[發明專利]具有多點測量功能的激光切割頭位移傳感器

無效

• 申請號: 201110317298.5
• 申請日: 2011-10-19
• 公開（公告）號: CN102430863A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 張宏志;楊立軍;王揚;王長和;宋志星
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B23K26/42
• 分類號: B23K26/42;B23K26/04;B23K26/38
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技術領域

本發明屬于激光三維切割中激光焦點位置檢測及檢測被加工材料曲面法矢量技術領域，特別是涉及一種具有多點測量功能的測量方法及具有多點測量功能的激光切割頭位移傳感器，能夠迅速對激光頭進行自動垂直定位及對激光頭與工件位置距離檢測。

背景技術

在激光切割過程中，為了保證切割質量，需要使切口處的功率密度最大，這要求切割頭的噴嘴與被加工表面有一定間隙，而且要保證間隙恒定。激光束聚焦點與工件間的相對位置，即離焦量，是激光切割一個重要的工藝參數，在切割過程中，必須使其始終保持恒定，以達到控制切口形狀和提高切割質量的目的。由于工件表面的起伏不平和彎曲，機床工作臺的不平整，以及切割過程中工件輕度的熱變形，兩者之間的間距經常發生變化。為了使離焦量在切割過程中始終保持恒定，就必須給激光頭配備自動聚焦跟蹤裝置，以使激光頭能隨工件表面的起伏自動調整激光束的聚焦位置。另外，三維激光切割工藝要求激光束在切割過程中時刻與被加工表面垂直，這樣才能夠保證加工的質量和效率，這就要求在激光切割工件前先進行數控編程模擬切割過程。

目前激光三維切割中激光切割頭的跟隨控制系統采用的檢測傳感器分為接觸式的和非接觸式的。接觸式的主要是電感式的，這種方式檢測效率低，使用環境受到傳感器的限制，因此目前主要采用非接觸式的電容式傳感器。電容式的傳感器具有結構簡單、體積小、分辨率高、響應速度快、發熱小等優點，所以非常適合于激光切割中激光頭與工件位置距離的檢測。傳統技術應用中的電容傳感器通常只有一塊感應極板，為提高檢測精度只能通過多次采樣和數據平均的辦法，這樣將極大的降低加工效率。

目前三維切割的主要編程形式還是示教編程，示教時必須使激光束垂直于示教點處的工件表面，同時獲取示教點處表面的法向矢量的信息，傳統的示教方法，一種是憑借操作者的視覺來調整，然后進行數控編程，這種方法誤差大；另一種方法是激光頭在人為的操作下，運動到示教點，使噴嘴中心正對示教點，在示教點的附近逐點測量出多個均勻分布點與噴嘴的距離值，這樣就可以確定出這幾個點的坐標值，從而確定被加工曲面的法向矢量，這兩種方法的效率都非常低，嚴重的影響了激光切割的質量和效率。因此有效地解決三維激光切割中切割頭與被加工工件表面法矢量方向一致的問題，對擴大激光切割的應用范圍，提高生產效率等都有著現實的意義。

基于激光頭與工件的距離及激光頭與被加工表面的垂直度這兩個問題，申請人設計出一套傳感器檢測系統，能夠自動實現激光頭與工件的距離檢測以及激光頭姿態位置的測量，而且能大大提高勞動生產率、提高激光切割質量。

發明內容

本發明方案采用新的多通道并行傳感技術，能夠提高焦點位置控制系統的定位精度，同時還能有效地解決三維激光切割中切割頭與被加工工件表面法矢量方向一致的問題。所采用的傳感方式是多電容式傳感方式，包括多電容傳感器極板以及傳感器安裝架，其核心主要包括兩個方面，一是把感應極板結構對等分成多個單元以形成多個傳感通道并行工作；二是在信號檢測電路中設置多個信號檢測通道。

本發明的技術方案：一種具有多點測量功能的激光切割頭位移傳感器，其特征在于：包括傳感線連接頭、聯接座、分瓣式金屬連接套、固定絕緣套、固定屏蔽罩、活動屏蔽罩、激光切割頭噴嘴，聯接座用于與傳感器上面的部件相連，傳感線連接頭設置在聯接座側面，用于將傳感器的信號傳送給控制系統，分瓣式金屬連接套在聯接座內，起導線作用，在連接套與聯接座之間設有固定絕緣套，在連接套外部且固定絕緣套下方設有活動絕緣套，活動絕緣套通過螺紋與金屬連接套相連，固定屏蔽罩和活動屏蔽罩通過螺紋與活動絕緣套相連，噴嘴是分瓣式的，通過螺釘與相應連接套連接在一起，感應極板由絕緣陶瓷層分隔成多個獨立的傳感單元。

根據本發明另一實施方式，感應極板被分隔成四個傳感單元。

根據本發明另一實施方式，利用防松螺母固定所述屏蔽罩與絕緣套。

根據本發明另一實施方式，分瓣式噴嘴與工件的間距為0.5-3mm。

本發明提出的具有多點測量功能的激光切割頭位移傳感器具有以下特點：

(1)在激光切割頭前端集成環形感應極板使其與被加工材料表面形成電容傳感器，感應極板分為4部分，各個部分之間由絕緣陶瓷分開。

(2)傳感器具有多點測量功能，可以提高切割頭與工件間距的檢測精度；

(3)激光切割頭能夠快速確定被加工表面的法矢量，簡化示教過程，能夠較為容易的實現對激光頭姿態的調整；

附圖說明

下面結合附圖對本發明的具體實施方式做進一步說明