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(ben)文(wen)將(jiang)係(xi)統(tong)討(tao)論(lun)激(ji)光(guang)切(qie)割(ge)加(jia)工(gong)中(zhong)激(ji)光(guang)焦(jiao)點(dian)位(wei)置(zhi)誤(wu)差(cha)的(de)產(chan)生(sheng)途(tu)徑(jing)和(he)自(zi)動(dong)消(xiao)除(chu)誤(wu)差(cha)的(de)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)組(zu)成(cheng)。在(zai)此(ci)基(ji)礎(chu)上(shang)分(fen)別(bie)討(tao)論(lun)了(le)兩(liang)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)檢(jian)測(ce)係(xi)統(tong)組(zu)成(cheng)以(yi)及(ji)實(shi)際(ji)使(shi)用(yong)中(zhong)存(cun)在(zai)的(de)不(bu)足(zu)和(he)克(ke)服(fu)的(de)方(fang)法(fa)。

　　

　　

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(wei)板(ban)材(cai)或(huo)覆(fu)蓋(gai)件(jian)型(xing)零(ling)件(jian)，由(you)於(yu)各(ge)種(zhong)原(yuan)因(yin)的(de)影(ying)響(xiang)
，加(jia)工(gong)對(dui)象(xiang)表(biao)麵(mian)具(ju)有(you)起(qi)伏(fu)不(bu)平(ping)，且(qie)在(zai)切(qie)割(ge)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)熱(re)效(xiao)應(ying)的(de)影(ying)響(xiang)也(ye)會(hui)產(chan)生(sheng)薄(bo)板(ban)零(ling)件(jian)的(de)表(biao)麵(mian)變(bian)形(xing)，對(dui)於(yu)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yuan弧hu等deng擬ni合he的de，這zhe些xie擬ni合he曲qu線xian和he實shi際ji曲qu線xian存cun在zai一yi定ding誤wu差cha，這zhe些xie誤wu差cha使shi得de實shi際ji焦jiao點dian和he加jia工gong對dui象xiang表biao麵mian的de相xiang對dui位wei置zhi和he理li想xiang編bian程cheng位wei置zhi產chan生sheng一yi定ding誤wu差cha。而er有you些xie示shi教jiao編bian程cheng係xi統tong也ye會hui引yin進jin一yi些xie偏pian差cha。

　　

 

 

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

 

根gen據ju焦jiao點dian位wei置zhi檢jian測ce控kong製zhi係xi統tong和he係xi統tong的de關guan係xi，焦jiao點dian位wei置zhi檢jian測ce控kong製zhi係xi統tong分fen為wei獨du立li式shi和he集ji成cheng式shi兩liang種zhong。獨du立li式shi焦jiao點dian位wei置zhi檢jian測ce與yu控kong製zhi係xi統tong采cai用yong單dan獨du的de坐zuo標biao軸zhou進jin行xing焦jiao點dian位wei置zhi誤wu差cha的de補bu償chang控kong製zhi

，機ji械xie結jie構gou複fu雜za，本ben錢qian較jiao高gao

，但dan可ke與yu各ge種zhong數shu控kong係xi統tong和he激ji光guang切qie割ge機ji床chuang配pei合he使shi用yong。而er集ji成cheng式shi采cai用yong激ji光guang切qie割ge機ji床chuang本ben身shen的de一yi個ge進jin給gei軸zhou（對平麵加工）或多個進給軸的合成（對於1維切割加工）運動來進行焦點位置誤差的補償。這種方式具有結構簡單、本錢低，易於調整等優點，但要求和數控係統同一設計
，對數控係統的開放性要求較高。

　　

2.1 電容傳感器檢測電路

　　

如圖2所示
，電容傳感器檢測電路由調諧振蕩器、信號放大器、晶體穩頻振蕩器、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信號
，通過 對(dui)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)頻(pin)率(lv)采(cai)樣(yang)和(he)處(chu)理(li)，得(de)到(dao)相(xiang)應(ying)的(de)電(dian)容(rong)量(liang)。這(zhe)裏(li)的(de)電(dian)容(rong)為(wei)切(qie)割(ge)噴(pen)嘴(zui)和(he)切(qie)割(ge)對(dui)象(xiang)之(zhi)間(jian)兩(liang)個(ge)極(ji)板(ban)形(xing)成(cheng)的(de)電(dian)容(rong)。顯(xian)然(ran)其(qi)電(dian)容(rong)量(liang)除(chu)了(le)與(yu)兩(liang)個(ge)極(ji)板(ban)的(de)麵(mian)積(ji)有(you)關(guan)外(wai)
，還(hai) 與極板之間的介質
、極ji板ban之zhi間jian的de間jian隔ge有you關guan。而er這zhe個ge間jian隔ge就jiu與yu激ji光guang聚ju焦jiao鏡jing和he工gong件jian之zhi間jian的de間jian隔ge有you關guan，也ye就jiu是shi與yu激ji光guang焦jiao點dian與yu工gong件jian之zhi間jian的de間jian隔ge有you關guan，所suo以yi電dian容rong量liang近jin似si和he焦jiao點dian位wei 置與切割對象之間的間隔有關。這就是電容傳感器檢測焦點位置的原理。

