（材料加工工程专业论文）激光切割实时监测技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ( 激光切割具有比传统切割方法更多的优势，因而获得了广泛的工业应用。 由于切割过程本身的复杂性，激光切割质量无法准确预测，为了保证激光切 割高效、柔性的特点，实时监测技术的应用成为必然。许多研究证实| j 沿辐 射与切口特征有关，并且可以此描述加工部分的质量。7 i 本文以激光切割前沿的光辐射信号为监测对象，研制了监测装置的硬件 和软件系统。硬件部分主要是采集系统中的光电转换、信号放大、滤波电路 等调理环节，对硬件系统的精密放大电路和滤波电路进行调试，结果表明放 大电路具有可调增益和良好的线性度，滤波电路在截止频率为3 5 k h z 条件 下效果较好。 软件系统采用l a b v i e w 丌发了基于w i n d o w s 平台的多功能采集和信号分 析处理程序。采集程序可以实现多通道信号的高速采集，分析处理程序可以 对采样信号在时域和频域上分别实现不同的分析功能。 运甩课题组前期研制的监测仪器进行切割试验研究，分别使用a r 气和0 ： 气作为切割辅助气体，采集了大量数据，分析采样信号与切割质量之间的关 系采样信号的时域分析包括a c & d c 估计、滤波加窗处理和自相关分析，频 域分析主要是功率谱分析。 l 研究发现信号幅值和波动状况与切割质量有着很好的对应关系，幅值较 大的部分直流分量d c 值较大，对应的切割质量相对较差，信号波动剧烈。 功率谱分析了采样信号的频率组成和出现挂渣时的特征，无氧切割采样信号 分析发现，信号主峰值频率随着切割速度降低而减小，出现挂渣时的信号特 征频率最大达到1 l o h z 。) 同时本文对不同切割速度和不同激光功率下的切割 1 7 弋遵行比较发现，固定激光功率，切割速度增大，切割断面上部粗糙度减小， ：下部出现挂渣，固定切割速度，增大激光功率，切割断面粗糙度增大，并对 此作了理论上的分析和探讨。 关键词：激光切割实时监测 ，广 调理电路 信号采城g 酚析 ， 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a s e rc u t t i n gh a sb e e nw i d e l yu s e di n t h ei n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n f o ri t s a d v a n t a g e s o v e ro t h e rt r a d i t i o n a lm e t h o d s b u ti t s v e r y d i f f i c u l tt o p r e d i c t c u t t i n gq u a l i t y d u et ot h ec o m p l e x i t yo fl a s e rc u t t i n gp r o c e s si t s e l f o n l i n e t e c h n i q u e f o r m o n i t o r i n g i s n e c e s s a r y i no r d e rt or e a c ha h i g hg r a d e o f p r o d u c t i v i t ya n df l e x i b i l i t y av a r i e t yo fi n v e s t i g a t i o n sh a v ep r o v e n ，t h a to p t i c a l e m i s s i o n sf r o mt h ec u t t i n gf r o n tc o r r e l a t ew i t ht h ep r o p e r t i e so ft h ec u tk e r f s a n dt h u sc a nb cu s e dt oc h a r a c t e r i z et h eq u a l i t yo ft h em a c h i n e dp a r t s r a d i a t i o ns i g n a l sf r o mt h e c u t t i n g f r o n tw e r es e l e c t e da st h eo b j e c tf o r m o n i t o r i n gi nt h i s t h e s i s t h er e a l t i m e m o n i t o r i n gs y s t e mc o n t a i n st w om a i n p o r t i o n s ，o n e i st h eh a r d w a r e ，w h i c hc o n t a i n st h e p h o t o e l e c t r i c c o n v e r s i o n c i r c u i t ，s i g n a lm a g n i f y i n g c i r c u i ta n df i l t e rc i