本發(fā)明涉及激光數(shù)控系統(tǒng)領域，具體涉及一種激光切割頭的高度調整系統(tǒng)及其高度調整方法。

背景技術：

在激光切割機床控制中，由于工件的起伏和形變等因素，激光的焦點與工件表面的位置會產生變化而影響切割效果，因此要保證良好的切割效果則需要控制噴嘴與工件之間的間隙為一個恒定值，傳統(tǒng)的切割頭高度調整方法是由一個獨立的高度調整器對Z軸進行控制，而其他軸由運動控制卡或數(shù)控系統(tǒng)控制，或者由獨立的高度調整器給出Z軸控制信號，由數(shù)控系統(tǒng)去執(zhí)行。

因此，上述控制方式會導致一致性較差。

如何解決現(xiàn)有控制方式的一致性較差的問題，是本領域技術人員重點研究的問題之一。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題在于，針對現(xiàn)有技術的上述缺陷，提供一種激光切割頭的高度調整系統(tǒng)，解決現(xiàn)有控制方式的一致性較差的問題。

本發(fā)明要解決的技術問題在于，針對現(xiàn)有技術的上述缺陷，提供一種激光切割頭的高度調整方法，解決現(xiàn)有控制方式的一致性較差的問題。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種激光切割頭的高度調整系統(tǒng)，包括與激光切割頭連接的高度調整軸，該高度調整系統(tǒng)還包括：

傳感器，該傳感器檢測激光切割頭的噴嘴與加工工件表面之間的電容值；

前置放大器，該前置放大器分別與傳感器和信號調理器連接，該前置放大器將電容值轉化為震蕩頻率信號；

信號調理器，該信號調理器將震蕩頻率信號進行處理，獲得激光切割頭的噴嘴與加工工件表面的距離信號；

數(shù)控單元，該數(shù)控單元分別與信號調理器和高度調整軸連接，其根據(jù)距離信號并通過控制高度調整軸調整激光切割頭的噴嘴與加工工件表面的距離。

其中，較佳方案是：該信號調理器包括信號濾波整形模塊和DSP信號處理模塊，該信號濾波整形模塊分別與前置放大器和DSP信號處理模塊連接，該DSP信號處理模塊與數(shù)控單元連接；該信號濾波整形模塊將震蕩頻率信號進行濾波、整形、分頻，該DSP信號處理模塊將濾波、整形、分頻后的震蕩頻率信號進行線性化，獲得激光切割頭的噴嘴與加工工件表面的距離信號。

其中，較佳方案是：該信號濾波整形模塊包括依次連接的五階帶通濾波電路、滯回比較器和分頻電路，該五階帶通濾波電路與前置放大器連接，該五階帶通濾波電路將震蕩頻率信號進行過濾高次諧波和直流分量，該滯回比較器將小振幅近似正弦信號初步整形成近似方波信號，該分頻電路再整形并分頻為方波信號。

其中，較佳方案是：該DSP信號處理模塊存儲有若干標定點，每一標定點均包括激光切割頭的噴嘴與加工工件表面的距離值，以及每一距離值對應的頻率值；該DSP信號處理模塊將濾波、整形、分頻后的震蕩頻率信號的頻率值與每一標定點的頻率值進行比較及分段線性化，獲得采集到的頻率值所對應的距離值，并將包含距離值的距離信號發(fā)送到數(shù)控單元中。

其中，較佳方案是：該信號調理器與數(shù)控單元之間采用數(shù)字總線通信方式。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種激光切割頭的高度調整方法，包括步驟：

