一种激光切割头工作距离监控系统及方法与流程

1.本发明属于激光切割机领域，具体涉及一种激光切割头工作距离监控系统及方法。


背景技术：

2.在使用激光切割板材的过程中，为了控制切割工艺，确保切割质量，需要控制激光焦点与待加工板材表面的距离，常规上一般通过控制切割头最低点与板材的距离来间接实现。由于该距离是影响切割质量最主要的因素之一，故在切割过程中实现对该距离的精准实时控制就成为激光切割最核心的技术之一。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种激光切割头工作距离监控系统及方法，其可以快速检测激光切割头工作距离，实时性好，精度高，从而更好地控制激光切割质量。
4.本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种激光切割头工作距离监控系统，包括中控模块、信号处理模块、信号调理模块以及用于将激光切割头与待加工板材间的距离转化为可变电容值的电容传感器，所述信号调理模块用于将电容传感器的电容值转化为方波信号，所述信号处理模块用于采样方波的周期值，对采样的方波周期值进行滤波后，得到与距离对应的有效周期值，所述中控模块接收当前有效周期值，并根据标定得到的距离-周期曲线，得到当前距离值。
5.进一步地，本发明的激光切割头工作距离监控系统还包括信号转换模块，所述电容传感器与信号转换模块的输入端连接，信号转换模块的输出端与信号调理模块的输入端连接，所述信号转换模块用于对电容传感器的电容值进行采样和放大。
6.进一步地，信号调理模块用于将电容传感器的电容值转化为已知占空比的方波信号；信号处理模块用于计数方波高电平的上升和下降沿之间的时间，并结合已知占空比，计算出方波的周期值。
7.进一步地，本发明的激光切割头工作距离监控系统还包括da转换电路，所述da转换电路与中控模块的输出端连接，所述da转换电路用于将中控模块得到的数字量转化为电压模拟量向外输出。
8.进一步地，本发明的激光切割头工作距离监控系统还包括i/o输入输出电路，所述i/o输入输出电路与中控模块电连接，所述i/o输入输出电路用于负责中控模块与plc通信。
9.进一步地，还包括操作面板，所述操作面板与中控模块电连接，用于负责人机交互。
10.进一步地，所述信号处理模块、中控模块采用同一处理器，通过处理器的i/o中断对信号调理模块产生的方波进行采样，采样方波的周期值，并经过滤波后得到有效周期值。
11.进一步地，所述电容传感器设置在切割头底部，所述电容传感器包括金属内壳、金
属外壳，所述金属内壳位于金属外壳内，金属内壳与金属外壳之间设有间距，并彼此绝缘，所述金属内壳与金属外壳之间固定有绝缘层；金属内壳的底部设有金属喷嘴，喷嘴与金属内壳连接，使喷嘴的通孔与金属内壳的通孔连通；
12.喷嘴与金属内壳连接后形成极板a，将待加工板材作为极板bx，使待加工板材与喷嘴之间形成电容cx；待加工板材接地；
13.将金属外壳作为极板b0,使金属内壳与金属外壳之间形成电容c0；金属外壳接地；当待加工板材、金属外壳均接地时，电容c的对地电容值c＝c0+cx，其中，c0为电容c的固定部分，cx为电容c的可变部分，cx随d变化而变化，从而使得电容c在一定范围内变化，d为喷嘴的最下端与待加工板材的上表面之间的间距。
14.本发明公开了一种激光切割头工作距离监控方法，包括如下步骤：
15.通过切割头底部设置的电容传感器将激光切割头与待加工板材间的距离转化为可变电容值的电容传感器；
16.将电容传感器的电容值转化为方波信号，采样方波的周期值，对采样的方波周期值进行滤波后，得到与距离对应的有效周期值；
17.进行距离标定，得到距离-周期曲线；
18.在加工过程中，不断采样当前周期值，并根据标定得到的距离-周期曲线，实时得到当前距离值。
19.进一步地，进行距离标定，得到距离-周期曲线，具体包括:采样已知距离的若干样本点所对应的周期值，根据这些样本点对应的周期值拟合得到距离-周期曲线；
20.采样标定起始点所对应的周期值时，检测周期值变化以及周期值变化值的变化，当周期值变化以及周期值变化值的变化同时满足各自条件时，就认为切割头触碰到板材，此时的周期值为标定起始点所对应的周期值。
