引言 

    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(you) 點，在汽車、船舶、航空航天和電子工業(ye) 中都得到了廣泛的應用。而激光切割加工質量與(yu) 激光焦點與(yu) 工件之間的相對位置有著密切的關(guan) 係，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量的關(guan) 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。對於(yu) 一個(ge) 激光切割加工係統，其焦點位置是由聚焦鏡的光學焦點決(jue) 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(guan) 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(chuan) 感器和電容傳(chuan) 感器來檢測，在使用中各有優(you) 缺點。電感傳(chuan) 感器的響應頻率較低，不太適用於(yu) 高速加工和像!維加工這樣需要非接觸檢測的場合；電容傳(chuan) 感器，具有響應速度快，檢測精度高等優(you) 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(chan) 生的等離子雲(yun) 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(chan) 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(liang) 種傳(chuan) 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(chan) 生 

    在激光切割過程中，產(chan) 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(hui) 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(chang) 方法進行補償(chang) ，但有些誤差為(wei) 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(wei) 板材或覆蓋件型零件，由於(yu) 各種?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(hui) 產(chan) 生薄板零件的表麵變形，對於(yu) 1維激光加工，覆蓋件在壓製成型過程中也會(hui) 產(chan) 生表麵的不平，所有這些，都會(hui) 產(chan) 生激光焦點與(yu) 被加工對象表麵的位置與(yu) 理想位置發生隨機變化。 

1.2 工件裝夾裝置產(chan) 生的誤差 

     激光切割加工的工件是放在針狀工作台上，由於(yu) 加工誤差、長時間與(yu) 工件之間的磨損和激光的燒傷(shang) ，針床會(hui) 出現凸凹不平，這種不平也會(hui) 產(chan) 生薄鋼板和激光焦點之間的位置的隨機誤差。 

1.3 編程產(chan) 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(chan) 生一定誤差。而有些示教編程係統也會(hui) 引入一些偏差。 

2 激光切割過程中焦點位置在線檢測與(yu) 控製係統的組成 

     如圖1所示，激光切割焦點位置在線檢測與(yu) 控製係統由控製器、檢測係統、執行裝置等部分組成。

   根據焦點位置檢測控製係統和係統的關(guan) 係，焦點位置檢測控製係統分為(wei) 獨立式和集成式兩(liang) 種。 

    獨立式焦點位置檢測與(yu) 控製係統采用單獨的坐標軸進行焦點位置誤差的補償(chang) 控製，機械結構複雜，成本較高，但可與(yu) 各種數控係統和激光切割機床配合使用。 

     而集成式采用激光切割機床本身的一個(ge) 進給軸（對平麵加工）或多個(ge) 進給軸的合成（對於(yu) 1維切割加工）運動來進行焦點位置誤差的補償(chang) 。這種方式具有結構簡單、成本低，易於(yu) 調整等優(you) 點，但要求和數控係統統一設計，對數控係統的開放性要求較高。 

2.1 電容傳(chuan) 感器檢測電路 

     如圖2所示，電容傳(chuan) 感器檢測電路由調諧振蕩器、信號放大器、晶體(ti) 穩頻振蕩器、同步電路、混頻電路、信號處理電路等將電容量信號變成對應頻率的脈衝(chong) 信號，通過對脈衝(chong) 信號進行頻率采樣和處理，得到相應的電容量。這裏的電容為(wei) 切割噴嘴和切割對象之間兩(liang) 個(ge) 極板形成的電容。顯然其電容量除了與(yu) 兩(liang) 個(ge) 極板的麵積有關(guan) 外，還與(yu) 極板之間的介質、極板之間的距離有關(guan) 。而這個(ge) 距離就與(yu) 激光聚焦鏡和工件之間的距離有關(guan) ，也就是與(yu) 激光焦點與(yu) 工件之間的距離有關(guan) ，所以電容量近似和焦點位置與(yu) 切割對象之間的距離有關(guan) 。這就是電容傳(chuan) 感器檢測焦點位置的原理。#p#分頁標題#e#

    從(cong) 圖中可以看出，頻率和焦點位置誤差之間的關(guan) 係為(wei) 非線性關(guan) 係，必須通過計算機進行線性化處理。同時，由於(yu) 電容量還和極板之間的介質有關(guan) ，所以檢測結果容易受加工過程中產(chan) 生的等離子雲(yun) 和噴渣影響，必須加以克服。 

2.2 電感傳(chuan) 感器檢測電路 
    如圖3所示，由於(yu) 采用了最新的大規模集成電路，電感傳(chuan) 感器的檢測電路比較簡單，且集成電路采用了新的調製解調方法和算法，減少了以前的檢測外差式調頻檢測電路方法由於(yu) 傳(chuan) 感器的激勵信號的相角、頻率以及幅值漂移對檢測結果的影響，大大提高了檢測精度和穩定性。 

    傳(chuan) 感器信號通過處理後得到與(yu) 傳(chuan) 感器測頭位移成正比的電壓信號，通過變換電路轉換成相應的頻率信號，通過計算機處理得到了焦點的位置誤差信號。

    由於(yu) 電感傳(chuan) 感器的固有特性，對被測信號的頻率有一定的限製（幾百），不太適用於(yu) 高速加工場合，同時，由於(yu) 其為(wei) 接觸式檢測方式，隻能用於(yu) 平麵加工場合。

