实现激光切割头随动系统信号处理的装置的制作方法

本发明涉及激光技术应用领域，尤其涉及数字运动控制领域，具体是指一种实现激光切割头随动系统信号处理的装置。

背景技术：

激光切割技术是通过将激光束聚集成很小的光斑，使焦点处的材料瞬间气化，形成孔洞完成切割。与传统切割方法相比具有切割缝隙窄、切割速度快、切面质量好、无刀具损耗、可切割几乎任何性质的材料和无运行惯性等优点。因此激光切割技术已被加工行业广泛应用。

激光切割过程中需保证切口处瞬间气化，才能达到最佳效果。这就需要激光切割头的喷嘴与工件保持恒定间隔。由于夹具误差和工件本身平整度等问题，喷嘴需动态调整高度，从而保证切割质量。因此激光切割过程中必须采用一种动态调节激光切割头与工件之间间隔的装置。该装置由距离测量传感器、控制器和伺服系统组成；距离传感器负责快速采集激光切割头与工件之间的距离，控制器接收距离传感器发送来的距离信号，并采用相关控制算法将控制信号发送到伺服系统，伺服系统控制电机动态调节激光切割头的高度，从而保证激光切割头与工件直接距离恒定。

现有激光切割头距离传感器均利用工件与激光切割头之间形成的电容表示高度信息，测量电容值从而得出高度信息。目前激光切割随动系统的电容值信号主要有两种获取方案：一种是将板间电容充电将其转换为电压信号，由控制器测量电压平均值来推算出高度、另一种采用lc谐振电路将电容值转换为频率信号再由控制器采集频率推算高度。第一种方法的劣势在于：1)模拟信号易受干扰影响其正常工作，具体表现在为切割过程中随动功能失效，激光切割头异常抖动导致加工失败。2)模拟信号无法远距离传输，对线缆的质量要求较高。现在第一种测量方法已被逐步淘汰。第二种方法相比第一种方法，电容值信号由模拟量转换为数字频率信号，抗干扰性能大幅提升，但实际应用环境干扰较大时，数字频率信号会被干扰导致脉冲丢失，传统的频率采集方法已无法保证激光切割头随动效果。

技术实现要素：

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足抗干扰能力强、传输要求低、环境适应性强的实现激光切割头随动系统信号处理的装置。

为了实现上述目的，本发明的实现激光切割头随动系统信号处理的装置如下：

该实现激光切割头随动系统信号处理的装置，其主要特点是，所述的装置包括带通滤波器、隔直单元、整形单元和隔离单元，所述的装置还与外部的激光切割头相连接，激光切割头与工件相连，所述的隔直单元的接收端与带通滤波器相连接，所述的整形单元的接收端与隔直单元相连接，所述的隔离单元的接收端与整形单元相连接；

所述的装置接收激光切割头输出的频率信号，所述的带通滤波器去除非频率范围内的干扰信号，将信号滤波及整形成数字方波频率信号，所述的隔直单元对方波信号进行采样，所述的整形单元进行自适应处理，所述的隔离单元检测输入信号两个上升沿间隔，并对受干扰的电容值信号进行屏蔽，并采用估算值填充；所述的隔离单元还与fpga单元相连，隔离单元将信号输入至fpga单元，由fpga单元处理频率信号并控制伺服系统，实现随动功能。

较佳地，所述的电容频率信号输出模块由激光切割头、lc谐振电路与信号放大电路组成，输出频率信号。

较佳地，所述的带通滤波器包括带通滤波器、整形单元、隔离单元，所述的整形单元的输入端与带通滤波器相连，所述的隔离单元与整形单元相连，所述的带通滤波器滤除非频率范围内的干扰信号，通过整形单元将正弦信号整形成同频方波，经过隔离单元输入至隔直单元。

较佳地，所述的隔直单元包括第一d触发器、第二d触发器、第三d触发器和第四d触发器，所述的第一d触发器、第二d触发器和第三d触发器分别级联，通过两级与非门后与第四d触发器相连接，在第一d触发器、第二d触发器和第三d触发器的时钟上升沿锁存输入信号，第四d触发器在4个时钟内对采样数据进行滤波。

较佳地，所述的隔直单元包括第五d触发器、第六d触发器和计数器，所述的第五d触发器和第六d触发器级联，所述的第五d触发器和第六d触发器在采样时钟上升沿采样，对第六d触发器的输出取反，并与第五d触发器的输出接入计数器的复位端口，由时钟信号提供计数器信号，输出计数结果。