r c u i te t c a n da n o t h e ri st h e s o , w a r e am u l t i - f u n c t i o n a l p r o g r a m b a s e do nw i n d o w s 9 x ，2 0 0 0 ，n tw a s d e v e l o p e df o rs i g n a la c q u i s i t i o n a n d a n a l y s i s w i t ht h e p o w e r f u le x p l o i tt o o l l a b v i e ws o f t w a r e t h u st h eh i g h s p e e da c q u i s i t i o na n dc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s f o rs a m p l e ds i g n a l sc o m ei n t or e a l i t y e a c hp a r to ft h ed e s i g n e dc i r c u i t sw a sd e b u g g e dc a r e f u l l ya n dt h er e s u l t i n d i c a t e st h a ta l lo ft h e mc a nr u ns t e a d i l ya n dh a v eh i g hp e r f o r m a n c e s d i f f e r e n te x p e r i m e n t sw e r ea c c o m p l i s h f dw i t ham o n i t o r i n gs y s t e mt h a tw a s d e v e l o p e db e f o r e a ra n d0 2w e r eu s e da st h ea s s i s t a n tg a sw i t hd i f f e r e n tc u t t i n g p a r a m e t e r s t ol e a r nt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h es i g n a l sa n dt h ec u t t i n gq u a l i t y ， d e t a i l e d a n a l y s e sf o c u s i n g o nt i m ed o m a i na n d f r e q u e n c y d o m a i nw e r e p e r f o r m e d t h ea n a l y s i s o nt i m e 、d o m a i ni n c l u d e sa c & d ce s t i m a t i o na n d c o r r e l a t i o n s p e c t r a a n do nt h e f r e q u e n c yd o m a i n ap o w e rs p e c t r ae s t i m a t i n g a n a l y s i sw a se x e c u t e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h es i g n a l sc o r r e s p o n d i n gw i t hb a d q u a l i t ya l w a y sh a v eh i g hm a g n i t u d ea n df l u c t u a t ea c u t e l y t h em o r es m o o t ht h e s i g n a l ，t h eb e t t e rt h ec u tq u a l i t y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n ts i g n a l sa l s o h a v eb e e ns t u d i e dw i t ht h ep o w e rs p e c t r aa n a l y s i s u s u a l l yt h e s i g n a lo fb a d c u t t i n gq u a l i t yh a sh i g h e rf r e q u e n c yt h a nt h a to fw e l lc u t t i n gq u a l i t ya n dt h e t h e o r e t i c a le x p l a n a t i o ni sp r e s e n t e di nt h et h e s i s k e y w o r d s ：l a s e rc u t t i n g r e a l - t i m e m o n i t o r i n gs i g n a l c o n d i t i o n c i r c u i t s a m p l i n g a n d a n a l y s i so f s i g n a l s n h 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 激光加工工业的快速发展，在电子、汽车工业、航空航天、医疗、纺织等领域获 得了广泛的应用，为加工业带来了革命性变化的同时创造了巨大的社会经济效益。