3 切割過程中等離子雲(yun) 對焦點位置檢測係統的影響 
    在工件尚未被切穿的瞬間，激光和金屬相互作用，在噴嘴和加工對象之間產(chan) 生雲(yun) 霧狀等離子體(ti) ，改變電容極板之間的介質，從(cong) 而對電容傳(chuan) 感器產(chan) 生幹擾。在正常切割過程中，輔助氣體(ti) 將等離子體(ti) 從(cong) 切縫中吹散，對電容傳(chuan) 感器產(chan) 生影響較小。但如果加工速度太快和剛開始切割時，由於(yu) 工件未被完全切穿，激光照射點附近會(hui) 產(chan) 生等離子體(ti) 雲(yun) ，對電容傳(chuan) 感器產(chan) 生幹擾，嚴(yan) 重時甚至使傳(chuan) 感器無法正常工作，嚴(yan) 重影響加工質量。圖4為(wei) 等離子體(ti) 幹擾示意圖。

由電磁學原理可知，相鄰的兩(liang) 個(ge) 極板間電容量為(wei)  

C=εS/h 
式中ε---極板之間介電常數)一般為(wei) (1) 
S---極板相對有效麵積 
h---兩(liang) 極板間距離 

     如果沒有等離子體(ti) 的幹擾，那麽(me) ，根據式(1)所測到的電容就和極板（噴嘴和加工對象）之間距離成反比，由電容量可以方便求出兩(liang) 極板間距離，進而求出焦點和被加工對象之間的相對位置。 

    但是，當噴嘴和被加工對象之間存在等離子體(ti) 或噴渣時，電容極板之間的電介質就不是空氣了，其介電常數就發生變化。由電容原理公式，此時兩(liang) 個(ge) 極板間電容量為(wei) ： 

C'=ε S1 /[(h-h1)+h1ε/ε1 ]+εS2/h (2) 

式中ε1---等離子體(ti) 的介電常數 
h1---等離子體(ti) 雲(yun) 的厚度 
S1 + S2 =S分別為(wei) 有等離子雲(yun) 或噴渣的區域和無等離子雲(yun) 或噴渣的區域的麵積。 

如果等離子雲(yun) 均勻分布於(yu) 噴嘴和被加工對象之間的一定高度範圍之內(nei) ，則電容傳(chuan) 感器所測得的兩(liang) 極板間距離為(wei) ： 

h'=(h-h1)+ h1ε/ε1 (3) 

檢測的誤差理論值： 

Δh = h'-h 
= h1 (ε/ε1 -1) (4) 

    從(cong) 式(4)可知，誤差的大小由極板間等離子體(ti) 雲(yun) 的厚度及等離子體(ti) 的介電常數決(jue) 定。而等離子體(ti) 介電常數具有非常大的值，可以達到105的數量級。所以由式(4)可以看出等離子雲(yun) 或噴渣對檢測結果的影響是非常大的，文獻[2～4]得出，如果等離子體(ti) 雲(yun) 的厚度為(wei) 1～2mm，則由電容傳(chuan) 感器檢測的兩(liang) 極板間距離的理論誤差也達到1～2mm，顯然達不到激光焦點位置檢測的精度指標（為(wei) ±0.2mm）。 

4 傳(chuan) 感器優(you) 化設計技術減少等離子雲(yun) 對檢測結果的影響 

     等離子體(ti) 對電容傳(chuan) 感器的幹擾是由於(yu) 等離子體(ti) 改變了電容兩(liang) 極板之間的介質。因此，為(wei) 了消除等離子體(ti) 對電容傳(chuan) 感器的幹擾，就要使電容兩(liang) 極板之間的介質不受等離子體(ti) 的影響，可以加大圓環形極板的中心小孔和將電容傳(chuan) 感器移至等離子雲(yun) 以外兩(liang) 種方法來實現。

(1)要消除等離子體(ti) 對電容量的影響，就要將等離子體(ti) 置於(yu) 電容傳(chuan) 感器的極板之外。考慮到等離子雲(yun) 是沿切割點周圍分布的，因此可以如圖5所示：將圓環形極板的中心小孔直徑擴大至2～3mm並嵌入絕緣的耐高溫陶瓷材料，由於(yu) 電容傳(chuan) 感器極板是空心的，在不考慮邊緣效應的情況下，照射點附近的等離子體(ti) 雲(yun) 對傳(chuan) 感器電容量和檢測值不產(chan) 生影響，所以采用這種辦法能有效地減小等離子雲(yun) 的幹擾影響。

(2)對於(yu) 平麵激光切割加工，還可以通過機械傳(chuan) 動方法進行間接測量。即通過一機械裝置跟隨被加工對象運動，將機械裝置的上端和檢測傳(chuan) 感器形成極板，通過檢測傳(chuan) 感器和這個(ge) 機械裝置之間的距離來間接檢測激光焦點和被加工對象之間的位置。這種方法可以最大限度避免了離子雲(yun) 和噴渣對檢測精度的影響，也發揮了電容傳(chuan) 感器響應迅速的優(you) 點。 

5 結論 

    激光焦點位置檢測與(yu) 控製是激光切割加工的關(guan) 鍵技術之一，對於(yu) 快速切割加工，焦點位置檢測精度和快速性將直接影響到焦點位置的控製精度和加工質量，電容傳(chuan) 感器具有檢測靈敏度高、響應快速的優(you) 點，可以通過計算機係統的線性化來克服其非線性； 
    通過特殊的傳(chuan) 感器結構來消除加工過程中產(chan) 生的等離子雲(yun) 和噴渣對檢測結果的影響，提高其在激光切割加工係統中的使用效果。