一种激光切割头的高度调整系统及其高度调整方法与流程

本发明涉及激光数控系统领域，具体涉及一种激光切割头的高度调整系统及其高度调整方法。

背景技术：

在激光切割机床控制中，由于工件的起伏和形变等因素，激光的焦点与工件表面的位置会产生变化而影响切割效果，因此要保证良好的切割效果则需要控制喷嘴与工件之间的间隙为一个恒定值，传统的切割头高度调整方法是由一个独立的高度调整器对Z轴进行控制，而其他轴由运动控制卡或数控系统控制，或者由独立的高度调整器给出Z轴控制信号，由数控系统去执行。

因此，上述控制方式会导致一致性较差。

如何解决现有控制方式的一致性较差的问题，是本领域技术人员重点研究的问题之一。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种激光切割头的高度调整系统，解决现有控制方式的一致性较差的问题。

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种激光切割头的高度调整方法，解决现有控制方式的一致性较差的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种激光切割头的高度调整系统，包括与激光切割头连接的高度调整轴，该高度调整系统还包括：

传感器，该传感器检测激光切割头的喷嘴与加工工件表面之间的电容值；

前置放大器，该前置放大器分别与传感器和信号调理器连接，该前置放大器将电容值转化为震荡频率信号；

信号调理器，该信号调理器将震荡频率信号进行处理，获得激光切割头的喷嘴与加工工件表面的距离信号；

数控单元，该数控单元分别与信号调理器和高度调整轴连接，其根据距离信号并通过控制高度调整轴调整激光切割头的喷嘴与加工工件表面的距离。

其中，较佳方案是：该信号调理器包括信号滤波整形模块和DSP信号处理模块，该信号滤波整形模块分别与前置放大器和DSP信号处理模块连接，该DSP信号处理模块与数控单元连接；该信号滤波整形模块将震荡频率信号进行滤波、整形、分频，该DSP信号处理模块将滤波、整形、分频后的震荡频率信号进行线性化，获得激光切割头的喷嘴与加工工件表面的距离信号。

其中，较佳方案是：该信号滤波整形模块包括依次连接的五阶带通滤波电路、滞回比较器和分频电路，该五阶带通滤波电路与前置放大器连接，该五阶带通滤波电路将震荡频率信号进行过滤高次谐波和直流分量，该滞回比较器将小振幅近似正弦信号初步整形成近似方波信号，该分频电路再整形并分频为方波信号。

其中，较佳方案是：该DSP信号处理模块存储有若干标定点，每一标定点均包括激光切割头的喷嘴与加工工件表面的距离值，以及每一距离值对应的频率值；该DSP信号处理模块将滤波、整形、分频后的震荡频率信号的频率值与每一标定点的频率值进行比较及分段线性化，获得采集到的频率值所对应的距离值，并将包含距离值的距离信号发送到数控单元中。

其中，较佳方案是：该信号调理器与数控单元之间采用数字总线通信方式。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种激光切割头的高度调整方法，包括步骤：

