激光切割机简易自动控制系统

第1章激光切割机

激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术，也是激光加工中应用最早、使用最多的加工方法。它占整个激光加工业的70％以上。激光切割与其他切割方法相比，最大区别是它具有高速、高精度和高适应性的特点。同时还具有割缝细、热影响区小、切割面质量好、切割时无噪声、切缝边缘垂直度好、切边光滑、切割过程容易实现自动化控制等优点。可切割碳钢、不锈钢、合金钢、木材、塑料、橡胶、布、石英、陶瓷、玻璃、复合材料等。激光切割板材时，不需要模具，可以替代一些需要采用复杂大型模具的冲切加工方法，能大大缩短生产周期和降低成本。因此，目前激光切割已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门中。

近年来，激光切割技术发展很快，国际上每年都以15％—20％的速度增长。我国自1985年以来，更以每年25％以上的速度增长。当然，由于我国激光工业基础较差，激光加工技术的应用尚不普遍，激光加工整体水平与先进国家相比仍有较大差距。相信随着激光加工技术的不断进步，这些障碍和不足会逐步得到解决，激光切割技术必将成为20世纪不可缺少的主流的钣金加工手段。以日本为例，目前拥有CO2激光加工机的数量约占全球激光加工机总量的1／3，其中80％为激光切割设备。而我国至今却只有几百套激光切割机在使用中。因此，在我国，激光切割技术的推广和应用潜力很大。随着我国国民经济的飞速发展，许多传统产业需要改造，许多钣金加工领域有待开发，许多工业城市也需要建立激光加工中心。

CO2激光切割机技术正在我国工业生产中得到越来越多的应用,国外正研究开发更高切割速度和更厚钢板的切割技术与装置。为了满足工业生产对质量和生产效率越来越高的要求,必须重视解决各种关键技术及执行质量标准,以使这一新技术在我国获得更广泛的应用。激光切割技术激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。激光切割技术有两种：一种是脉冲激光适用于金属材料。第二种是连续激光适

用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。现代的激光成了人们所幻想追求的“削铁如泥”的“宝剑”。

1.1激光切割机国内发展概况

自从第一台红宝石激光器于1960年问世以来，激光技术已被广泛应用到各行各业，走进了干家万户，渗入我们的日常生活。诸如激光打印、CD唱盘与光盘、VCD与DVD视盘、光纤通信、激光测距、激光扫描条码。在工业上，激光被用于四大加工领域：切割、焊接、标记与热处理。和半导体工业一样，中国的工业激光起步并不比西方国家晚。但由于基础工业的薄弱和投资力度的不足，使商品化的激光切割机研究远远落后于发达国家。目前最大的制造厂家是上海雷鸥激光设备厂(上海嘉定)，每年可生产30台2—5kw的横流式CO2激光器，供焊接与表面热处理使用，也可少量生产1.0~1.5kw轴流式CO2激光器供切割用，南京东方激光公司引进德国技术，每年可生产10台1.5、2.0kW封闭式轴流式CO2激光器。此外，长春光机所和上海光机所也生产少量工业激光器。

我国北京机床研究所、核工业部济南铸造锻压机械研究所、北京机电研究院近年也相继推出了国产的数控激光切割机。沈阳机床股份有限公司引进意大利普瑞玛公司数控激光切割机制造技术合资生产，推出了自己的激光器。

目前我国拥有的整台套的激光切割加工系统不足千台，而且分布在全国近200家的激光加工部门中，其中90％为CO2激光器。

国产数控激光切割机的主要持点是，价格较低，约是进口价格的三分之一；激光器功率较低，一般为1.5kw以下。与国外机相比表现为切缝宽，表面质量、机械精度、整机的稳定性、柔性较差。但由于价格方面的优势，在国内市场上也逐渐打开了销路。近几年，我国的汽车、纺织机械、等制造业中一些实力较雄厚的企业引进了不少激光切割机，以满足小批量、多品种金屑薄板的加工需要，但由于进口机价格昂贵，大多数企业都只能望“机”兴叹。因此，继续深入开发和发展国产化的较高质量的数控激光切割机，以较低的价格推向市场，是一项很重要的工作。

