等离子体监测电路以及激光切割设备的制作方法

1.本实用新型涉及激光切割领域，尤其涉及一种等离子体监测电路以及激光切割设备。


背景技术：

2.激光切割过程中，由于较高的激光能量源，会产生等离子体，等离子体为云状，距离传感器会将云状的等离子体误判为被切割的板材，从而影响切割效果。
3.现有技术中，主要采用以下方法检测等离子体信号：
4.(1)采用光谱方案形式进行判定等离体子的产生，对不同时间段产生的切割进行光谱分析，确定被切割物体的材料特性，调整参数达到最佳切割效果，但是激光切割的板材种类繁多、材料表面生锈或者被腐蚀等多种因素使光谱方案对材料特性的判定受限，应用受限。
5.(2)将等离体子的产生转化为电压变动发生率，通过计算单位时间内的电压变动发生率来确定等离子的产生量，据此进行切割条件的调整，从而抑制等离子的产生，此种方法通过电压变动发生率进行等离体子检测，算法复杂，要积累到一定的时间量，被测信号要有足够大的阈值，才会有可靠的测试精度。
6.(3)等离体子和距离传感器信号耦合在一起，采样后，通过特定的模型进行解耦，从而检测出等离子体信号，并求出最佳的电容信号值，此方法需要对特定的距离信号和等离子体信号模型进行解耦，算出电容信号，认为此时的距离传感器的电容信号为最佳的电容信号，缺点在于，切割过程中会有飞溅残渣情况，预设模型会对此进行误判影响切割效果


技术实现要素：

7.本实用新型提供一种等离子体监测电路以及激光切割设备，以解决种类和应用受限、算法复杂、未检测飞溅残渣的问题。
8.根据本实用新型的第一方面，提供了一种等离子体监测电路，包括等离子体采样单元，所述等离子体采样单元包括：第一电阻、第二电阻、运算放大器和第一电容；
9.所述第一电阻的第一端连接激光切割头与待切割板材之间间隙，所述第一电阻的第二端连接所述运算放大器的第一输入端；
10.所述第二电阻的一端连接所述第一电阻的第二端，所述第二电阻的另一端连接第一电源；
11.所述运算放大器的第二输入端和所述运算放大器的供电端连接所述第一电源；
12.所述运算放大器的输出端直接或间接连接上位机，以向所述上位机反馈等离子体监测信号，所述等离子体监测信号匹配于所述激光切割头与所述待切割板材之间间隙所形成的等效阻抗的大小；
13.所述第一电容的一端连接所述第一电源，所述第一电容的另一端接地。
14.可选的，还包括第三电阻和第四电阻，
15.所述第三电阻的一端连接所述第一电源，所述第三电阻的另一端连接所述运算放大器的第二输入端；
16.所述第四电阻的一端连接所述运算放大器的第二输入端，所述第四电阻的另一端连接所述运算放大器的输出端。
17.可选的，所述等离子体采样单元还包括第一二极管和第二二极管，
18.所述第一二极管的正极连接所述运算放大器的第一输入端，所述第一二极管的负极连接所述运算放大器的第二输入端；
19.所述第二二极管的正极连接所述运算放大器的第二输入端，所述第二二极管的负极连接所述运算放大器的第一输入端。
20.可选的，还包括信号放大单元，所述信号放大单元的输入端连接所述运算放大器的输出端，所述信号放大单元的输出端直接或间接连接所述上位机；
21.所述信号放大单元用于将所述等离子体监测信号放大后向所述上位机反馈。
22.可选的，所述信号放大单元包括跟随器、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第二电容；
23.所述跟随器的第一输入端连接所述运算放大器的输出端，所述跟随器的第二输出端连接所述跟随器的输出端，所述跟随器的供电端连接第二电源；
24.所述第五电阻的第一端连接所述跟随器的第一输入端，所述第五电阻的第二端连接所述第六电阻的第一端；
25.所述第六电阻的第二端接地；
26.所述第七电阻的一端连接所述第六电阻的第一端，所述第七电阻的另一端接地；
27.所述第二电容的一端连接所述第二电源，所述第二电容的另一端接地。
28.可选的，所述信号放大单元还包括第八电阻，所述第八电阻的第一端连接所述运算放大器的输出端，所述第八电阻的第二端连接所述跟随器的第一输入端和所述第五电阻的第一端。
29.根据本实用新型的第二方面，提供了一种激光切割设备，包括激光切割头、切割执行装置、上位机和本实用新型第一方面及其可选方案中所述的等离子体监测电路，
