CN117532140B - 一种极细管激光切割误差检测装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及激光切割的技术领域，尤其是涉及一种极细管激光切割误差检测装置及工艺，检测装置包括机台，机台上滑动安装有驱动卡盘，驱动卡盘的进料侧设置有轴向窜动检测机构，轴向窜动检测机构包括托架和托板，托架安装在机台上，托板的一端安装于驱动卡盘的一侧，另一端滑动安装在托架上，托板上设置有用于检测极细管本身窜动的第一检测组件，第一检测组件包括至少一个励磁线圈和至少一个电感线圈，励磁线圈和电感线圈沿进料方向呈间隔设置，电感线圈接入第一测试电路，第一测试电路电性连接有中央处理单元。本申请通过采用无接触式的检测方法，对极细管切割加工进行过程中产生的轴向窜动进行实时的检测，方便对加工做出及时调整。
Description
技术领域
本申请涉及激光切割的技术领域，尤其是涉及一种极细管激光切割误差检测装置及工艺。
背景技术
极细管作为精密零件的加工原材，在光学仪器、航天以及医疗等领域中具有广泛的应用，以医疗领域举例，极细管可加工为内窥镜蛇骨、取栓支架、心脏支架、穿刺针等手术用精密件。而激光切割工艺其因非接触式加工以及精度高的优点，与极细管刚度小易变形以及工作面小的特点具有较高的匹配度，故而作为极细管切割加工的主流工艺。
目前，针对极细管切割架构的切割轨迹较短的情况，也同时为了缩短精密直线导轨的长度，极细管激光切割加工通常采用“多次夹持，间断进给”的夹持加工方式，具体地说，可直线运动的驱动卡盘与激光头之间设置有套筒或支撑卡盘等不同形式的辅佐支撑件，在加工期间，驱动卡盘在有限的导轨上进行多次往复进给，驱动卡盘需要进行多次松开和夹紧，辅佐支撑件在驱动卡盘变换夹持位置时，为极细管提供临时约束。
然而，这种夹持加工方式产生至少两个维度的误差：一是驱动卡盘多次夹持过程中可能对极细管造成微变形，微变形所导致的圆度误差会使得极细管内的空间受到挤压，从而无法配合其他零件安装使用；二是驱动卡盘夹持移动过程中，可能会发生的轴向窜动，这会导致极细管上的切割孔洞的尺寸与设计尺寸之间的误差。这些误差受限于极细管尺寸较小，在加工完成后对成品工件存在检测困难的情况，并且检测反馈时间滞后，无法及时对加工进行调整，会造成成品工件的良品率下降。
发明内容
为了对极细管切割加工进行过程中的轴向窜动进行实时的检测，本申请提供一种极细管激光切割误差检测装置及工艺。
一方面，本申请提供一种极细管激光切割误差检测装置，采用如下的技术方案。
一种极细管激光切割误差检测装置，包括机台，所述机台上滑动安装有驱动卡盘，所述驱动卡盘的进料侧设置有轴向窜动检测机构，所述轴向窜动检测机构包括托架和托板，所述托架安装在所述机台上，所述托板的一端安装于所述驱动卡盘的一侧，另一端滑动安装在所述托架上，所述托板上设置有用于检测极细管本身窜动的第一检测组件，所述第一检测组件包括至少一个励磁线圈和至少一个电感线圈，所述励磁线圈和所述电感线圈沿进料方向呈间隔设置，所述电感线圈接入第一测试电路，所述第一测试电路电性连接有中央处理单元。
通过采取上述的技术方案，对极细管本身窜动产生的轴向误差进行实时检测，为维检人员指明产生轴向误差的具体部件，方便进行定向的维检调整。具体地说，励磁线圈产生电磁场，并且磁化极细管，当极细管发生窜动时，通过电感线圈，使其产生感应电流，从而检测出是否出现误差。
优选的，所述托板上设置有第二检测组件，所述第二检测组件包括电阻条，所述电阻条沿所述托板的长度方向设置，所述电阻条远离所述托架的一端上设置有第一导电件，所述托架上设置有第二导电件，所述电阻条接入第二测试电路，所述第二测试电路与所述中央处理单元电性连接。
通过采取上述的技术方案，当驱动卡盘轴向移动时，第一导电件和第二导电件之间的电阻条长度反生变化，在定压下会导致电流的发生等比变化，通过换算即可得到驱动卡盘的实际移动距离，并将其与轴向移动控制值比对，从而检测出是否出现误差。
优选的，所述驱动卡盘的出料一侧安装有转动夹具，所述驱动卡盘和所述转动夹具两者的转动轴为同一轴线，所述转动夹具内侧安装光学测距传感器，所述光学测距传感器用于采集所述光学测距传感器自身到极细管表面的距离数据，所述光学测距传感器与所述中央处理单元电性连接。