1.2激光切割的工作原理

激光切割的工作原理如图1.1所示。它是利用从激光发生器发射出的激光束，经外光路系统，聚焦成具有高功率密度的激光束照射工件，激光能量被工件材料吸收。工件温度急剧上升。到达沸点后，材料开始汽化并形成孔洞。随着光束与工件相对位置的移动，最终使材料形成割缝。切割时的工艺参数(切割速度、激光器功率、气体压力等)及运动轨迹均由数控系统控制。割缝处的熔渣被一定压力的辅助气体吹除。

图1.1 激光切割原理

第2章自动控制系统

2.1 系统方框图

自动控制系统通常由控制器、执行机构和信息反馈装置三部分组成。反馈装置的任务是监视和测量执行机构和工作对象的状态变化和执行结果，把这些信息反馈给控制器。控制器则根据任务的定义和当前执行情况决定以后应该采取的措施，以机械的、光电的或其他的物理方式向执行机构发出指令，以便后者准确地加以执行。执行机构可能是某种工作母机，如机床、化学反应器、作战武器的发射器等。本文所需要介绍的是激光切割机调节离焦量的简易自动控制系统，总体系统方框图如图2.1所示：

图2.1 自动控制系统方框图

2.2 伺服系统

伺服电机是一种传统的电机。它是自动装置的执行元件。伺服电机的最大

特点是可控。在有控制信号时，伺服电机就转动，且转速大小正比于控制电压的大小。去掉控制电压后，伺服电机就立即停止转动。伺服电机的应用甚广，几乎所有的自动控制系统都需要用到。在家电产品中，例如录相机、激光唱机等都是不可缺少的重要组成部分。

简单伺服电机的工作原理如图2.2所示：

图2.2 伺服电机工作原理图

图2.2示出了伺服电机的最简单的应用。电位器RV1由伺服电机带动。电机可选用电流不超过700mA，电压为12～24V的任一种伺服电机。图中RV1和RV2是接成惠斯登(Wheatstone)电桥。集成电路LM378是双路4瓦功率放大器，也以桥接方式构成电机驱动差分放大器。当RV2的任意变化，都将破坏电桥的平衡，使RV1—RV2之间产生一差分电压，并且加以放大后送至电机。电机将转动，拖动电位器RV1到新的位置，使电桥重新达到新的平衡。所以说，RV1是跟踪了RV2的运动。

第3章 涡流传感器测量电路设计

电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心—转轴，而电涡流传感器，能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用

3.1 涡流传感器工作原理

涡流传感器分为低频透设式和高频反射式两种。当传感器线圈激磁频率在1KHZ 以下时，电涡流趋肤效应大大减弱，穿透能力加强，可检测金属板的厚度。而此次设计采用的是高频反射式电涡流传感器。

高频反射式电涡流传感器结构简单，主要由安置于骨架上的扁平圆形线圈构成如图3.1所示。传感线圈由高频电流I 激磁，产生高频交变磁场i φ，此i φ在被测平面上产生电涡流e i 。根据电磁感应定律，电涡流e i 对i φ起去磁作用，以阻止i φ的变化。图中e φ表示由电涡流e i 产生的磁场，因而e φ与i φ反向。显然传感线圈与被测物体之间的距离H 越小，电涡流效应越强，从而把非电量δ转换为电量，以实现位移量的测量。

图3.1高频反射式电涡流传感器原理图

3. 2 涡流传感器等效电路

电涡流传感器的等效电路如图3.2所示，它类似于次级短路的空心变压器。图中R1和L1为传感线圈的电阻和自感，M为传感线圈与被测体间磁耦合等效互感。

图3.2 电涡流传感器等效电路图

按KTV可列出图2电路电压平衡方程为

（2.1）求解方程可得电涡流传感器的等效阻抗为

2222121222222222()()w M w M Z R R jw L L R wL R wL ????=++-????++???

