激光加工系統(tǒng)頭組件的動態(tài)高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及動態(tài)高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法在整個加工周期期間使用激光加工系統(tǒng)的頭組件的電容。所提出的系統(tǒng)和方法包括使用單一頻率，其中測量和處理相位變化以增加的可靠性來確定高度變化以及工件之間的距離。所述系統(tǒng)還實現(xiàn)了可操作的計算機化的處理器控制以及集成系統(tǒng)和可選的遠(yuǎn)程接口上的加工控制信號和反饋分布的實質(zhì)上改進。
【專利說明】激光加工系統(tǒng)頭組件的動態(tài)高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及優(yōu)選地與激光加工系統(tǒng)一起使用的動態(tài)高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和方法。更具體地，本發(fā)明提供了包括使用單一頻率的動態(tài)切割頭高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中對相位變化進行處理以在增加可靠性和增強的工藝控制下確定工件上高度的變化。

【背景技術(shù)】
[0002]從 申請人:在2011年10月I日遞交的美國專利申請?zhí)朜0.61/542,156中創(chuàng)新性研發(fā)中認(rèn)識了激光加工系統(tǒng)的切割頭組件，將其全部內(nèi)容合并在此作為參考。 申請人:的切割頭可選地包括如這里所述使用的同一地點或遠(yuǎn)程計算機化的加工控制器。這種系統(tǒng)討論了通過激光束加工工件的有效系統(tǒng)。
[0003]從美國專利5，694，046 (Hillerich)可知用于監(jiān)測工件的熱處理(焊接)的方法。這種方法采用一些要求來形成與參考頻率分配相比更加復(fù)雜的測量電容頻率分布，以確定工件的熱加工參數(shù)(焊接)。認(rèn)識到這種復(fù)雜的信號方法采用了信號確定中的延遲，容易由于電壓波動、信號干擾誤差和在焊接期間的單獨激光脈沖持續(xù)時間上不能連續(xù)記錄測量的電容而折衷。這種方法不適用于在集成的動態(tài)生產(chǎn)周期中對高速激光加工的連續(xù)適應(yīng)。
[0004]因此，需要一種針對激光加工系統(tǒng)頭組件的改進的動態(tài)高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]響應(yīng)于所提到問題的至少一個，本發(fā)明提供了一種操作激光加工系統(tǒng)的頭組件的動態(tài)高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和方法。所提出的方法和系統(tǒng)允許在整個加工周期期間的精確加工控制，所述加工不局限于所實施的激光加工的類型。
[0006]在本發(fā)明的備選改進中，加工控制在整個加工周期使用激光加工系統(tǒng)頭組件的電容，其中監(jiān)測單一頻率的相位變化以確定工件和激光噴嘴之間的距離變化。
[0007]本發(fā)明的另一個方面實現(xiàn)了備選的工件形狀、材料、類型、涂層和厚度的容易和可操作集成，同時保持連續(xù)的加工。
[0008]本發(fā)明的再一個方面實現(xiàn)了環(huán)境加工溫度的校正，以消除信號誤差并且增強加工控制。
[0009]在本發(fā)明的再一個備選方面中，所提出的方法和系統(tǒng)可操作適用于切割多種工件，包括金屬并且更具體地包括在一個或多個側(cè)面上涂覆的材料。
[0010]在所提出的本發(fā)明的另外一個改進中，所述系統(tǒng)和方法以改進的精度適應(yīng)非平坦的、或者可以是實質(zhì)上平坦的但是包含非平坦區(qū)域的工件。
[0011]在所提出的本發(fā)明的另外一個改進中，可以通過中央加工控制單元或者一個或多個遠(yuǎn)程加工控制單元來可操作地控制多個連續(xù)的切割頭。
[0012]所提出的方法和系統(tǒng)還可操作地實現(xiàn)了在整個連續(xù)加工周期期間對一個或多個切割頭的令人滿意的監(jiān)測，具體地其中連續(xù)的加工周期包括使用-不使用的間隔，或者其中工件可以經(jīng)歷可變速率的熱膨脹。
[0013]本發(fā)明的另一個方面實現(xiàn)了與具有相同或不同厚度的工件一起使用的一個或多個加工頭的可操作控制，使得加工控制器可以采用每個工件的初始厚度的表示，用于通過使用周期對單獨加工頭的可操作導(dǎo)引。