较佳地，所述的隔离单元检测输入信号两个上升沿间隔，在检测到两个上升沿的间隔大于所设定的误差范围时，对前一周期及后续多个电容周期进行屏蔽，直至检测到与设定目标相同的时钟周期，根据屏蔽时长得到屏蔽补偿值。

采用了本发明的实现激光切割头随动系统信号处理的装置，对激光切割头的高度信息通过喷嘴与工件的电容表示出来，将电容值信号转换为数字频率信号进行处理，并采用硬件滤波与软件自适应抗干扰处理，抗干扰能力更强，对传输线要求低，现场环境适应性强，可在驱动器动力线和信号线耦合的情况下正常工作保障了激光切割过程的稳定性。可明显降低激光切割过程中的抖动。

附图说明

图1为本发明的实现激光切割头随动系统信号处理的装置的激光切割头结构示意图。

图2为本发明的实现激光切割头随动系统信号处理的装置的带通滤波器示意图。

图3为本发明的实现激光切割头随动系统信号处理的装置的fpga内部的隔直单元示意图。

图4为本发明的实现激光切割头随动系统信号处理的装置的隔直单元滤波效果图。

图5为本发明的实现激光切割头随动系统信号处理的装置的fpga内部的整形单元示意图。

图6为本发明的实现激光切割头随动系统信号处理的装置的隔离单元效果图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明的该实现激光切割头随动系统信号处理的装置，其中包括带通滤波器、隔直单元、整形单元和隔离单元，所述的装置还与外部的激光切割头相连接，激光切割头与工件相连，所述的隔直单元的接收端与带通滤波器相连接，所述的整形单元的接收端与隔直单元相连接，所述的隔离单元的接收端与整形单元相连接；

所述的装置接收激光切割头输出的频率信号，所述的带通滤波器去除非频率范围内的干扰信号，将信号滤波及整形成数字方波频率信号，所述的隔直单元对方波信号进行采样，所述的整形单元进行自适应处理，所述的隔离单元检测输入信号两个上升沿间隔，并对受干扰的电容值信号进行屏蔽，并采用估算值填充；所述的隔离单元还与fpga单元相连，隔离单元将信号输入至fpga单元，由fpga单元处理频率信号并控制伺服系统，实现随动功能。

作为本发明的优选实施方式，所述的电容频率信号输出模块由激光切割头、lc谐振电路与信号放大电路组成，输出频率信号。

作为本发明的优选实施方式，所述的带通滤波器包括带通滤波器、整形单元、隔离单元，所述的整形单元的输入端与带通滤波器相连，所述的隔离单元与整形单元相连，所述的带通滤波器滤除非频率范围内的干扰信号，通过整形单元将正弦信号整形成同频方波，经过隔离单元输入至隔直单元。

作为本发明的优选实施方式，所述的隔直单元包括第一d触发器、第二d触发器、第三d触发器和第四d触发器，所述的第一d触发器、第二d触发器和第三d触发器分别级联，通过两级与非门后与第四d触发器相连接，在第一d触发器、第二d触发器和第三d触发器的时钟上升沿锁存输入信号，第四d触发器在4个时钟内对采样数据进行滤波。

作为本发明的优选实施方式，所述的隔直单元包括第五d触发器、第六d触发器和计数器，所述的第五d触发器和第六d触发器级联，所述的第五d触发器和第六d触发器在采样时钟上升沿采样，对第六d触发器的输出取反，并与第五d触发器的输出接入计数器的复位端口，由时钟信号提供计数器信号，输出计数结果。

作为本发明的优选实施方式，所述的隔离单元检测输入信号两个上升沿间隔，在检测到两个上升沿的间隔大于所设定的误差范围时，对前一周期及后续多个电容周期进行屏蔽，直至检测到与设定目标相同的时钟周期，根据屏蔽时长得到屏蔽补偿值。

本发明的具体实施方式中，通过对激光切割头输出的高度频率信号进行处理，实现抗干扰目的，保证激光切割头的随动性能。

为实现上述目的，设计了一种对激光切割头和工件间形成的电容转换成数字信号并处理的方案。其中包括使用lc谐振电路对板间电容进行反复充放电形成电容频率相关信号，经过硬件滤波和整形模块为数字方波频率信号，传输至fpga的信号输入端，由fpga对方波信号进行采样和自适应滤波将频率值进行处理后实行对伺服系统的控制。其特征为：