 

 

從(cong)圖(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，頻(pin)率(lv)和(he)焦(jiao)點(dian)位(wei)置(zhi)誤(wu)差(cha)之(zhi)間(jian)的(de)關(guan)係(xi)為(wei)非(fei)線(xian)性(xing)關(guan)係(xi)，必(bi)須(xu)通(tong)過(guo)計(ji)算(suan)機(ji)進(jin)行(xing)線(xian)性(xing)化(hua)處(chu)理(li)。同(tong)時(shi)，由(you)於(yu)電(dian)容(rong)量(liang)還(hai)和(he)極(ji)板(ban)之(zhi)間(jian)的(de)介(jie)質(zhi)有(you)關(guan)，所(suo)以(yi)檢(jian)測(ce)結(jie)果(guo)輕(qing)易(yi)受(shou)加(jia)工(gong)過(guo)程(cheng)中(zhong)產(chan)生(sheng)的(de)等(deng)離(li)子(zi)雲(yun)和(he)噴(pen)渣(zha)影(ying)響(xiang)，必(bi)須(xu)加(jia)以(yi)克(ke)服(fu)。

　　

2.2 電感傳感器檢測電路

　　

如圖3suoshi，youyucaiyonglezuixindedaguimojichengdianlu，dianganchuanganqidejiancedianlubijiaojiandan，qiejichengdianlucaiyonglexindetiaozhijietiaofangfahesuanfa，jianshaoleyiqiandejiancewaichashitiaopinjiancedianlufangfayouyuchuanganqidejilixinhaodexiangjiao
、頻率以及幅值漂移對檢測結果的影響，大大進步了檢測精度和穩定性。

　　

chuanganqixinhaotongguochulihoudedaoyuchuanganqicetouweiyichengzhengbidedianyaxinhao
，tongguobianhuandianluzhuanhuanchengxiangyingdepinlvxinhao，tongguojisuanjichulidedaolejiaodiandeweizhiwuchaxinhao。

 

 

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

　　

3.切割過程中等離子雲對焦點位置檢測係統的影響

　　

在(zai)工(gong)件(jian)尚(shang)未(wei)被(bei)切(qie)穿(chuan)的(de)瞬(shun)間(jian)，激(ji)光(guang)和(he)金(jin)屬(shu)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)，在(zai)噴(pen)嘴(zui)和(he)加(jia)工(gong)對(dui)象(xiang)之(zhi)間(jian)產(chan)生(sheng)雲(yun)霧(wu)狀(zhuang)等(deng)離(li)子(zi)體(ti)，改(gai)變(bian)電(dian)容(rong)極(ji)板(ban)之(zhi)間(jian)的(de)介(jie)質(zhi)，從(cong)而(er)對(dui)電(dian)容(rong)傳(chuan)感(gan)器(qi)產(chan)生(sheng)幹(gan)擾(rao)。在(zai)正(zheng)常(chang)切(qie)割(ge)過(guo) chengzhong
，fuzhuqitijiangdengliziticongqiefengzhongchuisan，duidianrongchuanganqichanshengyingxiangjiaoxiao。danjiarujiagongsudutaikuaihegangkaishiqiegeshi，youyugongjianweibeiwanquanqiechuan
，jiguangzhaoshediansizhouhuichanshengdengli 子體雲
，對電容傳感器產生幹擾，嚴重時甚至使傳感器無法正常工作，嚴重影響加工質量。圖4為等離子體幹擾示意圖。

 

 

由電磁學原理可知

，相鄰的兩個極板間電容量為C=εS/h, 式中ε---極板之間介電常數)一般為(1), S---極板相對有效麵積, h---兩極板間間隔, 假如沒有等離子體的幹擾，那麼，根據式(1)所測到的電容就和極板（噴嘴和加工對象）zhijianjiangechengfanbi，youdianrongliangkeyifangbianqiuchuliangjibanjianjiange，jinerqiuchujiaodianhebeijiagongduixiangzhijiandexiangduiweizhi。danshi，dangpenzuihebeijiagongduixiangzhijiancunzaidenglizitihuopenzhashi

，dianrongjibanzhijiandedianjiezhijiubushikongqile

，qijiedianchangshujiufashengbianhua。youdianrongyuanligongshi，cishilianggejibanjiandianrongliangwei：

　　

C''''=ε S1 /[(h-h1)+h1ε/ε1 ]+εS2/h (2), 式中ε1---等離子體的介電常數, h1---等離子體雲的厚度, S1 + S2 =S分別為有等離子雲或噴渣的區域和無等離子雲或噴渣的區域的麵積, 假如等離子雲均勻分布於噴嘴和被加工對象之間的一定高度範圍之內，則電容傳感器所測得的兩極板間間隔為：