21.进一步地，将系统配置为距离模式或速度模式，将系统配置为距离模式时，系统将得到的当前距离值转化为模拟电压值，通过da转换模块，传入cnc，由cnc负责调整距离；
22.将系统配置为速度模式时，系统将设定距离与当前距离的差值作为输入，通过控制算法，得到代表电机转速的模拟电压值，并通过da转换模块直接传入伺服模块，实时控制电机转速，从而保证当前距离与设定距离一致。
23.本发明至少具有如下有益效果：本发明通过切割头本体的底部设有的传感器将激光切割头与待加工板材间的距离转化为易测量的可变电容值，再通过信号处理模块将电容值转化为一定频率的方波信号，所述信号处理模块用于采样方波的周期值，对采样的方波周期值进行滤波后，得到与距离对应的有效周期值，并根据标定得到的距离-周期曲线，得到当前距离值。本发明通过信号处理模块将电容值转化为一定频率的方波信号的目的是便于后续电路精准采样周期值，采用周期值滤波，因为干扰周期值一般相对很小，故可以采用很简单的滤波算法得到有效周期值，提高滤波效率。且采用周期值，如果干扰较少的时候，只需要很少的周期(根据标定参数设置)就可以得到有效周期值，采样速度较快。
24.本发明直接获得方波周期值，只需要计数单个方波的上升和下降沿之间的时间，频率越快，算得越快，从而使得信号处理过程的时长能实时跟随信号频率变快(慢)而变快(慢)。与需要预先固定采样周期从而得到频率值的常用方法相比，大幅提高了信号处理过程的实时性。
25.本发明将当前距离值作为距离控制系统的输入，从而能够实现对z轴(切割头所在轴)的运动控制，可以实时控制激光切割头的切割高度或工作距离(即切割头最低点与板材的距离)，从而更好地控制激光切割质量。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
27.图1为本发明实施例提供的激光切割头工作距离监控系统的系统框图；
28.图2为本发明实施例提供的监控盒的架构图；
29.图3为本发明实施例提供的激光切割头的底部结构示意图；
30.图4为本发明实施例提供的电容值c与距离d的关系曲线示意图。
31.附图中，1为金属内壳，2为金属外壳，3为喷嘴，4为绝缘层，5为电路接线，6为待加工板材。
具体实施方式
32.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它实施例，都属于本发明保护的范围。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“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发明和简化描述，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发明的限制。
34.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。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；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。
35.实施例一
36.参加图1和图2，本发明实施例公开了一种激光切割头工作距离监控系统，包括监控盒以及用于将激光切割头与待加工板材间的距离转化为可变电容值的电容传感器，所述监控盒包括中控模块、信号处理模块、信号调理模块，所述信号调理模块用于将电容传感器的电容值转化为方波信号，所述信号处理模块用于采样方波的周期值，对采样的方波周期值进行滤波后，得到与距离对应的有效周期值，所述中控模块接收当前有效周期值，并根据标定得到的距离-周期曲线，得到当前距离值。
37.进一步地，信号调理模块用于将电容传感器的电容值转化为已知占空比的方波信号；信号处理模块用于计数方波高电平的上升和下降沿之间的时间，并结合已知占空比，计算出方波的周期值。
38.进一步地，所述电容传感器与信号转换模块的输入端连接，信号转换模块的输出端与信号调理模块的输入端连接，所述信号转换模块用于对电容传感器的电容值进行采样和放大。