通过采取上述的技术方案，对极细管夹持过程中产生的微变形进行实时检测。具体地说，驱动卡盘夹持极细管，极细管与转动轴同轴并穿过转动夹具；转动夹具转动，光学测距传感器在转动过程中多次采集探头到极细管表面的距离数据，并将数据传输到中央处理单元；中央处理单元将光学测距传感器收集的数据与基准尺寸比对，并将超出公差范围的进行反馈，提醒进行调整。
优选的，所述光学测距传感器的数量至少为两个，所述光学测距传感器之间在转动圆上等角度分布设置。
通过采取上述的技术方案，在转动圆内等角度布置多个光学测距传感器，一方面可以减少采集极细管表面一圈的距离数据的所需角度，减少采集用时；另一方面可以在转动夹具转动一圈的情况下，采集到多组数据，以计算出检测均值，消除检测误差。
另一方面，本申请还提供一种极细管激光切割误差检测工艺，采用如下的技术方案：具体包括以下步骤：
将所有所述光学测距传感器设置于同一转动圆平面，并对所述光学测距传感器编号；
在该转动圆平面建立平面直角坐标系；
输入或拟合获取极细管的基准圆半径，设定允许误差范围；
启动激光切割机，驱动卡盘进行轴向移动，驱动卡盘或转动夹具转动，即等效为所述光学测距传感器相对于直角坐标系转动，期间对各个时刻的不同编号的所述光学测距传感器到极细管表面的距离值进行采集并得出第一数据组以及该时刻光学测距传感器的第一等效直角坐标；根据所述第一数据组和所述第一等效直角坐标确定不同编号的所述光学测距传感器对应时刻的第一测量点坐标；
根据所述第一测量点坐标对极细管的检测截面进行圆的拟合，得到不同编号的所述光学测距传感器在检测截面下的对应的拟合检测圆半径；
根据所述拟合检测圆半径求得平均值,所述平均值与所述基准圆半径相减得到差值，将所述差值与所述允许误差范围比对。
通过上述的技术方案，对极细管切割加工进行过程中产生的微变形进行实时的检测。
优选的，所述圆的拟合采用最小二乘法。
通过采用上述的技术方案，提供了一种可靠的测量手段，可以有效地测量极细管的截面直径。
优选的，所述拟合获取极细管的基准圆半径具体包括以下步骤：
选取同一批次的至少两根极细管作为拟合样本，并在每根极细管上选取至少两个截面圆作为基准圆样本截面，并对各所述基准圆样本截面编号；
驱动卡盘或转动夹具转动，即等效为所述光学测距传感器相对于直角坐标系转动，转动期间，各编号的所述光学测距传感器对各编号的所述基准圆样本截面在各个时刻采集得到关于所述光学测距传感器到极细管表面距离的数据值组成第二数据组，以及各编号的所述光学测距传感器对各编号的所述基准圆样本截面在各时刻的第二等效直角坐标；
根据所述第二数据组和所述第二等效直角坐标确定各编号的所述光学测距传感器关于各编号的所述基准圆样本截面对应时刻的第二测量点坐标；
根据所述第二测量点坐标，对各编号的所述基准圆样本截面进行圆的拟合，采用最小二乘法，得到各编号的所述基准圆样本截面对应的样本圆半径；
根据所述样本圆半径求平均值得到基准圆半径。
通过采取上述的技术方案，选择同一批次的极细管，对不同截面进行采样，采用最小二乘法拟合得到多个基准圆样本截面的样本圆，取这些样本圆半径的平均值作为基准圆半径。
综上所述，本申请包括以下有益技术效果：
通过采用无接触式的检测方法，极细管切割加工进行过程中的轴向窜动进行实时的检测，方便对加工做出及时调整。
附图说明
图1是本申请实施例的整体结构示意图；
图2是图1中A处的局部结构放大图；
图3是图1中B处的局部结构放大图；
图4是本申请实施例的第二检测组件的结构示意图；
图5是本申请实施例的第一测试电路的示意简图；
图6是本申请实施例的第二测试电路的示意简图；
图7是本申请实施例的误差检测工艺框图。
附图标记说明：1、机台；2、驱动卡盘；3、套筒；4、转动夹具；5、内环；P、光学测距传感器；7、轴向窜动检测机构；8、托架；9、托板；10、滚轮；11、第一检测组件；12、第二检测组件；13、励磁线圈；14、电感线圈；15、电阻条；16、第一导电件；17、第二导电件。
实施方式
以下结合附图1-7对本申请作进一步详细说明。
实施例：
