CN112815819B - 一种具有温度补偿功能的测距装置及切割系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有温度补偿功能的测距装置及切割系统。将寄生电容的第一端接测距端，寄生电容的第二端接运放的信号输入端；变容二极管与第一电阻并联，组成并联电路；并联电路与寄生电容并联；变容二极管的正极接地，变容二极管的负极与电压源连接；运放的信号输出端与处理器的信号输入端连接。当温度变化时，寄生电容的变化和变容二极管的等效电容的变化方向相反，大小相近，这样就能补偿掉除板间电容以外的无用电容因温度变化对电容传感器测量高度的影响，使得高度测量更加准确，从而保持切割高度的稳定，保证了切割效果和切割质量。

Description

一种具有温度补偿功能的测距装置及切割系统

技术领域

本发明涉及切割技术领域，尤其涉及一种具有温度补偿功能的测距装置及切割系统。

背景技术

在激光切割过程中，为了保证被加工件的切割效果及质量，就必须要求激光切割头的喷嘴与被加工件之间的间隙恒定。由于工件表面起伏不平和弯曲、机床工作台的不平整等因素，导致二者之间的间距经常发生变化，此时就需要用到电容高度传感器来探测切割头喷嘴与工件表面的高度。但是在高功率激光切割中，切的大部分都是较厚的碳钢，而且激光焦点较高，导致了喷嘴陶瓷环部位的温度升得很高，而陶瓷环的材质会因为温升而发生一定的形变，进而导致电容传感器探测到的电容值发生变化。电容高度传感器是根据电容值来测量高度的，电容值变化就会使测出的高度值也发生变化。当测量到的高度值与实际高度相差较大时，就会导致撞板、高空出光以及切割头上抬等现象发生，对切割效果以及质量造成很严重的不良影响。

发明内容

本发明通过提供一种具有温度补偿功能的测距装置及切割系统，解决了距离测量受温度变化影响的技术问题，实现了保持切割高度稳定，保证了切割效果和切割质量的技术效果。

本发明提供了一种具有温度补偿功能的测距装置，包括：寄生电容、变容二极管、第一电阻、电压源、运放及处理器；所述寄生电容的第一端接测距端，所述寄生电容的第二端接所述运放的信号输入端；所述变容二极管与所述第一电阻并联，组成并联电路；所述并联电路与所述寄生电容并联；所述变容二极管的正极接地，所述变容二极管的负极与所述电压源连接；所述运放的信号输出端与所述处理器的信号输入端连接。

进一步地，还包括：第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容、第一驱动电压源及第二驱动电压源；所述寄生电容的第二端与所述运放的输入正极连接；所述第二电阻的第一端与所述变容二极管的负极连接，所述第二电阻的第二端与所述电压源连接；所述第五电阻与所述第一电容串联，组成串联电路；所述串联电路的第一端与所述寄生电容的第二端连接，所述串联电路的第二端与所述第三电阻的第一端连接；所述第三电阻的第二端与所述运放的输入负极连接，所述第三电阻的第二端还与所述第四电阻的第一端连接，所述第四电阻的第二端接地；所述第三电阻的第一端还与所述运放的信号输出端连接；所述第一驱动电压源的一端接地，所述第一驱动电压源的另一端接所述运放；所述第二驱动电压源的一端接地，所述第二驱动电压源的另一端接所述运放。

进一步地，所述处理器包括：

频率接收模块，用于接收由所述运放发送的频率数据；

处理模块，用于将所述频率数据处理得到距离数据。

进一步地，所述处理模块，具体用于根据公式

计算得到所述距离数据h；其中，R为电路内部谐振回路的等效电阻，ε为介电常数，s为测距端截面积，k为静电力常量，f为接收到的频率数据。

进一步地，所述处理器，还包括：

数据发送模块，用于将所述距离数据发送到切割机构的控制端。

进一步地，所述运放为UA741运放。

本发明还提供了一种切割系统，包括：上述的测距装置和切割机构；所述处理器的信号输出端与所述切割机构的信号输入端通信连接。

进一步地，所述切割机构包括：控制器和切割执行机构；所述控制器的信号输入端与所述处理器的信号输出端通信连接，所述控制器的信号输出端与所述切割执行机构的信号输入端通信连接。