激 光切割在激光加工中所占的比例已经超过了6 0 ，成为激光加工中最为成熟的技术之 一。1 9 6 6 年美国首先使用激光切割技术于金属拉丝模的金刚石模孔加工中，7 0 年代大 功率c o 。激光机研制成功，使得激光切割板材进入了工程应用阶段。随后数十年中激 光技术向着高功率、高精密、高速切割的方向迅速发展，尤其是三维激光切割技术的 兴起，使激光切割技术呈现了更加绚烂的未来。激光切割技术的发展将会为古老的机 械加工业带来勃勃生机。由于激光切割拥有许多其它切割方法无法比拟的优势，激光 切割在工业领域获得了越来越广泛的应用，因此对于激光切割的相关技术和理论研究 也随之深入而不断发展。随着检测控制技术的不断发展与创新，为激光切割领域中的 检测技术奠定了坚实的技术基础“。 1 1 激光切割技术特点与实时监测的意义 激光切割技术利用聚焦的高功率激光光束照射工件，在超过闽值功率密度的i j 提 下光束能量以及活性气体辅助切割的过程所附加的化学反应热量被材料吸收，引起照 射部分材料的温度急剧上升，在汽化和融化物被吹出的作用下完成切割。从切割过程 的本质来看常见激光切割主要有三种类型【3 1 ： 1 汽化切割，这种情况下激光功率密度达到大约i 0 8 w c m 2 ，工件加热到沸点以 上的温度，部分材料汽化作蒸汽逸出，部分作为喷出物从切割缝底部吹走。 2 熔化切割，其功率密度只有汽化切割的1 1 1 0 ，在激光功率超过一定值后，在工 件内部蒸发，形成孔洞，辅助气流把孔洞周围的熔融材料驱除形成切缝。 3 氧助熔化切割，在该过程中有两个热源：激光束和氧化反应放热。这种切割过 程由于氧化燃烧放热的作用，所需的激光能量密度大为降低，目前在钢和钛的 激光切割中应用广泛。 激光切割具有比传统切割技术更多的优点【4 】： 1 切缝窄，一般在0 1 1 o m m 之1 白j ，节省材料； 2 切割速度快，工件热影响区很小( 0 1 0 1 f r o m ) ，工件变形小； 3 切面边缘的垂直度好，切面光滑： 4 光束无惯性。可高速切割，从任何一点丌始，向任何方向行进； 5 具有柔性，易于数控自动化： 华中科技大学硕士学位论文 6 切割很少氧化甚至无氧化层； 7 可以方便的切割易碎、脆、软、硬材料和合成材料； 8 切割污染小，噪音低。 然而，激光切割过程中影响激光切割质量的因素很多，比如激光功率、材料物理特 性、切割速度、聚焦透镜的焦距和离焦量以及辅助气体压力和喷嘴类型等【5 山】。激光切 割过程中有些参数很难保持稳定，激光功率密度在实际切割过程中随着其他切割参数 的变化而变化。因此为了保证激光切割获得理想的切割质量，需要对切割过程进行必 要的监测，以便及时调整，满足切割要求。但是激光切割的过程速度快，用肉眼观察 反应较慢，而且激光切割过程中强烈的反射、散射光十分刺眼，无法进行观察，所以 实时监测装置尤为必要。特别是在要求生产率较高的情况下，使用监测技术不仅能带 来高的生产效率，同时能够保证生产质量。 激光技术不断发展成熟，f j 益推动了激光切割技术的快速发展。三维激光切割技术 的成功应用，使得实时监测技术具有更加美好的应用前景。同时传感技术、监测、控 制技术的不断完善为实时监测技术提供了有力的支持，f 是基于各种条件的不断成熟， 这种实时监测系统的研制开发成为必然。 1 2实时监测方法及技术发展 1 2 1 硬件系统及监测方法介绍 激光切割前沿的各种辐射信号众多，典型的前沿信号如图1 1 所示【7 1 。研究表明，激 趣鳖，隧型j t 一固匦圈 然嚣貂孵剡 一。芒- 、1 i 弋 气! 一 可昕声发射 _ 一匿逾壶兰j 耍嘲 j 扩莲霸j 百飘弼 ，炭 爹 火花簇射 图1 ，1 激光切割过程产生的各类光、声信号1 7 】 华中科技大学硕士学位论文 光切割中产生的信号主要有光致等离子体信号、热辐射信号、声发信号等几种，目前 监测研究也主要集中在对这几种信号的实时监测。综合国内外学者的研究可以概括实 施监测的过程为：使用合适的传感器件( 探测器) 将有效信号转换为电信号( 电压或者 电流) ，利用放大、滤波等电子线路进行调理，然后进行a d 和d a 转换成为计算机 所能识别的信息，通过相关软件由计算机完成最终的采集、分析和处理，并实时地提 供切割过程报告。 从目l j l f 国内外监测系统的研究情况看，主要的监测方法有： 1 声辐射信号监测 切割过程中产生的声信号主要有两类。一类是超声波信号，激光作用于材料，光子 ， 在切割前沿会产生一定的反射，切割前沿的状况决定了反射的强弱，反射光子在激光 反射镜上产生超声波。如图1 2 所示，压电传感器紧贴在反射镜背面，从切割前沿反 射的激光束冲击镜面产生振动1 8 】，即为超声波信号，通过检测超声波信号可以探测激 光切割前沿的形状。