發(fā)布時(shí)間：2019-07-18 07:37

【摘要】：激光切割是熱切割技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一,作為一種新興的熱切割方式,它具有高效率、高精度、低噪音、污染小等特點(diǎn)。高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)是激光切割機(jī)的一個(gè)極其重要的組成部分,它直接關(guān)系到激光焦點(diǎn)在加工材料上位置的一致性和準(zhǔn)確性,進(jìn)而決定了工件切割質(zhì)量的好壞。所以設(shè)計(jì)一種激光切割機(jī)高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有重要的意義。本文設(shè)計(jì)一種以DSP作為主控芯片的激光切割機(jī)高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。首先介紹了研究背景和意義,分析激光切割機(jī)高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。論述了激光切割機(jī)高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的需求,完成了系統(tǒng)總體框架的設(shè)計(jì)。比較多種檢測(cè)手段的優(yōu)缺點(diǎn),根據(jù)該調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn),最終選擇電容式位移傳感器作為高度檢測(cè)的傳感器。結(jié)合變論域思想和模糊控制理論,對(duì)切割頭所在機(jī)械臂的高度進(jìn)行閉環(huán)控制,設(shè)計(jì)了激光切割機(jī)高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)變論域模糊控制器。對(duì)電容式位移傳感器進(jìn)行了工作原理和電氣特性分析,通過(guò)建模推導(dǎo)電容值與距離的關(guān)系曲線,理論計(jì)算出電容的變化情況,為電容檢測(cè)電路提供理論支持。設(shè)計(jì)以CAV424為核心的電容檢測(cè)電路,并將CAV424轉(zhuǎn)換后所得的模擬電壓信號(hào)作為檢測(cè)模塊DSP的輸入。同時(shí),設(shè)計(jì)了分段最小二乘法非線性化校正程序。檢測(cè)模塊DSP對(duì)模擬電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波,并利用非線性化校正程序進(jìn)行曲線擬合,最終得到高精度的距離測(cè)量值。完成了以DSP作為核心的控制模塊的硬件和軟件設(shè)計(jì),通過(guò)軟硬件模塊的配合實(shí)現(xiàn)激光切割機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各個(gè)功能。結(jié)合變論域思想和模糊控制算法,設(shè)計(jì)變論域模糊控制器。對(duì)該控制器進(jìn)行仿真研究,并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。最后搭建了激光切割機(jī)高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,并通過(guò)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期相符,滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)。
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圖片說(shuō)明： 發(fā)展的是高復(fù)雜度、多樣化、高精度加工零件的需求設(shè)備已很難滿足復(fù)雜度高、形狀多變、柔性化的高精在金屬加工領(lǐng)域，金屬的切割是其一個(gè)至關(guān)重要的組件的加工質(zhì)量、尺寸精度、切割效率以及工件的利用產(chǎn)成本和質(zhì)量[1]。金屬切割的方法很多，但目前用的工藝為熱切割。目前市面上采用較多的熱切割方式多等離子切割以及火焰切割。其中，速度快、效率高、點(diǎn)決定了激光切割技術(shù)廣闊的應(yīng)用前景和適用范圍[2]。割從根本上來(lái)就講就是一個(gè)激光光能轉(zhuǎn)換為熱能的過(guò)一道光束，其功率雖大，然而其光束光斑范圍越大，能并不足以融化金屬，因此需要利用聚焦透鏡將激光光的焦點(diǎn)處于合適的位置。此時(shí)，激光的能量聚集到一個(gè)能作用于待切割材料，轉(zhuǎn)換成熱能。在高功率的能量至氣化[4]。通過(guò)對(duì)噴嘴吹氣，直接吹散氣化后的金屬吹走，如圖 1-1 所示。
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圖片說(shuō)明： 至關(guān)重要的有：切割時(shí)水平移動(dòng)的速度、激光發(fā)生器的功率、焦點(diǎn)與工件的相對(duì)位置、噴嘴形狀和構(gòu)造以及輔助氣體的品種和壓強(qiáng)大小[5]。在本論文中，主要討論焦點(diǎn)的對(duì)焦位置對(duì)工件加工的影響。焦點(diǎn)與加工工件的相對(duì)距離被稱做離焦量。根據(jù)光學(xué)原理可知，激光光束聚焦后，透鏡焦長(zhǎng)直接影響到光斑的大小，二者成正比關(guān)系。若是想要獲得的焦深比較寬，則需要選擇焦距比較長(zhǎng)的透鏡。這種情況下，，若是需要加工厚度較大的材料，則可通過(guò)增大激光發(fā)生器的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。反之，若是需要用小功率激光發(fā)生器切割比較薄的材料，就需要聚焦后的光斑很小才能使能量都聚集在一個(gè)點(diǎn)上。這時(shí)焦深比較淺，選擇一個(gè)焦距比較短的透鏡即可。當(dāng)然，使用短焦的透鏡，其可供上下調(diào)節(jié)的空間余量也會(huì)比較少。在實(shí)際操作中，為了保證能量的充分利用，通常會(huì)保證焦點(diǎn)位置在加工材料的表面或稍下的地方。因此焦點(diǎn)位置的變化極大程度上影響著切割質(zhì)量[6]。焦點(diǎn)與加工工件的相對(duì)位置（即離焦量）對(duì)工件厚度以及切割縫隙的寬度的影響可以通過(guò)圖 1-2 來(lái)了解。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，為了獲得最小的切割縫隙和最大的切割厚度，則需切割焦點(diǎn)保持在加工工件表面之下約 1/3 厚度的位置。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG485

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2515734