所述的电容频率信号由以下结构构成，lc谐振电路的输出端与信号放大电路的输入构成，输出与电容值相关的频率信号，映射关系为：可知频率f与c之间关系。再根据平板电容与距离间公式：可推出频率与距离之间的关系:a为常数，可知频率f与距离d在距离较小时，近似成线性关系满足c∝1/d。则伺服系统在每个控制周期根据电容值得出高度相关数据，进行运动即可完成高度跟随任务。

上述硬件滤波和整形模块结构为：(1)激光切割的原始信号输入至硬件滤波模块，硬件滤波模块采用带通滤波器将lc振荡频率范围外的干扰信号滤除。滤除干扰后的信号由隔直模块处理。(3)隔直模块去除信号中的直流成分。(4)隔直模块输出的信号由施密特触发器整形成同频方波输入到fpga的信号输入端。

fpga采样过程为：需两个d触发器(1)信号由d触发器1的d端进入，d触发器1的q连接至d触发器2的d端口。d触发器在采样时钟上升沿采样，d触发器2的q输出进行取反与上d触发器1的q输出后接入计数器的复位端口。计数器信号由时钟提供，计数结果即为脉宽，输入自适应处理模块中。可实现精确记录被测信号的周期。

fpga自适应处理过程为：(1)激光切割系统正常切割时高度变化最大值固定对应的电容值及频率固定，可根据此估算下个采样周期的最大、最小周期。电容预估周期值是以上个采样周期100us内计算的电容值算得。(2)当检测到两个上升沿的时钟周期大于所设定的误差范围。对前一周期及后续多个电容周期进行屏蔽，直到检测到多组组相同的时钟周期，屏蔽结束。(3)根据屏蔽时长，使用除法得到屏蔽补偿值。

本发明的具体实施例如下，由激光切割头和工件组成的电容以及相关电路组成的lc谐振器输出频率信号，如图1所示，u1为lc谐振器放大电路功能模块。输出信号经由同轴线传输至随动系统模块。

随动系统接收到激光切割头发送的频率信号，首先由带通滤波器去除非频率范围内的干扰信号，解耦的信号通过整形单元将正弦信号整形成同频方波再经过隔离单元输入至fpga。由fpga将频率信号处理并根据该信息控制伺服系统，实现随动功能。如图2所示，激光切割头输出的信号通过同轴线首先由u2将干扰滤除，再由u3去除直流信号后由u4将信号整形成同频方波，后由u5作为控制器的fpga接收并处理后输出伺服系统控制信号。

fpga内部采用自适应滤波算法实现高精度波形采集其具体实现方法为：(1)由fpga使用200mhz频率进行采样，使用隔直单元对采样数据进行滤波，滤除高频抖动。见图3电容值频率信号连接3个级联的d触发器，d触发器在每个时钟上升沿锁存输入信号，3个级联d触发器可锁存3个连续时间点的信号。3个锁存信号通过两级与非门后再进入带有时钟使能的d触发器，可在4个时钟内完成对周期小于3个时钟采样波形滤除，简单高效。滤波效果如图4所示。(2)由隔直单元完成滤波后，整形单元针对脉冲丢失情况进行自适应处理。如图5所示，首先由级联的d触发器1和d触发器2在采样时钟上升沿采样，d触发器2的输出进行取反与上d触发器1的输出后接入计数器的复位端口。计数器信号由时钟提供，计数结果即为脉宽，输入自适应滤波模块中。(3)隔离单元的工作流程为1.检测输入信号两个上升沿间隔。2.当检测到两个上升沿的间隔大于所设定的误差范围时，对前一周期及后续多个电容周期进行屏蔽，直到检测到与设定目标相同的时钟周期，屏蔽结束。3.根据屏蔽时长，除以上次采用周期内输入信号的周期得到补偿值。效果见图6，s1为标准波形，s2为受干扰后丢失脉冲后的实际波形，标志1位输入信号是异常部分，由检测方法确定该段信号异常在标志1信号的第二个上升沿e点触发。模块持续检测并屏蔽掉输入为标志3所包含区段，屏蔽区域由上个采样周期结果计算出的估测值填充。采集到设定稳定周期个数后解除波形屏蔽结束点位于a点。

采用了本发明的实现激光切割头随动系统信号处理的装置，对激光切割头的高度信息通过喷嘴与工件的电容表示出来，将电容值信号转换为数字频率信号进行处理，并采用硬件滤波与软件自适应抗干扰处理，抗干扰能力更强，对传输线要求低，现场环境适应性强，可在驱动器动力线和信号线耦合的情况下正常工作保障了激光切割过程的稳定性。可明显降低激光切割过程中的抖动。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。