参见图1，一种极细管激光切割误差检测装置，包括机台1，所述机台1上滑动安装有驱动卡盘2，驱动卡盘2用于夹持极细管，可通过内置的伺服电机使极细管进行转动以及轴向的移动。机台1上还安装有套筒3，套筒3位于驱动卡盘2的出料一侧，套筒3与驱动卡盘2两者对极细管形成两点支撑。机台1上还安装有转动夹具4，驱动卡盘2、转动夹具4和套筒3三者位于在机台1上呈同一直线依次布置。转动夹具4包括用于固定在机台1上的外壳，外壳内转动安装有内环5，内环5采用内置的伺服电机作为驱动件，内环5和驱动卡盘2的转动轴为同一轴线。光学测距传感器P的布置数量可为2～6，其数量布置应综合考虑空间布置难度和检测效率等因素，在本实施例中，内环5的内侧等角度间隔安装有三个光学测距传感器P，而由于极细管表面光滑粗糙度低，镜面反射强，容易产生系统误差，本实施例可选用适合测量金属曲面的锥光偏振全息探头和斜射式三角探头，三个光学测距传感器P连接有同一个中央处理单元，并且三个探头共面并且同时指向圆环的圆心，中央处理单元电性连接有警报指示终端。中央处理单元可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力；在其他实施例中，控制系统还可以是通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。警报指示终端可以是显示屏、警报蜂鸣器、警报指示灯扥等起到警报指示作用的功能部件。
参见图1和图2，机台1上还安装有轴向窜动检测机构7，轴向窜动检测机构7包括托架8和托板9，托架8位于驱动卡盘2进料口的一侧，托架8的顶部安装有滚轮10；托板9的一端固定安装在驱动卡盘2上，托板9的另一端在滚轮10上滑动，托板9整板呈水平布置，并且其高度与驱动卡盘2用于夹持极细管的夹持孔位置高度相同，托板9的板上安装有用于检测极细管本身轴向窜动误差的第一检测组件11，板下安装有用于检测驱动卡盘2轴向移动误差的第二检测组件12。
通过将轴向窜动分解为极细管本身和驱动卡盘2两个维度上的轴向误差，并针对地对两种情况轴向误差分别进行实时检测，为维检人员指明产生轴向误差的具体部件，方便进行定向的维检调整。
第一检测组件11、第二检测组件12可采用光电式、光栅式、涡流式、电感式等不同的测量方案，并不做具体限定，参见图3～图5，在本实施例中，第一检测组件11包括励磁线圈13和电感线圈14，励磁线圈13和电感线圈14沿托板9的长度方向安装在托板9上，极细管穿过励磁线圈13和电感线圈14，励磁线圈13通电产生磁场，并将极细管磁化，电感线圈14接入第一测试电路，线圈两端连接有微电流表。在驱动卡盘2对极细管进行夹持期间，当极细管自身发生轴向窜动，会与托板9产生相对移动，导致电感线圈14内磁场变化从而产生感应电流，微电流表将检测到感应电流的情况，反馈到中央处理单元，中央处理单元发送信号至警报指示终端。
参见图3～图4，第二检测组件12包括安装在托板9底部的电阻条15，电阻条15沿托板9长度方向进行设置，电阻条15远离托架8的一端连接有第一导电件16，滚轮10上安装第二导电件17，第一导电件16和第二导电件17均与中央处理单元电性连接。参见图5，电阻条15作为滑动触点电位器R2接入到第二测试电路，电流表和电压表分别测量通过电阻条15的电流值和电阻条15所分配到的电压值，电流表和电压表与中央处理单元电性连接，向中央处理单元输出电流值和电压值。驱动卡盘2移动控制量、电阻条15的截面面积和电阻率被输入到中央处理单元中，当驱动卡盘2轴向移动时，第一导电件16和第二导电件17之间相对位置发生变化，导致电阻条15接入到测试电路的电阻量发生变化，中央处理器根据电流值和电压值计算得到电阻值，根据电阻值、电阻条15的截面面积和电阻率换算得到电阻条接入到测试电路的长度，计算长度差即可得到驱动卡盘2的实际移动距离，并将其与驱动卡盘2移动控制量比对，从而检测出是否出现误差。
图5和图6提供的测试电路仅用于提供一种实现检测极细管本身轴向窜动误差和驱动卡盘2轴向移动误差的电路，并非唯一可实现检测的电路。
基于上述的一种极细管激光切割误差检测装置，结合图7的流程框图，以下对一种极细管激光切割误差检测工艺进行说明：