根據(jù)應用環(huán)境設置一預設高度值；

檢測激光切割頭的噴嘴與加工工件表面構成的電容值，及將電容值轉化為震蕩頻率信號，根據(jù)震蕩頻率信號獲得激光切割頭的噴嘴與加工工件的表面的距離；

將預設高度值和距離進行比較，并根據(jù)預設高度值動態(tài)調整激光切割頭的噴嘴與加工工件表面的距離。

其中，較佳方案是，該高度調整方法還包括標定步驟：

控制激光切割頭朝著加工工件表面移動，并等待碰撞信號；

檢測到碰撞信號后控制激光切割頭遠離加工工件表面移動，并等待碰撞信號消失；

在控制激光切割頭遠離加工工件表面移動的過程中設置若干標定點，記錄每一標定點的激光切割頭的噴嘴與加工工件表面的距離。

其中，較佳方案是，獲得激光切割頭的噴嘴與加工工件的表面的距離的步驟包括：

將震蕩頻率信號放大，并過濾高次諧波和直流分量，以及將小振幅近似正弦信號初步整形成近似方波信號，且再整形并分頻為方波信號；

設置若干標定點，每一標定點均包括激光切割頭的噴嘴與加工工件表面的距離值，以及包括每一距離值對應的頻率值；

將濾波、整形、分頻后的震蕩頻率信號的頻率值與每一標定點的頻率值進行比較及分段線性化，獲得采集到的頻率值所對應的距離值。

其中，較佳方案是，設置標定點的步驟還包括：

根據(jù)每一標定點的距離值和頻率值，計算出若干線段及每一線段的斜率。

其中，較佳方案是，分段線性化的步驟包括：

根據(jù)線段的斜率與線段的端點值，將濾波、整形、分頻后的震蕩頻率信號的頻率值進行比較及分段線性化，計算出所述頻率值的近似距離值。

本發(fā)明的有益效果在于，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明通過一種激光切割頭的高度調整系統(tǒng)及其高度調整方法，高度調整軸均由數(shù)控系統(tǒng)控制，無需轉換高度調整軸的控制權，避免控制權沖突，可在數(shù)控系統(tǒng)的操作界面直接進行標定、高度隨動等操作，無需到電柜中進行操作，進一步提供優(yōu)良的高度控制性能，提高激光切割的質量和加工效率；其結構簡單、接線方便、使用便捷，在生產、使用、維護過程中降低成本及勞動力；同時，標定過程實現(xiàn)自動化，避免了手動標定的繁瑣操作，以及與數(shù)控單元采用數(shù)字總線通信方法，避免模擬量干擾。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明高度調整系統(tǒng)的結構框圖；

圖2是本發(fā)明信號調理器的結構框圖；

圖3是本發(fā)明信號濾波整形模塊的結構框圖；

圖4是本發(fā)明高度調整方法的流程圖；

圖5是本發(fā)明標定方法的流程圖；

圖6是本發(fā)明獲得激光切割頭的噴嘴與加工工件的表面的距離的流程圖；

圖7是圖6的進一步流程圖。

具體實施方式

現(xiàn)結合附圖，對本發(fā)明的較佳實施例作詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種高度調整系統(tǒng)的優(yōu)選實施例。

一種激光切割頭30的高度調整系統(tǒng)，包括與激光切割頭30連接的高度調整軸20，該高度調整系統(tǒng)還包括傳感器11、前置放大器12、信號調理器13和數(shù)控單元14，該傳感器11、前置放大器12、信號調理器13和數(shù)控單元14依次連接，該數(shù)控單元14與高度調整軸20連接，具體描述如下：

該傳感器11檢測激光切割頭30的噴嘴與加工工件表面之間的電容值；該前置放大器12分別與傳感器11和信號調理器13連接，該前置放大器12將電容值轉化為震蕩頻率信號；該信號調理器13將震蕩頻率信號進行處理，獲得激光切割頭30的噴嘴與加工工件表面的距離信號；該數(shù)控單元14分別與信號調理器13和高度調整軸20連接，其根據(jù)距離信號并通過控制高度調整軸20調整激光切割頭30的噴嘴與加工工件表面的距離。

