專(zhuān)利名稱(chēng)：具有多點(diǎn)測(cè)量功能的激光切割頭位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激 光三維切割中激光焦點(diǎn)位置檢測(cè)及檢測(cè)被加工材料曲面法矢量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種具有多點(diǎn)測(cè)量功能的測(cè)量方法及具有多點(diǎn)測(cè)量功能的激光切割頭位移傳感器，能夠迅速對(duì)激光頭進(jìn)行自動(dòng)垂直定位及對(duì)激光頭與工件位置距離檢測(cè)。
背景技術(shù)：
在激光切割過(guò)程中，為了保證切割質(zhì)量，需要使切口處的功率密度最大，這要求切割頭的噴嘴與被加工表面有一定間隙，而且要保證間隙恒定。激光束聚焦點(diǎn)與工件間的相對(duì)位置，即離焦量，是激光切割一個(gè)重要的工藝參數(shù)，在切割過(guò)程中，必須使其始終保持恒定，以達(dá)到控制切口形狀和提高切割質(zhì)量的目的。由于工件表面的起伏不平和彎曲，機(jī)床工作臺(tái)的不平整，以及切割過(guò)程中工件輕度的熱變形，兩者之間的間距經(jīng)常發(fā)生變化。為了使離焦量在切割過(guò)程中始終保持恒定，就必須給激光頭配備自動(dòng)聚焦跟蹤裝置，以使激光頭能隨工件表面的起伏自動(dòng)調(diào)整激光束的聚焦位置。另外，三維激光切割工藝要求激光束在切割過(guò)程中時(shí)刻與被加工表面垂直，這樣才能夠保證加工的質(zhì)量和效率，這就要求在激光切割工件前先進(jìn)行數(shù)控編程模擬切割過(guò)程。目前激光三維切割中激光切割頭的跟隨控制系統(tǒng)采用的檢測(cè)傳感器分為接觸式的和非接觸式的。接觸式的主要是電感式的，這種方式檢測(cè)效率低，使用環(huán)境受到傳感器的限制，因此目前主要采用非接觸式的電容式傳感器。電容式的傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、分辨率高、響應(yīng)速度快、發(fā)熱小等優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合于激光切割中激光頭與工件位置距離的檢測(cè)。傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用中的電容傳感器通常只有一塊感應(yīng)極板，為提高檢測(cè)精度只能通過(guò)多次采樣和數(shù)據(jù)平均的辦法，這樣將極大的降低加工效率。目前三維切割的主要編程形式還是示教編程，示教時(shí)必須使激光束垂直于示教點(diǎn)處的工件表面，同時(shí)獲取示教點(diǎn)處表面的法向矢量的信息，傳統(tǒng)的示教方法，一種是憑借操作者的視覺(jué)來(lái)調(diào)整，然后進(jìn)行數(shù)控編程，這種方法誤差大；另一種方法是激光頭在人為的操作下，運(yùn)動(dòng)到示教點(diǎn)，使噴嘴中心正對(duì)示教點(diǎn)，在示教點(diǎn)的附近逐點(diǎn)測(cè)量出多個(gè)均勻分布點(diǎn)與噴嘴的距離值，這樣就可以確定出這幾個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，從而確定被加工曲面的法向矢量， 這兩種方法的效率都非常低，嚴(yán)重的影響了激光切割的質(zhì)量和效率。因此有效地解決三維激光切割中切割頭與被加工工件表面法矢量方向一致的問(wèn)題，對(duì)擴(kuò)大激光切割的應(yīng)用范圍，提高生產(chǎn)效率等都有著現(xiàn)實(shí)的意義。基于激光頭與工件的距離及激光頭與被加工表面的垂直度這兩個(gè)問(wèn)題，申請(qǐng)人設(shè)計(jì)出一套傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)激光頭與工件的距離檢測(cè)以及激光頭姿態(tài)位置的測(cè)量，而且能大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、提高激光切割質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明方案采用新的多通道并行傳感技術(shù)，能夠提高焦點(diǎn)位置控制系統(tǒng)的定位精度，同時(shí)還能有效地解決三維激光切割中切割頭與被加工工件表面法矢量方向一致的問(wèn)題。