30.所述上位机通过切割执行装置连接所述激光切割头，以通过所述切割执行装置控制所述激光切割头进行切割，所述运算放大器的输出端直接或间接连接所述上位机，以向所述上位机反馈所述等离子体监测信号。
31.可选的，还包括距离监测电路，所述距离监测电路的输出端直接或间接连接所述上位机，
32.所述距离监测电路用于监测所述激光切割头与所述待切割板材之间的距离，产生对应第一距离信号，并向所述上位机反馈所述第一距离信号。
33.可选的，还包括预处理电路，所述预处理电路的第一输入端直接或间接连接所述运算放大器的输出端，所述预处理电路的第二输入端连接所述距离监测电路的输出端，所述预处理电路的输出端连接所述上位机；
34.所述预处理电路用于接收所述等离子体监测信号和所述第一距离信号，将对应的异常监测信号和第二距离信号传输至所述上位机。
35.可选的，所述等离子体监测电路设于第一电路板，所述距离监测电路设于第二电
路板，所述预处理电路设于第三电路板。
36.本实用新型提供的等离子体监测电路以及激光切割设备中，等离子体监测电路包括等离子体采样单元，可判断激光切割过程中产生的的异常类型，电路简单、可实时、准确地获得等离子体监测信号。
37.本实用新型提供的激光切割设备，不受板材的薄厚程度、材料性质、材料腐蚀程度限制、只需要对应的上位机，可针对不同板材进行高精度切割；只要等离体子产生，就会进行相应的动作，调整相关距离传感器，进行切割效果调整；等离子体监测电路同时兼备飞溅残差监测功能，减少误判的产生。
附图说明
38.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1是本实用新型一实施例中等离子体监测电路的示意图一；
40.图2是本实用新型一实施例中等离子体监测电路的示意图二；
41.图3是本实用新型一实施例中等离子体监测电路的示意图三；
42.图4是本实用新型一实施例中等离子体监测电路的示意图四；
43.图5是本实用新型一实施例中等离子体监测电路的示意图五；
44.图6是本实用新型一实施例中激光切割设备的构造示意图；
45.图7是本实用新型一实施例中激光切割设备的示意图一；
46.图8是本实用新型一实施例中距离监测电路的示意图；
47.图9是本实用新型一实施例中激光切割设备的示意图二；
48.附图标记说明：
49.100
‑
等离子体监测电路；
50.101
‑
激光切割设备；
[0051]1‑
上位机；
[0052]2‑
等离子体采样单元；
[0053]3‑
信号放大单元；
[0054]4‑
激光切割头；
[0055]5‑
切割执行装置；
[0056]6‑
带切割板材；
[0057]7‑
距离监测电路；
[0058]
71
‑
信号采样单元；
[0059]
72
‑
信号放大单元；
[0060]8‑
预处理电路；
[0061]
r1
‑
第一电阻；
[0062]
r2
‑
第二电阻；
[0063]
r3
‑
第三电阻；
[0064]
r4
‑
第四电阻；
[0065]
r5
‑
第五电阻；
[0066]
r6
‑
第六电阻；
[0067]
r7
‑
第七电阻；
[0068]
r8
‑
第八电阻；
[0069]
r9
‑
第九电阻；
[0070]
c1
‑
第一电容；
[0071]
c2
‑
第二电容；
[0072]
d1
‑
第一二极管；
[0073]
d2
‑
第二二极管；
[0074]
u1
‑
运算放大器；
[0075]
u2
‑
跟随器；
[0076]
u3
‑
运算放大器；
[0077]
vcc1
‑
第一电源；
[0078]
vcc2
‑
第二电源；
[0079]
vcc3
‑
第三电源。
具体实施方式
[0080]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
[0081]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
[0082]
在本实用新型说明书的描述中，需要理解的是，术语“上部”、“下部”、“上端”、“下端”、“下表面”、“上表面”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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0083]
