一种激光切割高度跟随系统及其标定方法

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112440010A(43)申请公布日2021.03.05(21)申请号202011369605.X(22)申请日2020.11.30(71)申请人重庆工业赋能创新中心有限公司地址401121重庆市渝北区黄山大道中段60号(72)发明人姜瑜　张腾　王子颍　刘思佳　苏诚　陈国丽　黄玮洁　吕双君　(74)专利代理机构重庆智慧之源知识产权代理事务所(普通合伙)50234代理人高彬(51)Int.Cl.B23K26/38(2014.01)B23K26/70(2014.01)权利要求书1页 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 书4页附图2页(54)发明名称一种激光切割高度跟随系统及其标定方法(57)摘要本专利涉及激光切割技术领域，具体是一种激光切割高度跟随系统及其标定方法，包括位移传感器、信号检测单元、控制器和用于驱动切割头运动的驱动单元，位移传感器与信号检测单元连接，信号检测单元、驱动单元均与控制器连接，位移传感器为电容传感器，电容传感器包括上极板和下极板，上极板固定在切割头端部，下极板为待切工件。本 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 采用电容式位移传感器进行距离检测，不会因为激光切割过程中焦点附近高温影响；激光切割的切口回割裂部分环境的电涡流影响传感器的输出，而电容式传感器不受该因素影响具有较高的线性度和分辨率、更宽的温度适应范围，解决了现有激光切割测距系统容易受温度影响导致测量不准确的问题。CN112440010ACN112440010A权　利　要　求　书1/1页1.一种激光切割高度跟随系统，其特征在于：包括位移传感器、信号检测单元、控制器和用于驱动切割头运动的驱动单元，所述位移传感器与信号检测单元连接，所述信号检测单元、驱动单元均与控制器连接，所述位移传感器为电容传感器，所述电容传感器包括上极板和下极板，所述上极板固定在切割头端部，所述下极板为待切工件。2.根据权利要求1所述的一种激光切割高度跟随系统，其特征在于：所述电容传感器的引线电缆为双层屏蔽线。3.根据权利要求1所述的一种激光切割高度跟随系统，其特征在于：所述信号检测单元为Pcap01芯片。4.根据权利要求3所述的一种激光切割高度跟随系统，其特征在于：所述控制器包括模糊自适应PID控制单元。5.根据权利要求4所述的一种激光切割高度跟随系统，其特征在于：还包括显示单元，所述显示单元与控制器连接，所述显示单元搭载UI界面，通过UI界面对控制器发送设定信息。6.一种用于激光切割高度跟随系统的标定方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：驱动单元控制切割头以慢速步进下移，直至上极板与待切工件接触，此时电容传感器的上极板、下极板接地，电容相当于无穷大，此时信号检测单元检测到此特殊情况下的电容值时，停止切割头下降正式进入标定过程；步骤2：根据设置的标定补偿参数上抬切割头，多次采样在此高度下的电容值，记录其算数平均值，当切割头上抬超出标定范围时， 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示标定过程结束，记录并保存标定数据。7.根据权利要求5所述的一种用于激光切割高度跟随系统的标定方法，其特征在于：所述步骤2的标定范围为0.5-5mm，并以0.1mm为步长对电容与距离关系进行标定。2CN112440010A说　明　书1/4页一种激光切割高度跟随系统及其标定方法技术领域[0001]本发明涉及激光切割技术领域，具体是一种激光切割高度跟随系统及其标定方法。背景技术[0002]在激光切割加工中，为了保证切割质量，激光焦点一般应位于被加工工件表面以下板厚约1/3处，以确保切口处获得最大激光功率密度。但诸多因素会使得激光焦点位置与理想位置发生偏移，因此在加工过程中需要实时检测激光焦点与被加工对象的位置关系，并进行调节。