[0014]所提出的系統(tǒng)和方法包括單一頻率的使用，其中連續(xù)地測量相位變化，并且連續(xù)的加工在增加的可靠性和迅速適應(yīng)性內(nèi)確定工件之間高度或距離的變化。
[0015]所述系統(tǒng)還實現(xiàn)了多個可操作計算機化的處理器控制，以及在集成加工系統(tǒng)和可選的遠(yuǎn)程接口上的加工控制信號和反饋分布的實質(zhì)上改進。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的備選實施例，提出了一種激光加工系統(tǒng)中相對于工件來調(diào)節(jié)切割頭高度的方法，包括步驟:相對于工件定位切割頭中的電容傳感器；至少向傳感器施加具有第一頻率的第一信號；通過在使用期間評估第一信號來連續(xù)地監(jiān)測隨傳感器的電容變化的第一信號的相位變化；以及將所述相位變化與測量的切割頭高度基準(zhǔn)范圍進行比較，從而確定切割頭相對于工件的高度。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一個備選實施例，提出了一種激光加工系統(tǒng)中相對于工件來調(diào)節(jié)切割頭高度的方法，包括步驟:相對于工件定位切割頭中的電容傳感器，所述電容傳感器包括噴嘴和隔離的傳感器模塊；產(chǎn)生頻率相等但是相位不同的第一信號和第二信號；向電容傳感器施加第一信號；根據(jù)切割頭相對于工件的位置來檢測隨電容傳感器中的電容變化的第一信號的相移；將第二信號調(diào)節(jié)為與第一信號相位相差約-90°的固定值；通過評估第一信號相對于第二信號的固定值相位差的相移來確定隨傳感器的電容變化的第一信號的相移；以及將所述電容變化與高度與相位變化的映射基準(zhǔn)進行比較，從而確定在使用期間切割頭和工件之間的相對高度。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一個備選可選實施例，提出了一種激光加工系統(tǒng)中相對于工件來調(diào)節(jié)切割頭高度的系統(tǒng)，包括:切割頭中相對于工件的電容傳感器；至少向傳感器施加具有第一頻率的第一信號的裝置；檢測器，用于通過在使用期間評估第一信號來連續(xù)地監(jiān)測隨傳感器的電容變化的第一信號的相位變化；以及可操作比較系統(tǒng)，用于將所述相位變化與測量的切割頭高度基準(zhǔn)范圍進行比較，從而確定切割頭相對于工件的高度。
[0019]根據(jù)結(jié)合附圖閱讀的以下描述，本發(fā)明的以上和其他方面、特征和優(yōu)點將變得清楚明白，其中類似的參考數(shù)字表示相同的元件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是根據(jù)本發(fā)明的可選系統(tǒng)的示意性說明，注意切割頭相對于工件。
[0021]圖2是根據(jù)本發(fā)明的切割頭和工件的示意性說明。
[0022]圖3是引起放大的輸出轉(zhuǎn)到全部范圍的單一頻率相位信號偏移(來自相位檢測器)的圖形表示，將這種放大的相位檢測器輸出數(shù)字化，并且測量的相位變化表示切割頭中的電容變化。
[0023]圖4是電容(作為相位測量輸出電壓(mV))和與工件的相距高度(以mm為單位)之間的非線性關(guān)系的圖形表示。
[0024]圖5是切割頭傳感器電子系統(tǒng)的示意性表示，注意:切割頭噴嘴、加工控制單元以及用于可操作循環(huán)使用的各種信號和支撐元件之間的相互關(guān)系。
[0025]圖6是所提出的用于激光加工系統(tǒng)的頭組件的系統(tǒng)和方法的示范性加工流程圖。

【具體實施方式】
[0026]現(xiàn)在詳細(xì)參考本發(fā)明的實施例。在可能的情況下，在附圖中使用相同或類似的參考數(shù)字，并且其描述指的是相同或類似的部分或步驟。附圖是按照簡化形式，并且沒有精確縮放。只是為了方便和清楚的目的，可以相對于附圖使用方向性的指示術(shù)語。這些類似的方向性術(shù)語不應(yīng)該解釋為按照任何方式限制本發(fā)明的范圍。
[0027]參考圖1，本發(fā)明的一個備選方式提出了一種激光加工系統(tǒng)(經(jīng)由所示的切割頭合并)的頭組件的動態(tài)高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)10。各種元件通信并且可操作地連接以使得系統(tǒng)10能夠在連續(xù)周期中操作。系統(tǒng)10包括:基站1，具有至少一個以及可選地若干加工控制器2，加工控制器2與切割頭元件3可操作地連接，具有傳感器并控制處理器3A，相對于工件4定位并且經(jīng)由在11處表示的可操作控制回路可控地與Z臺組件5連接，所述Z臺組件實現(xiàn)了切割頭3相對于工件4的實時精確定位。