根据应用环境设置一预设高度值；

检测激光切割头的喷嘴与加工工件表面构成的电容值，及将电容值转化为震荡频率信号，根据震荡频率信号获得激光切割头的喷嘴与加工工件的表面的距离；

将预设高度值和距离进行比较，并根据预设高度值动态调整激光切割头的喷嘴与加工工件表面的距离。

其中，较佳方案是，该高度调整方法还包括标定步骤：

控制激光切割头朝着加工工件表面移动，并等待碰撞信号；

检测到碰撞信号后控制激光切割头远离加工工件表面移动，并等待碰撞信号消失；

在控制激光切割头远离加工工件表面移动的过程中设置若干标定点，记录每一标定点的激光切割头的喷嘴与加工工件表面的距离。

其中，较佳方案是，获得激光切割头的喷嘴与加工工件的表面的距离的步骤包括：

将震荡频率信号放大，并过滤高次谐波和直流分量，以及将小振幅近似正弦信号初步整形成近似方波信号，且再整形并分频为方波信号；

设置若干标定点，每一标定点均包括激光切割头的喷嘴与加工工件表面的距离值，以及包括每一距离值对应的频率值；

将滤波、整形、分频后的震荡频率信号的频率值与每一标定点的频率值进行比较及分段线性化，获得采集到的频率值所对应的距离值。

其中，较佳方案是，设置标定点的步骤还包括：

根据每一标定点的距离值和频率值，计算出若干线段及每一线段的斜率。

其中，较佳方案是，分段线性化的步骤包括：

根据线段的斜率与线段的端点值，将滤波、整形、分频后的震荡频率信号的频率值进行比较及分段线性化，计算出所述频率值的近似距离值。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过一种激光切割头的高度调整系统及其高度调整方法，高度调整轴均由数控系统控制，无需转换高度调整轴的控制权，避免控制权冲突，可在数控系统的操作界面直接进行标定、高度随动等操作，无需到电柜中进行操作，进一步提供优良的高度控制性能，提高激光切割的质量和加工效率；其结构简单、接线方便、使用便捷，在生产、使用、维护过程中降低成本及劳动力；同时，标定过程实现自动化，避免了手动标定的繁琐操作，以及与数控单元采用数字总线通信方法，避免模拟量干扰。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明高度调整系统的结构框图；

图2是本发明信号调理器的结构框图；

图3是本发明信号滤波整形模块的结构框图；

图4是本发明高度调整方法的流程图；

图5是本发明标定方法的流程图；

图6是本发明获得激光切割头的喷嘴与加工工件的表面的距离的流程图；

图7是图6的进一步流程图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

如图1所示，本发明提供一种高度调整系统的优选实施例。

一种激光切割头30的高度调整系统，包括与激光切割头30连接的高度调整轴20，该高度调整系统还包括传感器11、前置放大器12、信号调理器13和数控单元14，该传感器11、前置放大器12、信号调理器13和数控单元14依次连接，该数控单元14与高度调整轴20连接，具体描述如下：

该传感器11检测激光切割头30的喷嘴与加工工件表面之间的电容值；该前置放大器12分别与传感器11和信号调理器13连接，该前置放大器12将电容值转化为震荡频率信号；该信号调理器13将震荡频率信号进行处理，获得激光切割头30的喷嘴与加工工件表面的距离信号；该数控单元14分别与信号调理器13和高度调整轴20连接，其根据距离信号并通过控制高度调整轴20调整激光切割头30的喷嘴与加工工件表面的距离。

其中，数控单元14接收到信号调理器13发送来的距离信号(高度信号)，将其与用户设定的高度值进行比较，并进行闭环控制高度调整轴20的移动，使其保持在用户设定的高度值的范围内完成激光切割头30的随动控制，根据实际应用的需求，可以在上位机中调整参数，使其响应速度适应具体应用达到最优化的控制效果。

在发明中，调整激光切割头30的喷嘴与加工工件表面之间的间隙采用“距离”这一词汇，其与本发明中的“高”所表达的意思一致，只是便于对本发明的理解，均是表达激光切割头30的喷嘴与加工工件表面之间的间隙距离；由于激光切割头30与加工工件的远离靠近方向不一定在竖直方向上，若为水平远离、靠近，本发明中提及的“高度”类的词汇均是表达激光切割头30的喷嘴与加工工件表面之间的间隙距离。本发明全部实施例优选采用激光切割头30与加工工件的远离靠近方向为竖直方向。

在本实施例中，传感器11的主要作用是激光切割头30的喷嘴与加工工件表面之间的间隙变化进行响应，喷嘴作为传感器11电容其中一个极板，加工工件表面作为传感器11电容的另一个极板，当切割头在竖直方向移动时，喷嘴与被测物之间的距离也发生变化，根据电容公式其中s为面积，ε_r为介电常数，δ为喷嘴与工件的间隙，两者构成的传感器11电容的容值也随之改变。

同时，前置放大器12的主要作用是对传感器11的间隙变化进行C-F变换，即电容-频率变换，采用调频电路，BNC同轴电缆给调频电路提供15V电压，产生频率为MHZ级的高频震荡信号，随着喷嘴和工件之间的间隙变化，产生的震荡频率信号也会随着变化，经过放大后叠加到BNC同轴电缆的内芯，同轴电缆的内芯是15V的直流电压叠加上幅值几百mV的交流电压，并传输到信号调理器13中。

