CN110834145B - 用于高功率激光切割头实现全闭环调焦的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高功率激光切割头实现全闭环调焦的控制系统，其包括伺服驱动器、伺服电机、丝杆、准直镜组、光栅尺组件、单片机主控板、与单片机主控板通过ADS接口连接的上位机系统，伺服驱动器与ADS接口通过总线电气连接，伺服电机内设置有检测伺服电机速度的编码器；光栅尺组件的信号分为两路，一路将焦点位置信息传输给单片机主控板，另一路将位置信息反馈给伺服驱动器；编码器提供伺服电机的速度信息反馈给伺服驱动器，伺服驱动器再控制伺服电机的运转驱动准直镜组的位置调节从而实现全闭环控制。本发明采用光栅尺监测镜筒组件的实时位置，再反馈给驱动电机进行位置补偿命令，实现全闭环高精度调焦控制，使切割头的切割工艺更加稳定可靠。

Description

用于高功率激光切割头实现全闭环调焦的控制系统

技术领域

本发明属于自动调焦技术领域，特别是涉及一种用于高功率激光切割头实现全闭环调焦的控制系统。

背景技术

在激光切割领域中，切割速度、切割质量的高低主要取决于选定的切割参数是否合适，切割参数包括激光功率、切割速度、焦点位置、切割气压等。其中焦点位置的精度控制非常关键，市面上常规切割头厂家设计的切割头调焦方式可分为伺服电机+联轴器+丝杆+导轨以及直流电机+钢带+导轨两种分别驱动镜筒组件上下运动进行焦点位置的调节。目前，传统的这两种调节方式都是开环控制，传动机构均存在一定量的间隙值，无法对切割头实际焦点位置进行实时监测及反馈。

因此，需要提供一种新的用于高功率激光切割头实现全闭环调焦的控制系统来解决上述问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于高功率激光切割头实现全闭环调焦的控制系统，实现了全闭环高精度调焦控制，使切割头的切割工艺更加稳定可靠。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种用于高功率激光切割头实现全闭环调焦的控制系统，其包括伺服驱动器、受所述伺服驱动器控制的伺服电机、受所述伺服电机控制的丝杆、设置在所述丝杆上的准直镜组、反馈所述准直镜组位置的光栅尺组件、与所述光栅尺组件电气连接的单片机主控板、与所述单片机主控板通过ADS接口连接的上位机系统，所述伺服驱动器与所述ADS接口通过总线电气连接，所述伺服电机内设置有检测所述伺服电机速度的编码器，所述编码器与所述伺服驱动器电气连接；

所述光栅尺组件的信号分为两路，一路将焦点位置信息传输给所述单片机主控板，另一路将位置信息反馈给所述伺服驱动器；所述编码器提供所述伺服电机的速度信息反馈给所述伺服驱动器，所述伺服驱动器再控制所述伺服电机的运转驱动准直镜组的位置调节从而实现全闭环控制；

所述用于高功率激光切割头实现全闭环调焦的控制系统还包括与所述单片机主控板电气连接的腔内温度传感器、准直镜温度传感器、聚焦镜温度传感器、下保护镜温度传感器、腔内压力传感器、切割气压压力传感器、下保护镜缺失红外传感器、下保护镜安装到位传感器；所述控制系统用于控制激光切割头中准直调焦驱动模组，所述准直调焦驱动模组包括副机体、所述准直镜组、所述光栅尺组件、螺帽支架、第一支撑座、所述丝杆、限位开关、固定座、联轴器、前盖板、所述伺服电机、导轨；

所述准直镜组内部装有准直镜片，所述准直镜组由交叉滚子导轨固定在所述副机体上；所述伺服电机、所述固定座、所述第一支撑座均固定在所述副机体上，所述螺帽支架一侧表面与所述丝杆的螺母连接、另一侧表面与所述准直镜组连接；

所述丝杆由所述固定座和所述第一支撑座支撑，所述丝杆和所述伺服电机间装有所述联轴器，消除所述伺服电机、所述丝杆间的同轴误差；

所述限位开关装在所述副机体零件的内部两侧，所述螺帽支架零件的两端可以对所述限位开关的位置起到感应作用；所述光栅尺组件包括读头、光栅尺及第二支撑座，所述读头靠所述第二支撑座固定在所述副机体上，所述光栅尺与所述准直镜组连接，所述读头可以在所述第二支撑座上调整与所述光栅尺之间的高度及左右位置，以达到最佳感应位置；

所述读头对所述光栅尺的实时位置进行读取和识别，同时反馈给所述上位机系统。

进一步的，所述单片机主控板中设置有蓝牙通讯模块可与移动通讯设备进行数据传输。

与现有技术相比，本发明一种用于高功率激光切割头实现全闭环调焦的控制系统的有益效果在于：采用高精度光栅尺监测镜筒组件的实时位置，再将位置信息反馈给驱动电机进行位置补偿命令，实现全闭环高精度调焦控制，使切割头的切割工艺更加稳定可靠。实现了自动化准确调焦快速切割，采用伺服电机的编码器反馈和第二反馈磁栅相结合的方式，实现焦点定位精度达到1um；同时该系统具备实时检测功能，配置无线传输技术可通过手机APP或上位机软件实现切割头的各种状态读取及其配置，让客户及时了解切割头的保护镜温度及其污染情况、切割头内部气压等工作状态，进行有效的使用；让智能切割头具有功能强大、集成度高、模块叠加灵活，全数值化总线控制等优势。