在本实用新型说明书的描述中，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隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
[0084]
在本实用新型的描述中，“多个”的含义是多个，例如两个，三个，四个等，除非另有明确具体的限定。
[0085]
在本实用新型说明书的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以
根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0086]
下面以具体地实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
[0087]
请参考图1，等离子体监测电路100，包括等离子体采样单元2，所述等离子体采样单元2包括：第一电阻r1、第二电阻r2、运算放大器u1和第一电容c1；
[0088]
第一电阻r1的第一端连接激光切割头4与待切割板材6之间间隙，第一电阻r1的第二端连接运算放大器u1的第一输入端；
[0089]
第二电阻r2的一端连接第一电阻r1的第二端，第二电阻r2的另一端连接第一电源vcc1；
[0090]
运算放大器u1的第二输入端和运算放大器u1的供电端连接第一电源vcc1；
[0091]
运算放大器u1的输出端直接或间接连接上位机1，以向上位机1反馈等离子体监测信号，等离子体监测信号匹配于激光切割头4与待切割板材6之间间隙所形成的等效阻抗的大小；
[0092]
第一电容c1的一端连接第一电源vcc1，第一电容c1的另一端接地。
[0093]
一种举例中，运算放大器u1的第一输入端为正输入端，运算放大器u1的第二输入端为负输入端，另一种举例中，运算放大器u1的第一输入端为负输入端，运算放大器u1的第二输入端为正输入端，即运算放大器u1的两个输入端可以根据实际情况进行选择。
[0094]
其中的，运算放大器u1的输出端直接或间接连接上位机1，可例如，运算放大器u1输出的等离子体监测信号可直接作为异常监测信号，反馈至上位机1，上位机1根据接收到的异常检测信号判断当前异常类型；
[0095]
还可例如，运算放大器u1输出的等离子体监测信号经过滤波、放大等处理后，可得到异常监测信号，异常监测信号反馈至上位机1，上位机1根据接收到的异常检测信号判断当前异常类型；
[0096]
又可例如，运算放大器u1与上位机21之间通过蓝牙等无线传输线路进行信号传输。
[0097]
一种举例中，等离子体监测电路100未检测到异常时，激光切割头4和带切割板材6之间间隔的等效阻抗很小，此时，第一电阻r1连接激光切割头4和带切割板材6之间间隔的一端可视为直接接地；一种举例中，等离子体监测电路100检测到等离子体，激光切割头4和带切割板材6之间间隔的等效阻抗变大，等离子体监测电路100输出的等离子体监测信号也变大。具体的，等离子体监测电路100中，运算放大器可采集到等效阻抗对应的电压信号，该电压信号可理解为：将第一电源vcc1作用于等效阻抗及其他电阻(例如第一电阻r1、第二电阻r2)而形成的电压信号(例如第二电阻r2两端的电压信号)，随着等效阻抗的变大，该电压信号也变大，对应的，经等离子体采样单,(例如运算放大器u1)输出的等离子体监测信号也随之变大。
[0098]
在以上实施方式中，运算放大器u1用于监测两个输入端的电压(其匹配于等效阻抗)，实现了对等效阻抗的监测。
[0099]
请参考图2，一种实施方式中，等离子体采样单元2还包括第三电阻r3和第四电阻r4，
[0100]
第三电阻r3的一端连接第一电源vcc1，第三电阻r3的另一端连接运算放大器u1的
第二输入端；
[0101]
第四电阻r4的一端连接运算放大器u1的第二输入端，第四电阻r4的另一端连接运算放大器u1的输出端。
[0102]
请参考图3，一种实施方式中，等离子体采样单元2还包括第一二极管d1和第二二极管d2，
[0103]
