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《哈尔滨工业大学》 2017年
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激光切割机高度跟随及功率控制研究

王江  
【摘要】:激光切割加工技术是一种先进的制造技术,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。在激光切割加工中,激光焦点与工件之间的距离以及激光功率密度是否恒定是影响切割质量的重要因素。本文就此展开研究,并设计了控制系统,使激光焦点高度跟随工件变化,同时调节工件的功率密度保持一致。本文分析和总结了激光切割机高度跟随及功率控制的国内外研究现状和发展趋势,在介绍了激光切割加工的基本过程的基础上,针对主流激光切割头的构造进行了分析,把切割头和工件分别看作电容的两个极板,构成电容式传感器,进而将切割头与工件之间的高度转化为电容量,然后利用调频电路实现电容测量。并且进一步对电容传感器的数学模型,不同频率下激光切割头与加工工件之间电路的等效模型进行了理论分析,为设计电容检测电路提供了理论指导。同时,分析了激光控制信号与输出功率存在的非线性,切割速度对切割质量的影响,为了保证能量密度一致,实际测量激光控制信号与加工速度的对应数据,根据查表法使激光功率输出随速度实时变化。在理论分析的基础上,讨论了电容传感器的测量方案,设计了Clapp调频振荡电路,将激光焦点与工件相对高度变化引起的微小电容变化转化为频率信号的变化,经放大、整形滤波后利用多周期同步测频法测量频率变化,并以最小二乘曲线拟合法进行非线性校正,然后利用模数转换线性的输出模拟量给数控系统,采取合适的PID参数控制伺服传动实时调节焦点与工件的相对高度。同时根据机床速度,以查表法得到对应的激光功率PWM控制信号,控制功率输出随速度实时变化。基于C++编写了串口通信、参数配置和工艺库软件,提高了人机友好及通用性。通过实验验证电容传感器的精度、稳定度、线性度等性能指标满足控制要求,在合适的PID参数下实现了准确度高、响应快速的跟随控制,调整不同功率参数进行切割效果对比,分析其对切割质量的影响,为实际的生产中建立工艺库提供参考。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN249

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