激光切割中的焦点位置检测方法研究

引言

激光切割加工具有切割精度高、切割速度快、热效应低、无污染、无噪音等优点，在汽车、船舶、航空航天和电子工业中都得到了广泛的应用。而激光切割加工质量与激光焦点与工件之间的相对位置有着密切的关系，保证激光焦点和切割对象之间的合理的相对位置是保证激光切割加工质量的关键之一。

激光聚焦的焦点位置无法直接测量，但可以通过间接方法检测。对于一个激光切割加工系统，其焦点位置是由聚焦镜的光学焦点决定的，所以在聚焦镜一定情况下其位置是不变的（不考虑聚焦镜的热效应），因此可以通过检测聚焦镜和被加工对象之间的相对位置来间接检测焦点和被加工对象之间的位置关系。

激光焦点和被加工对象之间的相对位置可以通过电感位移传感器和电容传感器来检测，在使用中各有优缺点。电感传感器的响应频率较低，不太适用于高速加工和像!维加工这样需要非接触检测的场合；电容传感器，具有响应速度快，检测精度高等优点，但在使用过程中存在非线性和易受激光切割加工过程中产生的等离子云和喷渣的干扰的影响。

本文将系统讨论激光切割加工中激光焦点位置误差的产生途径和自动消除误差的控制系统的组成。在此基础上分别讨论了两种传感器检测系统组成以及实际使用中存在的不足和克服的方法。

1 激光切割过程中焦点位置误差的产生

在激光切割过程中，产生焦点和被加工对象表面之间相对位置发生变化的因素很多，被加工工件表面凸凹不平、工件装夹方式、机床的几何误差以及机床在负载力下的变形、工件在加工过程中的热变形等都会造成激光焦点位置和理想给定位置（编程位置）发生偏差。有些误差（如机床的几何误差）具有规律性，可以通过定量补偿方法进行补偿，但有些误差为随机误差，只能通过在线检测和控制来消除，这些误差是：

1.1 工件几何误差

激光切割的对象为板材或覆盖件型零件，由于各种 因的影响，加工对象表面具有起伏不平，且在切割过程中的热效应的影响也会产生薄板零件的表面变形，对于1维激光加工，覆盖件在压制成型过程中也会产生表面的不平，所有这些，都会产生激光焦点与被加工对象表面的位置与理想位置发生随机变化。

1.2 工件装夹装置产生的误差

激光切割加工的工件是放在针状工作台上，由于加工误差、长时间与工件之间的磨损和激光的烧伤，针床会出现凸凹不平，这种不平也会产生薄钢板和激光焦点之间的位置的随机误差。

1.3 编程产生的误差

在1维激光切割加工过程中，复杂曲面上的加工轨迹是通过直线、圆弧等拟合的，这些拟合曲线和实际曲线存在一定误差，这些误差使得实际焦点和加工对象表面的相对位置和理想编程位置产生一定误差。而有些示教编程系统也会引入一些偏差。

2 激光切割过程中焦点位置在线检测与控制系统的组成

如图1所示，激光切割焦点位置在线检测与控制系统由控制器、检测系统、执行装置等部分组成。

根据焦点位置检测控制系统和系统的关系，焦点位置检测控制系统分为独立式和集成式两种。

独立式焦点位置检测与控制系统采用单独的坐标轴进行焦点位置误差的补偿控制，机械结构复杂，成本较高，但可与各种数控系统和激光切割机床配合使用。

而集成式采用激光切割机床本身的一个进给轴（对平面加工）或多个进给轴的合成（对于1维切割加工）运动来进行焦点位置误差的补偿。这种方式具有结构简单、成本低，易于调整等优点，但要求和数控系统统一设计，对数控系统的开放性要求较高。

2.1 电容传感器检测电路

如图2所示，电容传感器检测电路由调谐振荡器、信号放大器、晶体稳频振荡器、同步电路、混频电路、信号处理电路等将电容量信号变成对应频率的脉冲信号，通过对脉冲信号进行频率采样和处理，得到相应的电容量。这里的电容为切割喷嘴和切割对象之间两个极板形成的电容。显然其电容量除了与两个极板的面积有关外，还与极板之间的介质、极板之间的距离有关。而这个距离就与激光聚焦镜和工件之间的距离有关，也就是与激光焦点与工件之间的距离有关，所以电容量近似和焦点位置与切割对象之间的距离有关。这就是电容传感器检测焦点位置的原理。

从图中可以看出，频率和焦点位置误差之间的关系为非线性关系，必须通过计算机进行线性化处理。同时，由于电容量还和极板之间的介质有关，所以检测结果容易受加工过程中产生的等离子云和喷渣影响，必须加以克服。