39.进一步地，所述信号处理模块、中控模块采用同一处理器，通过处理器完成采样、滤波、高度标定、plc交互、实时高度/速度输出以及操作面板交互。本发明的处理器可以为dsp、mcu、fpga等等。本发明通过处理器(如dsp)的i/o中断对信号调理模块产生的方波进行采样，采样方波的周期值，并经过滤波后得到有效周期值。本发明在处理器(如dsp)内设置滤波算法对采样的周期进行滤波。本发明采用现有的滤波算法即可。本发明的处理器通过计数方波的上升和下降沿之间的时间获得方波的周期值。
40.进一步地，本发明的监控盒还包括da转换电路，所述da转换电路与处理器(如dsp)的输出端连接，所述da转换电路用于将处理器(如dsp)输出的数字量转化为电压模拟量向外输出。
41.进一步地，本发明的监控盒还包括i/o输入输出电路，所述i/o输入输出电路与处理器(如dsp)电连接，i/o输入输出电路负责与操作面板及plc通信，完成参数设置及工艺流程。
42.进一步地，本发明的监控盒还包括操作面板，所述操作面板与处理器(如dsp)电连接，用于负责人机交互。
43.当然，处理器(如dsp)负责完成距离标定。标定功能主要目的在于校正由于传感器差异、板材特性差异等实际情况造成的偏差。传感器的电容值由于喷嘴形状、材料和制造差异并不完全相同。其主要方法为：基于当前传感器和待加工板材6，采样已知距离的若干点所对应的周期，根据这些样本点对应的数据拟合出基于当前这个传感器的距离-周期曲线，从而使得使用该传感器加工该板材时，能够足够精准地控制切割距离。在实际加工中，距离标定算法的好坏对加工效率影响很大，好的标定算法既能减少所需最小样本点数，减少标定时间，又能广泛兼容各个喷嘴和各种板材，减少标定次数。
44.标定效率需要控制标定时间，而标定时间与标定点的数量有关，本发明的距离(高度)标定算法，最多只需采样16个样本点，就可进行精准标定，20mm标定过程在10秒内完成，精度小于等于0.1mm。
45.标定准确性由三部分组成：
46.1.起始点位置确定。理论上可将距离板材为0的点作为原点，从而得出距离值。故在实际标定中，将标定起始点设定为板材上表面，因此需要在未标定之前确定板材在机床坐标系中的高度，本发明通过检测切割头触碰板材上表面来标定该起始点。该起点由控制切割头沿z轴向下运动直至触碰板材上表面而停止来确定，由于切割头从下降到停止时有惯性，如果停晚了会压迫板材造成板材变形，而如果停早了则没有达到板材上表面，都会形成误差。故在检测切割头触碰板材时采用了碰板加速度检测，即既检测周期值变化，又同时检测周期值的变化值的变化，从而更及时地检测到碰板，防止下压板材造成形变，引起起始点误差，而以以碰板为前提，也能避免由未接触板材所引起的误差。
47.确定起始点位置时，检测周期值变化以及周期值变化值的变化，当周期值变化以及周期值变化值的变化同时满足各自条件时，就认为切割头触碰到板材。
48.2.根据待标定的距离范围，结合已有实验数据，分布16个标定点的位置。当触碰板
材后，切割头停止运动，并将此时的z轴坐标作为标定起点，并以该起点为原点，沿z轴依次运动给定距离，到达剩余各标定点。
49.3.兼容性。由于不同喷嘴头的电容值有差异，故预设不同的参考曲线，标定过程中可根据各标定点的周期值，自动选择对应的参考曲线，辅助实际曲线拟合。参考曲线通过前期实验得到，参考曲线预置在dsp里的，供标定拟合时参考，最终要通过标定点拟合出采用当前喷嘴所形成的电容所对应的电容-距离实际曲线，并在实际加工中使用。如果换了一个物理特性相差很大的喷嘴或者板材，造成电容变化较大，就可能需要再标定一次。
50.当然本发明标定拟合实际曲线时也可以不参考预设的参考曲线，直接得到拟合曲线，比如两点标定就直接用标定点拟合直线。
51.dsp的plc交互模块主要负责与plc进行交互完成整个加工流程，并可通过交互完成标定/监控等模式切换，手动、2点及16点标定等过程，并对切割头撞板、传感器故障等进行报警。
52.根据不同需求，可通过操作面板将监控盒配置为距离(高度)模式或速度模式，配置标定参数，报警参数等，实时响应时间小于1ms。
53.配置为距离(高度)模式时，监控盒输出0-10v范围内的模拟电压，该电压值与切割头底部距离板材的当前距离对应。该模式直接将采样的周期通过标定得到的拟合曲线与距离对应，并将距离值按与cnc的约定转化为对应电压值。