进一步地，所述控制器包括：

数据接收模块，用于接收由所述处理器输出的距离数据；

指令发送模块，用于根据所述距离数据输出调高指令到所述切割执行机构。

进一步地，所述指令发送模块，包括：

数据库，用于存储不同距离与调高指令之间的对应关系；

查询单元，用于根据所述距离数据查询所述数据库得到相对应的调高指令；

指令输出单元，用于将查询得到的调高指令输出到所述切割执行机构。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

将寄生电容的第一端接测距端，寄生电容的第二端接运放的信号输入端；变容二极管与第一电阻并联，组成并联电路；并联电路与寄生电容并联；变容二极管的正极接地，变容二极管的负极与电压源连接；运放的信号输出端与处理器的信号输入端连接。当温度变化时，寄生电容的变化和变容二极管的等效电容的变化方向相反，大小相近，这样就能补偿掉除板间电容以外的无用电容因温度变化对电容传感器测量高度的影响，使得高度测量更加准确，从而保持切割高度的稳定，保证了切割效果和切割质量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的具有温度补偿功能的测距装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的具有温度补偿功能的测距装置中由电容转化为频率的转换电路的电路图；

图3为本发明实施例提供的具有温度补偿功能的测距装置的原理示意图；

其中，1-陶瓷环，2-喷嘴，3-工件。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种具有温度补偿功能的测距装置及切割系统，解决了距离测量受温度变化影响的技术问题，实现了保持切割高度稳定，保证了切割效果和切割质量的技术效果。

本发明实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：

将寄生电容的第一端接测距端，寄生电容的第二端接运放的信号输入端；变容二极管与第一电阻并联，组成并联电路；并联电路与寄生电容并联；变容二极管的正极接地，变容二极管的负极与电压源连接；运放的信号输出端与处理器的信号输入端连接。当温度变化时，寄生电容的变化和变容二极管的等效电容的变化方向相反，大小相近，这样就能补偿掉除板间电容以外的无用电容因温度变化对电容传感器测量高度的影响，使得高度测量更加准确，从而保持切割高度的稳定，保证了切割效果和切割质量。

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

参见图1，本发明实施例提供的具有温度补偿功能的测距装置，包括：寄生电容C₁、变容二极管、第一电阻R1、电压源Vcc、运放U1及处理器；寄生电容C₁的第一端接测距端，寄生电容C₁的第二端接运放U1的信号输入端；变容二极管与第一电阻R1并联，组成并联电路；并联电路与寄生电容C₁并联；变容二极管的正极接地，变容二极管的负极与电压源Vcc连接；运放U1的信号输出端与处理器的信号输入端连接。

在本实施例中，寄生电容C₁设置在喷嘴上方的陶瓷环到电路板这段线缆上。运放U1的信号输出端通过射频线与处理器的信号输入端连接。

对由电容转化为频率的转换电路的结构进行进一步说明，参见图2，还包括：第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C3、第一驱动电压源VS1及第二驱动电压源VS2；寄生电容C₁的第二端与运放U1的输入正极连接；第二电阻R2的第一端与变容二极管的负极连接，第二电阻R2的第二端与电压源Vcc连接；第五电阻R5与第一电容C3串联，组成串联电路；串联电路的第一端与寄生电容C₁的第二端连接，串联电路的第二端与第三电阻R3的第一端连接；第三电阻R3的第二端与运放U1的输入负极连接，第三电阻R3的第二端还与第四电阻R4的第一端连接，第四电阻R4的第二端接地；第三电阻R3的第一端还与运放U1的信号输出端连接；第一驱动电压源VS1的一端接地，第一驱动电压源VS1的另一端接运放U1；第二驱动电压源VS2的一端接地，第二驱动电压源VS2的另一端接运放U1。