另一类是可听见声音信号，由于激光切割过程中辅助气流的作用， 在切割前沿产生了声辐射，大约形成了频率为5 k h z 2 0 k h z 的声辐射。通过分析声信 号的频率特性，也可以确定切割前沿的几何形状，部分研究采用麦克风接受声发辐射 信号，并将它转换为时域上的频谱进行分析，获得了前沿声辐射信号的特征。e s h c n g 等人把检测到的声音信号进行快速傅立叶( f f t ) 变换，得出存在一个谐振频率，且 谐振频率随着切缝厚度的增加而减小的结论f 9 】。 传感器 图1 2 振动信号监测装鹭 2 光辐射信号监测 激光切割前沿光辐射信号主要包括光致等离子体信号、热辐射信号，对的沿光辐射 信号监测就是对这两类信号进行有效的探测。 华中科技大学硕士学位论文 激光作用于材料，发生熔化并强烈地产生蒸发形成蒸汽，处于激光辐射区的金属蒸 汽中存在自由电子，通过逆韧致辐射吸收激光能量被加速，直到有足够的能量来碰撞 电离材料和周围的气体，电子密度以雪崩式的增长，形成了等离子体。其特征是具有 声音冲击波、强烈的光辐射、高温强热和非平衡电场等。k d a n s i s m a n 等人利用朗谬 尔探针检测到光致等离子体内部的电子温度和密度信号，得出电子温度越高、密度越 小，切割的质量越好的结论”。 图1 3 偏轴采集切割前沿的辐射信号试验装置 德国b r a u n s e h w e i g 工业大学的学者们在1 9 8 6 年采用光电传感元件从工件下部监测 切割产生的火花簇射。但是由于火花喷射，传感器很容易污染，导致监测失效。为了 改善传感器工作环境，次年他们将传感器件放置到工件上方监测切割前沿辐射信号。 a e h k a p l a n 等用光电二极管作为探测器探测切割i j 沿的热辐射信号，获得了切割质 量与监测信号波动之担l 的对应关系【1 i i , s l c h e n 采用一种偏轴实时监测系统实施光辐 射信号监测，系统由铜管、玻璃纤维、多模光纤和光电二极管传感器等器件组成，装 置如图1 3 所示。利用该装置研究获得切割前沿的光辐射信号频率与切割表面辉纹的 频率十分相近，并且采样信号组成有低频和高频两个部分，其中低频信号频率与切割 辉纹的频率有着较好的对应关系，高频部分在幅值上具有较小的振荡。f a z e n y 等人 则采用一种双波长光电管进行实时监测，光电管有两层光敏面，外面是硅管。敏感波 长范围是4 0 0 1 0 0 0 n m ，里面是锗管，敏感波长范围是1 0 0 0 - - 2 0 0 0 n m ，这样两个敏 感波段分别对应着温度约为2 0 0 0 k 的切割前沿近红外辐射和高达4 0 0 0 k 的光致等离子 4 华中科技大学硕士学位论文 体的光辐射，该系统的特点就是可以对激光前沿及其表面的金属蒸汽行为进行较为全 面的监测【l ”。o l s e n 等人利用光二极管阵列探测器获取切割前沿烧蚀面的图像，进而 确定烧蚀面几何形状的某些特征p j 。 上述方法主要采用偏轴的方式对切割前沿的辐射信号进行监测，这是一类常用的监 测方法，这种方法相对比较容易实现，但是对于三维激光切割而言，就无法实现有效 监测了。另一类监测的方法是采用正轴的方式，h k a e b e m i c k 等人采用了这样的方式 进行切割辉纹频率的研究，试验装置如图1 4 所示。他们通过能谱分析得到了有关辉 纹频率与采样信号之间的关系i l ”，研究发现功率谱的主峰频率与切面上的辉纹频率一 致，而辉纹频率越高，切割断面的粗糙度越小，切割质量越好。h - h a f e r k a m p 等利用 高温摄影仪对切割前沿进行监测，获得了加工区域的温度分布情况，对温度分布图像 进行分解处理，获得图像的灰度值和分解成的温度r g b 三色图。从r g b 图中可以获 取比较全面的反映切割质量的信息。通过这种分析可以获得切口表面粗糙度、挂渣、 切口宽度等与切割质量密切相关的结论，其实验装置示意图如图1 5 所示【1 5 】。 图1 4 正轴方式的实时监测装置示意图 研究表明切割前沿的温度分稚图像很好的反映切边的粗糙度( r ：) ，而且胄：与图 像灰度值的标准偏差有着很好的对应关系。当工件表面、焦点位置等发生变化引起切 割质量变化时温度场变化明显这种装置的优点在于能够获得切口前沿更多的信息， 但是高温摄影仪的响应速度不快是其最大的缺点。 5 华中科技大学硕士学位论文 巷；酗十 j 暑三f 寒 境黼 、i - 尊 工陴、! ， 一甜啡音l l 图1 5 高温摄影仪监测切割前沿温度场实验装置 采用正轴方式的监测方法的主要特点是探测器件直接放置于激光反射镜正上方， 无需对准，调节方便，因此特别适合三维激光切割的实时监测。但是该方法对反射镜 和聚焦透镜有特殊要求：反射镜要求能透过切割前沿的辐射并反射激光光束，聚焦透 镜要求能同时透过激光光束和前沿辐射，而且前沿辐射透过率必须足够高，否则监测 无法获得有效辐射信号。因此设备制造困难，价格昂贵，目i j i 仅在少数试验研究中采 用，德国在这方面的研究已经丌始向着实用化的方向发展。相信随着技术的不断进步， 这种正轴的监测方式一定会获得广泛的工业应用。 3 其它监测方法 、 除了对激光切割前沿声、光辐射的监测外，还有学者对切割过程的其它参数进行监 测。