所采用的傳感方式是多電容式傳感方式，包括多電容傳感器極板以及傳感器安裝架，其核心主要包括兩個(gè)方面，一是把感應(yīng)極板結(jié)構(gòu)對(duì)等分成多個(gè)單元以形成多個(gè)傳感通道并行工作；二是在信號(hào)檢測(cè)電路中設(shè)置多個(gè)信號(hào)檢測(cè)通道。本發(fā)明的技術(shù)方案一種具有多點(diǎn)測(cè)量功能的激光切割頭位移傳感器，其特征在于包括傳感線連接頭、聯(lián)接座、分瓣式金屬連接套、固定絕緣套、固定屏蔽罩、活動(dòng)屏蔽罩、 激光切割頭噴嘴，聯(lián)接座用于與傳感器上面的部件相連，傳感線連接頭設(shè)置在聯(lián)接座側(cè)面， 用于將傳感器的信號(hào)傳送給控制系統(tǒng)，分瓣式金屬連接套在聯(lián)接座內(nèi)，起導(dǎo)線作用，在連接套與聯(lián)接座之間設(shè)有固定絕緣套，在連接套外部且固定絕緣套下方設(shè)有活動(dòng)絕緣套，活動(dòng)絕緣套通過(guò)螺紋與金屬連接套相連，固定屏蔽罩和活動(dòng)屏蔽罩通過(guò)螺紋與活動(dòng)絕緣套相連，噴嘴是分瓣式的，通過(guò)螺釘與相應(yīng)連接套連接在一起，感應(yīng)極板由絕緣陶瓷層分隔成多個(gè)獨(dú)立的傳感單元根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式，感應(yīng)極板被分隔成四個(gè)傳感單元。根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式，利用防松螺母固定所述屏蔽罩與絕緣套。根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式，分瓣式噴嘴與工件的間距為0. 5_3mm。本發(fā)明提出的具有多點(diǎn)測(cè)量功能的激光切割頭位移傳感器具有以下特點(diǎn)(1)在激光切割頭前端集成環(huán)形感應(yīng)極板使其與被加工材料表面形成電容傳感器，感應(yīng)極板分為4部分，各個(gè)部分之間由絕緣陶瓷分開(kāi)。(2)傳感器具有多點(diǎn)測(cè)量功能，可以提高切割頭與工件間距的檢測(cè)精度；(3)激光切割頭能夠快速確定被加工表面的法矢量，簡(jiǎn)化示教過(guò)程，能夠較為容易的實(shí)現(xiàn)對(duì)激光頭姿態(tài)的調(diào)整；


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步說(shuō)明圖1為多電容式傳感器電場(chǎng)線的空間分布，圖2為多電容式傳感器等效連接圖，圖3為多電容傳感器激光頭二維剖面圖，圖4為分瓣式噴嘴與感應(yīng)極板二維剖面圖，圖5為多電容傳感器A向的剖視圖。其中1_傳感線連接頭，2-聯(lián)接座，3-金屬連接套，4-固定絕緣套，5-防松螺母， 6-活動(dòng)絕緣套，7-固定屏蔽罩，8-活動(dòng)屏蔽罩，9-內(nèi)六角螺釘，10-激光切割頭噴嘴，11-感應(yīng)極板，12、13、14、16-傳感單元，15-絕緣陶瓷層。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的激光切割頭位移傳感器的結(jié)構(gòu)主要包括傳感線連接頭1、聯(lián)接座2、分瓣式金屬連接套3、固定絕緣套4、固定屏蔽罩7、活動(dòng)屏蔽罩8、激光切割頭噴嘴10等，其中分瓣式噴嘴10與感應(yīng)極板11是本發(fā)明的主要設(shè)計(jì)部分。聯(lián)接座2用于與傳感器上面的部件相連，傳感線連接頭1設(shè)置在聯(lián)接座2側(cè)面，用于將傳感器的信號(hào)傳送給控制系統(tǒng)，分瓣式金屬連接套3在聯(lián)接座2內(nèi)，起導(dǎo)線作用，因?yàn)槿绻捎靡€的方式，可能會(huì)導(dǎo)致引線挪動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。為了使連接套3與其他部件絕緣，在連接套3與聯(lián)接座2之間設(shè)有固定絕緣套4，在連接套3外部且固定絕緣套4下方設(shè)有活動(dòng)絕緣套6，活動(dòng)絕緣套6通過(guò)螺紋與金屬連接套3相連。在空間曲面的激光切割時(shí)，電容傳感器的邊緣效應(yīng)影響較大，給傳感器檢測(cè)帶來(lái)誤差。因此，在電容傳感器(即噴嘴)的側(cè)表面裝有屏蔽罩，用來(lái)減小邊緣效應(yīng)的影響， 提高傳感器的抗干擾能力。