CN113909713B - 一种激光加工的防碰撞保护***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光加工的防碰撞保护***及方法，涉及激光加工技术领域。该激光加工的防碰撞保护硬件***，包括装置本体和检查机构，所述装置本体的一侧分别设置有电气柜、数控***和激光器，所述数控***上设置有激光器通讯电缆，所述电气柜内设置有伺服驱动器和声音监控装置。该激光加工的防碰撞保护***及方法，通过声发射传感器被动采集设备运行和碰撞的声音数据，声音监控装置进行分析判断处理，当碰撞时发生得噪声频率超过设定阀值，通过总线发送信号到***停机。声信号传递速率快，可以有效在控制上防碰撞。声发射传感器安装简单可应用于各种激光头，不需要更改切割机结构，不影响激光切割机的加工精度。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体为一种激光加工的防碰撞保护***及方法。
背景技术
激光切割机应用于各个领域，汽车行业、航空航天行业、工程机械、医疗、冶金等制造行业，可对各种不同材质的钢、合金、铜、铝等金属板材、管材切割。然而从平面切割到复杂曲面结构的3D切割，都会面临一个问题就是，激光头可能会与工件、夹具发生碰撞，损伤切割头，切割头本身价格昂贵，更换维修更会影响生产制造，所以需要解决这个问题。
通过检索查到以下专利方法：
专利CN 102794570 B公开了激光切割机防碰撞装置，切割头与防碰撞基体连接，防撞体与割炬升降装置连接到一起，防碰撞基体与防撞体通过磁铁连接，感应开关固定于所述防碰撞基体上，通过弹性触头感应开关感应切割头部分是否遭到碰撞并传信于激光切割机的PLC控制***。除了可使切割头在遭到撞击后，切割头可自动脱开，***也可使切割机停止运行。可保护切割头。但是装置结构复杂并且通过磁力连接，刚性不足影响加工精度，切割头脱开可能会出现光纤与激光头镜片损伤。另外弹性触头形变达到一定程度之后才会触发感应信号到***，延迟较高。
专利CN 110549010 A发明公开了一种可在出现碰撞时切割头自动停止运作的激光切割机，包括切割机本体、激光头本体和活动车架。激光头本体的侧面设置有防碰撞安装架，碰撞防损安装座的内部设置有侧向缓冲夹持模块，缓冲夹持模块内置缓冲弹簧，出现碰撞时，贴合限位轮、侧限位轮和对应缓冲模块配合下，可以起到碰撞缓冲防护作用。切割头碰撞时产生位移，感应开关传递信号到***停机，防止损失扩大。但是装置结构复杂并且连接缓冲弹簧，切割头高速运动惯性会压缩弹簧产生位移，影响加工精度。切割头产生位移后，触点开关传递信号到***停机，延迟较高。
综上可见，现有技术中，对于通过切割头采用弹簧、磁铁的形式与传动部件连接，可以对切割头碰撞产生一定的缓冲保护作用，但是激光加工激光头移动速度很快，通过弹性形变触发和位移触发的电信号有一定延迟时间，很可能将会出现切割头硬碰撞导致伺服电机过载才停机或者直接卡住，另外信号传递到PLC进行处理也有较长的延迟。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种激光加工的防碰撞保护***及方法，解决了现有技术中，对于通过切割头采用弹簧、磁铁的形式与传动部件连接，可以对切割头碰撞产生一定的缓冲保护作用，但是激光加工激光头移动速度很快，通过弹性形变触发和位移触发的电信号有一定延迟时间，很可能将会出现切割头硬碰撞导致伺服电机过载才停机或者直接卡住，另外信号传递到PLC进行处理也有较长的延迟的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种激光加工的防碰撞保护硬件***，包括装置本体和检查机构，所述装置本体的一侧分别设置有电气柜、数控***和激光器，所述数控***上设置有激光器通讯电缆，所述电气柜内设置有伺服驱动器和声音监控装置，所述声音监控装置上设置有工业以太网电缆，所述装置本体上设置有与伺服驱动器配合设置的伺服电机，所述伺服电机的下方设置有激光加工头，所述激光加工头的侧面设置有声发射传感器，所述声发射传感器上设置有声发射传感器电缆，所述声音监控装置包括声音接收采集和分析功能。
