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激光切割激光焦点问题

       激光切割利用聚焦后的高能量密度的激光作用于加工对象,激光和物体分子相互作用而使加工区的物体熔化。随着光速的移动,就在物体中产生切缝,从而达到切割的目的。由于激光焦点和加工对象的相对位置决定了作用于加工对象上激光光斑和功率密度的大小,因此,激光焦点和加工对象的相对位置就对加工质量起着至关重要的作用。怎样在激光切割加工过程中保持激光焦点和加工对象之间的相对位置为一合理而恒定的值,就成为上海激光切割机维修中的一项关键技术。
  研究激光切割焦点位置自动跟踪系统可以分两个方面来考虑:
  (1)怎样稳定、可靠而又方便地检测出激光焦点和加工对象之间的相对位置
  激光加工属于非接触加工,无法直接检测焦点位置,而焦点位置由聚焦镜和加工对象表面的距离决定。因此,常用的办法是检测聚焦镜和加工对象表面的距离,从而间接检测激光焦点和加工对象表面的相对位置。

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  常用的检测方法分接触式和非接触式两种:
  接触式传感器采用一机械传动装置和一些直线位移传感器(常用的为电感式传感器)组成,将聚焦镜和加工对象表面的相对位移转换成电压量供控制系统使用。
  非接触式传感器是在光头上装一个电容和电感涡流式传感器,利用光头上传感器的电容或电感的变化来检测聚焦镜和加工对象表面的相对距离。
  这两种检测方法是为了不同的使用场合而定的,电容式非接触式传感器主要是用于三维激光金属加工场合,因为这种场合不便于使用接触式传感器。其他场合则使用接触式传感器比较合适。
  但这两种传感器都是采用模拟信号进行检测处理的,而在激光切割过程中会在加工区产生电离作用,形成电磁干扰,对检测结果产生影响;同时,电感型LVDT传感器的响应频率低,影响控制系统的动态特性,这些都是当前迫切需要解决的问题。
  (2)在检测出激光焦点和加工对象的位置变化以后,怎样快速地补偿掉偏差即位置随动系统的设计问题
  通常的分离式焦点跟踪系统是利用单片机的最小系统控制步进电机实现的。由于单片机性能比较简单,难以实现较为复杂的控制策略,而普通步进电机的动态特性比较差,很难满足激光焦点跟踪的快速要求。
  为了克服上述缺点,本文介绍一种基于运动控制器的激光焦点自动跟踪系统,采用光码盘作为位移传感器,利用运动控制器的主从跟踪(电子齿轮)功能实现焦点位置误差的快速补偿。

  点动子程序主要用于调试工作和初始焦点位置对准。由于不同厚度的钢板,激光焦点距加工对象表面的距离要求不同,所以每次加工一个新的材料之前,要手动调好焦距,然后通过设定功能记下传感器的位置,作为焦点位置跟踪的参考点。

  在加工过程中,数控系统根据数控程序的不同的M代码经I/O口控制焦点位置控制装置完成跟踪、保持和注销功能。考虑到加工过程可能要通过已切掉的部分,此时要关掉焦点位置跟踪功能,以避免激光切割光头掉进切割形成的洞中而损坏。另外,考虑到加工对象表面的变化,在关掉跟踪功能的同时要抬起光头一段距离,在打开焦点位置自动跟踪功能时再自动对准焦点。  由于光码盘为数字化位移传感器,故其检测的稳定性要高于电感式LVDT位移传感器;PARKER500运动控制器对光码盘的采样频率非常高,所以,采用光码盘传感器和PARKER500运动控制器结合检测,可以大大提高系统的响应速度;PARKER运动控制器有效的位置控制算法可以保证主从跟踪误差在几个丝之内,完全能满足激光切割对焦点位置精度的要求。


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