屏蔽罩包括活動(dòng)屏蔽罩8和固定屏蔽罩7，都是通過(guò)螺紋與活動(dòng)絕緣套6相連。激光切割頭噴嘴10的形式是分瓣式的，就是將一個(gè)完整的噴嘴切割成幾部分，通過(guò)內(nèi)六角螺釘9與相應(yīng)連接套3連接在一起。防松螺母5用來(lái)固定屏蔽罩與絕緣套。 感應(yīng)極板11與工件形成電容傳感器且由絕緣陶瓷層15分隔為四個(gè)獨(dú)立的傳感單元12，13， 14，16。圖3中的分瓣式噴嘴10分為4個(gè)部分，感應(yīng)極板11由圖5中的12、13、14、16組成，中間由絕緣陶瓷層15分開(kāi)，以起到相互獨(dú)立的作用，使其與被加工表面形成4個(gè)獨(dú)立的電容傳感器。分瓣式噴嘴10與噴嘴連接套采用內(nèi)六角螺釘9連接成一體，具有通用性，當(dāng)某瓣噴嘴在加工中損壞時(shí)，便于噴嘴的拆卸。所述的四個(gè)相互獨(dú)立的傳感單元之間由絕緣陶瓷填充，它們彼此相互獨(dú)立，形狀上相同，尺寸上相等，結(jié)構(gòu)上對(duì)稱(chēng)，電位上相等，電氣上相互絕緣。其可以使環(huán)形傳感器的四個(gè)傳感單元相互獨(dú)立，各個(gè)傳感單元檢測(cè)到的信號(hào)通過(guò)獨(dú)立的檢測(cè)通道傳送到檢測(cè)系統(tǒng)并對(duì)檢測(cè)信號(hào)計(jì)算得到標(biāo)定極板間距的變化量。需要說(shuō)明的是，感應(yīng)極板被分隔的數(shù)量不局限于四個(gè)，也可 以根據(jù)需要設(shè)定其他數(shù)目。所述的分瓣式噴嘴10與工件間隙一般在0. 8_3mm左右，在進(jìn)行三維切割時(shí)，為了防止噴嘴與工件相撞，感應(yīng)極板11的外環(huán)直徑不能太大。本發(fā)明設(shè)計(jì)的分瓣式噴嘴10與工件的間距可以達(dá)到0. 5-3mm的距離。
權(quán)利要求
1.一種具有多點(diǎn)測(cè)量功能的激光切割頭位移傳感器，其特征在于包括傳感線連接頭(1)、聯(lián)接座(2)、分瓣式金屬連接套(3)、固定絕緣套(4)、固定屏蔽罩(7)、活動(dòng)屏蔽罩(8)、 激光切割頭噴嘴(10)，聯(lián)接座(2)用于與傳感器上面的部件相連，傳感線連接頭(1)設(shè)置在聯(lián)接座(2)側(cè)面，用于將傳感器的信號(hào)傳送給控制系統(tǒng)，分瓣式金屬連接套(3)在聯(lián)接座 (2)內(nèi)，起導(dǎo)線作用，在連接套(3)與聯(lián)接座(2)之間設(shè)有固定絕緣套(4)，在連接套(3)外部且固定絕緣套(4)下方設(shè)有活動(dòng)絕緣套(6)，活動(dòng)絕緣套(6)通過(guò)螺紋與金屬連接套(3) 相連，固定屏蔽罩(7)和活動(dòng)屏蔽罩(8)通過(guò)螺紋與活動(dòng)絕緣套(6)相連，激光切割頭噴嘴 (10)是分瓣式的，通過(guò)螺釘(9)與相應(yīng)連接套(3)連接在一起，感應(yīng)極板(11)由絕緣陶瓷層(15)分隔成多個(gè)獨(dú)立的傳感單元。
2.如權(quán)利要求1所述的激光切割頭位移傳感器，其特征在于，感應(yīng)極板(11)被分隔成四個(gè)傳感單元。
3.如權(quán)利要求1或2所述的激光切割頭位移傳感器，其特征在于，利用防松螺母(5)固定所述屏蔽罩與絕緣套。
4.如權(quán)利要求1或2所述的激光切割頭位移傳感器，其特征在于，分瓣式噴嘴(10)與工件的間距為0. 5-3mm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有多點(diǎn)測(cè)量功能的激光切割頭位移傳感器，包括傳感線連接頭、聯(lián)接座、分瓣式金屬連接套、固定絕緣套、固定屏蔽罩、活動(dòng)屏蔽罩、激光切割頭噴嘴。該結(jié)構(gòu)的傳感器還能夠快速確定被加工表面的法矢量，能夠較為容易的實(shí)現(xiàn)對(duì)激光頭姿態(tài)的調(diào)整，有效地將激光切割頭的位置反饋機(jī)構(gòu)與工件法矢量的測(cè)量機(jī)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的激光切割工作。
文檔編號(hào)B23K26/38GK102430863SQ201110317298
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者宋志星, 張宏志, 楊立軍, 王揚(yáng), 王長(zhǎng)和 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)