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淺析激光切割中的焦點位置檢測方法研究


激光切割加工具有切割精度高、切割速度快、熱效應低、無汙染、無噪音等優點,在汽車、船舶、航空航天和電子產業中 都得到了廣泛的應用。而激光切割加工質量與激光焦點與工件之間的相對位置有著密切的關係,保證激光焦點和切割對象之間的公道的相對位置是保證激光切割加工 質量的關鍵之一。

激光聚焦的焦點位置無法直接丈量,但可以通過間接方法檢測。對於一個激光切割加工係統,其焦點位置是由聚焦鏡的光學焦點 決定的,所以在聚焦鏡一定情況下其位置是不變的(不考慮聚焦鏡的熱效應),因此可以通過檢測聚焦鏡和被加工對象之間的相對位置來間接檢測焦點和被加工對象 之間的位置關係。

激光焦點和被加工對象之間的相對位置可以通過電感位移傳感器和電容傳感器來檢測,在使用中各有優缺點。電感傳感器的響 應頻率較低,不太適用於高速加工和像!維加工這樣需要非接觸檢測的場合;電容傳感器,具有響應速度快,檢測精度高等優點,但在使用過程中存在非線性和易受 激光切割加工過程中產生的等離子雲和噴渣的幹擾的影響。

本文將係統討論激光切割加工中激光焦點位置誤差的產生途徑和自動消除誤差的控製係統的組成。在此基礎上分別討論了兩種傳感器檢測係統組成以及實際使用中存在的不足和克服的方法。

1 激光切割過程中焦點位置誤差的產生

在激光切割過程中,產生焦點和被加工對象表麵之間相對位置發生變化的因素很多,被加工工件表麵凸凹不平、工件裝夾方式、機床的幾何誤差以及機床在負載力下的 變形、工件在加工過程中的熱變形等都會造成激光焦點位置和理想給定位置(編程位置)發生偏差。有些誤差(如機床的幾何誤差)具有規律性,可以通過定量補償 方法進行補償,但有些誤差為隨機誤差,隻能通過在線檢測和控製來消除,這些誤差是:

1.1 工件幾何誤差激光切割的對象 為板材或覆蓋件型零件,由於各種原因的影響,加工對象表麵具有起伏不平,且在切割過程中的熱效應的影響也會產生薄板零件的表麵變形,對於1維激光加工,覆 蓋件在壓製成型過程中也會產生表麵的不平,所有這些,都會產生激光焦點與被加工對象表麵的位置與理想位置發生隨機變化。
1.2 工件裝夾裝置產生的誤差
激光切割加工的工件是放在針狀工作台上,由於加工誤差、長時間與工件之間的磨損和激光的燒傷,針床會出現凸凹不平,這種不平也會產生薄鋼板和激光焦點之間的位置的隨機誤差。
1.3 編程產生的誤差在1維激光切割加工過程中,複雜曲麵上的加工軌跡是通過直線、圓弧等擬合的,這些擬合曲線和實際曲線存在一定誤差,這些誤差使得實際焦點和加工對象表麵的相對位置和理想編程位置產生一定誤差。而有些示教編程係統也會引進一些偏差。
2 激光切割過程中焦點位置在線檢測與控製係統的組成
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