第一二极管d1的正极连接运算放大器u1的第一输入端，第一二极管d1的负极连接运算放大器u1的第二输入端；
[0104]
第二二极管d2的正极连接运算放大器u1的第二输入端，第二二极管d2的负极连接运算放大器u1的第一输入端。
[0105]
其中，第一二极管d1和第二二极管d2用于对等离子体采样单元2的电路进行保护。
[0106]
请参考图4，一种实施方式中，等离子体监测电路100还包括信号放大单元3，信号放大单元3的输入端连接运算放大器u1的输出端，信号放大单元3的输出端直接或间接连接上位机1；
[0107]
信号放大单元3用于将等离子体监测信号放大后反馈至上位机1。
[0108]
其中的，信号放大单元3的输出端直接或间接连接上位机1，可例如，信号放大单元3输出的放大后的等离子体监测信号直接作为异常监测信号，反馈至上位机1，上位机1根据接收到的异常检测信号判断当前异常类型；
[0109]
还可例如，信号放大单元3输出的放大后的等离子体监测信号经过滤波、放大等预处理后，得到异常监测信号，异常监测信号反馈至上位机1，上位机1根据接收到的异常检测信号判断当前异常类型；
[0110]
又可例如，信号放大单元3与上位机21之间被配置为，可通过蓝牙等无线传输线路进行信号传输。
[0111]
信号放大单元3将接收到的等离子体监测信号进行放大，反馈到上位机1，便于上位机1对得到的异常监测信号进行分类处理，进而得到当前异常类型。
[0112]
请参考图5，一种实施方式中，信号放大单元3包括跟随器u2、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7和第二电容c2；
[0113]
跟随器u2的第一输入端连接运算放大器u1的输出端，跟随器u2的第二输出端连接跟随器u2的输出端，跟随器u2的供电端连接第二电源vcc2；
[0114]
第五电阻r5的第一端连接跟随器u2的第一输入端，第五电阻r5的第二端连接第六电阻r6的第一端；
[0115]
第六电阻r6的第二端接地；
[0116]
第七电阻r7的一端连接第六电阻r6的第一端，第七电阻r7的另一端接地；
[0117]
第二电容c2的一端连接第二电源vcc2，第二电容c2的另一端接地。
[0118]
其中的跟随器u2可例如电压跟随器，作为等离子体采样单元的隔离级或缓冲级。
[0119]
请参考图5，一种实施方式中，信号放大单元3还包括第八电阻r8，第八电阻r8的第一端连接运算放大器u1的输出端，第八电阻r8的第二端连接跟随器u2的第一输入端和第五电阻r5的第一端。
[0120]
请参考图6，激光切割设备101，包括激光切割头4、切割执行装置5、上位机1和前文所述的等离子体监测电路100，
[0121]
上位机1通过切割执行装置5连接激光切割头4，以通过切割执行装置5控制激光切割头4进行切割，运算放大器u1的输出端直接或间接连接上位机1，以将等离子体监测信号反馈至上位机1。
[0122]
其中的切割执行装置5作为上位机1与激光切割头4之间的连接装置，用于在上位机的控制下，产生和调整激光切割头4的工作参数，还可驱动激光切割头4的运动；
[0123]
切割执行装置5可例如激光器，用于在上位机1的控制下产生和调整激光的功率等工作参数，还可例如运动驱动器，此处的运动驱动器可以在上位机1的控制下驱动激光切割头4运动。
[0124]
请参考图7，一种实施方式中，激光切割设备101还包括距离监测电路7，距离监测电路7的输出端直接或间接连接上位机1，
[0125]
距离监测电路7用于监测激光切割头4与待切割板材6之间的距离，产生对应第一距离信号，并向上位机1反馈所述第一距离信号。
[0126]
一种举例中，距离监测电路7可对激光切割头22与待切割板材25之间距离进行监测，得到能表征出该距离的第一距离信号(即输出第一距离信号)，例如，在激光切割头22与待切割板材25之间可形成等效电容，通过对该电容值的监测，可得到表征电容值的电容值信号，其与激光切割头22与待切割板材25之间距离相匹配，进而，一种举例中，可以该电容值信号作为第一距离信号，进一步的，也可对该电容信号进行放大等处理，得到放大后的电容值信号作为第一距离信号，上位机1根据得到的距离信号，即可得到激光切割头4与待切割板材6之间对应的距离；进行激光切割时，若激光切割头4与待切割板材6之间产生等离子体或残渣飞溅，距离传感器会将等离子体或飞溅的残渣误认为待切割板材，上位机1得到的距离信号就会发生改变，进而对切割的效果产生不利影响。