54.配置为速度模式时，监控盒输出0-10v模拟电压控制伺服电机的转速，使得切割头始终保持在设定距离。该模式将设定距离通过标定得到的拟合曲线对应到设定周期值，在实时速度控制中，通过采样当前周期值与设定周期值的偏差等参数，基于pid等控制算法得到当前电机转速，并转化为相应电压值传给伺服驱动器。
55.dsp的操作面板交互模块主要负责人机交互，主要完成模式设定，标定模式选择，重置拟合曲线，重置报警信息，手动标定点设定，快速模式设定，滤波参数设定等配置功能，同时可以显示当前距离(高度)、拟合曲线特征等相关调试信息。
56.距离计算的原理是通过电容传感器将激光切割头与待加工板材6间的距离转化为易测量的可变电容值，再通过信号调理电路将电容值转化为一定频率的方波信号，再通过采样、滤波模块对方波信号进行采样、滤波，从而得到电容值与方波信号(周期值)之间的数学关系，再通过标定过程，将电容值与距离值对应，从而得出距离值与方波信号(周期值)间的数学关系，从而可以得到当前距离值。
57.将当前距离值作为距离控制系统的输入，从而能够实现对z轴(切割头所在轴)的运动控制。根据现场实际情况，主要有两种控制方式，第一，输出距离值，将当前距离值转化为模拟电压值，传入cnc，由cnc负责调整距离。第二，输出转速值，将设定距离与当前距离的差值作为输入，通过控制算法，输出代表电机转速的模拟电压值，从而通过控制电机转速保证当前距离与设定距离一致。
58.参见图3，所述电容传感器设置在切割头底部，所述电容传感器包括金属内壳1、金属外壳2，所述金属内壳1位于金属外壳2内，金属内壳1与金属外壳2之间设有间距，并彼此绝缘，所述金属内壳1与金属外壳2之间固定有绝缘层4，金属内壳1的底部设有金属喷嘴3，喷嘴3与金属内壳1连接，使喷嘴3的通孔与金属内壳1的通孔连通。
59.进一步地，所述喷嘴3位于绝缘层4的下端。喷嘴安装在切割头的最底端，喷嘴金属
与切割头的金属内壳1相接、导通。
60.进一步地，所述绝缘层4为陶瓷绝缘层4。
61.进一步地，所述绝缘层4呈筒状；所述金属内壳1、金属外壳2呈筒状。
62.进一步地，所述金属内壳1下端的通孔孔径从上到下依次减小，形成锥形通孔；所述喷嘴3为设有通孔的块状结构；所述喷嘴3的下端面为平面。
63.作为优选实施例，绝缘层4为圆锥筒状。金属内壳1、金属外壳2均设有圆筒段和圆锥筒段，金属内壳1、金属外壳2的圆锥筒段位于圆筒段下端。陶瓷绝缘层4位于金属内壳1、金属外壳2的圆锥筒段之间。
64.进一步地，所述喷嘴3与金属内壳1连接后形成电容c的一个极板a；电容c的另一个极板b至少包括待加工板材6，将待加工板材6(金属板材)作为极板bx，使待加工板材6与喷嘴3之间形成电容cx。待加工板材6(金属板材)接地；所述极板a通过电路接线5引出激光切割头，用于与信号转换模块的输入端电连接。
65.进一步地，电容c的另一个极板b还包括金属外壳2，将金属外壳2作为极板b0,使金属内壳1与金属外壳2之间形成电容c0；金属外壳2接地；当待加工板材6、金属外壳2均接地时，电容c的对地电容值c＝c0+cx，其中，c0为电容c容值的固定部分，cx为电容c容值的可变部分，cx随d变化而变化，从而使得电容c在一定范围内变化，d为喷嘴3的最下端与待加工板材6的上表面之间的间距。
66.本实施例的电容值主要来自切割头底部的电容传感器。位于切割头最底部的喷嘴3与金属内壳1相连，形成电容的一个极板a，而待加工板材6与金属外壳2均接地，形成电容的另一个极板b，电位为大地，b由bx和b0两部分组成。故对地电容值c也对应由c0和cx两部分组成，如下式：c＝c0+cx；其中c0为固定电容值，而cx为随d变化的可变电容值，d为喷嘴3的最下端与待加工板材6的上表面之间的间距。极板a通过切割头底部的电路接线5端子连接到信号转换模块，则可以测量该电容值c，根据理论计算，电容值c与距离d的关系曲线如图4所示。采用上述结构的电容传感器，便于控制整体电容值的变化范围。采用金属可以起到保护作用，以免激光加工过程损坏切割头。
67.金属内层(金属内壳)输出信号，金属外层(金属外壳)接地。待加工板材、金属外壳理论上要接地，这样能保证极板电位稳定。但实际使用时，如果加工环境良好，加工板材可以不接地，金属外壳要接地，作为传感器的输出地。
68.本实施例的电容传感器不仅仅限于上述结构的电容传感器，还可以是现有的其他结构的电容传感器。
69.实施例二