[0028]如圖1所述，可以提供多個可選的通信結(jié)構(gòu)，包括如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的經(jīng)驗多種互連通信路徑向可選客戶計算機或分離的電子控制器封裝8的傳輸。為了這里討論的目的，應(yīng)該理解的是在每個下文的段落中，所有形式的通信意在按照本領(lǐng)域普通技術(shù)人員易于理解的方式合并在此作為參考。
[0029]系統(tǒng)部件之間的可選通信路徑的表
[0030]
通信類型_數(shù)字和模擬有線、無線和光學(xué)以太網(wǎng)、因特網(wǎng)(各種)、蜂窩-數(shù)字、衛(wèi)圼_
[0031]
(本公開意在無限制地包含所有形式的通信路徑)
[0032]應(yīng)該理解的是，使用高度感測的電子裝置與以如前所述的設(shè)計用于集成到激光系統(tǒng)中的切割頭一起使用，并且優(yōu)選地與切割片狀材料、管狀材料等的平板激光系統(tǒng)一起使用。這種系統(tǒng)易于適應(yīng)可變的切割結(jié)構(gòu)以及相對于重力場的任意取向。
[0033]相距高度應(yīng)該理解為切割頭在切割表面上方的距離，并且可選地可以理解為包括預(yù)設(shè)的校正因子。相距高度的精確控制和保持對于性能來說是重要的?？梢栽诨跈C器人切割系統(tǒng)中使用不同的切割頭設(shè)計(較長的噴嘴)，并且應(yīng)該理解的是落在本公開的范圍內(nèi)。典型地，所需的相距高度是0.5mm至2.0mm,優(yōu)選地1.0mm,期望誤差±0.1mm,但是可以是基于多種操作因素、材料、表面涂層、焦點、切割或熱處理速度和其他操作變量的任意范圍。
[0034]切割頭3可以是對于如這里所述的功能有效的任意可操作結(jié)構(gòu)，并且應(yīng)該理解的是可操作用于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的任意連接器、功耗或者通信元件。
[0035]如具體地討論的，切割頭3包括高度傳感器PCB，備選地作為電容傳感器討論，以及用于有效操作的加工控制器封裝，表示為3A。切割頭傳感器接口是以太網(wǎng)上具有適當(dāng)汲取電流的功率，例如8.3mA和30MA之間的48v。符合的接口使用標(biāo)準(zhǔn)的H)接口，并且進行編程以將浪涌電流限制為與無源電源一起使用的可接受值，從而在插入到設(shè)備中和接收其作為系統(tǒng)10的ro之間產(chǎn)生功能延遲。另外的部件可以包括提供內(nèi)部隔離的隔離轉(zhuǎn)換器，并且可選地感測部件可以定位于工件下面甚至定位于工件上，對所述工件進行加工以提供進一步的加工反饋。
[0036]基站I包括專用以太網(wǎng)以與切割頭3通信、以及外部客戶系統(tǒng)7和8?？梢詿o限制地提供通信鏈路。提供合適的電子裝置以實現(xiàn)如這里所討論的操作。一系列要求的信號輸入和輸出通過以太網(wǎng)或其他形式的通信(上述)可用于用戶。下面討論最小要求的輸入-輸出。
[0037]按照非限制概述包含選擇的加工變量和控制器感測功能的輸入-輸出類型/結(jié)果的表
[0038]

【權(quán)利要求】
1.一種激光加工系統(tǒng)中相對于工件來調(diào)節(jié)切割頭高度的方法，包括以下步驟: 相對于所述工件定位所述切割頭中的電容傳感器； 至少向所述傳感器施加具有第一頻率的第一信號； 通過在使用期間評估所述第一信號來連續(xù)地監(jiān)測隨所述傳感器的電容變化的所述第一信號的相位變化；以及 將所述相位變化與測量的高度基準(zhǔn)范圍進行比較，從而確定所述切割頭相對于所述工件的高度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)方法，還包括以下步驟: 在操作范圍上對所述第一信號進行放大；以及 將所述放大的第一信號數(shù)字化，從而增強所述連續(xù)監(jiān)測的相位變化的分辨率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)方法，還包括以下步驟: 在所述激光加工系統(tǒng)中提供定位系統(tǒng)，用于在所述使用期間相對于所述工件定位所述切割頭； 所述方法還包括以下步驟: 根據(jù)所述確定的切割頭高度來產(chǎn)生信號； 相對于確定的加工參數(shù)來監(jiān)測所述信號；以及 根據(jù)所述信號連續(xù)地控制所述定位位置系統(tǒng)，以在所述使用期間定位所述切割頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)方法，還包括以下步驟: 