对由电容转化为频率的转换电路的结构进行更进一步说明，第六电阻R7与寄生电容C₁并联。

对由频率数据得到距离数据的过程进行具体说明，处理器包括：

频率接收模块，用于接收由运放U1发送的频率数据；

处理模块，用于将频率数据处理得到距离数据。

对由频率数据得到距离数据的过程进行进一步说明，处理模块，具体用于根据公式

计算得到距离数据h；其中，R为电路内部谐振回路的等效电阻，ε为介电常数，s为测距端截面积，k为静电力常量，f为接收到的频率数据。

为了将得到的距离数据发送到切割机构的控制端，从而实现喷嘴到加工工件之间距离的自适应调节，处理器，还包括：

数据发送模块，用于将距离数据发送到切割机构的控制端。

在本实施例中，运放U1为UA741运放。变容二极管的型号，电压源Vcc的大小，第一电阻R1和第二电阻R2的阻值及型号，都需要根据实际情况具体分析后确定。

本发明实施例还提供了一种切割系统，包括：上述的测距装置和切割机构；处理器的信号输出端与切割机构的信号输入端通信连接。

对切割机构的结构进行具体说明，切割机构包括：控制器和切割执行机构；控制器的信号输入端与处理器的信号输出端通信连接，控制器的信号输出端与切割执行机构的信号输入端通信连接。

在本实施例中，处理器的信号输出端通过EtherCAT总线与控制器的信号输入端通信连接。

对控制器的结构进行具体说明，控制器包括：

数据接收模块，用于接收由处理器输出的距离数据；

指令发送模块，用于根据距离数据输出调高指令到切割执行机构。

对调高指令的输出过程进行具体说明，指令发送模块，包括：

数据库，用于存储不同距离与调高指令之间的对应关系；

查询单元，用于根据距离数据查询数据库得到相对应的调高指令；

指令输出单元，用于将查询得到的调高指令输出到切割执行机构。

在本实施例中，控制器是激光切割机床的控制中心，可以控制各个方向轴的运动。当得知竖直方向上喷嘴与工件之间的高度值时，就可以判断出当前高度与目标高度相差多少，从而对Z轴进行调整，使其运动到目标高度，例如目标高度为5mm，当前高度为1mm，就会控制Z轴向上移动4mm，从而起到一个高度调节的作用。

对本发明实施例提供的具有温度补偿功能的测距装置的温度补偿原理进行说明：

参见图3，在电容输入端口设置的变容二极管可等效为一个等效电容C₂。当在变容二极管的两端加上反向偏压时，会产生电容效应，通常变容二极管的电容量，随反向偏压的增大而减小。第一电阻R1是一个温度系数很小的电阻，温度变化时阻值基本不变，第二电阻R2是一个负温度系数的温敏电阻，其阻值随温度的升高而下降，电压源Vcc是一个直流电压源，变容二极管的电容值C₂主要受第一电阻R1两端电压的影响。

待测量的距离为h+Δh1+Δh2，其中，h是与喷嘴2与工件3之间的板间电容C₀相关的实际高度值，Δh1是喷嘴2上方的陶瓷环1到电路板这段线缆上的寄生电容C₁因温度变化造成的高度误差，Δh2是与变容二极管的等效电容C₂相关的高度补偿，用来补偿误差Δh1。在实际使用过程中，假设高度h未发生变化，当温度升高时，板间电容C₀因为主要和高度有关，所以基本上没有变化。寄生电容C₁由于陶瓷环1的形变通常会随温度的上升而增加，第二电阻R2随温度的升高而减小，第一电阻R1保持不变，所以第一电阻R1两端的电压增大，导致等效电容C₂减小。当寄生电容C₁增大的电容量和等效电容C₂减小的电容量很接近时，就可以达到一个电容补偿的效果，最终求出的高度值就会接近于实际高度值。当温度下降时的原理相同，同样能达到一个电容补偿的效果。本发明实施例的核心是随着温度的变化，寄生电容C₁的变化要和等效电容C₂的变化方向相反，大小相近，这样就能补偿掉除板间电容以外的无用电容因温度变化对电容传感器测量高度的影响，使得高度测量更加准确，从而保持切割高度的稳定，保证了切割效果和切割质量。

【技术效果】

将寄生电容C₁的第一端接测距端，寄生电容C₁的第二端接运放U1的信号输入端；变容二极管与第一电阻R1并联，组成并联电路；并联电路与寄生电容C₁并联；变容二极管的正极接地，变容二极管的负极与电压源Vcc连接；运放U1的信号输出端与处理器的信号输入端连接。当温度变化时，寄生电容C₁的变化和变容二极管的等效电容的变化方向相反，大小相近，这样就能补偿掉除板间电容以外的无用电容因温度变化对电容传感器测量高度的影响，使得高度测量更加准确，从而保持切割高度的稳定，保证了切割效果和切割质量。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种具有温度补偿功能的测距装置，其特征在于，包括：寄生电容、变容二极管、第一电阻、电压源、运放及处理器；