b s y i l b a s 等人检测激光切割在板厚方向上的切穿速度，得到切穿速度越快，切 割质量越好的结论i i “。 还有学者利用如图1 6 所示的试验装置将二极管与激光束呈3 0 。角安装。根据普朗 克定律，用光二极管测得前沿辐射能够转换成烧蚀面温度值。将测得的温度值与切口 的质量相比较，推导出经验关系式，作为自适应控制模型，以保持获得切口形状所需 的温度常数。为了补偿标准与实际温度之洲的误差，必须不断改变相对运动速度。但 是切割过程产生的火花可能导致温度测量值失真，从而难以控制，并且由于信号转换 成温度所需的计算次数、自适应控制逻辑以及计算机硬件的限制，导致系统响应速度 较慢【8 1 。此外，切割过程仅靠改变相对运动速度并不一定能保持切口温度值为常数。 6 华中科技大学硕士学位论文 p b s e 光电二报管 图1 6 基于温度估算的自适应控制系统 英国h e r i o t w a t t 大学学者采用了一种闭环控制的方法7 】，基本思想是实时监测喷 嘴到工件表面的距离，使它保持恒定，一旦发生变化，将通过自适应的调节装置恢复 到恒定值，保证切割过程稳定。这种方法的基本假设是激光切割过程中只要保持喷嘴 到工件表面的距离固定不变，激光功率、切割速度和辅助气体压力不变，切割过程就 会保持稳定，然而实际情况并非完全如此。这是因为保持喷嘴到工件的距离不变，但 是其它切割参数发生变化如激光功率变化等切割质量将会发生变化，所以这种方法有 很大的局限性。 比较上述各类监测方法可以知道，利用等离子体监测时，存在的主要不足是激光切 割的高速辅助气流作用将等离子体吹向切缝深处，不容易监测。采用声音作为监测信 号时，信号获取比较容易，但是超声波信号很微弱，不易监测，而可听见声一般只用 于检测切割厚度。相对而言，利用切割前沿的红外辐射信号作为监测对象较为理想， 并且该信号直接取自激光与材料的相互作用区，可以反映切割过程的稳定状况，具有 牢固的理论基础。监测方式上，币轴监测设备制造困难，价格昂贵。高温摄影仪尽管 能够更为全面地获取切割前沿的信息，但是响应速度相对较慢。而廉价实用的各类光 电探测器响应速度快，更利于实时监测。采用偏轴监测，结构简单，具有更好的设备 性价比。 1 2 2 数宇信号处理 信号分析和处理是实现监测的一个重要环节，对切割前沿的采样信号进行适当的 分析处理是监测系统需要完成主要任务之一。数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 就是利用计算机或者专用处理设备，对信号进行采集、变换、综合、估值、增强、压 缩和识别等处理，实现提取信号和应用的目的。数字信号处理技术和设备具有灵活、 华中科技大学硕士学位论文 精确、抗干扰能力强、速度快等优点比模拟信号处理的性能优越。信号处理的相关 理论包括信号采集、离散信号的分析、各种快速算法、信号估值、滤波、建模及信号 处理技术的实现和应用。常见的信号处理有f f t 变换、信号均值、功率谱估计及小波 分析等。 数字信号处理实现的方法主要有： 1 在通用的p c 机上使用软件实现，软件可以自行编写，也可以使用现成的，这种分 析比较方便，且根据用户要求进行扩展比较容易； 2 使用单片机实现数字信号处理，它适用于不太复杂的数字信号处理； 3 通用可编程d s p 芯片实现，它具有比单片机更加适合于数字信号处理软件和硬件 资源，可以用于复杂的数字信号处理算法： 4 专用的d s p 芯片实现。随着芯片技术的发展，各种高性能的d s p 芯片已经广泛应 用到工程实际，它具有比单片机更为突出的优势。加上现在开发的具有特殊功能的 专用d s p 芯片，使得d s p 芯片具有了f i r 滤波、卷积、f f t 等算法集成的功能， 这种用硬件电路实现软件算法的技术进一步加快了d s p 芯片的处理速度1 1 9 1 。 可以看出上述方法中，使用硬件实现数字信号的处理具有更高的速度，但是其灵活 性大大降低。本文研究激光切割f j 沿的采样信号，信号分析处理并不很复杂，考虑系 统今后不断完善和扩充的要求，由于计算机性能的极大提高和高速数据采集卡的出现， 使得基于个人计算机( p c ) 的高速数据采集卡和软件实现方法更加灵活，其速度也大 大提高，本文采用这种方法对切割前沿辐射信号进行采集、分析和处理。 1 3 本课题研究内容 激光切割已经获得广泛的工业应月孔实时监测要求在加工过程中及时了解切割质 量的情况，以便能迅速地调整切割参数获得理想的切割质量。国内外学者们对激光切 割的实时监测已经做了许多i 丌拓性的工作，获得了很好的效果。尽管高温监测仪能获 得i i i 沿更加完整的信息，但是出于响应速度较慢，它在实时监测方面的应用还需要从 技术上加以完善，相比较而占采用廉价而实用的光电管同样可以获得很好的实时监测 效果，这也是现阶段研究的主流。 国内关于激光切割实时监测技术的研究相对较少，本课题组在这方面投入了相当 的精力和研究经费，对激光焊接和切割的实时监测进行了一系列研究，目时激光焊接 的实时监测已经较为成熟，并丌始了工业化应用。 课题组王春明老师在攻读硕士研究生期间已经对激光切割实时监测进行了大量的 基础性研究，因此在这个基础上本人对激光切割的硬件和软件进行了部分改进和设计， 8 华中科技大学硕士学位论文 目的在于对现有系统加以改进和完善。