CN220880935U - 激光加火焰复合加工设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光加火焰复合加工设备，包括激光加火焰复合加工头、传感器、总线模块、主控系统、伺服驱动器及驱动机构，传感器通过总线模块与主控系统通信连接，伺服驱动器通过总线模块与主控系统通信连接，伺服驱动器还与驱动机构通信连接。在加工过程中，传感器输出的模拟量信号，可通过总线模块转化为数字化的总线信号，再传输至主控系统中，总线信号具有抗干扰能力强、实时数据传输可靠的优点，主控系统可根据接收到的总线信号准确地计算出当前激光加火焰复合加工头的实际高度，再输出相应的控制信号至伺服控制器中，由其控制驱动机构驱动激光加火焰复合加工头移动，使激光加火焰复合加工头的实际加工高度与所要求的加工高度一致。

Description

激光加火焰复合加工设备

技术领域

本实用新型涉及激光加火焰复合加工技术领域，特别涉及一种激光加火焰复合加工设备。

背景技术

激光切割具有切割速度快、切割质量好等优点，但受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材，而且随着工件厚度的增加，切割速度明显下降。

火焰切割可以实现厚度较大的板材和管材的切割，且具有切割断面质量平整，稳定性好，设备价格低廉的优势。但是，火焰切割时必须是一笔画切割，两个零件之间也需要切割，而不能直接快速移动到下个零件切割起点，必须切割着移动过去，极大地影响了切割效率。

为了结合激光切割和火焰切割的优势，业界已经开发出激光加火焰复合切割机。通过激光加火焰复合切割机进行加工，不仅可以进行激光穿孔等操作，并且还可切割厚度较大的板材和管材。

为保证切割效果，需进行随动切割控制，即通过传感器实时检测切割头到工件的距离，以调整切割头到工件的距离，使实际切割过程中切割头的切割高度和要求的切割高度一致，保证切割质量。

但是，由于激光加火焰复合切割机的幅面比较大，传感器输出的模拟量信号在传输过程中可能受到伺服电机及其他电气元器件带来的电磁干扰，另外导线本身也有阻抗，如果经过长距离复杂情况的传输，到达控制系统的电压信号已经被减弱并且可能出现不可预见的较大干扰，无法真实反映切割头的切割高度变化，导致控制系统无法准确地控制切割头的切割高度，对工件的切割精度下降，甚至出现无法切割的情况。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本申请提供一种激光加火焰复合加工设备，可使控制系统收到更加准确的传感器信号，以提高控制精度。

本实施例采取了以下技术方案：

一种激光加火焰复合加工设备，包括激光加火焰复合加工头、传感器、总线模块、主控系统、伺服驱动器及驱动机构，所述传感器通过所述总线模块与所述主控系统通信连接，所述伺服驱动器通过所述总线模块与所述主控系统通信连接，所述伺服驱动器还与所述驱动机构通信连接，所述驱动机构用于驱动所述激光加火焰复合加工头移动。

进一步的，在所述激光加火焰复合加工设备中，所述总线模块包括主站模块和第一从站模块，所述传感器依次通过所述第一从站模块和所述主站模块与所述主控系统通信连接。

进一步的，在所述激光加火焰复合加工设备中，所述第一从站模块与所述传感器在结构上相互分离。

进一步的，在所述激光加火焰复合加工设备中，所述第一从站模块与所述传感器之间的通信距离，小于所述第一从站模块与所述主站模块之间的通信距离。

进一步的，在所述激光加火焰复合加工设备中，还包括位移电压转换器，所述传感器通过所述位移电压转换器与所述第一从站模块通信连接。

进一步的，在所述激光加火焰复合加工设备中，所述位移电压转换器与所述传感器在结构上相互分离。

进一步的，在所述激光加火焰复合加工设备中，所述主站模块集成于所述主控系统内。

进一步的，在所述激光加火焰复合加工设备中，所述总线模块还包括主站模块和第二从站模块，所述伺服驱动器依次通过所述第二从站模块和所述主站模块与所述主控系统通信连接。

进一步的，在所述激光加火焰复合加工设备中，所述第二从站模块集成于所述伺服驱动器内。

一种激光加火焰复合加工设备，包括激光加火焰复合加工头、传感器、差分传输模块、主控系统、伺服驱动器及驱动机构，所述传感器通过所述差分传输模块与所述主控系统通信连接，所述驱动机构、所述伺服驱动器与所述主控系统依次通信连接，所述驱动机构用于驱动所述激光加火焰复合加工头移动。

