较结果进行输出；
所述气压传感器(51)分别设置在壳体(1)和喷嘴(3)上，壳体(1)上设置有第一通孔(12)，喷嘴(3)上设置有第二通孔(32)；气压传感器(51)设置在第一通孔(12)和第二通孔(32)内，并分别与第一内腔(11)和激光通路(4)连通，气压传感器(51)与壳体(1)和喷嘴(3)密封连接；
该激光切割头气压检测装置的检测方法，包括如下步骤：
S1：开启辅助气体；
S2：启动激光器，使激光切割头处于待命状态，导入切割头相应的加工程序；
S3：将切割辅助气体从进气管(31)导入激光通路(4)中，启动加工工序，并根据切割工艺要求调整不同的气压；同时启用气压传感器(51)分别对第一内腔(11)和激光通路(4)中的气压进行检测，将获取的气压信号传输至MCU(52)内，在MCU(52)内完成当前气压与气压阈值的比较，当前气压超过上限阈值或者当前气压低于下限阈值时，MCU(52)会置位告警标志状态，发出告警标志状态信息；然后MCU(52)将当前气压和气压比较结果一起发送给信号传输单元(53)；所述激光通路(4)内的辅助切割气体的气压的上限值为2.0MPa，辅助切割气体的气压的下限值为0.6MPa；第一内腔(11)内的气压的上限值为0.1MPa；
S4：信号传输单元(53)将MCU(52)发送的当前气压和告警标志状态信息转发给上位机(54)；
S5：上位机(54)显示接受到的当前气压和告警标志状态信息。
2.如权利要求1所述的一种激光切割头气压检测装置，其特征在于：所述MCU(52)为STM单片机，MCU(52)包括同步串行数据接口和通用同步异步收发器USART；气压传感器(51)与MCU(52)的同步串行数据接口信号连接；MCU(52)通过通用同步异步收发器USART与信号传输单元(53)信号连接；MCU(52)固定设置在壳体(1)上。
3.如权利要求2所述的一种激光切割头气压检测装置，其特征在于：所述同步串行数据接口为I2C接口。
4.如权利要求1所述的一种激光切割头气压检测装置，其特征在于：所述上位机(54)为PC机，上位机(54)包括显示器，上位机(54)对当前气压数值和气压比较结果进行显示输出。
5.如权利要求4所述的一种激光切割头气压检测装置，其特征在于：所述信号传输单元(53)分别与通用同步异步收发器USART和上位机(54)信号连接。
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