[0003]激光切割机的瓶颈在于如何能够保持切割头与板材的间距不变，即激光焦点与被加工工件表面的间距不变，离焦量的恒定能够控制切割口形状和保证切口的平整度。由于工件的不平整，还有在加工过程中激光对工件造成的热变形都会影响着切割头和板材的间距。现有涡流传感器测距容易受激光切割过程中焦点附近高温影响，从而导致测量结果出现较大误差，造成灵敏度下降甚至导致激光切割装置产生错误动作。发明内容[0004]本发明意在提供一种激光切割高度跟随系统及其标定方法，以解决现有激光切割测距系统容易受温度影响导致测量不准确的问题。[0005]为了达到上述目的，本发明的基础方案如下：[0006]一种激光切割高度跟随系统，包括位移传感器、信号检测单元、控制器和用于驱动切割头运动的驱动单元，所述位移传感器与信号检测单元连接，所述信号检测单元、驱动单元均与控制器连接，所述位移传感器为电容传感器，所述电容传感器包括上极板和下极板，所述上极板固定在切割头端部，所述下极板为待切工件。[0007]进一步，所述电容传感器的引线电缆为双层屏蔽线。[0008]进一步，所述信号检测单元为Pcap01芯片。[0009]进一步，所述控制器包括模糊自适应PID控制单元。[0010]进一步，还包括显示单元，所述显示单元与控制器连接，所述显示单元搭载UI界面，通过UI界面对控制器发送设定信息。[0011]本方案的有益效果：(1)本方案采用电容式位移传感器进行距离检测，相对于电涡流传感器测距，具有温度补偿电路简单、温度漂移小等优点，且不会因为激光切割过程中焦点附近高温影响；激光切割的切口回割裂部分环境的电涡流影响传感器的输出，而电容式传感器不受该因素影响具有较高的线性度和分辨率、更宽的温度适应范围。相对于激光测距传感器电容式测距传感器具有测量结构简单、体积小、易于安装、成本低等特点，还具有更快的响应频率。[0012](2)本方案采用为电容集成芯片进行距离检测，可以避免传统电容测量方式将电容量转化为电压、频率间接测量电容值方式的模拟链路冗长，需经过电压/频率转换器，模3CN112440010A说　明　书2/4页拟数字转换器，最后才由信号处理装置运算、处理，而且电容电压转换器往往由振荡及分频电路、锁相环路、放大整形电路和比较电路等分立元件组成，整个过程经过多次转换，容易受到外界干扰，造成灵敏度下降甚至产生误动作。利用测量芯片能够更好的测量并处理，降低开发难度。[0013](3)本方案采用模糊自适应PID控制伺服电机，作为模糊控制和PID控制相结合的产物，模糊自适应PID控制具有调速范围宽、调节速度快和不要求掌握受控对象的精确数学模型的优点。[0014]一种用于激光切割高度跟随系统的标定方法，包括以下步骤：[0015]步骤1：驱动单元控制切割头以慢速步进下移，直至上极板与待切工件接触，此时电容传感器的上极板、下极板接地，电容相当于无穷大，此时信号检测单元检测到此特殊情况下的电容值时，停止切割头下降正式进入标定过程；[0016]步骤2：根据设置的标定补偿参数上抬切割头，多次采样在此高度下的电容值，记录其算数平均值，当切割头上抬超出标定范围时，表示标定过程结束，记录并保存标定数据。[0017]本方案的有益效果：(1)通过对电容进行标定，能够减少甚至消除线路及PCB板寄生电容、外界电磁干扰、极板电场边缘效应的影响。[0018](2)极板之间的距离与电容大体上成幂函数关系，在较小的间距内可近似看作线性关系。间距越小，电容传感器电容的分辨率越高，在1.5-2.5mm范围内2.4-2.5mm距离段的定位精度最低。2.4-2.5mm平均电容的差值为0.10694pF，原始电容测量的极差为0.01pF，故此范围内的距离检测精度达到了0.01mm；大于2.5mm的距离分辨率越来越低，而低于2.4mm的分辨率越来越高。在感应极板的合理工作距离内，电容传感器的检测精度至少达到了0.01mm，完全符合了激光切割时高度检测的精度要求。附图说明[0019]图1为本发明实施例的连接示意图；[0020]图2为本发明实施例中的信号检测单元的电路连接图；[0021]图3为本发明实施例中的控制器的电路连接图。