进一步的，在所述激光加火焰复合加工设备中，所述差分传输模块与所述传感器在结构上相互分离。

进一步的，在所述激光加火焰复合加工设备中，还包括位移电压转换器，所述传感器通过所述位移电压转换器与所述差分传输模块通信连接。

进一步的，在所述激光加火焰复合加工设备中，所述位移电压转换器与所述传感器在结构上相互分离。

进一步的，在所述激光加火焰复合加工设备中，还包括跟随运动机构，所述跟随运动机构设置于所述激光加火焰复合加工头，所述跟随运动机构可抵持于待加工物件并触发所述传感器。

相较于现有技术，本申请提供的一种激光加火焰复合加工设备，在加工过程中，传感器输出的模拟量信号，可通过总线模块转化为数字化的总线信号，或者通过差分传输模块转化为差分信号，再传输至主控系统中，差分信号和总线信号具有抗干扰能力强、实时数据传输可靠、传输距离远等优点，主控系统可根据接收到的差分信号或总线信号准确地计算出当前激光加火焰复合加工头的实际高度，再输出相应的控制信号至伺服控制器中，由伺服控制器控制驱动机构驱动激光加火焰复合加工头移动，使激光加火焰复合加工头的实际加工高度与所要求的加工高度一致。

附图说明

图1为本申请提供的激光加火焰复合加工设备具体实施例的结构框图。

图2为本申请提供的激光加火焰复合加工设备另一具体实施例的结构框图。

图3为图1或图2所示激光加火焰复合加工设备中激光加火焰复合加工头的结构示意图。

图4为图3所示激光加火焰复合加工头中跟随运动机构及传感器的结构示意图。

图中，10、激光加火焰复合加工头；20、传感器；30、总线模块；31、主站模块；32、第一从站模块；33、第二从站模块；40、主控系统；50、伺服驱动器；60、驱动机构；70、位移电压转换器；80、差分传输模块；90、跟随运动机构；91、安装架；92、杠杆型支架；93、万向球构件；94、弹簧。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本申请进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

需要说明的是，当元结构被称为“固定于”或“设置于”另一个元结构，它可以直接在另一个元结构上或者间接在该另一个元结构上。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。

请参阅图1，本申请提供的激光加火焰复合加工设备包括激光加火焰复合加工头10、传感器20、总线模块30、主控系统40、伺服驱动器50及驱动机构60，传感器20通过总线模块30与主控系统40通信连接，伺服驱动器50通过总线模块30与主控系统40通信连接，伺服驱动器50还与驱动机构60通信连接，驱动机构60用于驱动激光加火焰复合加工头10移动。

其中，激光加火焰复合加工头10可选择采用火焰加工或激光加工的方式，对工件进行加工。传感器20用于检测到工件的距离。总线模块30用于进行信号传输。主控系统40用于接收传感器20的检测信号，并发送控制信号至伺服驱动器50，由伺服驱动器50控制激光加火焰复合加工头10进行移动。

以激光加火焰复合加工设备切割板材为例，在切割过程中，传感器20可实时测量激光加火焰复合加工头10的喷嘴和待切割板材的板面之间的距离，并将输出的检测信号通过总线模块30发送到主控系统40中，由主控系统40获取激光加火焰复合加工头10的喷嘴和待切割板材的板面之间的距离，经过对比分析后，通过总线模块30输出相应的控制信号至伺服驱动器50中，再由伺服驱动器50控制驱动机构60驱动激光加火焰复合加工头10移动，以实时调整激光加火焰复合加工头10的加工高度，使实际的加工高度和要求的加工高度一致，保证激光加火焰复合加工头10的加工质量。

主控系统40通常设置于专门的控制柜中，而传感器20一般跟随激光加火焰复合加工头10移动，两者需通过相应的导线连接。在一些加工场景下，激光加火焰复合加工设备需要加工连续的、大幅面的板材，使激光加火焰复合加工设备自身需要设置较大的幅面，以满足加工需求。