　　

h''''=(h-h1)+ h1ε/ε1 (3)

　　

檢測的誤差理論值：

　　

Δh = h''''-h

　　

= h1 (ε/ε1 -1) (4)

　　

從 式(4)可知
，誤差的大小由極板間等離子體雲的厚度及等離子體的介電常數決定。而等離子體介電常數具有非常大的值，可以達到105的數目級。所以由式 (4)可以看出等離子雲或噴渣對檢測結果的影響是非常大的
，文獻[2～4]得出
，假如等離子體雲的厚度為1～2mm
，則由電容傳感器檢測的兩極板間間隔的 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±0.2mm）。

 

　　

等(deng)離(li)子(zi)體(ti)對(dui)電(dian)容(rong)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)幹(gan)擾(rao)是(shi)由(you)於(yu)等(deng)離(li)子(zi)體(ti)改(gai)變(bian)了(le)電(dian)容(rong)兩(liang)極(ji)板(ban)之(zhi)間(jian)的(de)介(jie)質(zhi)。因(yin)此(ci)，為(wei)了(le)消(xiao)除(chu)等(deng)離(li)子(zi)體(ti)對(dui)電(dian)容(rong)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)幹(gan)擾(rao)，就(jiu)要(yao)使(shi)電(dian)容(rong)兩(liang)極(ji)板(ban)之(zhi)間(jian)的(de)介(jie)質(zhi)不(bu)受(shou)等(deng)離(li)子(zi)體(ti)的(de)影(ying)響(xiang)，可(ke)以(yi)加(jia)大(da)圓(yuan)環(huan)形(xing)極(ji)板(ban)的(de)中(zhong)心(xin)小(xiao)孔(kong)和(he)將(jiang)電(dian)容(rong)傳(chuan)感(gan)器(qi)移(yi)至(zhi)等(deng)離(li)子(zi)雲(yun)以(yi)外(wai)兩(liang)種(zhong)方(fang)法(fa)來(lai)實(shi)現(xian)。

　　

(1) 要消除等離子體對電容量的影響，就要將等離子體置於電容傳感器的極板之外。考慮到等離子雲是沿切割點四周分布的，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(bing)嵌(qian)進(jin)盡(jin)緣(yuan)的(de)耐(nai)高(gao)溫(wen)陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)，由(you)於(yu)電(dian)容(rong)傳(chuan)感(gan)器(qi)極(ji)板(ban)是(shi)空(kong)心(xin)的(de)，在(zai)不(bu)考(kao)慮(lv)邊(bian)沿(yan)效(xiao)應(ying)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，照(zhao)射(she)點(dian)四(si)周(zhou)的(de)等(deng)離(li)子(zi)體(ti)雲(yun)對(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)電(dian)容(rong)量(liang)和(he) 檢測值不產生影響，所以采用這種辦法能有效地減小等離子雲的幹擾影響。

 

 

(2) duiyupingmianjiguangqiegejiagong
，haikeyitongguojixiechuandongfangfajinxingjianjiezhangliang。jitongguoyijixiezhuangzhigensuibeijiagongduixiangyundong，jiangjixiezhuangzhideshangduanhejiancechuanganqixingchengjiban，tongguojiancechuangan 器qi和he這zhe個ge機ji械xie裝zhuang置zhi之zhi間jian的de間jian隔ge來lai間jian接jie檢jian測ce激ji光guang焦jiao點dian和he被bei加jia工gong對dui象xiang之zhi間jian的de位wei置zhi。這zhe種zhong方fang法fa可ke以yi最zui大da限xian度du避bi免mian了le離li子zi雲yun和he噴pen渣zha對dui檢jian測ce精jing度du的de影ying響xiang，也ye發fa揮hui了le電dian容rong傳chuan感gan器qi響xiang 應迅速的優點。

　　

　　

激ji光guang焦jiao點dian位wei置zhi檢jian測ce與yu控kong製zhi是shi激ji光guang切qie割ge加jia工gong的de關guan鍵jian技ji術shu之zhi一yi

，對dui於yu快kuai速su切qie割ge加jia工gong，焦jiao點dian位wei置zhi檢jian測ce精jing度du和he快kuai速su性xing將jiang直zhi接jie影ying響xiang到dao焦jiao點dian位wei置zhi的de控kong製zhi精jing度du和he加jia工gong質zhi量liang，電dian容rong傳chuan感gan用yong具ju有you檢jian測ce靈ling敏min度du高gao

、響應快速的優點，可以通過計算機係統的線性化來克服其非線性；通過特殊的傳感器結構來消除加工過程中產生的等離子雲和噴渣對檢測結果的影響
，進步其在激光切割加工係統中的使用效果。