[0127]
请参考图8，一种举例中，距离监测电路7包括距离信号采样单元71和信号放大单元72，信号放大单元72包括第九电阻r9和运算放大器u3；
[0128]
距离信号采样单元71用于监测激光切割头4与待切割板材6之间的距离，得到第一距离信号，并将第一距离信号传输到信号放大单元72进行信号放大，得到放大的第一距离信号，信号放大单元72将向上位机1反馈放大的第一距离信号(例如经预处理电路将第一距离信号预处理为第二距离信号后，反馈至上位机21)。
[0129]
运算放大器u3的第一输入端连接距离信号采样单元71的输出端，运算放大器u3的第二输入端连接地，第九电阻r9的一端连接运算放大器u3的第一输入端，第九电阻r9的另一端连接运算放大器u3的输出端，运算放大器u3的电源端连接第三电源vcc3。
[0130]
请参考图9，一种实施方式中，激光切割设备101还包括预处理电路8，预处理电路8的第一输入端直接或间接连接运算放大器u1的输出端，预处理电路8的第二输入端连接距离监测电路7的输出端，预处理电路8的输出端连接上位机1；
[0131]
预处理电路8用于接收等离子体监测信号和第一距离信号，将对应的异常监测信号和第二距离信号传输至上位机1。
[0132]
其中，预处理电路8可例如包括滤波电路，以对等离子体监测信号(或放大的等离子体监测信号)以及第一距离信号(或放大的第一距离信号)进行滤波处理，减少其他信号对信号的干扰，预处理电路8可例如包括信号放大电路，对等离子体监测信号(或放大的等离子体监测信号)以及第一距离信号(或放大的等离子体监测信号)进行进一步放大处理，
经预处理电路滤波和/或放大后，可得到异常监测信号与第二距离信号，将其反馈至上位机，便于上位机的识别。
[0133]
一种实施方式中，等离子体监测电路100设于第一电路板，距离监测电路7设于第二电路板，预处理电路8设于第三电路板。
[0134]
本实用新型的一具体实施例中提供的激光切割设备的具体工作过程如下：
[0135]
当切割过程中没有等离子体产生时，预处理电路8只能检测到距离信号，对距离信号进行处理后给上位机1，上位机1通过算法实现对切割工艺的预设，工艺实现对电机参数的控制，从而控制距离传感器，以达到预设的切割效果。
[0136]
当切割过程中产生等离子体信号时，异常监测信号表现强于距离信号，预处理电路8将异常监测信号以及第一距离信号全部送入上位机1，上位机1判断通过判断信号强度来完成对等离子体异常类型的检测，通过算法，重新控制电机及切割工艺，调整距离，实现最佳的切割效果；此外，对于非等离子的异常类型，由于切割产生的残渣飞溅等问题，等离子监测电路23对此类信号可以输出不同幅度的电压信号，同样可以对此类干扰进行检测。
[0137]
本实用新型的一具体实施例中提供的激光切割设备，具备等离子检测功能，主要包括等离子体监测电路100、距离监测电路7、预处理电路8、上位机1，预处理电路8分别对等离子体监测电路100输出信号、距离监测电路7输出信号进行检测处理；表现为当实际切割过程中产生等离子体或出现残渣飞溅时，吸纳或放大单元232输出电压增大，预处理单元233对电压信号进行处理，进一步调理距离传感器的信号，从而实验最佳的切割效果。
[0138]
本实用新型的一具体实施例中提供的激光切割设备，不受板材的薄厚程度、材料性质、材料腐蚀程度限制、只需要对应的上位机软件进行工艺调节即可针对不同板材进行高精度切割；对等离子体信号本身阈值无要求，只要等离体子产生，就会进行相应的动作，调整相关距离传感器，进行切割效果调整；等离子体检测信号功能同时兼备飞溅残差检测功能，不会产生误判。
[0139]
在本说明书的描述中，参考术语“一种实施方式”、“一种实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0140]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。