激光切割头防碰自检测系统

引言
 
激光作为先进的切割利器，与火焰切割、高压水切割和等离子切割相比，由于激光切割具有速度快、切缝小、柔性好、热影响区小、低噪声、低污染等特点，被广泛地应用在船舶制造、航天航空、机械制造、石油石化、医疗等领域，越来越受来人们的重视和发展。通常情况下，激光切割过程中喷嘴与工件表面的缝隙要保证在 1 ～2 mm 之间，从而得到合适的焦点和气流。但是加工过程中存在诸多不确定因素导致喷嘴与工件表面发生碰撞，如: 工件在运输过程中的碰撞，局部受热形变，生产过程中不规则形变等，造成工件表面凸凹不平。对于形变严重的工件，切割过程中喷嘴很有可能会与凸起表面发面碰撞，导致切割头的损伤或损坏。随着切割曲面复杂化程度增加以及曲面间的距离减小，切割头自身与曲面间的碰撞概率也增加。切割头作为激光切割机的重要组成部分，也是切割机中最昂贵部分之一。一旦切割头不能工作，整个切割系统都会陷入瘫痪状态，影响生产，造成重大经济损失。激光切割在各行各业中越来越广泛的应用，对切割头的保护也显得更为重要，尤其是在 3D 空间中对复杂曲面的切割时，切割参数如果设置出现偏差很容易会把切割头碰坏。此外，在一些曲面无法用切割机自动来切割而需要手动切割时，切割头碰撞的机率大大增加，毕竟手工操作水平有限，无法精准切割。因此，保护切割头使切割系统正常工作是很有必要的。国外已经开发出了带有碰撞检测多功能的切割头，并已经有成熟的产品在市场上销售，如 Precitec、Hypertherm 等公司的产品，其中以德国 Precitec 公司的 Lasermatic Z 系列切割头，可用于 CO2 － 2D 切割、CO2 － 3D 切割和 Nd: YAG － 3D 切割，而Nd: YAG － 3D 系列的 YR － 30 和 YK － 52 切割头最为知名。在这些成熟的产品中，主要是对激光喷嘴的保护，没有对切割头本身的保护，而且这些产品价格极其昂贵，普及受到限制。国内激光加工技术起步较晚，尚没有自主的产品在市场上出现，北京密云机床厂，上海光机所正在抓紧这方面的成套产品的研制。文中在已有带碰撞检测的切割头的基础上，通过对切割头的改善，设计一种基于非接触式电容传感器的切割头保护装置，同时考虑到激光切割头自身与曲面之间的碰撞问题，提出弹性基杆贴应变片的方法来保护激光头，该装置实用简单，成本低，能实时监测激光头及其喷嘴的碰撞状态。
 
