CN204295131U - 消除喷嘴侧壁干扰的激光切割头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了消除喷嘴侧壁干扰的激光切割头，包括连接在绝缘套下方的喷嘴，还包括屏蔽罩和电压跟随放大器，所述屏蔽罩包覆喷嘴外侧壁，且与喷嘴外侧壁之间容有一定间隙，喷嘴导线连接电压跟随放大器的正输入端，屏蔽罩导线连接电压跟随放大器的输出端，所述电压跟随放大器的放大系数为1。本实用新型喷嘴顶端连接在绝缘套内壁下部，屏蔽罩顶端连接在绝缘套外壁下部，喷嘴与屏蔽罩之间有空气间隙和绝缘套隔离，形成两个极，工作时，内喷嘴用导线和电压跟随放大器的正输入端相连，外屏蔽罩用导线和电压跟随放大器的输出端相边，喷嘴与屏蔽罩永远处于同一电位，永远不会形成电容的两个极，有效地防止了来自喷嘴侧壁效应所造成的对喷嘴下采集信号的干扰，激光切割头的焦距跟踪准确，切割精确。

Description

消除喷嘴侧壁干扰的激光切割头

技术领域

    本实用新型涉及激光切割装置领域，具体涉及消除喷嘴侧壁干扰的激光切割头。

背景技术

激光切割头的焦距跟踪是保证切割头正常切割的必要条件，尤其是在采用机器人的三维切割系统中，尤其显得重要。为了实现焦距跟踪，在激光切割系统中大都采用电容传感器来采集焦点距离的变化。所谓电容传感器，就是利用切割头下端的喷嘴的下平面在工件上的投影面积与被切割工件之间形成的电容，来检测喷嘴与工件之间的距离，距离近时电容变大，距离远时电容变小，电容的大小与距离成反比。将检测到的电容变化转化成电压的变化，再将这个随着距离变化而变化的电压，反馈到驱动切割头上下移动的伺服电机驱动器，并使其形成负反馈时，就可以形成焦距的随动控制。比如：工件上出现凸起时，工件表面与喷嘴下平面距离减小了，这时电容容量增大，于是通过电容检测到的电压偏离了原来设定的电压，其间，产生了一个误差电压，误差电压反馈到伺服电机驱动器，迫使切割头向离开工件的方向移动，拉大喷嘴与加工件之间的距离，减小电容，于是切割嘴与工件的距离恢复到原始设定的距离从而实现了焦距的跟随。

   由于激光焦距的跟随，是利用喷嘴和工件之间的电容变化来实现的，所以只要影响到采集到的电容不是初始设定的距离函数，就会对激光的焦距带来干扰。其中如图4所示，当被切割工件上有较大的形位变化，喷嘴的侧面和工件之间，产生了较大的分布电容，这个电容和有效地喷嘴电容联叠加在一起给伺服驱动系统造成了虚假的反馈信号，造成切割头上升远离激光焦点，跟踪失败。如图5所示另一种情况，当我们要将切割头斜置以便在工件上切出一条与工件有一定夹角的切口时（称为坡切），斜置的切割头同样产生侧壁效应，将采集到一个已经受干扰的信号，造成了切割头移出设定的工作焦距，导致偏离设定的工艺参数，切割失败。

    面对上述问题，最简单的办法，可能会想到给喷嘴加一个接地的屏蔽罩壳，使喷嘴的分布电容形成一个常数。但这样做屏蔽问题解决了，跟踪的灵敏度却降低了，因为对一个端面面积相对较小的喷嘴来说，它的周边的面积是相当大的，如果用一个屏蔽罩屏蔽起来，接地屏蔽罩和喷嘴四周形成的分布电容，将会掩盖喷嘴端面由于与工件距离变化所造成的微量变化电容，信号被掩埋了。屏蔽的越好，掩埋得越深。

发明内容

    本实用新型要解决的技术问题是提供一种消除喷嘴侧壁干扰的激光切割头，有效消除喷嘴侧壁的干扰电容，激光切割头的焦距跟踪准确，切割精确。

本实用新型通过以下技术方案实现：

消除喷嘴侧壁干扰的激光切割头，包括连接在绝缘套下方的喷嘴，还包括屏蔽罩和电压跟随放大器，所述屏蔽罩包覆喷嘴外侧壁，且与喷嘴外侧壁之间容有一定间隙，喷嘴导线连接电压跟随放大器的正输入端，屏蔽罩导线连接电压跟随放大器的输出端，所述电压跟随放大器的放大系数为1。

本实用新型进一步改进方案是，所述喷嘴顶端连接在绝缘套内壁下部，屏蔽罩顶端连接在绝缘套外壁下部。

本实用新型更进一步改进方案是，所述喷嘴和屏蔽罩采用紫铜材质，绝缘套采用聚四氟乙烯材质。

本实用新型与现有技术相比，具有以下明显优点：

本实用新型喷嘴顶端连接在绝缘套内壁下部，屏蔽罩顶端连接在绝缘套外壁下部，喷嘴与屏蔽罩之间有空气间隙和绝缘套隔离，形成两个极，工作时，内喷嘴用导线和电压跟随放大器的正输入端相连，外屏蔽罩用导线和电压跟随放大器的输出端相边，喷嘴与屏蔽罩永远处于同一电位，永远不会形成电容的两个极，有效地防止了来自喷嘴侧壁效应所造成的对喷嘴下采集信号的干扰。本实用新型激光切割头的焦距跟踪准确，切割精确。