所述寄生电容的第一端接测距端，所述寄生电容的第二端接所述运放的信号输入端；

所述变容二极管与所述第一电阻并联，组成并联电路；

所述并联电路与所述寄生电容并联；

所述变容二极管的正极接地，所述变容二极管的负极与所述电压源连接；

所述运放的信号输出端与所述处理器的信号输入端连接；

当温度变化时，所述寄生电容的变化与所述变容二极管的等效电容的变化方向相反且大小相近，以补偿掉所述寄生电容因温度变化对测量高度的影响。

2.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，所述测距装置还包括第二电阻；

所述第二电阻的第一端与所述变容二极管的负极连接，所述第二电阻的第二端与所述电压源连接，所述第二电阻是温敏电阻，所述第一电阻在温度变化时阻值基本不变，从而使得：当温度变化时，所述寄生电容的变化与所述变容二极管的等效电容的变化方向相反且大小相近。

3.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，还包括：第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容、第一驱动电压源及第二驱动电压源；所述寄生电容的第二端与所述运放的输入正极连接；所述第五电阻与所述第一电容串联，组成串联电路；所述串联电路的第一端与所述寄生电容的第二端连接，所述串联电路的第二端与所述第三电阻的第一端连接；所述第三电阻的第二端与所述运放的输入负极连接，所述第三电阻的第二端还与所述第四电阻的第一端连接，所述第四电阻的第二端接地；所述第三电阻的第一端还与所述运放的信号输出端连接；所述第一驱动电压源的一端接地，所述第一驱动电压源的另一端接所述运放；所述第二驱动电压源的一端接地，所述第二驱动电压源的另一端接所述运放；从而实现将电容转化为频率。

4.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，所述处理器包括：

频率接收模块，用于接收由所述运放发送的频率数据；

处理模块，用于将所述频率数据处理得到距离数据。

5.如权利要求4所述的测距装置，其特征在于，

所述处理模块，具体用于根据公式

计算得到所述距离数据h；其中，R为电路内部谐振回路的等效电阻，ε为介电常数，s为测距端截面积，k为静电力常量，f为接收到的频率数据。

6.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，所述运放能向所述处理器发送由电容转化的频率数据；

所述处理器能由所述频率数据得到距离数据。

7.如权利要求1或6所述的测距装置，其特征在于，所述寄生电容能与板间电容并联；

所述板间电容的大小随板间高度变化；

待测量的距离为h+Δh1+Δh2，其中，h是与所述板间电容相关的实际高度值，Δh1是所述寄生电容因温度变化造成的高度误差，Δh2是与所述变容二极管的等效电容相关的高度补偿，Δh2用于补偿误差Δh1；

所述运放能向所述处理器发送由所述寄生电容、所述变容二极管的等效电容、以及所述板间电容转化的频率数据。

8.一种切割系统，其特征在于，包括：如权利要求1-6中任一项所述的测距装置和切割机构；所述处理器的信号输出端与所述切割机构的信号输入端通信连接。

9.如权利要求8所述的切割系统，其特征在于，所述切割系统还包括：

喷嘴，与工件之间存在板间电容，所述板间电容的大小随所述喷嘴与所述工件之间的距离变化而变化；

陶瓷环，位于所述喷嘴上方；

电路板；

所述寄生电容是所述陶瓷环到所述电路板的线缆上的电容；

所述寄生电容能与所述板间电容并联；

待测量的距离为h+Δh1+Δh2，其中，h是与所述板间电容相关的实际高度值，Δh1是所述寄生电容因温度变化造成的高度误差，Δh2是与所述变容二极管的等效电容相关的高度补偿，Δh2用于补偿误差Δh1。

10.如权利要求8所述的切割系统，其特征在于，所述切割机构包括：控制器和切割执行机构；所述控制器的信号输入端与所述处理器的信号输出端通信连接，所述控制器的信号输出端与所述切割执行机构的信号输入端通信连接；

所述控制器包括：

数据接收模块，用于接收由所述处理器输出的距离数据；

指令发送模块，用于根据所述距离数据输出调高指令到所述切割执行机构；

所述指令发送模块，包括：

数据库，用于存储不同距离与调高指令之间的对应关系；

查询单元，用于根据所述距离数据查询所述数据库得到相对应的调高指令；

指令输出单元，用于将查询得到的调高指令输出到所述切割执行机构。

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