一种激光加工的防碰撞保护模块***，包括信息采集模块、数据分析模块、数据处理模块和执行指令模块；
其中，信息采集模块，用于通过被动声纳也就是声发射传感器的被动采集实现激光切割机正常工作各部位产生的噪音频率，以及发生碰撞噪音频率的采集；
数据分析模块，即声音监控装置，分析采集到的各种频率，根据设定的安全阀值判断噪声类别，将报警信息发送到数据处理模块；
数据处理模块，接收数据分析模块发来的报警信息，启动防碰撞程序；
执行指令模块，接到数据处理模块指令做出相应动作，保护设备；
工作时，通过采用声发射传感器被动采集激光切割机运行噪声频率，碰撞频率信息；
同时，通过采用声音监控装置分析激光切割机噪声信息，对危险碰撞做出判断；
其中，对于激光切割机处理危险信息执行动作是采用数控***直接通过以太网接收声音监控装置的信息对设备动作处理，非采用PLC的形式，响应时间大幅提高。
一种激光加工的防碰撞保护的方法，包括上述所述的激光加工的防碰撞保护硬件***和上述所述的激光加工的防碰撞保护模块***，具体操作如下：
S1、将不同碰撞情况所对应的频率制作成频率表，同时定义安全频率，安全振铃计数次数，并存储于数控***内；
S2、当碰撞发生时，声音接收装置实时监控声音信号，并经过信号处理器处理获得其对应的电信号；
S3、根据电信号对应的声音频率对应频率表判断出当前碰撞情况，若对应为等离子、反渣飞溅的频率，则认定为设备噪音，返回至步骤S2，若不为等离子、反渣飞溅的频率，则认定为碰撞噪音，其中，碰撞噪音包括脉冲式碰撞噪音，脉冲式碰撞噪音为偶尔一次加工的零件翘起碰触，即振铃计数，所形成的超过阈值的电信号的振荡波虽然超过阀值，但是次数很低的情况，被激光切割头碰掉没有造成损伤；
S4、统计振铃计数，若振铃计数等于1，则判定为脉冲式碰撞，返回至步骤S2，若振铃计数大于1，则将振铃计数发送至数控***；
S5、数控***控制激光器停止出光，同时启动退刀程序；
S6、数控***控制伺服驱动器和伺服电机停止工作，随后控制传动机构退刀；
S7、检查机构判断设备是否存在损伤，以此判断碰撞是否严重，若严重，则停机处理，并进行维修，维修完成后进行下一步操作，若不严重，则进行复位操作，随后进行下一步操作；
S8、进行断点程序的重启。
(三)有益效果
本发明提供了一种激光加工的防碰撞保护***及方法。具备以下有益效果：
该激光加工的防碰撞保护***及方法，通过声发射传感器被动采集设备运行和碰撞的声音数据，声音监控装置进行分析判断处理，当碰撞时发生得噪声频率超过设定阀值，通过总线发送信号到***停机。声信号传递速率快，可以有效在控制上防碰撞。声发射传感器安装简单可应用于各种激光头，不需要更改切割机结构，不影响激光切割机的加工精度。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明工作流程示意图。
图中：1、声发射传感器；2、伺服电机；3、激光加工头；4、声发射传感器电缆；5、伺服驱动器；6、声音监控装置；7、电气柜；8、工业以太网电缆；9、数控***；10、激光器；11、激光器通讯电缆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种激光加工的防碰撞保护硬件***，包括装置本体和检查机构，装置本体的一侧分别设置有电气柜7、数控***9和激光器10，数控***9上设置有激光器通讯电缆11，电气柜7内设置有伺服驱动器5和声音监控装置6，声音监控装置6上设置有工业以太网电缆8，装置本体上设置有与伺服驱动器5配合设置的伺服电机2，伺服电机2的下方设置有激光加工头3，激光加工头3的侧面设置有声发射传感器1，声发射传感器1上设置有声发射传感器电缆4，声音监控装置6包括声音接收装置和信号处理器。