附图说明

图1为本发明实施例的框架原理示意图；

图2为本发明实施例中单片机主控板的框架原理示意图；

图3为本发明实施例中调焦驱动组件的爆炸结构示意图；

图4为本发明实施例中光栅组件的结构示意图。

具体实施方式

实施例

请参照图1-图4，本实施例为用于高功率激光切割头实现全闭环调焦的控制系统，其包括伺服驱动器、受所述伺服驱动器控制的伺服电机、受伺服电机控制的丝杆、设置在丝杆上的准直镜组、反馈准直镜组位置的光栅尺、与光栅尺电气连接的单片机主控板、与单片机主控板通过ADS接口连接的上位机系统，所述伺服驱动器与ADS接口通过总线电气连接，单片机主控板中设置有蓝牙通讯模块可与移动通讯设备进行数据传输，伺服电机内设置有检测伺服电机速度的编码器，所述编码器与所述伺服驱动器电气连接。

本实施例还包括与单片机主控板电气连接的腔内温度传感器、准直镜温度传感器、聚焦镜温度传感器、下保护镜温度传感器、腔内压力传感器、切割气压压力传感器、下保护镜缺失红外传感器、下保护镜安装到位传感器。

本实施例为用于高功率激光切割头实现全闭环调焦的控制系统用于控制激光切割头中准直调焦驱动模组，所述准直调焦驱动模组包括副机体1、准直镜组2、光栅尺组件3、螺帽支架4、第一支撑座5、丝杆6、限位开关7、固定座8、联轴器9、前盖板10、伺服电机11、导轨12、第二支撑座33、读头31、光栅尺32、连接线13。在激光切头头中还可配备检测散杂光的光学检测装置。

准直镜组2内部装有准直镜片，准直镜组2由交叉滚子导轨12固定在副机体1零件上，准直镜组2的同轴度、平行度、直线度等均由导轨12精度保证；伺服电机11、固定座8、第一支撑座5均固定在副机体1上，螺帽支架4一侧表面与丝杆6的螺母连接、另一侧表面与准直镜组2连接。丝杆6由固定座8和第一支撑座5支撑，丝杆6和伺服电机11间装有柔性联轴器9，可消除伺服电机11、丝杆6间的同轴误差。伺服电机11驱动丝杆6的同时，带动准直镜组2上下移动，从而实现光学上的变焦调节；限位开关7装在副机体1零件的内部两侧，螺帽支架4零件的两端可以对限位开关7的位置起到感应作用；同样的，副机体1零件上还设计有硬限位开口槽，可以使螺帽支架4在指定的位置范围内运动。光栅尺组件3分为读头31、光栅尺32及第二支撑座33，读头31靠第二支撑座33固定在副机体1上，光栅尺32与准直镜组2连接，读头31可以在第二支撑座33上调整与光栅尺32之间的高度及左右位置，以达到最佳感应位置。读头31可以对光栅尺32的实时位置进行读取和识别，同时反馈给上位机系统，再对焦点位置进行补偿控制。

本实施例全闭环控制系统是采用单片机采集光栅的ABZ信号，计算处理得到当前的焦点位置，将光栅信号发送到伺服驱动器上，而伺服驱动器控制伺服电机运行，伺服电机的编码器提供速度反馈，光栅尺提供高精度的位置反馈；同时单片机控制模块将传感器的数据和报警信号等通过ADS接口发送到上位机系统上，根据上位机系统通过EtherCAT总线方式操作电机的回参、调焦等操作，从而实现全闭环的高精度控制。

智能切割头的程序控制系统包括：温度传感器、压力传感器、漫射光、光栅、保护镜有无检测、保护镜到位检测、modbus通信模块、蓝牙模块等。单片机将采集的各种传感器和光栅采样值进行计算与处理，通过蓝牙模块与移动通讯设备进行交互和控制等操作，通过Modbus通信的方式将传感器、实际焦点位置等数据发送到上位机，实现伺服电机的运动等操作，实现设置阀值和零焦补偿等数据的有效存储和读取。

本实施例的工作原理为：光栅尺连接至伺服驱动器，伺服电机和编码器连接至伺服驱动器，编码器提供速度反馈、光栅尺提供位置反馈给伺服驱动器，从而实现全闭环的更高精度的控制。具体的，光栅尺的一路信号传输至单片机主控板，提示当前实际焦点位置，另一路传输至伺服驱动器为伺服驱动器提供位置反馈；伺服驱动器通过编码器以及光栅尺得到的信息控制伺服电机转动，使得准直镜组到达设定的位置高度；伺服驱动器通过总线的方式会将当前电机状态信息(即伺服电机输出端驱动的移动位置信息)发送到上位机系统中；单片机主控板会将包括实际焦点位置在内的所有信息(包括报警、各个传感器信号)通过蓝牙模块发送至移动通讯设备上实时监视，同时单片机主控板将报警信号发送给上位机系统，上位机系统会以开环的形式发送脉冲给伺服驱动器从而控制伺服电机正反转；同时上位机系统会根据报警信号控制整个激光切割机床的运转。