S1,所有光学测距传感器P设置于同一转动圆平面，并且等角度120°设置于转动圆上，光学测距传感器P记为Pi，沿着顺时针方向i依次为1,2,3；
S2,在该转动圆平面建立平面直角坐标系，以圆心连向光学测距传感器P1初始位置的直线为x轴，以穿过圆心并与x轴垂直的直线为y轴，则各光学测距传感器Pi的初始直角坐标为(r×cos(120°×(i-1)),r×sin(120°×(i-1)))，r为光学测距传感器P所在的转动圆的半径；
S3,采用拟合的方式获取极细管基准圆，基准圆度以R值衡量，R为基准圆的半径，并设定允许误差范围±K；
具体地，S31,选取同一批次的三根极细管作为拟合样本，并在每根极细管上选取两个截面圆作为基准圆样本截面，并对各基准圆样本截面记作j，j＝1、2、3、4、5、6；
S32,驱动卡盘2或转动夹具4以角速度ω2转动，即等效为光学测距传感器P相对于直角坐标系转动，转动期间，光学测距传感器Pi对第j个基准圆样本截面在第t时刻采集得到关于光学测距传感器P到极细管表面距离的数据值Sijt组成第二数据组{Sijt}，以及光学测距传感器Pi对第j个基准圆样本截面在第t时刻的第二等效直角坐标(xijt,yijt)，xijt＝r×cos(120°×(i-1)+ω2×t)，yijt＝r×sin(120°×(i-1)+ω2×t)，i＝1,2,3，j＝1、2、3、4、5、6；
S33,依据第二数据组{Sijt}和第二等效直角坐标(xijt,yijt)得到对应的第二测量点坐标(Xijt,Yijt)，其中Xijt＝(r-Sijt)×cos(120°×(i-1)+ω2×t),Yijt＝(r-Sijt)×sin(120°×(i-1)+ω2×t)，i＝1、2、3，j＝1,2,…6；
S34，对第j个基准圆样本截面的第二测量点坐标(Xijt,Yijt)进行圆拟合，采用最小二乘法，得到第j个基准圆样本截面对应的样本圆半径Rj，j＝1、2、3、4、5、6；
S35，将S34中得到的样本圆半径Rj求平均值得到j作为基准圆半径R。
S4,启动激光切割机，驱动卡盘2进行轴向移动，驱动卡盘2或转动夹具4以角速度ω2转动，即等效为光学测距传感器P相对于直角坐标系转动，转动期间，光学测距传感器Pi在第t时刻采集得到关于光学测距传感器P到极细管表面距离的数据值Sit组成第一数据组{Sit}，此时光学测距传感器P的等效直角坐标是(xit，yit)，其中xit＝r×cos(120°×(i-1)+ω1×t)，yit＝r×sin(120°×(i-1)+ω1×t)，i＝1,2,3
S5,根据光学测距传感器Pi的输出值数据组{Sit}、等效直角坐标值(xit，yit)确定第i个光学测距传感器Pi在第t时刻的测量点坐标(Xit,Yit)，其中Xit＝(r-Sit)×cos(120°×(i-1)+ω1×t),Yit＝(r-Sit)×sin(120°×(i-1)+ω1×t)，i＝1,2,3；
S6,根据第i个光学测距传感器Pi确定的测量点坐标(Xit,Yit)进行圆的拟合，得到极细管该测量截面圆的半径Ri，i＝1,2,3；
上述Ri的拟合采用最小二乘法，公式如下：
其中
C、D、E、G、H为中间参数，分别如下：
D＝3∑(Xit·Yit)-∑Xit·∑Yit，
i＝1,2,3；
S7，将步骤6中得到的测量截面圆的半径Ri求平均值得到,并与基准圆的半径R相减得到差值k，与允许误差±K比对。
基于上述的检测步骤，本实施例还提供一种关于微变形量超出基准值的管段的处理方法。
具体地说，以激光切割机的切割工区和驱动卡盘连线为线性坐标轴，切割工区为坐标原点，光学测距传感器的检测位置与切割工区的距离为固定值U，中央处理单元通过读取驱动卡盘的移动量控制数据，确定驱动卡盘的位置，得出驱动卡盘与切割工区的距离，在出现微变形量超出基准值的连续管段时，记录驱动卡盘的初始和夹持位置并相减获得该管段长度V，当驱动卡盘运动量满足矢量值U+V+W后，W为预设的变形影响区长度，切割工区对该管段切割。
综上所述，本发明基于极细管激光切割误差检测装置，通过最小二乘拟合的算法，对极细管切割加工进行过程中产生的微变形进行实时的检测，测量精度高、操作简单、方便快捷，并且具有检测速度快、测量范围大的优点。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种极细管激光切割误差检测工艺，其特征在于，包括：