? （2.2） 式中22

22

22

22()

w M R R R wL '=+————涡流回路的反射电阻； 22

22

22

22()

w M L L R wL '=+————涡流回路的反射电感。 由式（2.2）可得电涡流传感器的品质因数为

2222

2122222

2

221220

2222

21222222

22122

1()1()L w M w M wL wL R w L L R wL Q Q R w M w M R R R w L R R wL --++==++++ （2.3） 式中 1

01

wL Q R =

——————无涡流效应时传感线圈的品质因数。 由上分析可知，电涡流传感器等效阻抗Z 与被测体涡流回路电阻率、导磁率r ?、激励源频率f 以及传感线圈与被测体间距离δ有关，即

(,,,)r f Z F δρμ=

是一个四变量函数，实际上当被测体材料及激磁频率一定时，阻抗Z 将是δ的单值函数，因而高频反射式电涡流传感器可以实现位移量的测量。

3.3 传感器的测量电路

电桥法是将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的变化。为了提高传感器的灵敏度，我们可以选差动电桥法，图3.3是带相敏整流电桥的原理图，图中线圈A 和B 为传感器线圈。传感器线圈的阻抗作为电桥的桥臂，起始状态，使电桥平衡。在进行测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行相敏整流，就可以得到与被测量成正比的输出。电桥法主要用于两个电涡流线圈组成的差动式传感器。

图3.3 电桥法测量电路原理图

3.4 放大电路设计

3.4.1放大电路的要求

在非电测量中，由于传感器输出的变化量测量值太小，难以直接用，故进行放大后再进行测量。为了保证测量精度的要求，传感器输出信号要求放大器具有如下特点：

1) 足够的放大倍数和相应速度；

2) 输入阻抗高，输出阻抗低；

3) 高共模抑制能力；

4) 低温漂，低噪声，低失调电压和电流。

3.4.2放大电路

如图3.4所示的三运放放大电路结构，这种结构可以较好地满足上面三条要求。由运放虚短虚断分析此电路，可以得到公式：

带入数据得到放大增益：

图3.4 三运放放大器

3.5 5G1403稳压电路

5G1403稳定电压比较提供电路可以为MC14433A/D转换器提供稳定的比较电压的电路，提高系统电路的稳定性，如图3.5所示：

图3.5 5G1403稳定电压比较提供电路图

第4章A/D转换电路

4.1 MC14433基本性能介绍

A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或设备，它是模拟系统与数字系统或计算机之间的接口。A/D转换的实现方法有很多种，常用的有：积分式、逐次比较式、并行比较式、二进制胁迫式（又称为计数式）、量化反馈式等。在该电路中使用的是3-1/2位双积分式A/D转化器MC14433。以下是MC14433特性。

特点：MC14433采用双积分原理完成A/D转换，全部转换电路用CMOS大规模集成电路技术设计，具有功耗低、精度高、功能完整等优点。

转换精度：读数的±0.05%±1字

电压量程：1.999V和199.9mV两档。量程的扩展通过外加控制电路实现。

转换速率：4~10Hz,相应时钟频率变化范围为50~150kHz。

输入阻抗：大于100MΩ。

工作电压范围：±4.5~±8V或9~16V.

典型功耗：当电压为±5V时，功耗为8mW.