此时，主控系统40与传感器20的信号传输路径较长，传感器20输出的检测信号在传输过程中可能受到伺服控制器、驱动机构60及其他电气元器件带来的电磁干扰，另外导线本身也有阻抗，如果经过长距离复杂情况的传输，到达主控系统40的检测信号已经被减弱并且可能出现不可预见的较大干扰。

并且，由于激光加火焰复合加工设备的切割过程中，通过火焰或激光会产生大量的热量，该热量也将引起传输环境的变化，使检测信号的精度产生变化。在以上种种原因下，将导致主控系统40无法根据接收到的检测信号，准确得出当前激光加火焰复合加工头10的加工高度。

总线模块30可将传感器20输出的模拟量信号转化为数字化的总线信号，并通过总线将信号传输至主控系统40中。由于通过总线传输比传统的信号传输方式，具有如抗干扰能力强、能适应各类复杂环境条件、数据传输速度快且距离远、实时数据传输可靠等优点，因此可解决传感器20输出的检测信号不能远距离传输、容易受干扰、信号强度会减弱等问题，有效提高整机稳定性。

具体的，可根据实际需要，选择合适类型的总线模块30。例如，可采用EtherCAT总线模块，EtherCAT是一个开放架构，以以太网为基础的现场总线系统，其名称的CAT为控制自动化技术(Control Automation Technology)字首的缩写。

或者，可采用PROFINET总线模块，PROFINET是新一代基于工业以太网技术的自动化总线系统，具有很好的实时性，通过集成PROFINET接口，分布式现场设备可以直接连接到PROFINET上。

在一些实施例中，总线模块30包括主站模块31和第一从站模块32，传感器20依次通过第一从站模块32和主站模块31与主控系统40通信连接。

以EtherCAT总线模块30为例，从硬件上讲，主站模块31可使用标准的以太网卡，第一从站模块32及其它从站模块可使用ESC芯片，主站模块31可以同时连接包括第一从站模块32在内的多个从站模块。

主站模块31可集成于主控系统40内，以简化主站模块31与主控系统40整体的电路设计、调试和安装，并提高其整体工作性能的可靠性和一致性。

第一从站模块32可与传感器20在结构上相互分离，即第一从站模块32不与传感器20集成在一起，而是相互分开以形成两个独立的装置，避免增加传感器20自身的体积和重量，实现传感器20的轻量化和小型化，使其更便于安装在激光加火焰复合加工头10上，以及随激光加火焰复合加工头10移动，或者更便于安装在激光加火焰复合加工设备的其它位置。

进一步的，第一从站模块32与传感器20之间的通信距离(可理解为导线长度)，小于第一从站模块32与主站模块31之间的通信距离。

由于第一从站模块32与传感器20之间一般采用传统连接方式，因此需避免第一从站模块32与传感器20之间的传输距离过程过长，避免传感器20输出的检测信号还未到达第一从站模块32时就被干扰。

具体设置时，可使第一从站模块32设置于靠近传感器20的位置，以将传感器20发出的模拟量信号尽快转为总线信号。

在一些实施例中，激光加火焰复合加工设备还包括位移电压转换器70，传感器20通过位移电压转换器70与第一从站模块32通信连接。

位移电压转换器70的作用是通过电位器等元件，将传感器20输出的位移信号转为相应的电压信号，并通过电压放大电路对该电压信号进行放大，以及将电压信号钳制在一定的数值范围内。例如，传感器20输出的位移量信号进入位移电压转换器70后，位移电压转换器70将该位移量信号转换为±10V以内的模拟量电压信号，再将模拟量电压信号输出至第一从站模块32。

并且，位移电压转换器70可与传感器20在结构上相互分离，即位移电压转换器70也不与传感器20集成在一起，而是相互分开以形成两个独立的装置，以避免增加传感器20自身的体积和重量，实现传感器20的轻量化和小型化，使其更便于安装在激光加火焰复合加工头10上，以及随激光加火焰复合加工头10移动，或者更便于安装在激光加火焰复合加工设备的其它位置。

在一些实施例中，总线模块30还包括第二从站模块33，伺服驱动器50依次通过第二从站模块33和主站模块31与主控系统40通信连接。

相比于传统的信号传输方式，伺服驱动器50和主控系统40通过总线传输信号，具有如抗干扰能力强、能适应各类复杂环境条件、数据传输速度快且距离远、实时数据传输可靠等优点，使伺服驱动器50收到的控制信号更加准确，以及使主控系统40收到的反馈信号更加准确。