其中，數(shù)控單元14接收到信號調理器13發(fā)送來的距離信號(高度信號)，將其與用戶設定的高度值進行比較，并進行閉環(huán)控制高度調整軸20的移動，使其保持在用戶設定的高度值的范圍內完成激光切割頭30的隨動控制，根據(jù)實際應用的需求，可以在上位機中調整參數(shù)，使其響應速度適應具體應用達到最優(yōu)化的控制效果。

在發(fā)明中，調整激光切割頭30的噴嘴與加工工件表面之間的間隙采用“距離”這一詞匯，其與本發(fā)明中的“高”所表達的意思一致，只是便于對本發(fā)明的理解，均是表達激光切割頭30的噴嘴與加工工件表面之間的間隙距離；由于激光切割頭30與加工工件的遠離靠近方向不一定在豎直方向上，若為水平遠離、靠近，本發(fā)明中提及的“高度”類的詞匯均是表達激光切割頭30的噴嘴與加工工件表面之間的間隙距離。本發(fā)明全部實施例優(yōu)選采用激光切割頭30與加工工件的遠離靠近方向為豎直方向。

在本實施例中，傳感器11的主要作用是激光切割頭30的噴嘴與加工工件表面之間的間隙變化進行響應，噴嘴作為傳感器11電容其中一個極板，加工工件表面作為傳感器11電容的另一個極板，當切割頭在豎直方向移動時，噴嘴與被測物之間的距離也發(fā)生變化，根據(jù)電容公式其中s為面積，ε_r為介電常數(shù)，δ為噴嘴與工件的間隙，兩者構成的傳感器11電容的容值也隨之改變。

同時，前置放大器12的主要作用是對傳感器11的間隙變化進行C-F變換，即電容-頻率變換，采用調頻電路，BNC同軸電纜給調頻電路提供15V電壓，產生頻率為MHZ級的高頻震蕩信號，隨著噴嘴和工件之間的間隙變化，產生的震蕩頻率信號也會隨著變化，經過放大后疊加到BNC同軸電纜的內芯，同軸電纜的內芯是15V的直流電壓疊加上幅值幾百mV的交流電壓，并傳輸?shù)叫盘栒{理器13中。

在本實施例中，該信號調理器13與數(shù)控單元14之間采用數(shù)字總線通信方式。

由于DA轉換和AD轉換這兩個環(huán)節(jié)導致精度的下降和干擾增加，本實施例采用總線方式與數(shù)控單元14連接通訊，省略了DA轉換和AD轉換環(huán)節(jié)，避免了模擬量的干擾和精度下降。

如圖2和圖3所示，本發(fā)明提供一種信號調理器的較佳實施例。

該信號調理器13包括信號濾波整形模塊131和DSP信號處理模塊132，該信號濾波整形模塊131分別與前置放大器12和DSP信號處理模塊132連接，該DSP信號處理模塊132與數(shù)控單元14連接；該信號濾波整形模塊131將震蕩頻率信號進行濾波、整形、分頻，該DSP信號處理模塊132將濾波、整形、分頻后的震蕩頻率信號進行線性化，獲得激光切割頭30的噴嘴與加工工件表面的距離信號。

其中，數(shù)字信號處理簡稱DSP，DSP信號處理模塊132優(yōu)選為一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。

其中，信號調理器13優(yōu)選為DSP信號處理芯片，也可以為ARM芯片。

在本實施例中，該信號濾波整形模塊131包括依次連接的五階帶通濾波電路1311、滯回比較器1312和分頻電路1313，該五階帶通濾波電路1311與前置放大器12連接，該五階帶通濾波電路1311將震蕩頻率信號進行過濾高次諧波和直流分量，該滯回比較器1312將小振幅近似正弦信號初步整形成近似方波信號，該分頻電路1313再整形并分頻為方波信號。