此外，由于对切割试验获得的采样信号与切割 质量之间的关系研究相对较少，本文将进行大量的切割试验，对采样信号进行分析， 研究探索反映切割质量的信号特征。 本课题研究内容是国家自然科学基会资助项目“大功率c 0 2 及y a g 激光三维焊 接和切割理论与技术研究专题( 编号：5 9 6 3 5 1 7 0 ) ”的子项目。主要研究内容有： 1 数据采集系统的调理电路设计，包括信号拾取电路、精密放大和滤波电路等； 2 设计数据采集、分析处理程序，用于切割前沿的信号采集和分析： 3 对信号采集系统及采样信号进行验证： 4 通过切割试验对采样信号进行分析研究，寻求反映切割质量的信号特征。 华中科技大学硕士学位论文 2 监测技术实施方案 2 1监测对象与探测器选取 激光切割前沿复杂，辐射信号种类较多，选择哪种辐射信号作为监测对象是实现监 测的第一步。典型的切割前沿状态如图2 1 所示【2 0 】，切割前沿的形貌、温度、化学组 成与切割缝宽、辉纹以及熔渣的吹除速率有着直接的关系。研究表明激光切割前沿的 温度影响金属氧化速度和熔化金属的去除，而切割质量与氧化状况和熔化金属行为特 征有关，因此选择切割前沿的热辐射作为被检测对象较为理想。部分学者研究认为激 光切割前沿具有一段典型的信号特征，可以清晰地显示与切割质量之间的对应关系， 如图2 2 所示。图中清晰地说明在切割质量较好时，采样信号具有平稳地波动，信号 幅值较小，而切割质量较差，切割断面粗糙时采样信号幅值较大，波动剧烈口。 激光切割前沿的辐射信号主要有以下来源1 1 2 】： 1 高温下切割前沿的热辐射，根据椭a 等人的估算切割前沿的温度大致在1 6 0 0 2 2 0 0 ： 2 e 鸭激光束的反射，由激光束与材料相互作用决定反射到周围环境中的比例，所以 切割前沿辐射的信号中会有部分反射激光： 3 等离子体或者受热气体的热辐射。 图2 1 切割前沿状态示意图图2 2 切割质量和采样信号关系 上述几种辐射具有不同的波长特征，高温的切割前沿辐射可以近似认为是来自黑 体或灰体的辐射。 由酱朗克( p l a n c k ) 定律可以得到： 1 0 华中科技大学硕士学位论文 m ；( a ，r ) = 了2 r d a c ( p 一旷( 2 - - 1 ) m 。为黑体辐射出射度( w c m 。1 a n “) ； h = ( 6 6 2 6 1 7 6 o 0 0 0 3 6 ) 1 0 “( j 2 ) 为普朗克常数： k = ( 1 3 8 0 6 6 2 o 0 0 0 0 4 4 ) 1 0 。3 ( w s “) 为玻尔兹曼常数： c = ( 2 9 9 7 9 2 4 5 8 0 , 0 0 0 0 0 0 0 1 2 ) 1 0 “”( c m s “) 为光速； - 其中五为光波波长( a m ) ；t 为温度( k ) 。 根据热辐射定律维思位移定律可以得到： 五。t = 2 8 9 7 8 ( r a n k ) ( 2 2 ) 以是绝对黑体的最大光谱辐射出射度对应的波长( a n ) ，t 是绝对温度“。由上述定 律近似计算得至b 激光切害4 前沿辐射有效波长范围在1 1 1 6 朋之间。c o ：激光器产生 的激光波长为1 0 6 a m ，因此选择对1 1 1 6t u n 段敏感的光电探测器就可获得理想的 信号拾取效果。 选择探测器件，需要考虑探测器的几个相关指标，包括响应速度、分辨率以及探 测器模型的有效性和强度等。因为响应速度决定探测器的采样频率，响应速度太慢无 法实现高采样频率的采集，从而影响信号采集。分辨率影响测量精度，而响应速度越 快，分辨率就越低。因此选取时应当与响应速度综合考虑。探测器的强度表示监测过 程中探测器的抗干扰能力，如果工作环境恶劣，干扰较多，需要采用强度较高的探测 器件1 “。 j 一：一 二_ 书兰垃t - 掣 l “辩，二- ， 1 。1 畦ki - 哪w v 响t o h 帅j 图2 3 光电二极管灵敏度特性曲线图2 4d + 与波长的关系曲线 本课题实验方案选择i n g a a sp i n 型光电二极管作探测器，其灵敏度曲线如图2 3 p耄曼墙嚏 华中科技大学硕士学位论文 所示。探测器敏感波长范围在0 9 - 1 7 z m 之间，而切割前沿辐射信号波段1 卜1 6 b u n 在探测器的有效探测范围内，因此该探测器选取较为适合，可以对切割j j i 沿的近红外 区辐射信号进行有效监测。 表2 1 i n g a a sp i n 型二极管主要特征参数 光灵敏度暗电流n a 探测能力 噪音等 效功率最大 敏感 a w= 5 v d n e p反向 区域 兄= a ， 丑= 五，电压 ， ，打 1 31 5 5 典型最大 c m h z k | w , u m 删 w h z , 西0 3o 90 9 5o 31 5 5 1 0 。24 1 0 1 52 0 该探测器的主要特性参数见表2 1 所示。其中d 表示探测能力，如图2 4 表示了 i n g a a s 型光电二极管的探测能力曲线，室温条件下陔探测器对切割前沿的辐射信号 ( 1 1 1 6 i 删) 具有较强的探测能力。光电二极管的响应速度与其结电容有关，如果结 电容较小，就可以获得更高的响应速度。