在切割过程中，上位机系统进行回参和调焦操作，通过自动调节焦点位置达到快速切割的目的，而焦点位置提供伺服电机编码和磁栅的第二反馈相结合的方式，实现焦点位置定位精度达到±1um。同时回参过程中采用磁栅的固定零点位置和零焦补偿相结合的方式回参，比传统的软件设置回参位置更加稳定可靠。具备实时监控功能，配置四颗LED灯起到报警功能，让客户实时了解切割头的工作状态；同时配置实时检测功能，通过移动通信设备终端上的APP分析切割头的工作状况，方便客服或者客户更加有效的快速的处理切割头故障，减少维护成本，从而提高产品的市场竞争力。

本实施例高功率激光切割头实现全闭环调焦控制的装置的有益效果在于：采用高精度光栅尺监测镜筒组件的实时位置，再将位置信息反馈给驱动电机进行位置补偿命令，实现全闭环高精度调焦控制，使切割头的切割工艺更加稳定可靠。具体的，

1)采用伺服电机的编码器反馈和第二反馈磁栅相结合的方式，实现焦点重复定位精度达到±1um，移动定位精度达到±1um，极大的提高焦点的位置准确性；

2)配置切割气体压力、腔内压力、保护镜温度、聚焦镜温度、准直镜温度、切割头温度、杂散光等检测组件，在无人看管自动加工过程中，可根据气压和温度报警自动暂停加工，避免板材的浪费和设备损坏；

3)具备实时监控功能，配置四颗显示灯起到报警功能，让客户实时了解切割头的工作状态；调试配备实时检测功能，可通过手机APP对激光头的各种工作状态，处理突发状况；

4)实现焦点移动速度≥100mm/s；

5)实现成本低，预计与外购设备相比，成本可降低至少30％。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于高功率激光切割头实现全闭环调焦的控制系统，其特征在于：其包括伺服驱动器、受所述伺服驱动器控制的伺服电机、受所述伺服电机控制的丝杆、设置在所述丝杆上的准直镜组、反馈所述准直镜组位置的光栅尺组件、与所述光栅尺组件电气连接的单片机主控板、与所述单片机主控板通过ADS接口连接的上位机系统，所述伺服驱动器与所述ADS接口通过总线电气连接，所述伺服电机内设置有检测所述伺服电机速度的编码器，所述编码器与所述伺服驱动器电气连接；

所述光栅尺组件的信号分为两路，一路将焦点位置信息传输给所述单片机主控板，另一路将位置信息反馈给所述伺服驱动器；所述编码器提供所述伺服电机的速度信息反馈给所述伺服驱动器，所述伺服驱动器再控制所述伺服电机的运转驱动准直镜组的位置调节从而实现全闭环控制；

所述用于高功率激光切割头实现全闭环调焦的控制系统还包括与所述单片机主控板电气连接的腔内温度传感器、准直镜温度传感器、聚焦镜温度传感器、下保护镜温度传感器、腔内压力传感器、切割气压压力传感器、下保护镜缺失红外传感器、下保护镜安装到位传感器；所述控制系统用于控制激光切割头中准直调焦驱动模组，所述准直调焦驱动模组包括副机体、所述准直镜组、所述光栅尺组件、螺帽支架、第一支撑座、所述丝杆、限位开关、固定座、联轴器、前盖板、所述伺服电机、导轨；

所述准直镜组内部装有准直镜片，所述准直镜组由交叉滚子导轨固定在所述副机体上；所述伺服电机、所述固定座、所述第一支撑座均固定在所述副机体上，所述螺帽支架一侧表面与所述丝杆的螺母连接、另一侧表面与所述准直镜组连接；

所述丝杆由所述固定座和所述第一支撑座支撑，所述丝杆和所述伺服电机间装有所述联轴器，消除所述伺服电机、所述丝杆间的同轴误差；

所述限位开关装在所述副机体零件的内部两侧，所述螺帽支架零件的两端可以对所述限位开关的位置起到感应作用；所述光栅尺组件包括读头、光栅尺及第二支撑座，所述读头靠所述第二支撑座固定在所述副机体上，所述光栅尺与所述准直镜组连接，所述读头可以在所述第二支撑座上调整与所述光栅尺之间的高度及左右位置，以达到最佳感应位置；

所述读头对所述光栅尺的实时位置进行读取和识别，同时反馈给所述上位机系统。

2.如权利要求1所述的用于高功率激光切割头实现全闭环调焦的控制系统，其特征在于：所述单片机主控板中设置有蓝牙通讯模块可与移动通讯设备进行数据传输。