第二从站模块33可集成于伺服驱动器50内，以简化第二从站模块33与伺服驱动器50整体的电路设计、调试和安装，并提高其整体工作性能的可靠性和一致性。

请参阅图2，本申请还公开了另一实施例的激光加火焰复合加工设备，包括激光加火焰复合加工头10、传感器20、差分传输模块80、主控系统40、伺服驱动器50及驱动机构60，传感器20通过差分传输模块80与主控系统40通信连接，驱动机构60、伺服驱动器50与主控系统40依次通信连接，驱动机构60用于驱动激光加火焰复合加工头10移动。

差分传输模块80可将传感器20发送的模拟量信号转换为差分信号，并同时在两根线上传输信号，这两个信号的振幅相同，相位相反，主控系统40的模拟量接口接收到差分信号后，可通过比较这两个信号的电压的差值来判断传感器20发送信号的逻辑状态。

由于主控系统40只需关心两个信号的差值，所以外界的共模噪声可以被大程度抵消，因此传感器20输出的模拟量信号为差分信号后，抗干扰能力强，可解决传感器20输出的模拟量信号不能远距离传输、容易受干扰、信号强度会减弱等问题，有效提高整机稳定性。

差分传输模块80可与传感器20在结构上相互分离。即差分传输模块80不与传感器20集成在一起，而是相互分开以形成两个独立的装置，以避免增加传感器20自身的体积和重量，实现传感器20的轻量化和小型化，使其更便于安装在激光加火焰复合加工头10上，以及随激光加火焰复合加工头10移动，或者更便于安装在激光加火焰复合加工设备的其它位置。

在一些实施例中，激光加火焰复合加工设备还包括位移电压转换器70，传感器20通过位移电压转换器70与差分传输模块80连接。

位移电压转换器70的作用是通过电位器等元件，将传感器20输出的位移信号转为相应的电压信号，并通过电压放大电路对该电压信号进行放大，以及将电压信号钳制在一定的数值范围内。例如，传感器20输出的位移量信号进入位移电压转换器70后，位移电压转换器70将该位移量信号转换为±10V以内的模拟量电压信号，再将模拟量电压信号输出至差分传输模块80。

并且，位移电压转换器70可与传感器20在结构上相互分离，即位移电压转换器70也不与传感器20集成在一起，而是相互分开以形成两个独立的装置，以避免增加传感器20自身的体积和重量，实现传感器20的轻量化和小型化，使其更便于安装在激光加火焰复合加工头10上，以及随激光加火焰复合加工头10移动，或者更便于安装在激光加火焰复合加工设备的其它位置。

传感器20选型时，可选用非接触式的红外测距传感器，通过板材表面发射红外信号，并接收反射回来的红外信号以确认距离。

或者，也可选用接触式传感器，如位移传感器、压力传感器等。位移传感器的探针接触板材的表面，并通过电位器元件将探针的机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。

请参阅图3，在一些实施例中，激光加火焰复合加工设备还包括跟随运动机构90，跟随运动机构90设置于激光加火焰复合加工头10上，跟随运动机构90可抵持于待加工物件并触发传感器20。

跟随运动机构90的作用是避免传感器20直接接触板材表面，进一步地隔绝板材温度或其它加工因素对传感器20测量精度的影响。

请参阅图4，在具体实施例中，跟随运动机构90包括安装架91、杠杆型支架92、万向球构件93及弹簧94。安装架91可安装于激光加火焰复合加工头10上，杠杆型支架92包括依次设置的第一端、第二端、第三端和第四端，弹簧94一端抵接安装架91，另一端抵接杠杆型支架92的第一端，传感器20滑动设于安装架91上，传感器20的探针抵接杠杆型支架92的第二端，杠杆型支架92的第三端转动设于安装架91上，万向球构件93连接于杠杆型支架92的第四端。

激光加火焰复合加工设备在具体实施例中的加工检测流程如下：

第一步，对传感器20执行标定。首先，确保弹簧94在自然状态下，万向球构件93最底部要低于激光加火焰复合加工头10的喷嘴底端约20mm左右；然后，驱动机构60驱动激光加火焰复合加工头10移动，使激光加火焰复合加工头10的喷嘴底端接触板面，此时万向球被向上抬起约20mm左右，杠杆型支架92第一端的弹簧94被拉伸，调节传感器20，使其探针压缩至一半量程的位置并固定好，设置该位置处的电压为0V，标定完成。