如图2 5 所示的光电二极管端电容与反相电 压的关系，可以看出我们选取的光电二极管g 3 4 7 6 0 3 在反向电压为1 - 2 0 v 的范围内， 2 5 和1 砌z 的频率下，结电容在3 - 8 p f 之间，因此可以获得很高的响应速度。 图2 5 光电二极管反向电压与结电容的关系 2 2 监测系统方案总体设计 华中科技大学硕士学位论文 切割前沿的信号监测主要有偏轴和正轴采集两种方式，采用j 下轴采集方式的最大 优势在于能够满足三维激光切割，采集信号不会受到切割方向的影响，而且探测器直 接安装在反射镜正上方，调节方便。偏轴采集方式相对简单，部分研究结果显示这种 监测方式效果不错。但是偏轴只适用于一维切割，切割方向发生变化，探测器将不能 进行有效监测。 比较两种监测方式，正轴方式尽管具有上述的优点，但是其设备制造困难，造价 很高，对激光传输具有一定的影响。该装置对予课题研究的实际情况而言具有一定的 困难，本文主要集中在对薄板的一维切割，偏轴采集方式能够满足研究的基本要求。 监测系统中的信号采集与分析处理的基本过程是：探测器从激光切割前沿拾取信 号，经过调理电路进行精密放大后滤波，滤波后的信号接入数据采集卡进行a d 转换 变成数字信号由串口送交计算机进行处理完成采集，再通过相关软件对采样信号进行 分析、处理，其流程示意图如图2 6 所示。 探测器拾取信号 调理电路( 放人、滤波) 计算机( 分析、处理) 卜叫数据采集e 图2 6 信号采集与分析处理流程 硬件系统是实现数据采集的基础，软件系统具有协调指挥硬件系统工作的功能， 是监测系统设计的主要内容之一。监测系统应该满足如下基本要求： 1 系统具有快速响应能力，能适应i j 沿辐射信号的变化； 2 信号采集具有较大的输入动态范围，采样时间和速度可调； 3 数据分析应当根据需要加以任选，不受长度限制，分析速度快： 4 系统具有直观的结果，易于操作等。 根据上述要求，采用计算机为基础建立系统，由于计算机在运算精度、处理速度和 灵活性等方面的巨大优势，使得监测系统的具有较高的整体性能。图2 7 给出了以计 算机为基础建立的实时监测系统总体框图。切割前沿辐射信号经过探测器拾取电路获 得电信号，通过调理电路实现信号的放大和滤波，数据采集卡完成a d 转换，最后输 入计算机，并完成采集和存储等操作。 信号采集、分析处理软件设计使用工具有多种，包括常用的高级编程软件c 、c + + 、 v c + + 以及l a b v i e w 等，另一种是使用专用的仿真软件进行分析，如m a t l a b 。但是 华中科技大学硕士学位论文 使用c 、c + + 以及v c + + 的设计效率显然比不上l a b v i e w 。m a t l a b 软件是使用一种 面向科学和工程计算的高级语言，具有强大的计算功能、计算结果和编程可视化及极 高的编程效率等特点，软件包含几十个专业工具箱，覆盖了通信、自控、信号处理、 图象处理等众多科技领域，不足之处在于它没有实时性功能。 图2 7 监测系统总体框架示意图 l a b v i e w 软件与本课题采用的数据采集卡都是美国n l 公司的产品，它们具有较好 的兼容性。而且利用l a b v i e w 软件可以方便地设计出各种可视化操作界面和高性能 的数据采集程序，并能与高级语言进行接口调用函数实现所需的功能，具有很强的灵 活性和实用性。信号采集、分析和处理程序具体要求是： 1 采集程序能将采样信号实时地显示和存储： 2 分析程序可以对数据同时进行时域和频域的不同分析； 3 分析的数据长度可以任意设定，并能准确定位； 4 程序操作简单、方便，结果显示直观等。 对采样信号的时域分析包括均值、方差和a c & d c 估计、自相关分析等处理，探 索反映切割质量的幅值大小和波动特征；频域分析主要采用功率谱估计，寻找反映切 割质量波动的频率特征。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 3本章小结 1 本章首先讨论了系统监测对象的选择和探测器件的选取问题。通过分析和比较，采 用切割前沿的热辐射信号作为监测对象较为理想。根据狄体或者黑体辐射定律计算 获得切割前沿热辐射波长范围大致在1 1 1 6 , u r n 之i 、b j ，因此选择l n g a a sp i n 型光 电二极管能够满足监测的要求。 2 实时监测系统设计采用的总体方案是本章重点内容，本文采用偏轴方式对前沿热辐 射信号进行监测，介绍了系统基本工作流程，并对基于计算机的采集系统进行了总 体方案的设计。系统硬件部分包括信号拾取、信号放大和滤波等调理电路以及数掘 采集卡，软件部分包括采集程序和数掘分析处理程序，同时要求采集程序能实时显 示并存储采样数据，分析处理程序能同时进行时域和频域上的两种分析。 1 5 华中科技大学硕士学位论文 3 硬件系统设计 系统硬件是实现切割前沿辐射信号监测的| j i 提，本章对光电拾取及其调理电路进 行了设计和调试。 3 1电路设计概述 电路设计主要包括光信号的拾取电路及其调理电路。光电拾取电路实现切割前沿 光辐射信号到电信号的转换，后续放大电路对拾取级输出的微弱信号进行线性放大。 