作者：朱國力，段正澄，龔時華 |
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引言
激光切割加工具有切割精度高、切割速度快、熱效應(yīng)低、無污染、無噪音等優(yōu)點，在汽車、船舶、航空航天和電子工業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用。而激光切割加工質(zhì)量與激光焦點與工件之間的相對位置有著密切的關(guān)系，保證激光焦點和切割對象之間的合理的相對位置是保證激光切割加工質(zhì)量的關(guān)鍵之一。
激光聚焦的焦點位置無法直接測量，但可以通過間接方法檢測。對于一個激光切割加工系統(tǒng)，其焦點位置是由聚焦鏡的光學(xué)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(yīng)），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(guān)系。
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(yōu)缺點。電感傳感器的響應(yīng)頻率較低，不太適用于高速加工和像!維加工這樣需要非接觸檢測的場合；電容傳感器，具有響應(yīng)速度快，檢測精度高等優(yōu)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(chǎn)生的等離子云和噴渣的干擾的影響。
本文將系統(tǒng)討論激光切割加工中激光焦點位置誤差的產(chǎn)生途徑和自動消除誤差的控制系統(tǒng)的組成。在此基礎(chǔ)上分別討論了兩種傳感器檢測系統(tǒng)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(chǎn)生
在激光切割過程中，產(chǎn)生焦點和被加工對象表面之間相對位置發(fā)生變化的因素很多，被加工工件表面凸凹不平、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(fā)生偏差。有些誤差（如機床的幾何誤差）具有規(guī)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，只能通過在線檢測和控制來消除，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，由于各種?因的影響，加工對象表面具有起伏不平，且在切割過程中的熱效應(yīng)的影響也會產(chǎn)生薄板零件的表面變形，對于1維激光加工，覆蓋件在壓制成型過程中也會產(chǎn)生表面的不平，所有這些，都會產(chǎn)生激光焦點與被加工對象表面的位置與理想位置發(fā)生隨機變化。
1.2 工件裝夾裝置產(chǎn)生的誤差
激光切割加工的工件是放在針狀工作臺上，由于加工誤差、長時間與工件之間的磨損和激光的燒傷，針床會出現(xiàn)凸凹不平，這種不平也會產(chǎn)生薄鋼板和激光焦點之間的位置的隨機誤差。
1.3 編程產(chǎn)生的誤差
在1維激光切割加工過程中，復(fù)雜曲面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面的相對位置和理想編程位置產(chǎn)生一定誤差。而有些示教編程系統(tǒng)也會引入一些偏差。
2激光切割過程中焦點位置在線檢測與控制系統(tǒng)的組成
如圖1所示，激光切割焦點位置在線檢測與控制系統(tǒng)由控制器、檢測系統(tǒng)、執(zhí)行裝置等部分組成。
 根據(jù)焦點位置檢測控制系統(tǒng)和系統(tǒng)的關(guān)系，焦點位置檢測控制系統(tǒng)分為獨立式和集成式兩種。
獨立式焦點位置檢測與控制系統(tǒng)采用單獨的坐標軸進行焦點位置誤差的補償控制，機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，但可與各種數(shù)控系統(tǒng)和激光切割機床配合使用。
而集成式采用激光切割機床本<
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