CN114589548A - 一种动态追踪激光切割定位方法 - Google Patents

Abstract

一种动态追踪激光切割定位方法，包括安装在待切割物体上的PSD位置探测器和切割机上设置的跟踪定位系统，且跟踪定位系统位于PSD位置探测器的正上方，将切割机的工作平面和PSD位置探测器和跟踪定位单元间的竖直面创建三维直角坐标系，利用测得的位移线段量来换算驱动装置需要转动的角度；采用合理并且简单高效的的运算方式将三个变量换算成两个驱动装置的角度变量，设计了一种有效的PSD信号处理方法，设计实现了电流/电压转换、信号放大环节对PSD输出的微弱电流信号进行调理，并经A/D转换环节，减少了由于背景光、电路噪音、环境温度等外界因素产生的影响。

Description

一种动态追踪激光切割定位方法

技术领域

本发明涉及激光定位技术领域，具体为一种动态追踪激光切割定位方法。

背景技术

定位系统在复杂的工业和服务环境的应用日趋广泛，尤其是对于切割行业，其优势在于能在所处工作环境中自行运作，减少人员损伤的情况发生，为了达到这个要求，切割机上必须包含一个精准的定位系统，来确定其位置和方向参数。但是切割机的切割刀或者机械臂往往是采用两个相互竖直的驱动系统，而待切割物体在移动时确实在三维的空间中运作，现有的激光测距测到的也是三个方向上的变量，如何将三个变量换算成两个驱动装置的角度变量是一个需要解决的问题，并且现有的激光定位系统中会由于背景光、电路噪音、环境温度等外界因素影响测量以及换算结果，导致移动切割刀后切割的位置不准确。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有的不足而提供一种动态追踪激光切割定位方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种动态追踪激光切割定位方法，包括安装在待切割物体上的PSD位置探测器和切割机上设置的跟踪定位系统，且跟踪定位系统位于PSD位置探测器的正上方，

将切割机的工作平面的横向方向和纵向方向分别定以为X轴和Y轴，将PSD位置探测器和跟踪定位单元间的连线延伸出的直线定义为Z轴，将切割机中的水平转轴和垂直转轴的交点处定义为坐标系原点O，以创建三维直角坐标系；

在待切割物体移动时，PSD位置探测器移动到某点的位置点坐标定义为点R(r，a，b)；

将点R在XOY平面内的竖直投影点定义为点Q，坐标原点O与点R间的距离长度为l；

将线段OR与坐标轴OZ间的夹角定义为角α，将线段OQ与坐标轴OX间的夹角定义为角β；

点R(r，a，b)满足以下关系式：

r＝l*sinα*cosβ；

a＝l*sinα*sinβ；

b＝l*cosα；

角α的角度就是切割机中的垂直转轴需要转动的角度，角β就是切割机中的水平转轴需要转动的角度。

优选的，所述的跟踪定位系统包括依次电连接的PSD信号采集系统、前置放大电路、反相电路、信号调理系统和微控制器。

优选的，所述的信号调理系统采用A5E01708486信号调理板。

优选的，所述的微控制器采用C8051F021微控制器。

优选的，所述的微控制器还通过电导体连接有JTAG接口、报警电路、外部晶振电路和电源模块。

优选的，所述的切割机中的水平转轴和垂直转轴均采用两相混合式步进电机。

优选的，所述的跟踪定位系统与PSD位置探测器激光定位采用波长为650nm的激光。

优选的，所述的PSD位置探测器前端设置有带通为650nm、带宽为30nm的红色滤光片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用合理并且简单高效的的运算方式将三个变量换算成两个驱动装置的角度变量，设计了一种有效的PSD信号处理方法，设计实现了电流/电压转换、信号放大环节对PSD输出的微弱电流信号进行调理，并经A/D转换环节，减少了由于背景光、电路噪音、环境温度等外界因素产生的影响。

附图说明

图1为本发明中跟踪定位系统的结构框图；

图2为本发明中微控制器的结构框图；

图3为本发明坐标系定位原理图；

图4为本发明中PSD信号采集系统的电路图；

图5为本发明中前置放大电路的电路图；

图6为本发明中反相电路的电路图；

图7为本发明中微控制器的电路框图；

图8为本发明中电源模块的电路框图；

图9为本发明中光谱响应的温度特性曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-9，本发明提供一种技术方案：一种动态追踪激光切割定位方法，包括安装在待切割物体上的PSD位置探测器和切割机上设置的跟踪定位系统，且跟踪定位系统位于PSD位置探测器的正上方，

将切割机的工作平面的横向方向和纵向方向分别定以为X轴和Y轴，将PSD位置探测器和跟踪定位单元间的连线延伸出的直线定义为Z轴，将切割机中的水平转轴和垂直转轴的交点处定义为坐标系原点O，以创建三维直角坐标系；