由于监测过程中不可避免地引入各类噪声，为了不致淹没有效信号，还需要进行滤波 处理，降低背景噪音的影响，此外电源电路也是电路设计的重要部分，它为其它各电 路提供正常工作所需的电源，硬件设计部分内容如图3 1 虚线框内所示。 图3 1 硬件设计的主要电路组成示意图 、 由于实施监测涉及到信号采样的问题，因此对各个处理电路的频率特性有一定的 要求。电路设计中各种关键器件应当满足采样频率要求，以避免系统信号采集无效或 者导致信号严重失真等故障，电路设计中采用深度负反馈可以有效地扩展频带【2 4 , 2 5 。 3 2 信号拾取与调理电路设计 3 2 1 信号拾取电路 信号拾取电路是整个采集系统的第一步，这部分的性能对后续电路的工作产生很 大的影响。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 光电探测器的作用是将切割前沿的光信号转换成电信号( 电压信号或者电流信 号) ，根据使用的光电探测器件设计合适的信号拾取电路有利于系统稳定工作。p i n 型光电二极管的工作原理是：光照射到探测器表面，半导体吸收光，在耗尽层的一个 扩散长度内产生电子空穴对，最后被电场分丌。当载流子飘移通过耗尽层时，在外部 电路就形成了光电流，从而实现了光电转换【2 “。本文采用的光电二极管是i n g a a s p i n 型的探测器件，它的响应速度在毫秒级以上，对切割前沿的近红外辐射光灵敏度 很高，在前一章中已经对该探测器的特性进行了详细的叙述。 光电二极管是在反向偏置下工作的器件，因此选取合适的偏置电路是重点工作。 经光电二极管产生的电信号十分微弱，一般在几毫伏到几十毫伏之间，因此为了不至 于淹没有效信号，需要调节偏置电路中的元件，消除光电二极管本身的暗电流等因素 的影响。系统噪声与电路元件有密切的关系，在不同信号内阻条件下，输入偏流太 大，会影响整个电路的静态工作点，还会影响运算放大器的温漂和运算精度等性能， 因此选取低输入偏流运放较为理想。本文采用的信号拾取及偏置电路如图3 2 所示。 在没有光照的情况下调节可调电阻i 心可以实现输出为零，调节反馈电阻r ，e ，r ，获 得合适的输出电压睇”。 图3 2 信号拾取级光电转换电路 实际调试过程中，发现连接光电二极管的两根引线之阳j 存在干扰，为了减少这种 干扰将两线互相缠绕，有效地减小了线间分伟电容造成的干扰。在较长的传输距离 时，需要采用屏蔽线连接，消除这种干扰。 调试拾取级电路获得输出为负值信号，而系统采集卡要求输入为正值信号，因此 在放大级前还需要进行极性转换，将拾取级信号转换为波形不变、极性相反的电压输 出信号。采用的极性转换电路如图3 _ 3 所示。调节电路中的电阻和电容，可以获得理 想的电压转换特性 2 s 2 9 】。 7 华中科技大学硕士学位论文 3 2 2 精密放大电路 图3 3 极性转换电路 信号拾取级电路将光电二极管接受的光信号转换成对应比例的微弱电流或者电压 信号，实际测试电压在几毫伏到十几毫伏之问。由于输出信号十分微弱，在传输过程 中可能会被噪声淹没，因此需要将电信号适当放大。放大电路的主要作用包括： 1 将微弱的信号进行放大，增强功率： 2 抑制干扰和降低噪声： 3 采样信号有足够的电平、及时并且不失真。 图3 4 精密放大电路 数据采集系统中的放大器主要有直流放大器、测量放大器、脉冲放大器和运算放 大器及数据放大器等几种。本章设计的放大电路采用运算放大器进行组合，实现信号 1 8 华中科技大学硕士学位论文 精密线性放大。 数据采集系统中放大器的设计遵循“三高三低”原则，即高的输入阻抗、高速 度、高的共模抗干扰能力及低漂移、低噪声和低的输出阻抗。放大器的两大类特性指 标是静态特性和动态特性。的者包括增益、线性度、输入输出阻抗、共模抑制比、输 出电压和电流、漂移等，后者包括暂态响应的建立时间、频率幅度响应、电压上升 率、全功率响应、过载恢复时间等，本文设计调试过程中只对静态特性进行了测试。 设计放大器电路的主要步骤是首先测试或计算探测器与偏置电路的源电阻，然后 确定放大使用的关键器件，比如是选用变压器耦合，还是运算放大器，或者是半导体 三极管、结型场效应管、m o s f e t 等，再选定管型在放大级采用噪声尽可能低的 电子器件，按照最佳源电阻原则确定工作点，进行工作频率、带宽等参量的计算和选 择。如果前置电路阻抗与放大级电路阻抗不匹配时，采用射极跟随器耦合1 3 0 3 1 , 3 2 1 。 输入电m ( v ) 图3 5 放大电路线性度测试结果 放大器的增益问题是设计中考虑的重点问题之一，需要研究增益的稳定度、精度 和温度系数。本文设计的放大器电路如图3 5 所示，采用运算放大器l m l 0 8 为主要 器件，它具有极低的温漂、输入偏流和输入失调电压及很高的共模抑制比，并且它对 电源噪声具有较好的揶制作用。该运算放大器的共模抑制比在+ 5 一+ 2 0 v 的工作电 压和一5 5 1 2 5 温度下的典型值为1 0 0 ，最小值为8 5 。调节反馈电阻电路的增益可 以实现较大范围的无级变化，为此可变电阻采用可调的精密电位器，通过调节精密电 位器旋纽实现增益的均匀变化。 概括起来该电路具有如下基本特点： 1 放大电路增益范围可调，根掘第一级输出和最后输出电压要求设定在2v 5v 之 间可调，根据信号拾取级输