附图说明

图1为本实用新型结构剖视图。

图2为本实用新型爆炸示意图。

图3为本实用新型电压跟随放大器与喷嘴、屏蔽罩的电路连接图。

图4为形位变化较大的被切割工件与传统切割头的分布电容。

图5为传统切割头坡切时的分布电容。

具体实施方式

如图1至图3所示，本实用新型包括绝缘套1、喷嘴2、屏蔽罩3和电压跟随放大器4，所述喷嘴2顶端连接在绝缘套1内壁下部，屏蔽罩3顶端连接在绝缘套1外壁下部，所述屏蔽罩1包覆喷嘴2外侧壁，且与喷嘴2外侧壁之间容有一定间隙5，喷嘴2导线连接电压跟随放大器4的正输入端，屏蔽罩3导线连接电压跟随放大器4的输出端，所述电压跟随放大器4的放大系数为1。

所述喷嘴2和屏蔽罩3采用紫铜材质，绝缘套1采用聚四氟乙烯材质。聚四氟乙烯材料的电气性能，相当稳定，加工性能也很好，在激光切割头上是陶瓷部件的较理想的代用品

工作原理：

为了让屏蔽罩和喷嘴之间不产生分布电容，唯一的途径，就是让屏蔽罩和“地”绝缘开来，同时让屏蔽罩和喷嘴处于“等电位”状况，又要让屏蔽罩与“地”之间形成的分布电容不叠加到喷嘴采集的电容变量上，只有这样才能屏蔽掉由于切割头姿态变化造成的跟随干扰，这正是本实用新型的创新点。

      为了实现在屏蔽罩上施加一个与喷嘴相同、并跟随喷嘴变化的信号电压，就可以消除屏蔽罩和喷嘴之间有可能出现极间电容的唯一途径。从电容形成的条件可知：

      两块对立的极板，中间用空气或其他介质绝缘开来，如果其中一块基板上带上了+Q的电荷，另一块基板上带上了-Q的电荷，这两块极板便形成了一个电容。如果通过一个不可逆行的装置，使一块基板永远跟随另一块基板以同样的电位变化，那么他们之间就永远也不可能形成电容，由于电路上的不可逆行，即使是随动基板上发生了什么变化，包括与大地之间产生了分布电容也不可能对前者造成影响。

      为此，本实用新型中利用一个电压跟随放大器，连接成100%的负反馈，形成一个放大倍率为1的电压同相跟随放大器。跟随放大器的输入端a接在喷嘴2上，跟随放大器的输出端b接在屏蔽罩3上，于是在屏蔽罩3和喷嘴2之间由于处于同一电位，二者之间永远也不可能形成电容，这是其一。其二因为屏蔽罩接在跟随放大器的输出端，跟随放大器的输出阻抗近似于零所有的外界干扰信号，均被极低的输出阻抗所吸收，不会对随动放大器输入端的喷嘴采集的信号造成任何干扰。其三，跟随放大器的信号输入端的输入阻抗，近似无穷大，不会对喷嘴的信号采集，带来分流分压等负面影响。

电路原理如图3所示，将信号接在跟随放大器的同相输入端，输出端经过一个电阻，反馈接到跟随放大器的反相端，构成100%的负反馈电路，当我们忽略两个输入端的失调电压时，输出端的电压，就等同并跟随输入端的电压。由于喷嘴和屏蔽罩之间，有一层绝缘层，形同一个电容的两个极板，但由于两个极板的恒等于同一电位，之间不可能形成电容，而屏蔽罩与其他导体之间形成的分布电容，不可能逆向通过跟随放大器去对输入端的喷嘴造成影响，这就有效的防止了来自喷嘴侧面的侧壁效应所造成的对喷嘴正面采集信号的干扰。

Claims (3)

1.消除喷嘴侧壁干扰的激光切割头，包括连接在绝缘套（1）下方的喷嘴（2），其特征在于：还包括屏蔽罩（3）和电压跟随放大器（4），所述屏蔽罩（1）包覆喷嘴（2）外侧壁，且与喷嘴（2）外侧壁之间容有一定间隙（5），喷嘴（2）导线连接电压跟随放大器（4）的正输入端，屏蔽罩（3）导线连接电压跟随放大器（4）的输出端，所述电压跟随放大器（4）的放大系数为1。

2.根据权利要求1所述的消除喷嘴侧壁干扰的激光切割头，其特征在于：所述喷嘴（2）顶端连接在绝缘套（1）内壁下部，屏蔽罩（3）顶端连接在绝缘套（1）外壁下部。

3.根据权利要求1所述的消除喷嘴侧壁干扰的激光切割头，其特征在于：所述喷嘴（2）和屏蔽罩（3）采用紫铜材质，绝缘套（1）采用聚四氟乙烯材质。