在本实施例中，该信号调理器13与数控单元14之间采用数字总线通信方式。

由于DA转换和AD转换这两个环节导致精度的下降和干扰增加，本实施例采用总线方式与数控单元14连接通讯，省略了DA转换和AD转换环节，避免了模拟量的干扰和精度下降。

如图2和图3所示，本发明提供一种信号调理器的较佳实施例。

该信号调理器13包括信号滤波整形模块131和DSP信号处理模块132，该信号滤波整形模块131分别与前置放大器12和DSP信号处理模块132连接，该DSP信号处理模块132与数控单元14连接；该信号滤波整形模块131将震荡频率信号进行滤波、整形、分频，该DSP信号处理模块132将滤波、整形、分频后的震荡频率信号进行线性化，获得激光切割头30的喷嘴与加工工件表面的距离信号。

其中，数字信号处理简称DSP，DSP信号处理模块132优选为一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。

其中，信号调理器13优选为DSP信号处理芯片，也可以为ARM芯片。

在本实施例中，该信号滤波整形模块131包括依次连接的五阶带通滤波电路1311、滞回比较器1312和分频电路1313，该五阶带通滤波电路1311与前置放大器12连接，该五阶带通滤波电路1311将震荡频率信号进行过滤高次谐波和直流分量，该滞回比较器1312将小振幅近似正弦信号初步整形成近似方波信号，该分频电路1313再整形并分频为方波信号。

具体地，信号调理器13的主要作用是对前置放大器12传送来的信号由五阶带通滤波电路1311进行过滤高次谐波和直流分量，并经过滞回比较器1312将小幅值近似正弦信号初步整形成幅值5V的近似方波信号，再经过分频电路1313整形并分频为幅值5V的方波信号，再将5V信号通过电平转换芯片变换到与DSP信号处理芯片引脚电平匹配的3.3V方波信号，再送到DSP信号处理模块132中。其中，分频电路1313优选为集成分频芯片。

同时，对震荡频率信号进行多周期同步鉴频方法捕获，采集前置放大器12的频率信号，优选为对32个采集到的频率值进行滤波，其中将较大8个值和较小的8个值去除，对16个中间值进行平均值滤波。

在本实施例中，该DSP信号处理模块132存储有若干标定点，每一标定点均包括激光切割头30的喷嘴与加工工件表面的距离值，以及每一距离值对应的频率值；该DSP信号处理模块132将滤波、整形、分频后的震荡频率信号的频率值与每一标定点的频率值进行比较及分段线性化，获得采集到的频率值所对应的距离值，并将包含距离值的距离信号发送到数控单元14中。

进一步地，DSP信号处理模块132将滤波后的频率值与已经标定好记录的值比较进行分段线性化，采用多个线段近似曲线的方法，在标定程序中记录每个标定点的频率值，根据每个点的高度值和该点的频率值计算每个线段的斜率，DSP信号处理模块132根据当前的频率值判断属于哪一个线段，根据计算好的斜率和线段的端点值即可计算出当前的近似高度值，然后将线性化后的值再经过一阶滞后滤波后发送。

如图4、图5、图6和图7所示，本发明提供一种高度调整方法的较佳实施例。

一种激光切割头的高度调整方法，包括步骤：

S21、根据应用环境设置一预设高度值；

S22、检测激光切割头的喷嘴与加工工件表面构成的电容值，及将电容值转化为震荡频率信号，根据震荡频率信号获得激光切割头的喷嘴与加工工件的表面的距离；

S23、将预设高度值和距离进行比较，并根据预设高度值动态调整激光切割头的喷嘴与加工工件表面的距离。

具体地，数控单元通过操作界面并根据应用环境设置一预设高度值，传感器检测激光切割头的喷嘴与加工工件表面构成的电容值，及前置放大器将电容值转化为震荡频率信号，信号调理器根据震荡频率信号获得激光切割头的喷嘴与加工工件的表面的距离，数控单元将预设高度值和距离进行比较，并根据预设高度值通过控制高度调整轴，动态调整激光切割头的喷嘴与加工工件表面的距离。