具體地，信號調理器13的主要作用是對前置放大器12傳送來的信號由五階帶通濾波電路1311進行過濾高次諧波和直流分量，并經過滯回比較器1312將小幅值近似正弦信號初步整形成幅值5V的近似方波信號，再經過分頻電路1313整形并分頻為幅值5V的方波信號，再將5V信號通過電平轉換芯片變換到與DSP信號處理芯片引腳電平匹配的3.3V方波信號，再送到DSP信號處理模塊132中。其中，分頻電路1313優(yōu)選為集成分頻芯片。

同時，對震蕩頻率信號進行多周期同步鑒頻方法捕獲，采集前置放大器12的頻率信號，優(yōu)選為對32個采集到的頻率值進行濾波，其中將較大8個值和較小的8個值去除，對16個中間值進行平均值濾波。

在本實施例中，該DSP信號處理模塊132存儲有若干標定點，每一標定點均包括激光切割頭30的噴嘴與加工工件表面的距離值，以及每一距離值對應的頻率值；該DSP信號處理模塊132將濾波、整形、分頻后的震蕩頻率信號的頻率值與每一標定點的頻率值進行比較及分段線性化，獲得采集到的頻率值所對應的距離值，并將包含距離值的距離信號發(fā)送到數(shù)控單元14中。

進一步地，DSP信號處理模塊132將濾波后的頻率值與已經標定好記錄的值比較進行分段線性化，采用多個線段近似曲線的方法，在標定程序中記錄每個標定點的頻率值，根據(jù)每個點的高度值和該點的頻率值計算每個線段的斜率，DSP信號處理模塊132根據(jù)當前的頻率值判斷屬于哪一個線段，根據(jù)計算好的斜率和線段的端點值即可計算出當前的近似高度值，然后將線性化后的值再經過一階滯后濾波后發(fā)送。

如圖4、圖5、圖6和圖7所示，本發(fā)明提供一種高度調整方法的較佳實施例。

一種激光切割頭的高度調整方法，包括步驟：

S21、根據(jù)應用環(huán)境設置一預設高度值；

S22、檢測激光切割頭的噴嘴與加工工件表面構成的電容值，及將電容值轉化為震蕩頻率信號，根據(jù)震蕩頻率信號獲得激光切割頭的噴嘴與加工工件的表面的距離；

S23、將預設高度值和距離進行比較，并根據(jù)預設高度值動態(tài)調整激光切割頭的噴嘴與加工工件表面的距離。

具體地，數(shù)控單元通過操作界面并根據(jù)應用環(huán)境設置一預設高度值，傳感器檢測激光切割頭的噴嘴與加工工件表面構成的電容值，及前置放大器將電容值轉化為震蕩頻率信號，信號調理器根據(jù)震蕩頻率信號獲得激光切割頭的噴嘴與加工工件的表面的距離，數(shù)控單元將預設高度值和距離進行比較，并根據(jù)預設高度值通過控制高度調整軸，動態(tài)調整激光切割頭的噴嘴與加工工件表面的距離。

數(shù)控單元接收到信號調理器發(fā)送來的距離信號(高度信號)，將其與用戶設定的高度值進行比較，并進行閉環(huán)控制高度調整軸的移動，使其保持在用戶設定的高度值的范圍內完成激光切割頭的隨動控制，根據(jù)實際應用的需求，可以在上位機中調整參數(shù)，使其響應速度適應具體應用達到最優(yōu)化的控制效果。