2.2 电感传感器检测电路

如图3所示，由于采用了最新的大规模集成电路，电感传感器的检测电路比较简单，且集成电路采用了新的调制解调方法和算法，减少了以前的检测外差式调频检测电路方法由于传感器的激励信号的相角、频率以及幅值漂移对检测结果的影响，大大提高了检测精度和稳定性。

传感器信号通过处理后得到与传感器测头位移成正比的电压信号，通过变换电路转换成相应的频率信号，通过计算机处理得到了焦点的位置误差信号。

由于电感传感器的固有特性，对被测信号的频率有一定的限制（几百），不太适用于高速加工场合，同时，由于其为接触式检测方式，只能用于平面加工场合。 [p]

3 切割过程中等离子云对焦点位置检测系统的影响

在工件尚未被切穿的瞬间，激光和金属相互作用，在喷嘴和加工对象之间产生云雾状等离子体，改变电容极板之间的介质，从而对电容传感器产生干扰。在正常切割过程中，辅助气体将等离子体从切缝中吹散，对电容传感器产生影响较小。但如果加工速度太快和刚开始切割时，由于工件未被完全切穿，激光照射点附近会产生等离子体云，对电容传感器产生干扰，严重时甚至使传感器无法正常工作，严重影响加工质量。图4为等离子体干扰示意图。

由电磁学原理可知，相邻的两个极板间电容量为

C=εS/h
式中ε---极板之间介电常数)一般为(1)
S---极板相对有效面积
h---两极板间距离

如果没有等离子体的干扰，那么，根据式(1)所测到的电容就和极板（喷嘴和加工对象）之间距离成反比，由电容量可以方便求出两极板间距离，进而求出焦点和被加工对象之间的相对位置。

但是，当喷嘴和被加工对象之间存在等离子体或喷渣时，电容极板之间的电介质就不是空气了，其介电常数就发生变化。由电容原理公式，此时两个极板间电容量为：

C'=ε S1 /[(h-h1)+h1ε/ε1 ]+εS2/h (2)

式中ε1---等离子体的介电常数
h1---等离子体云的厚度
S1 + S2 =S分别为有等离子云或喷渣的区域和无等离子云或喷渣的区域的面积。

如果等离子云均匀分布于喷嘴和被加工对象之间的一定高度范围之内，则电容传感器所测得的两极板间距离为：

h'=(h-h1)+ h1ε/ε1 (3)

检测的误差理论值：

Δh = h'-h
= h1 (ε/ε1 -1) (4)

从式(4)可知，误差的大小由极板间等离子体云的厚度及等离子体的介电常数决定。而等离子体介电常数具有非常大的值，可以达到105的数量级。所以由式(4)可以看出等离子云或喷渣对检测结果的影响是非常大的，文献[2～4]得出，如果等离子体云的厚度为1～2mm，则由电容传感器检测的两极板间距离的理论误差也达到1～2mm，显然达不到激光焦点位置检测的精度指标（为±0.2mm）。

4 传感器优化设计技术减少等离子云对检测结果的影响

等离子体对电容传感器的干扰是由于等离子体改变了电容两极板之间的介质。因此，为了消除等离子体对电容传感器的干扰，就要使电容两极板之间的介质不受等离子体的影响，可以加大圆环形极板的中心小孔和将电容传感器移至等离子云以外两种方法来实现。

(1)要消除等离子体对电容量的影响，就要将等离子体置于电容传感器的极板之外。考虑到等离子云是沿切割点周围分布的，因此可以如图5所示：将圆环形极板的中心小孔直径扩大至2～3mm并嵌入绝缘的耐高温陶瓷材料，由于电容传感器极板是空心的，在不考虑边缘效应的情况下，照射点附近的等离子体云对传感器电容量和检测值不产生影响，所以采用这种办法能有效地减小等离子云的干扰影响。

(2)对于平面激光切割加工，还可以通过机械传动方法进行间接测量。即通过一机械装置跟随被加工对象运动，将机械装置的上端和检测传感器形成极板，通过检测传感器和这个机械装置之间的距离来间接检测激光焦点和被加工对象之间的位置。这种方法可以最大限度避免了离子云和喷渣对检测精度的影响，也发挥了电容传感器响应迅速的优点。

5 结论

激光焦点位置检测与控制是激光切割加工的关键技术之一，对于快速切割加工，焦点位置检测精度和快速性将直接影响到焦点位置的控制精度和加工质量，电容传感器具有检测灵敏度高、响应快速的优点，可以通过计算机系统的线性化来克服其非线性；

通过特殊的传感器结构来消除加工过程中产生的等离子云和喷渣对检测结果的影响，提高其在激光切割加工系统中的使用效果。