外型封装：24引脚双列直插式。

片内具有自动极性转换和自动调零功能。有过量程和欠量程标志信号输出，配上控制电路可以完成自动量程切换。片内提供时钟脉冲发生电路，使用时只需外接一电阻，也可以使用外部输入时钟。时钟频率范围为50~150kHz。外接单一正电压基准，基准电压值和量程有关。当量称为1.999V时，基准电压为2V;当量程为199.9mV时，基准电压为200mV。转换结果输出形式为经过多路条值得BCD码，并有多路调制选通脉冲输出，通过外接译码电路可实现LED动态扫描显示或LCD显示。图4.1为MC14433的整体电路结构框图。

图4.1 MC 14433电路结构框图

4.2 MC14433芯片

MC 14433芯片采用24引脚双列直插式外型封装，如图4.2所示。

图4.2 MC 14433管脚图

芯片各管脚功能如下：

1端：AG V 模拟地，为高阻抗输入端，作为输入被测电压x V 和基准电压n V 的地。

2端：n V ，基准电压，为外接基准电压输入端，若此端加一个大于5个时钟

1 1 1 1 01 02

周期的负脉冲（EE V 电平）；则系统复位到转换周期的起点。

3端：x V ，输入被测电压，为被测电压输入端。 4端：1R ，外接积分电阻端。 5端：R 1/C 1,外接积分元件端。

6端：1C ，外接积分元件端，积分波形输出端。 7端：01C ，外接失调补偿电容端。 8端：02C ，外接失调补偿电容端。

9端：DU ，实时输出控制端，主要控制转换结果的输出，

若在双积分放电周期（即阶段5）开始前DU 端输入一正脉冲，则该转换周期所得到的转换结果将被送入输出锁存器经多路开关输出，否则输出端就继续输出锁存器原来的转换结果。在使用中，若该端和14端（EOC ）输出连接，则每一转换周期的结果都将被输出。

10、11端：CLKI 、CLKO ，时钟信号输入、输出端。

12端：EE V ，负电源端。EE V 是整个电路的电源负端，主要作为内部模拟部分的电源，所有输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向SS V 端。

13端：SS V ，数字地。

14端：EOC ，转换周期结束标志输出。每个A/D 转换周期结束时，EOC 端输出一正脉冲，宽度为时钟信号周期的1/2。

15端：OR,溢出标志输出。当x n V V 时，OR 时输出低电平，平时OR 位高电平。

16、17、18、19端：DS 4、DS 3 、DS 2 、DS 1，多路调制选通脉冲信号输出的个位、十位、百位、千位。

20、21、22、23端：Q 0 、Q 1 、Q 2 、Q 3，A/D 转换结果输出信号（BCD 码），Q 0为MSB 位。24端：DD V ,正电源端。

4.3 MC14433动态扫描数据输出的实现

MC 14433转换的结果采用BCD 码动态扫描输出，它的千位，百位，十位，

个位4个数位分别与DS 4，DS 3，DS 2，DS 1输出高电平是相对应。输出数据除了在选通信号DS 4，DS 3，DS 2对应位上，Q 0，Q 1，Q 2，Q 3输出BCD 码之外，还在选通信号DS 1对应位上输出了‘’千‘’位数和别的信号（欠，过量程标志，正，负极性标志等）。例如：DS1为“1”时，Q 0，Q 1，Q 2，Q 3各位代码作用见真值表。表中Q 3表示1/2位，输出低电压对应“1”，输出高电平对应“0”；Q 2表示极性，输出“1”表示正极性，输出“0”表示负极性；Q 0指量程是否合适，若输出为“0”，表示量程合适，若输出为“1”，则说明x V 超出量程范围，当与Q 3一起使用时，就可以表示过量程或者欠量程。过量程时Q 3为“0”：欠量程时Q 3与Q 0均为“1”。

表4.1 MC14433最高位真值表（DS 1＝1）

第5章显示电路的设计

5.1译码显示电路

二---十进制译码器（BCD码），用4位二进制0000—1001分别代表十进制数0-9，称为二-十进制数，又称为BCD码。常用的BCD码---7段译码显示译码器CD4511引脚如下图5.1所示。