第二步，实际切割过程的切割高度检测。在切割过程中万向球构件93与板材直接接触，与激光加火焰复合加工头10一起移动，在板材上滚动，跟随板材坡度变化。通常切割高度约为5-10mm，即激光加火焰复合加工头10的喷嘴底部距离板材表面或者万向球底部的距离同为5-10mm。

万向球构件93的底端与被切割板面接触，可以根据板材表面的上倾下斜情况，实时的抬高或者降低，通过杠杆型支架92将万向球构件93的升降高度传递到传感器20，使传感器20的探针伸长或缩短，位移传感器20将其探针的位移变化量输出至位移电压转换器70，将位移变化量转换为±10V范围内电压变化量△V，再传送到总线模块30或者差分传输模块80中，转化为总线信号或差分信号后，传递给主控系统40中，主控系统40根据实际探测到的切割高度和指令要求的切割高度的比较，给伺服驱动器50发位置控制指令，控制驱动机构60工作，以调整激光加火焰复合加工头10的高度，使激光加火焰复合加工头10的喷嘴底端距离板材的高度再次达到实际切割高度与需求的切割高度相同的效果。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本申请的技术方案及其申请构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本申请所附的权利要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种激光加火焰复合加工设备，其特征在于，包括激光加火焰复合加工头、传感器、总线模块、主控系统、伺服驱动器及驱动机构，所述传感器通过所述总线模块与所述主控系统通信连接，所述伺服驱动器通过所述总线模块与所述主控系统通信连接，所述伺服驱动器还与所述驱动机构通信连接，所述驱动机构用于驱动所述激光加火焰复合加工头移动；

所述总线模块包括主站模块和第一从站模块，所述传感器依次通过所述第一从站模块和所述主站模块与所述主控系统通信连接。

2.根据权利要求1所述的激光加火焰复合加工设备，其特征在于，所述第一从站模块与所述传感器在结构上相互分离。

3.根据权利要求2所述的激光加火焰复合加工设备，其特征在于，所述第一从站模块与所述传感器之间的通信距离，小于所述第一从站模块与所述主站模块之间的通信距离。

4.根据权利要求1所述的激光加火焰复合加工设备，其特征在于，还包括位移电压转换器，所述传感器通过所述位移电压转换器与所述第一从站模块通信连接。

5.根据权利要求4所述的激光加火焰复合加工设备，其特征在于，所述位移电压转换器与所述传感器在结构上相互分离。

6.根据权利要求1所述的激光加火焰复合加工设备，其特征在于，所述主站模块集成于所述主控系统内。

7.根据权利要求1所述的激光加火焰复合加工设备，其特征在于，所述总线模块还包括主站模块和第二从站模块，所述伺服驱动器依次通过所述第二从站模块和所述主站模块与所述主控系统通信连接。

8.根据权利要求7所述的激光加火焰复合加工设备，其特征在于，所述第二从站模块集成于所述伺服驱动器内。

9.一种激光加火焰复合加工设备，其特征在于，包括激光加火焰复合加工头、传感器、差分传输模块、主控系统、伺服驱动器及驱动机构，所述传感器通过所述差分传输模块与所述主控系统通信连接，所述驱动机构、所述伺服驱动器与所述主控系统依次通信连接，所述驱动机构用于驱动所述激光加火焰复合加工头移动。

10.根据权利要求9所述的激光加火焰复合加工设备，其特征在于，所述差分传输模块与所述传感器在结构上相互分离。

11.根据权利要求9所述的激光加火焰复合加工设备，其特征在于，还包括位移电压转换器，所述传感器通过所述位移电压转换器与所述差分传输模块通信连接。

12.根据权利要求11所述的激光加火焰复合加工设备，其特征在于，所述位移电压转换器与所述传感器在结构上相互分离。

13.根据权利要求1-12中任意一项所述的激光加火焰复合加工设备，其特征在于，还包括跟随运动机构，所述跟随运动机构设置于所述激光加火焰复合加工头，所述跟随运动机构可抵持于待加工物件并触发所述传感器。