向所述電容傳感器施加第二信號； 所述第二信號具有所述第一頻率、但是具有與所述第一信號不同的固定相位，并且操作為基準(zhǔn)信號；以及 所述監(jiān)測步驟還包括以下步驟: 監(jiān)測所述第二信號作為基準(zhǔn)波形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的調(diào)節(jié)方法，其中: 監(jiān)測所述第二信號以確定所述使用期間所述第一信號的相位變化的相對幅度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)方法，其中: 在所述比較步驟之后，所述方法包括以下步驟: 相對于所述切割頭距所述工件的高度的測量范圍來確定針對所述第一頻率的相位變化的校準(zhǔn)范圍。
7.一種激光加工系統(tǒng)中相對于工件來調(diào)節(jié)切割頭高度的方法，包括以下步驟: 相對于所述工件定位所述切割頭中的電容傳感器，所述電容傳感器包括噴嘴和隔離的傳感器模塊； 產(chǎn)生頻率相等但相位不同的第一信號和第二信號； 向所述電容傳感器施加所述第一信號； 根據(jù)所述切割頭相對于所述工件的位置來檢測隨所述電容傳感器的電容變化的所述第一信號的相移； 將所述第二信號調(diào)節(jié)為與所述第一信號的相位相差約-90°的固定值； 通過評估第一信號相對于所述第二信號的所述固定值相位差的相移來確定隨所述電容傳感器的電容變化的所述第一信號的相移；以及將所述電容變化與高度對相位變化的映射基準(zhǔn)進行比較，從而確定在使用期間所述切割頭和所述工件之間的相對高度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于調(diào)節(jié)的方法，還包括以下步驟: 在所述激光加工系統(tǒng)中提供定位系統(tǒng)，用于在所述使用期間相對于所述工件定位所述切割頭； 所述方法還包括以下步驟: 根據(jù)所述確定的切割頭高度來產(chǎn)生控制信號； 相對于確定的加工參數(shù)來監(jiān)測所述控制信號；以及 根據(jù)所述控制信號連續(xù)地控制所述定位位置系統(tǒng)，以在所述使用期間定位所述切割頭。
9.一種激光加工系統(tǒng)中相對于工件來調(diào)節(jié)切割頭高度的系統(tǒng)，包括: 所述切割頭中的相對于所述工件的電容傳感器； 向所述傳感器施加 具有第一頻率的第一信號的裝置； 檢測器，用于通過在使用期間評估所述第一信號來連續(xù)地檢測隨所述傳感器的電容變化的所述第一信號的相位變化；以及 操作比較系統(tǒng)，用于將所述相位變化與測量的切割頭高度基準(zhǔn)范圍進行比較，從而確定所述切割頭相對于所述工件的高度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，還包括: 所述激光加工系統(tǒng)中的定位系統(tǒng)，用于在所述使用期間相對于所述工件定位所述切割頭; 發(fā)生器，用于根據(jù)所述確定的切割頭高度來產(chǎn)生信號； 監(jiān)測器，用于相對于確定的加工參數(shù)來監(jiān)測所述信號；以及 加工控制器，用于根據(jù)所述信號連續(xù)地控制所述定位位置系統(tǒng)來在所述使用期間定位所述切IllJ頭。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，還包括: 向所述電容傳感器施加第二信號的裝置； 所述第二信號具有所述第一頻率、但是具有與所述第一信號不同的固定相位，并且操作為基準(zhǔn)信號；以及 加工控制器，用于監(jiān)測所述第二信號作為基準(zhǔn)波形。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中 所述加工控制器在所述切割頭中，并且與所述定位系統(tǒng)進行操作性通信。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，還包括: 遠(yuǎn)程加工控制器，與所述電容傳感器、所述激光加工系統(tǒng)和所述定位傳感器進行操作性通信。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，還包括: 熱敏度補償器，操作用于所述電容傳感器。
【文檔編號】B23K26/38GK104080570SQ201280055431
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月10日
【發(fā)明者】沃爾特·萊斯利, 彼得·卡斯塔尼亞 申請人:Ipg光子公司