在本實施例中，提供一種激光切割頭的標定方法的較佳方案。

一種激光切割頭的標定方法，包括步驟：

S11、控制激光切割頭朝著加工工件表面移動，并等待碰撞信號；

S12、檢測到碰撞信號后控制激光切割頭遠離加工工件表面移動，并等待碰撞信號消失；

S13、在控制激光切割頭遠離加工工件表面移動的過程中設置若干標定點，記錄每一標定點的激光切割頭的噴嘴與加工工件表面的距離。

具體地，首先數(shù)控單元控制高度調整軸緩慢向下移動等待碰撞信號，當接收到碰撞信號后緩慢向上移動等待碰撞信號消失，然后根據(jù)約定的16個點，數(shù)控單元將高度調整軸每移動到一個點處，即向信號調理器發(fā)送標定請求信號，信號調理器記錄了該點的數(shù)值(激光切割頭的噴嘴與加工工件表面的距離值)后，向數(shù)控單元發(fā)送標定確認信號，數(shù)控單元即控制高度調整軸向下一個點移動，待標定結束后信號調理器對標定的數(shù)據(jù)進行校驗。

進一步地，如果標定過程中出現(xiàn)意外中斷或其他因素導致數(shù)據(jù)異常，則信號調理器向數(shù)控單元發(fā)送標定結果錯誤信號。

在本實施例中，信號調理器與數(shù)控單元間的控制信號包括碰撞信號、斷線信號、標定請求信號、標定確認信號、標定結果信號。其中，當噴嘴觸碰到工件表面時信號調理器會給數(shù)控單元發(fā)送碰撞信號；當射頻電纜未連接或損壞時信號調理器會給數(shù)控單元發(fā)送斷線信號；標定請求信號是數(shù)控單元給信號調理器發(fā)送的請求標定的信號；標定確認信號是信號調理器記錄了一個點后給數(shù)控單元發(fā)送的信號；標定結果信號是對標定結束后進行數(shù)據(jù)校驗，如果標定過程出現(xiàn)問題導致數(shù)據(jù)錯誤此信號發(fā)出。

在實施例中，獲得激光切割頭的噴嘴與加工工件的表面的距離的步驟包括：

S221、將震蕩頻率信號放大，并過濾高次諧波和直流分量，以及將小振幅近似正弦信號初步整形成近似方波信號，且再整形并分頻為方波信號；

S222、設置若干標定點，每一標定點均包括激光切割頭的噴嘴與加工工件表面的距離值，以及包括每一距離值對應的頻率值；

S224、將濾波、整形、分頻后的震蕩頻率信號的頻率值與每一標定點的頻率值進行比較及分段線性化，獲得采集到的頻率值所對應的距離值。

具體地，前置放大器將震蕩頻率信號放大，五階帶通濾波電路進行過濾高次諧波和直流分量，以及滯回比較器將小振幅近似正弦信號初步整形成近似方波信號，且分頻電路再整形并分頻為方波信號；數(shù)控單元設置若干標定點，每一標定點均包括激光切割頭的噴嘴與加工工件表面的距離值，以及包括每一距離值對應的頻率值；DSP信號處理模塊將濾波、整形、分頻后的震蕩頻率信號的頻率值與每一標定點的頻率值進行比較及分段線性化，獲得采集到的頻率值所對應的距離值。

或者，本發(fā)明還包括其他算法，用于通過震蕩頻率信號獲取當前的距離值。

在實施例中，設置標定點的步驟還包括：

S223、根據(jù)每一標定點的距離值和頻率值，計算出若干線段及每一線段的斜率。

具體地，數(shù)控單元根據(jù)每一標定點的距離值和頻率值，計算出若干線段及每一線段的斜率。

在實施例中，分段線性化的步驟包括：

S224’、根據(jù)線段的斜率與線段的端點值，將濾波、整形、分頻后的震蕩頻率信號的頻率值進行比較及分段線性化，計算出所述頻率值的近似距離值。

具體地，信號調理器根據(jù)線段的斜率與線段的端點值，將濾波、整形、分頻后的震蕩頻率信號的頻率值進行比較及分段線性化，計算出所述頻率值的近似距離值。

以上所述者，僅為本發(fā)明最佳實施例而已，并非用于限制本發(fā)明的范圍，凡依本發(fā)明申請專利范圍所作的等效變化或修飾，皆為本發(fā)明所涵蓋。