数控单元接收到信号调理器发送来的距离信号(高度信号)，将其与用户设定的高度值进行比较，并进行闭环控制高度调整轴的移动，使其保持在用户设定的高度值的范围内完成激光切割头的随动控制，根据实际应用的需求，可以在上位机中调整参数，使其响应速度适应具体应用达到最优化的控制效果。

在本实施例中，提供一种激光切割头的标定方法的较佳方案。

一种激光切割头的标定方法，包括步骤：

S11、控制激光切割头朝着加工工件表面移动，并等待碰撞信号；

S12、检测到碰撞信号后控制激光切割头远离加工工件表面移动，并等待碰撞信号消失；

S13、在控制激光切割头远离加工工件表面移动的过程中设置若干标定点，记录每一标定点的激光切割头的喷嘴与加工工件表面的距离。

具体地，首先数控单元控制高度调整轴缓慢向下移动等待碰撞信号，当接收到碰撞信号后缓慢向上移动等待碰撞信号消失，然后根据约定的16个点，数控单元将高度调整轴每移动到一个点处，即向信号调理器发送标定请求信号，信号调理器记录了该点的数值(激光切割头的喷嘴与加工工件表面的距离值)后，向数控单元发送标定确认信号，数控单元即控制高度调整轴向下一个点移动，待标定结束后信号调理器对标定的数据进行校验。

进一步地，如果标定过程中出现意外中断或其他因素导致数据异常，则信号调理器向数控单元发送标定结果错误信号。

在本实施例中，信号调理器与数控单元间的控制信号包括碰撞信号、断线信号、标定请求信号、标定确认信号、标定结果信号。其中，当喷嘴触碰到工件表面时信号调理器会给数控单元发送碰撞信号；当射频电缆未连接或损坏时信号调理器会给数控单元发送断线信号；标定请求信号是数控单元给信号调理器发送的请求标定的信号；标定确认信号是信号调理器记录了一个点后给数控单元发送的信号；标定结果信号是对标定结束后进行数据校验，如果标定过程出现问题导致数据错误此信号发出。

在实施例中，获得激光切割头的喷嘴与加工工件的表面的距离的步骤包括：

S221、将震荡频率信号放大，并过滤高次谐波和直流分量，以及将小振幅近似正弦信号初步整形成近似方波信号，且再整形并分频为方波信号；

S222、设置若干标定点，每一标定点均包括激光切割头的喷嘴与加工工件表面的距离值，以及包括每一距离值对应的频率值；

S224、将滤波、整形、分频后的震荡频率信号的频率值与每一标定点的频率值进行比较及分段线性化，获得采集到的频率值所对应的距离值。

具体地，前置放大器将震荡频率信号放大，五阶带通滤波电路进行过滤高次谐波和直流分量，以及滞回比较器将小振幅近似正弦信号初步整形成近似方波信号，且分频电路再整形并分频为方波信号；数控单元设置若干标定点，每一标定点均包括激光切割头的喷嘴与加工工件表面的距离值，以及包括每一距离值对应的频率值；DSP信号处理模块将滤波、整形、分频后的震荡频率信号的频率值与每一标定点的频率值进行比较及分段线性化，获得采集到的频率值所对应的距离值。

或者，本发明还包括其他算法，用于通过震荡频率信号获取当前的距离值。

在实施例中，设置标定点的步骤还包括：

S223、根据每一标定点的距离值和频率值，计算出若干线段及每一线段的斜率。

具体地，数控单元根据每一标定点的距离值和频率值，计算出若干线段及每一线段的斜率。

在实施例中，分段线性化的步骤包括：

S224’、根据线段的斜率与线段的端点值，将滤波、整形、分频后的震荡频率信号的频率值进行比较及分段线性化，计算出所述频率值的近似距离值。

具体地，信号调理器根据线段的斜率与线段的端点值，将滤波、整形、分频后的震荡频率信号的频率值进行比较及分段线性化，计算出所述频率值的近似距离值。

以上所述者，仅为本发明最佳实施例而已，并非用于限制本发明的范围，凡依本发明申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本发明所涵盖。