激光切割机高度调节系统的设计

发布时间：2019-07-18 07:37

【摘要】：激光切割是热切割技术发展的热点之一,作为一种新兴的热切割方式,它具有高效率、高精度、低噪音、污染小等特点。高度调节系统是激光切割机的一个极其重要的组成部分,它直接关系到激光焦点在加工材料上位置的一致性和准确性,进而决定了工件切割质量的好坏。所以设计一种激光切割机高度调节系统具有重要的意义。本文设计一种以DSP作为主控芯片的激光切割机高度调节系统。首先介绍了研究背景和意义,分析激光切割机高度调节系统的研究现状和发展趋势。论述了激光切割机高度调节系统的需求,完成了系统总体框架的设计。比较多种检测手段的优缺点,根据该调节系统的特点,最终选择电容式位移传感器作为高度检测的传感器。结合变论域思想和模糊控制理论,对切割头所在机械臂的高度进行闭环控制,设计了激光切割机高度调节系统变论域模糊控制器。对电容式位移传感器进行了工作原理和电气特性分析,通过建模推导电容值与距离的关系曲线,理论计算出电容的变化情况,为电容检测电路提供理论支持。设计以CAV424为核心的电容检测电路,并将CAV424转换后所得的模拟电压信号作为检测模块DSP的输入。同时,设计了分段最小二乘法非线性化校正程序。检测模块DSP对模拟电压信号进行模数转换和数字滤波,并利用非线性化校正程序进行曲线拟合,最终得到高精度的距离测量值。完成了以DSP作为核心的控制模块的硬件和软件设计,通过软硬件模块的配合实现激光切割机调节系统的各个功能。结合变论域思想和模糊控制算法,设计变论域模糊控制器。对该控制器进行仿真研究,并通过软件实现。最后搭建了激光切割机高度调节系统的试验平台,对系统进行了实验测试,并通过对比,发现实验结果与预期相符,满足各项性能指标。
文内图片：激光切割原理图

图片说明：发展的是高复杂度、多样化、高精度加工零件的需求设备已很难满足复杂度高、形状多变、柔性化的高精在金属加工领域，金属的切割是其一个至关重要的组件的加工质量、尺寸精度、切割效率以及工件的利用产成本和质量[1]。金属切割的方法很多，但目前用的工艺为热切割。目前市面上采用较多的热切割方式多等离子切割以及火焰切割。其中，速度快、效率高、点决定了激光切割技术广阔的应用前景和适用范围[2]。割从根本上来就讲就是一个激光光能转换为热能的过一道光束，其功率虽大，然而其光束光斑范围越大，能并不足以融化金属，因此需要利用聚焦透镜将激光光的焦点处于合适的位置。此时，激光的能量聚集到一个能作用于待切割材料，转换成热能。在高功率的能量至气化[4]。通过对喷嘴吹气，直接吹散气化后的金属吹走，如图 1-1 所示。
文内图片：离焦量对材料厚度及切割缝隙影响关系图

图片说明：至关重要的有：切割时水平移动的速度、激光发生器的功率、焦点与工件的相对位置、喷嘴形状和构造以及辅助气体的品种和压强大小[5]。在本论文中，主要讨论焦点的对焦位置对工件加工的影响。焦点与加工工件的相对距离被称做离焦量。根据光学原理可知，激光光束聚焦后，透镜焦长直接影响到光斑的大小，二者成正比关系。若是想要获得的焦深比较宽，则需要选择焦距比较长的透镜。这种情况下，，若是需要加工厚度较大的材料，则可通过增大激光发生器的功率来实现。反之，若是需要用小功率激光发生器切割比较薄的材料，就需要聚焦后的光斑很小才能使能量都聚集在一个点上。这时焦深比较浅，选择一个焦距比较短的透镜即可。当然，使用短焦的透镜，其可供上下调节的空间余量也会比较少。在实际操作中，为了保证能量的充分利用，通常会保证焦点位置在加工材料的表面或稍下的地方。因此焦点位置的变化极大程度上影响着切割质量[6]。焦点与加工工件的相对位置（即离焦量）对工件厚度以及切割缝隙的宽度的影响可以通过图 1-2 来了解。从图中不难发现，为了获得最小的切割缝隙和最大的切割厚度，则需切割焦点保持在加工工件表面之下约 1/3 厚度的位置。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG485

【参考文献】