在待切割物体移动时，PSD位置探测器移动到某点的位置点坐标定义为点R(r，a，b)；

将点R在XOY平面内的竖直投影点定义为点Q，坐标原点O与点R间的距离长度为l；

将线段OR与坐标轴OZ间的夹角定义为角α，将线段OQ与坐标轴OX间的夹角定义为角β；

点R(r，a，b)满足以下关系式：

r＝l*sinα*cosβ；

a＝l*sinα*sinβ；

b＝l*cosα；

角α的角度就是切割机中的垂直转轴需要转动的角度，角β就是切割机中的水平转轴需要转动的角度。

外界影响因素：

背景光是影响PSD工作性能的主要因素，对器件的测量精度影响较大，因此器件使用时对背景光应加以处理。在使用过程中，由于器件所处环境中总是存在不同强度的背景光，其影响不可避免。为消除背景光的影响，最有效的方法是在PSD光敏面前设置一片滤光片，由于课题使用的光源为红色激光，因此可根据发射激光的波长选择合适的红色滤光片，可滤除大部分非红光波段的背景光干扰。对于滤光片不能完全滤除的入射背景光，应通过其他方法进行滤除。

背景光的作用效果，可视为另外一种入射光线，在有效光敏面上形成一个大光斑，产生光电流，其对应的重心坐标也可用前述方法计算得到。则实际输出的光电流是背景光与信号光产生的光电流之和，所得实际重心坐标与信号光坐标相偏离。

光电敏感器件的暗电流是指没光照条件下，加上偏置电压产生的反向电流。暗电流的存在带来会噪声，影响器件的定位精度。偏置电压和温度的变化会使暗电流发生变化，温度增高，暗电流随之增大，因此一般在较合适的恒定温度下使用；偏置电压升高暗电流也会随之增大，所选PSD在偏置电压V＝5V时，暗电流典型值仅为1.0nA，并且5V电压为电路设计带来了方便。但若所加偏置电压不稳定，自身就有纹波，会给输出电流带来误差。

环境温度对PSD的正常工作有一定的影响，特别是在入射光波长较大时这种影响尤为显著。参照附图9经过测试结果得知二维枕形PSD对光谱响应的温度特性具有函数曲线，当入射波长大于850nm时，灵敏度随温度变化较明显，波长大于1100nm时，灵敏度随温度的变化十分明显，波长越大，变化率越大，这种影响不可忽略。在波长小于850nm时，灵敏度基本不受温度变化的影响，因此一般采用波长小于850nm的光源作为入射光。本方案中采用的入射激光波长为650nm，属于小于850nm的波段范围，因此PSD灵敏度受温度的影响可忽略。

优选的，所述的跟踪定位系统包括依次电连接的PSD信号采集系统、前置放大电路、反相电路、信号调理系统和微控制器。

考虑到传统电路成本，并且模拟电子器件的数量较多，势必会导致采集系统的累计误差的增加：运用模拟量信号进行计算时，系统也较容易受外界干扰的影响。因此在此次设计中，将模拟量尽快转换为数字量再进行偏移量计算，这样不仅节约成本，更能减小干扰因素的影响，提高系统精度。如图4所示为PSD信号采集系统框图，将输出的微电流信号转换为电压信号，并放大至适合A/D转换的电压值进行采集，由MCU实现逻辑处理，计算出光斑重心位置。

信号调理电路是将PSD的微弱电流信号调理为适合AD采集的电压信号，一般包括放大、转换、滤波等环节。PSD在工作时有四路微弱电流信号输出，四路调理电路要求较高的一致性，才能保证实时采集的信号能准确反映光斑重心位置，因此四路电路应保证相同，图5所示为前置放大电路图。

在图5所示的前置放大电路中，Ix1为PSD第一输出的微弱电流信号，一般为几微安，其值与光的强度有关。要将其放大至适合AD采集的几伏的电压型号，应选择兆欧级的转换电阻。将激光照射在带有滤光片的PSD光敏面，用几种不同阻值的电阻进行试验可得阻值在1M欧姆左右的转换电阻较为合适，转换得到的电压值为2V左右，对AD采集比较有利。因此选用精度为正负1％的1M欧姆电阻RF，并串联一个阻值为20K欧姆的可变电阻Rp，用来将四路转换电阻调节到相同的阻值，保证硬件电路的一致性。运用集成运算放大器TL084BC实现电流信号Ix1转换为电压信号V1。在电路中加入滤波电容，以减小噪声给调理电路带来的干扰。

信号转换及放大电路将微弱电流信号转换为电压信号，同时放大至适合AD采集的2V电压，下一级无需加放大电路。但经过信号量转换及放大电路之后，电压信号相位与电流信号相位相反，因此应当加一级反相电路使其与输入信号电流相位一致。反相电路原理如图6所示。

在反相电路中，V1为信号转换及放大后的电压，V1N1为输出到AD采集的与输入信号电流同相的电压信号。在放大器同相端接入一个平衡电阻，保证输入阻抗匹配，能减小输入失调电流对输出电压的影响。