机台(1)，所述机台(1)上滑动安装有驱动卡盘(2)，所述驱动卡盘(2)的进料侧设置有轴向窜动检测机构(7)，所述轴向窜动检测机构(7)包括托架(8)和托板(9)，所述托架(8)安装在所述机台(1)上，所述托板(9)的一端安装于所述驱动卡盘(2)的一侧，另一端滑动安装在所述托架(8)上，所述托板(9)上设置有用于检测极细管本身窜动的第一检测组件(11)，所述第一检测组件(11)包括至少一个励磁线圈(13)和至少一个电感线圈(14)，所述励磁线圈(13)和所述电感线圈(14)沿进料方向呈间隔设置，所述电感线圈(14)接入第一测试电路，所述第一测试电路电性连接有中央处理单元；
所述驱动卡盘(2)的出料一侧安装有转动夹具(4)，所述驱动卡盘(2)和所述转动夹具(4)两者的转动轴为同一轴线，所述转动夹具(4)内侧安装光学测距传感器(P)，所述光学测距传感器(P)用于采集所述光学测距传感器(P)自身到极细管表面的距离数据，所述光学测距传感器(P)与所述中央处理单元电性连接；
还具体包括以下步骤：
将所有所述光学测距传感器(P)设置于同一转动圆平面，并对所述光学测距传感器(P)编号；
在该转动圆平面建立平面直角坐标系；
输入或拟合获取极细管的基准圆半径，设定允许误差范围；
启动激光切割机，驱动卡盘(2)进行轴向移动，驱动卡盘(2)或转动夹具(4)转动，即等效为所述光学测距传感器(P)相对于直角坐标系转动，期间对各个时刻的不同编号的所述光学测距传感器(P)到极细管表面的距离值进行采集并得出第一数据组以及该时刻光学测距传感器(P)的第一等效直角坐标；
根据所述第一数据组和所述第一等效直角坐标确定不同编号的所述光学测距传感器(P)对应时刻的第一测量点坐标；
根据所述第一测量点坐标对极细管的检测截面进行圆的拟合，得到不同编号的所述光学测距传感器(P)在检测截面下的对应的拟合检测圆半径；
根据所述拟合检测圆半径求得平均值,所述平均值与所述基准圆半径相减得到差值，将所述差值与所述允许误差范围比对。
2.根据权利要求1所述的一种极细管激光切割误差检测工艺，其特征在于：所述圆的拟合采用最小二乘法。
3.根据权利要求2所述的一种极细管激光切割误差检测工艺，其特征在于：所述拟合获取极细管的基准圆半径具体包括以下步骤：
选取同一批次的至少两根极细管作为拟合样本，并在每根极细管上选取至少两个截面圆作为基准圆样本截面，并对各所述基准圆样本截面编号；
驱动卡盘(2)或转动夹具(4)转动，即等效为所述光学测距传感器(P)相对于直角坐标系转动，转动期间，各编号的所述光学测距传感器(P)对各编号的所述基准圆样本截面在各个时刻采集得到关于所述光学测距传感器(P)到极细管表面距离的数据值组成第二数据组，以及各编号的所述光学测距传感器(P)对各编号的所述基准圆样本截面在各时刻的第二等效直角坐标；
根据所述第二数据组和所述第二等效直角坐标确定各编号的所述光学测距传感器(P)关于各编号的所述基准圆样本截面对应时刻的第二测量点坐标；
根据所述第二测量点坐标，对各编号的所述基准圆样本截面进行圆的拟合，采用最小二乘法，得到各编号的所述基准圆样本截面对应的样本圆半径；
根据所述样本圆半径求平均值得到基准圆半径。
4.根据权利要求1所述的一种极细管激光切割误差检测工艺，其特征在于：所述托板(9)上设置有第二检测组件，所述第二检测组件(12)包括电阻条(15)，所述电阻条(15)沿所述托板(9)的长度方向设置，所述电阻条(15)远离所述托架(8)的一端上设置有第一导电件(16)，所述托架(8)上设置有第二导电件(17)，所述电阻条(15)接入第二测试电路，所述第二测试电路与所述中央处理单元电性连接。
5.根据权利要求1所述的一种极细管激光切割误差检测工艺，其特征在于：所述光学测距传感器(P)的数量至少为两个，所述光学测距传感器(P)之间在转动圆上等角度分布设置。
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