1、喷嘴防碰撞设计

1. 1 喷嘴传感器选用
目前在市场上的切割头产品当中，大多数一般采用非接触式而不用接触式传感器来检测喷嘴与工件之间的距离，因为接触式传感器在切割复杂曲面时极易与工件表面发生碰撞，而且切割过程中产生的高温金属熔融物会损坏触头，影响其工作的灵敏性，甚至对传感器造成破坏。非接触式有电容式、电涡流式和光学式等类型，文中选用电容式的，因为它具有结构简单、测量精度高、动态响应速度快等优点而被广泛应用于位移、液位、震动等的测量。
1.2 喷嘴传感器
根据切割头部分形状特征的特殊需要，同时也为了提高电容传感器的电容量，即电容极板移动微小距离( 如 0. 2 mm) 时，电容量增加越多，其检测的准确度越高。我们把非接触式传感器安装在切割头下方，改变了通常下两边都是平板电极的情况平行金属极板之间产生的电容量与极板的面积 S 成正比，与极板之间的距离 x 成反比。当极板的距离由x0增加到 x0+ dx 后，电容的变化公式变为:C =εSx01dxx0dxx( )02…dxx( )0[ ]n( 2)由式( 1) 和式( 2) 得dC =εSx0dxx0dxx( )02…dxx0[ ( )]n( 3)由式( 3) 知，当 x0dx 时，式( 3) 中的高次项可以省略，只留下一次项，于是得ΔC = ± εSdxx20( 4)由式( 4) 可知，当极板间的距离发生微小和变时，电容量的变化ΔC 和距离的变化 dx 成正比，成线性关系。对于改进后的传感器如图 2( b) ，因为切割头是圆形，下平面的半径为 R1，与工件形成成的电容为 C1，其电容量的计算由式( 1) 得C1=επR21x( 5)对于侧面部分，与工件形成的电容为 C2，对式( 1) 进行积分后得C2= επ( R22－ R21) lnx + h( )x( 6)切割头下平面与侧面的的总电容量为:C = C1+ C2( 7)由式( 7) 知，电容量增加了 C2。在激光切割中，喷嘴与工件间隙很小，如果间隙中微小距离的变化引起电容量变化不能使后续变送电路识别( 一般电容量的变化最小值为 1pF 左右才能识别) ，那么起不到保护切割头的作用。其中，ε =8. 85 ×10－ 12，当 R1= 6 mm，R2= 10 mm，h= 2 mm 时，分别取 x = 0. 1 mm，0. 5 mm，1 mm，2 mm 时，分别计算得电容量 C1= 10pF，2pF，1pF，0. 5pF，C2= 5. 41pF，4. 61pF，1. 95pF，1. 23pF，由 式 ( 7 ) 得 C = 15. 41pF，6. 61pF，2. 95pF，1. 73pF，可见很好满足了电容传感器检测的要求。1. 3 变送电路已经把切割头缝隙距离变化为电容量的变化，但是电容量的输出还是难以被识别，因此要把电容量经变送电路再转化为电压，电压信号很容易配合数控计算机进行在线检监测和控制。其原理是: 当频率恒定的交流施加在传感器电容上，传感器产生的交流电压与电容电极之间的距离成正比。检测方法是用阻抗法，即正对面积不变的情况下，电容的阻抗 Xc与缝隙x 成正比。Xc=1jωC=xjωCS( 8)考虑到要检测的电容量很小，测量电路中杂散电容和分布电容的大小比 1pF 要大，用独立元件的电路来测量会有一定的难度，因此我们选用集成芯片 CAV414 来设计变送电路，
 
2 激光切割头自检测保护设计

2. 1 切割头保护系统原理
切割头保护系统由弹性基杆、应变片、惠斯登电桥电路、滤波放大电路、A/D 转换器，单片机 MCU 和计算机组成，电桥的输出电压经放大后，其放大电压由 A/D 转换器实时采集，并存储在单片机 MCU 中，最后由计算机与单片机通过 RS_232通讯，计算机根据单片机实时采集的数据信号来判断切割头的碰撞情况。当切割头发生碰撞时，弹性基杆上的应变片因形变而使电桥上电阻不平衡，输出端有电压输出，计算机接收到单片机采集的电压信号后，立该对切割头发送控制指令，让切割机停止工作或让切割头沿切割的反方向运动，完成对切割头的实时保护。
2. 2 应变片测量电桥电路
应变片电桥电路的主要作用是将微弱的弯曲应变信号转换为电压信号。当弹性基杆受弯时，弹性基杆上表面的应变片受拉，电阻发生改变，如图 5( b) ，那么电桥输出电压值为:U0= UR2( R3+ Rgl) － Rgl( R1+ R2)( R1+ R2) ( R3+ Rgl)( 9)式中 U 为电桥电源电压，又称供桥电压。由式( 9) 可知，令 R1= R2= R3= R，Rgl= R 时，电桥输出为0，这时电桥达到平衡状态。当切割机在正常工作的条件下调到平衡状态，U0= 0; 当切割发生碰撞时，Rgl＞ R + ΔR，则 U0= 0，令 Rgl= R + ΔR，R1= R2= R3= R，由式( 9) 可以计算得U0= U－ ΔR2( 2R + ΔR) 式( 10) 中“－ ”表示方向，由于 RΔR，所以式( 10) 又可以简化为:U0= UΔR4R( 11)P =U2R0( 12)由式( 11) 可见电桥的电源电压 U 越大，电桥的灵敏度也就越高。但是，由式( 12) 可见，在弹性基杆形变过程中 Rgl的电阻变化不会太大，对总的电桥电阻来说可以忽略不计。因此，当电源电压 U 越大，电桥的功耗就越大，同时也为了保护电阻，避免因长期电流过大而把电桥精密电阻烧断。所以应该选择合适的供电电压。
 
3、结束语
 
从以上实验结果分析可知，将图像处理和嵌入式用于橡胶胶片宽度的测量是切实可行的。在嵌入式技术快速发展的今天，将嵌入式应用于基于图像处理的非接触式测量，系统简单可靠，功能模块独立，易于修改和拓展，具有良好的应用前景。