PSD输出的微弱电流信号经信号调理电路，输出的电压信号为模拟量，不能直接交由微控制器进行数据处理。因此在两者间加一级A/D转换电路，实现将作为模拟量的电压信号转换为数字量信号，以便后续微控制器进行数据处理。微控制器根据得到的数字量计算得出光斑中心位置量并发送给跟踪系统实现跟踪定位。

优选的，所述的信号调理系统采用A5E01708486信号调理板。

优选的，所述的微控制器采用C8051F021微控制器。

C8051F021微控制器内部集成的A/D转换器包含如下特性：

1)可编程的转换速率，最大为100Ksps，在最大转换速率时可提供真正的12位分辨率。

2)一个9通道的可编程模拟多路选择器。有一路通道连接至内部温度传感器：其他8路连接至外部输入，每一对外部输入通道均可被配置为两个单端输入或一个差分输入。

3)可编程增益放大器。接在模拟多路选择器之后，增益从20至24以2的整数幂次递增，并可通过软件进行设置。

4)电压基准可以在一个外部VREF引脚和DAC0输出之间选择。

5)可编程窗口检测器。可将其配置为当A/D转换数据位于一个规定的关键电压范围之内或之外时向微控制器申请中断。

6)启动方式有4种，分别为：软件向ADC0CN的AD0BUSY写1、定时器3溢出、外部ADC转换信号输入、定时器2溢出。转换结束由一个状态位指示或产生中断，转换结果被锁存到两个特殊功能寄存器中。

优选的，所述的微控制器还通过电导体连接有JTAG接口、报警电路、外部晶振电路和电源模块。

优选的，所述的切割机中的水平转轴和垂直转轴均采用两相混合式步进电机。

优选的，所述的跟踪定位系统与PSD位置探测器激光定位采用波长为650nm的激光。

优选的，所述的PSD位置探测器前端设置有带通为650nm、带宽为30nm的红色滤光片。

在PSD光敏面前设置一片滤光片是消除大部分背景光干扰最有效的方式，课题中使用的激光波长为650nm，选择650nm带通红色滤光片，带宽为30nm，保证红色激光入射到PSD的光敏面，并能滤除大部分的可见光。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用合理并且简单高效的的运算方式将三个变量换算成两个驱动装置的角度变量，设计了一种有效的PSD信号处理方法，设计实现了电流/电压转换、信号放大环节对PSD输出的微弱电流信号进行调理，并经A/D转换环节，减少了由于背景光、电路噪音、环境温度等外界因素产生的影响。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种动态追踪激光切割定位方法，包括安装在待切割物体上的PSD位置探测器和切割机上设置的跟踪定位系统，且跟踪定位系统位于PSD位置探测器的正上方，其特征在于：

将切割机的工作平面的横向方向和纵向方向分别定以为X轴和Y轴，将PSD位置探测器和跟踪定位单元间的连线延伸出的直线定义为Z轴，将切割机中的水平转轴和垂直转轴的交点处定义为坐标系原点O，以创建三维直角坐标系；

在待切割物体移动时，PSD位置探测器移动到某点的位置点坐标定义为点R(r，a，b)；

将点R在XOY平面内的竖直投影点定义为点Q，坐标原点O与点R间的距离长度为l；

将线段OR与坐标轴OZ间的夹角定义为角α，将线段OQ与坐标轴OX间的夹角定义为角β；

点R(r，a，b)满足以下关系式：

r＝l*sinα*cosβ；

a＝l*sinα*sinβ；

b＝l*cosα；

角α的角度就是切割机中的垂直转轴需要转动的角度，角β就是切割机中的水平转轴需要转动的角度。

2.根据权利要求1所述的一种动态追踪激光切割定位方法，其特征在于：所述的跟踪定位系统包括依次电连接的PSD信号采集系统、前置放大电路、反相电路、信号调理系统和微控制器。

3.根据权利要求2所述的一种动态追踪激光切割定位方法，其特征在于：所述的信号调理系统采用A5E01708486信号调理板。

4.根据权利要求2所述的一种动态追踪激光切割定位方法，其特征在于：所述的微控制器采用C8051F021微控制器。

5.根据权利要求4所述的一种动态追踪激光切割定位方法，其特征在于：所述的微控制器还通过电导体连接有JTAG接口、报警电路、外部晶振电路和电源模块。

6.根据权利要求1所述的一种动态追踪激光切割定位方法，其特征在于：所述的切割机中的水平转轴和垂直转轴均采用两相混合式步进电机。

7.根据权利要求1所述的一种动态追踪激光切割定位方法，其特征在于：所述的跟踪定位系统与PSD位置探测器激光定位采用波长为650nm的激光。

8.根据权利要求1所述的一种动态追踪激光切割定位方法，其特征在于：所述的PSD位置探测器前端设置有带通为650nm、带宽为30nm的红色滤光片。

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