激光切割中的焦點位置檢測方法研究
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激光切割加工具有切割精度高、切割速度快、熱效應低、無污染、無噪音等優點，在汽車、船舶、航空航天和電子工業中都得到了廣泛的應用。而激光切割加工質量與激光焦點與工件之間的相對位置有著密切的關系，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量的關鍵之一。
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，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，在使用中各有優缺點。電感傳感器的響應頻率較低，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云和噴渣的干擾的影響。
本文將系統討論激光切割加工中激光焦點位置誤差的產生途徑和自動消除誤差的控制系統的組成。在此基礎上分別討論了兩種傳感器檢測系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生
在激光切割過程中，產生焦點和被加工對象表面之間相對位置發生變化的因素很多，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，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的影響也會產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生表面的不平，所有這些，都會產生激光焦點與被加工對象表面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，復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生一定誤差。而有些示教編程系統也會引入一些偏差。
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由控制器、檢測系統、執行裝置等部分組成。
獨立式焦點位置檢測與控制系統采用單獨的坐標軸進行焦點位置誤差的補償控制，機械結構復雜，成本較高，但可與各種數控系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進給軸（對平面加工）或多個進給軸的合成（對于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、成本低，易于調整等優點，但要求和數控系統統一設計，對數控系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沖信號，通過對脈沖信號進行頻率采樣和處理，得到相應的電容量。這里的電容為切割噴嘴和切割對象之間兩個極板形成的電容。顯然其電容量除了與兩個極板的面積有關外，還與極板之間的介質、極板之間的距離有關。而這個距離就與激光聚焦鏡和工件之間的距離有關，也就是與激光焦點與工件之間的距離有關，所以電容量近似和焦點位置與切割對象之間的距離有關。這就是電容傳感器檢測焦點位置的原理。
2.2 電感傳感器檢測電路
如圖3所示，由于采用了最新的大規模集成電路，電感傳感器的檢測電路比較簡單，且集成電路采用了新的調制解調方法和算法，減少了以前的檢測外差式調頻檢測電路方法由于傳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。
傳感器信號通過處理后得到與傳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。
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