具体实施方式[0022]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。[0023]实施例[0024]基本如附图1所示：一种激光切割高度跟随系统，包括位移传感器、信号检测单元、控制器、显示单元和用于驱动切割头运动的驱动单元，位移传感器与信号检测单元连接，信号检测单元、驱动单元均与控制器连接，信号检测单元为Pcap01芯片，控制器包括模糊自适应PID控制单元，显示单元与控制器连接，显示单元搭载UI界面，通过UI界面对控制器发送设定信息；位移传感器为电容传感器，电容传感器包括上极板和下极板，上极板固定在切割4CN112440010A说　明　书3/4页头端部，下极板为待切工件，电容传感器的引线电缆为双层屏蔽线，驱动单元为驱动电机。[0025]如图2所示，信号检测单元共有32个引脚，各个引脚的功能各不相同，在整个电路设计过程中，由于去耦是必须的，所以BUFFCAP要与uF和nF级别的去耦旁路电容连接后接至地，同时VDD也应该与去耦电容连接后再接地；PCO-PC7是电容测量接口，用来连接参考电容和传感器，根据电路工作模式的不同，可采取不同的连接方式，该系统所采用的是单一传感器接地模式，在该工作模式下，可以对内部寄生电容进行一定的补偿，对于较短导线上的寄生电容可以不做考虑，但若导线较长，则导线上的寄生电容的影响是致命的，不可忽略，但可通过导线屏蔽方式解决。C3代表参考电容，C4代表位移传感器，在该系统中，只需对传感器电容C4进行测量；在进行OTP编程时可将VPP_OTP接到6.5V电源，程序完毕之后迅速调回GND，而此处不需要对OTP进行编程，故可连接470kΩ下拉电阻并接地。PTO-PT7是温度测量端口，用于连接外部温度电阻传感器，PG2-PG5可用作I/O端口，其中PG4和PG5只能用作输出；PT2REF连接温度测量电阻，该电阻另一端与PTOUT相连；该设计中用不到的管脚进行悬空；结合图3所示，JPl-JP4分别对应相连，这样就可以使信号检测单元上的SCK_SCL，SSN_PGO，MOSL_SDA和MISO_PG1管脚与控制器上的SPI总线器件进行相连，使得它们之间能够完成数据通信，信号检测单元兼容SPI和IIC串行总线接口；系统时钟禁止使用内部振荡，利用外部时钟接口接外部振荡电路，RST/C2CK可作为数字端口引脚对器件进行复位或作为C2接口用于信号处理；在VRECGIN(稳压器输入)与地之间和Vpp(电源电压)与地之间都连接一个大电容(4.7uF+0.1uF)，以起到保护整个电路的作用。[0026]具体实施过程如下：首先进行电容标定，驱动单元控制切割头以慢速步进下移，直至上极板与待切工件接触，此时电容传感器的上极板、下极板接地，电容相当于无穷大，此时信号检测单元检测到此特殊情况下的电容值时，停止切割头下降正式进入标定过程；根据设置的标定补偿参数上抬切割头，多次采样在此高度下的电容值，记录其算数平均值，标定范围为0.5-5mm，并以0.1mm为步长对电容与距离关系进行标定，当切割头上抬超出标定范围时，表示标定过程结束，记录并保存标定数据。然后通过UI界面将设定的高度值h传递到控制器，控制器通过信号检测单元实时采集与 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 电容的比值，通过卡尔曼滤波将电容数据进行整定，并通过存储的标定表进行电容--距离换算，通过输入的高度h值传递到伺服系统，控制伺服电机保持激光切割喷头与切割件表面之间的恒定距离，从而保证了激光的焦点一直都在工件的合理位置。[0027]需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。[0028]以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请5CN112440010A说　明　书4/4页的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。6CN112440010A说　明　书　附　图1/2页图1图27CN112440010A说　明　书　附　图2/2页图38