70.本发明实施例公开了一种激光切割头工作距离监控方法，包括如下步骤：
71.通过切割头底部设置的电容传感器将激光切割头与待加工板材间的距离转化为可变电容值的电容传感器；
72.将电容传感器的电容值转化为方波信号，采样方波的周期值，对采样的方波周期值进行滤波后，得到与距离对应的有效周期值；
73.进行距离标定，得到距离-周期曲线；
74.在加工过程中，不断采样当前周期值，根据标定得到的距离-周期曲线，实时、精准地得到符合加工要求的当前距离值。
75.进一步地，进行距离标定，得到距离-周期曲线，具体包括:采样已知距离的若干样本点所对应的周期值，根据这些样本点对应的周期值拟合得到距离-周期曲线。根据这些样本点对应的周期值拟合得到距离-周期曲线时可以参考预设的参考曲线，也可以不参考预设的参考曲线。
76.采样标定起始点所对应的周期值时，检测周期值变化以及周期值变化值的变化，当周期值变化以及周期值变化值的变化同时满足各自条件(各自条件根据实验确定，具体是通过实验连续采样碰板过程中周期值的变化过程，结合理论曲线分析数据特点，得出各自条件)时，就认为切割头触碰到板材，此时的周期值为标定起始点所对应的周期值。
77.进一步地，将系统配置为距离模式或速度模式，将系统配置为距离模式时，系统将得到的当前距离值转化为模拟电压值，传入cnc，由cnc负责调整距离；
78.将系统配置为速度模式时，系统将设定距离与当前距离的差值作为输入，通过控制算法，输出代表电机转速的模拟电压值，通过控制电机转速保证当前距离与设定距离一致。
79.本发明是将电容值转化为对应周期的方波，便于后续电路精准采样周期值，并通过dsp采样方波的周期值，对采样的方波周期经过滤波后，直接用周期值进行计算。本发明采用周期值滤波，因为干扰周期值一般相对很小，故可以采用很简单的滤波算法得到精准周期值，提高滤波速度。本发明采用周期值，如果干扰较少的时候，只需要很少的周期(根据标定参数设置)就可以得到有效周期值，而获得一个频率值一般都要采样好几个周期，然后再滤波，这样总共下来的周期数就相对多了，采样速度就慢。
80.本发明采样和滤波部分的主要特点就是将电容值转换为对应周期的方波，直接采样方波周期值，进行信号处理，就能快速得到精准的有效信号。
81.标定过程的关键点主要在于精度、速度和兼容性，既需要确保标定精度，又需要提高标定速度，同时还能在长期切割工作中减少标定次数。
82.申请人也考虑过采样方波的频率、滤波得到有效频率，然后根据距离-频率对应曲线得到距离值，但是得到有效频率的时间较长，导致电容值转化为距离值的实时性降低，从而在实时距离采样和控制时降低了准确性。当然，也会引起标定起点误差，导致标定准确性降低。
83.一般对振荡信号的频率进行采样是采用固定一个采样周期，比如1ms，然后数里面有多少个周期，比如10个周期，然后计算出频率为10khz，如果再采用滤波算法，假设一共采样10个ms，得到10个频率值来进行滤波，这样得到有效频率值的时间就要大于10个ms。
84.而申请人研究发现如果采样同样频率的振荡方波信号，假设频率也是10khz，且占空比已知，如果用单个方波的上升沿作为计数开始，下降沿作为结束，假设采用同样的滤波算法，那么只需要采样10个方波信号，整个过程在1ms左右，就能够得到与距离对应的有效周期值。
85.这样粗算下来，通过本发明采样有效周期值的方案得到对应的距离，就会比采用频率的方法快10倍左右，也不失精准，更有效率。
86.而且因为频率或者周期是可变的，如果采用固定一个采样周期长度来采样频率，就需要兼顾最小频率来固定采样周期长度，这样就会把采样周期长度定的相对长，那么用这个采样周期采样高频时，灵敏度就低了。就算能实时改变采样周期长度，也增加了算法的
复杂度，增加时间。
87.而本发明直接获得方波周期值，就不存在上述问题，只需要计数方波的上升和下降沿之间的时间，频率越快，算得越快，从而使得信号处理过程的时长能实时跟随信号频率变快(慢)而变快(慢)。与需要预先固定采样周期从而得到频率值的常用方法相比，大幅提高了信号处理过程的实时性。
88.因为采用本发明的方案采样周期值的时间较短，标定时起始点的位置更容易准确获得，更容易确保标定精度。
89.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。