摘要：激光切割技术在加工制造业的应用越来越广泛,激光切割机控制系统的开发设计成为热门领域。本研究结合激光切割机的实际应用要求，提出了其自动跟踪系统的设计方法。
关键词：激光切割；位移传感器；信号检测电路
前言
激光是上世纪最重要的发明之一。激光切割技术是激光加工技术的重要组成部分。在过去的20年里,它在工业中广泛应用,开发大功率、高速、高精度的激光设备是重要的发展方向。下面，结合实际生产需求，介绍一种稳定性高、效率高、精度高的激光切割机自动跟踪系统以提高设备的性能。
1.位移传感器的设计
整个Z轴跟踪系统最重要的是采集激光束焦点与工件间的相对距离，因此传感器的设计非常重要。目前激光头前端上安装的传感器一般为电容传感器，被加工金属板材作为电容的一极，用于激光加工的喷嘴作为电容的另一极，两极之间的电容和它们之间距离成反比，因此通过电容就可以控制激光加工的焦点[1]。如图1所示，两极板分别为切割头喷嘴感应极板1和待切割金属工件，感应极板随激光切割头一起沿Z轴方向做上下微位移垂直移动，根据电磁学原理，两极板间的电容量大小为：
图1激光切割头
C=εS/h（1）
式中：ε———极板之间介电常数；
S———极板相对有效面积；
H———两极板间距离。
图2导流铜环感应极板
在激光加工过程中，激光束与金属工件相互作用会产生大量等离子体，从而改变极板间的介质。如图2所示，为了防止介质对电容传感器的影响，可将感应极板设计成空心的导流铜环状2，通过白色塑料环3和切割机机床壳体隔离，采用这种方法可以有效减少等离子云的干扰影响。感应电极的信号通过一个套在绝缘体的插针4连接到传感器检测电路，相较传统电线连接而言，接线距离短、接触牢靠，传输效果更佳，保证了电容焦点跟踪的良好效果。
采集到电容信号后，需要设计传感器检测电路，将电容信号稳定可靠地传输给单片机，现有的传感器检测电路通常设置在激光发生器调节机构和切割头前端之间，检测、维修时需整体拆卸，操作十分不方便。为此，我们将传感器检测电路单独封装在壳体一侧的小盒子里（部件5），其安装在激光头壳体的外侧，且可通过USB接口6将检测电路输出信号传给下一级的单片机电路。这种独立的设计使得传感器不仅传输稳定，又方便拆卸，在检测维修的时候操作简单[2]。
考虑到信号传输稳定性和结构合理性，我们设计了如图3所示的差动式传感器检测电路。其中芯片TLC556是一个双路振荡器，它将输入的电容信号转为频率信号输出，THR和TRIG是振荡器的两个输入端，随着对电容的充电和放电，输入电压在一定范围内变化。当输入低于触发值时输出高电平，输入高于门槛值时输出低电平，从而将电容的变化反应在频率上。感应极板的输入信号通过图中箭头位置接入双路振荡器的其中一路，另外一路的输入稳定不变。当两极板间距离不变时，通过调整电位器P1，使得两路振荡器的输出频率一样；当距离变化时，X1B路输入电容发生变化，充电时间发生变化，从而输出的频率信号fd发生变化，而XIA路是不变的，输出频率fv保持不变，那么通过芯片SN74LVC1G79DBVR就能采集到两者的频率差值，并转为电压信号Fd传输给下一级电路[3]。
图3传感器电路
2.信号检测电路的设计
系统采用变极性电容传感器，电容值和两极板间距离成反比，而空气的介电常数很小，两极的有效面积为一激光点，因此Z轴电容传感器的电容量很小，甚至不到1个皮法。在实际应用中，为了提高灵敏度、改善非线性及克服外界条件变化对测量精度的影响，在传感器电路中不仅设计了差动传输方式，提高传输的稳定性，后续的信号检测电路中还通过VFC110芯片将频率信号转为电压信号，通过AD650芯片将信号进行放大，其检测电路如图4所示。
图4信号检测电路电路