A1、A2、A3、A4（1、2、6、7）脚：BCD码输入端

a、b、c、d、e、f、g（13、12、11、10、9、15、14）脚：为译码输出，输出“1”有效，用来驱动共阴极LED数码管。

BI（4）脚：BI为消隐功能端：BI=1，正常显示：BI=0时译码输出全为“0”，字型消隐。

LT（3）脚：LT为灯测试端，LT=1，正常显示；LT=0时，译码输出全为“1”，这时数码管全段点亮，显示器显示8，可以检测数码显示器的好坏。

LE（5）脚：LE为锁存端，LE=0不锁存，译码器输出随输入BCD码变化；当LE由0变1时，将输入的BCD码锁存；

图5.1 CD4511引脚图

表5.1 MC14511功能表

5.2 数码管显示电路

本系统使用的是共阴数码管TOS-5101BH，共有四个，分别显示距离的十位

个位十分位百分位。七段数码管在工业控制中有着很广泛的应用，例如用来显示温度，数量，重量，日期，时间，还可以用来显示比赛的比分，具有醒目，直观的优点。

数码管分为7段，如下图5.2所示：

图5.2 数码管

根据数码（0，1，2，3，4，5，6，7，8，9）来决定七段中的某一段或几段进行描绘。例如如果数码为0，则显示a,b,c,d,e,f段，数码为2，则显示a,b,g,e,d 段，依次类推。

对于CD4511，它与数码管TOS-5101BH的基本连接方式如图5.3所示：

图5.3 CD4511与数码管TOS-5101BH的连接图

第6章报警电路设计

6.1 电压双向越限报警保护器

该报警保护器能在电压高于或低于规定值时，进行声光报警，同时自动切断电器电源，保护用电器不被损坏。该装置体积小、功能全、制作简单、实用性强。其工作原理图如图6.1所示：

图6.1 电压双向越限报警电路

6.2 双向越限报警器工作原理

电压一路由C3降压，DW稳压，VD6、VD7、C2整流滤波输出12V稳定的直流电压供给电路。另一路由VD1整流、R1降压、C1滤波，在RP1、RP2上产生约10.5V电压检测市电电压变化输入信号。门IC1A、IC1B组成过压检测电路，IC1C 为欠压检测，IC1D为开关，IC1E、IC1F及蜂鸣器等组成音频脉冲振荡器。三极

管VT和继电器J等组成保护动作电路。红色LED1作市电过压指示，绿色管LED2作市电欠压指示。市电正常时，非IC1A输出高电平，IC1B、IC1C输出低电平，LED1、LED2均截止不发光，VT截止，J不动作，电器正常供电，此时B点为高电平，F4输出低电平，VD5导通，C点为低电平，音频脉冲振荡器停振，蜂鸣器不发声。当市电过压或欠压时，IC1B、IC1C其中有一个输出高电平，使A 点变为高电位，VT饱和导通，J通电吸合，断开电器电源，此时B点变为低电位，IC1D输出高电平，VD5截止，反向电阻很大，相当于开路，音频脉冲振荡器起振，蜂鸣器发出报警声，同时相应的发光二极管发光指示。

6.3 元器件选择与制作

元器件清单见下表6.2。

表6.2 报警电路元器件清单

调试时，用一台调压器供电，调节电压为正常值（220V），用一白炽灯作负载，使LED1、LED2均熄灭，白炽灯亮，然后将调压器调至上限值或下限值，调RP1或RP2使LED1或LED2刚好发光，白炽灯熄灭，即调试成功。全部元件可安装于一个小塑料盒中，将盒盖上打两个孔固定发光二极管，打一个较大一点的圆孔固定蜂鸣器，使其有较响的鸣叫声。

经过了近半年的学习和工作，我终于完成了《激光切割机简易自动控制系统》的论文。从开始接到论文题目到系统的实现，再到论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，从对相关技术很不了解的状态，我开始了独立的学习和试验，查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己非常稚嫩作品一步步完善起来，每一次改进都是我学习的收获，每一次试验的成功都会让我兴奋好一段时间。

虽然我的论文作品不是很成熟，还有很多不足之处，但我可以自豪的说，这里面的每一句话，都有我的劳动。当看着自己的论文，最终打印出版，真是莫大的幸福和欣慰。我相信其中的酸甜苦辣最终都会化为甜美的甘泉。