采用高性能电压-频率转换器VFC110，为高精度的A/D转换器[4]。通过USB端子CON1将图3中位移传感器的信号Fd接到VFC110的11引脚，输出的电压信号通过12引脚接到仪表放大器AD650的正极。仪表放大器的负极信号来自单片机，单片机的P2.2和P2.1输出控制伺服电机运行的频率信号，该频率信号通过DAC8570转换为电压信号，接到仪表放大器的负极。
仪表放大器AD650主要是对传感器信号进行精密的电压放大，同时对共模干扰信号进行抑制，提高信号的质量。系统中AD650以差模方式输出传感器位移变化信号，输出的模拟信号再通过ADS1110转为数字信号，输出控制后续的伺服电机驱动器。此信号放大器关系到整个放大电路的优劣，和一般通用放大器相比，此电路具有高输入阻抗、高共模抑制比、低失调与漂移、低噪声和高闭环增益稳定性等性能。
3.单片机控制系统的设计
由于激光切割加工工件存在表面起伏误差，为了使切口处获得最佳的切割质量，激光焦点一般应位于被加工工件表面以下板厚约1/3处，因此在激光加工过程中，要自动检测激光头到工件表面的距离，反馈到单片机系统，实时调整伺服电机转速，控制激光头运行，从而保证激光头到工件表面的距离为恒定值，实现自动跟踪。
激光切割机自动跟踪系统是一套独立的位置检测和控制系统，用单独的坐标轴进行传感器信号的采集和位置误差补偿控制，可以和各种激光切割机配合使用，它由单片机控制器、仪表放大器、检测系统、信号处理系统和执行装置等部分共同组成，系统框图如图5所示。
图5激光切割机主动跟踪系统框图
在控制系统设计时，采用目前主流单片机STC15W4K56S4为控制芯片，单片机控制系统电路框图如图6所示，电容传感器采集到的实时距离信号通过检测电路送至仪表放大器一端，单片机输出初始距离信号至仪表放大器的另一端，经差分放大后输出至伺服电机驱动器，实时调整伺服电机速度，从而实现激光头的自动跟踪。
图6单片机控制系统框图
单片机还外扩了键盘和显示屏，可以通过显示屏显示当前实时的距离和电容值，也可以通过按键对初始距离进行设定，整体实物图如图7所示，包括电容传感器、激光头、伺服电机、伺服驱动器、显示屏和按键等。
图7整体实物图
4.系统调试
经过现场调试，我们所设计的电容传感器电路和信号检测电路能有效采集距离信号，系统运行稳定，很好的实现了激光头的自动跟踪功能。这种在结构上将传感器电路和后续信号检测和处理电路封装在不同位置的设计，既保证了传感器信号的稳定，还方便拆卸，便于检修。
5.结束语
总之，跟踪技术是激光切割机中的一项关键技术,借鉴和参考其他学者的设计方案,本研究以Z轴机构为主线，研究设计了激光切割机自动跟踪系统，针对该系统详细进行了单片机控制电路、电容传感器以及信号检测电路等设计，并经调试，反应出系统性能稳定，具有极高的推广应用价值。
参考文献：
[1]许振鄂, 李适民, 韩晏生,等. 激光加工的Z轴跟踪系统:, CN1107089[P]. 1995.
[2]刘亚平, 彭清连. 数控高度跟踪系统及在激光切割机上的应用[J]. 电工电能新技术, 1991(2):51-54.
[3]孙国军. 激光数控切割中的高度跟随控制[J]. 金属加工(热加工), 2010(24):50-50.
[4]王江. 激光切割机高度跟随及功率控制研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2017.
论文作者:田社斌
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/2/25
标签：信号论文; 传感器论文; 电路论文; 电容论文; 极板论文; 激光论文; 单片机论文; 《电力设备》2018年第25期论文;