一种激光加工的防碰撞保护模块***，包括信息采集模块、数据分析模块、数据处理模块和执行指令模块；
其中，信息采集模块，用于通过被动声纳也就是声发射传感器的被动采集实现激光切割机正常工作各部位产生的噪音频率，以及发生碰撞噪音频率的采集；
数据分析模块，即声音监控装置6，分析采集到的各种频率，根据设定的安全阀值判断噪声类别，将报警信息发送到数据处理模块；
数据处理模块，接收数据分析模块发来的报警信息，启动防碰撞程序；
执行指令模块，接到数据处理模块指令做出相应动作，保护设备；
工作时，通过采用声发射传感器被动采集激光切割机运行噪声频率，碰撞频率信息；
同时，通过采用声音监控装置6分析激光切割机噪声信息，对危险碰撞做出判断；
其中，对于激光切割机处理危险信息执行动作是采用数控***直接通过以太网接收声音监控装置6的信息对设备动作处理，非采用PLC的形式，响应时间大幅提高。
一种激光加工的防碰撞保护的方法，包括上述的激光加工的防碰撞保护硬件***和上述的激光加工的防碰撞保护模块***，具体操作如下：
S1、将不同碰撞情况所对应的频率制作成频率表，同时定义安全频率，安全振铃计数次数，并存储于声音监控装置6内；
S2、当碰撞发生时，声音接收装置实时监控声音信号，并经过信号处理器处理获得其对应的电信号；
S3、根据电信号对应的声音频率对应频率表判断出当前碰撞情况，若对应为等离子、反渣飞溅的频率，则认定为设备噪音，返回至步骤S2，若不为等离子、反渣飞溅的频率，则认定为碰撞噪音，其中，碰撞噪音包括脉冲式碰撞噪音，脉冲式碰撞噪音为偶尔一次加工的零件翘起碰触，即振铃计数，所形成的超过阈值的电信号的振荡波虽然超过阀值，但是次数很低的情况，被激光切割头碰掉没有造成损伤；
S4、统计振铃计数，若振铃计数等于1，则判定为脉冲式碰撞，返回至步骤S2，若振铃计数大于1，则将振铃计数发送至数控***9；
S5、数控***9控制激光器停止出光，同时启动退刀程序；
S6、数控***9控制伺服驱动器5和伺服电机2停止工作，随后控制传动机构退刀；
S7、检查机构判断设备是否存在损伤，以此判断碰撞是否严重，若严重，则停机处理，并进行维修，维修完成后进行下一步操作，若不严重，则进行复位操作，随后进行下一步操作；
S8、进行断点程序的重启。
需要说明的是，声音分按照频率频率低于20Hz的声波称为次声波或超低声；频率20Hz～20kHz的声波称为可闻声；频率20kHz～1GHz的声波称为超声波；频率大于1GHz的声波称为特超声或微波超声。激光切割机设备运行时发出各种声音，在可闻声和超声波的范围，钢板传送、传送带摩擦，导轨轴承、液压站、电机、附近的天车、蜂鸣器等都会产生噪声，这些属于低频噪声。金属摩擦、碰撞产生的噪音除了一部分在可闻声波段频率20Hz～20kHz，还有在属于频率20kHz～1GHz的超声波段，尤其碰撞时产生高频噪音在250-350kHz的范围，鉴于以上特点，发明采用根据噪音频率判断碰撞并且进行保护的方法。凡是能将物体表面振动声波转变成电量的声发射传感器都可作为声发射传感器，声发射传感器既能发出声波也能接收声波，本发明采用被动声纳***方式，即通过使用声发射传感器将声波传递到声音监控装置进行分析，根据不同频率判断接触性质，将超过安全阀值的报警信号传递到数控***进行相应处理。声波在固体中用纵波和横波两种形式传播，这两种波的波速也不相同。在不锈钢中，纵波速度是5790米/秒，横波速度是3100米/秒，所以碰撞发生在激光切割头任意部位声发射传感器都能最快速度接收到信号并传递。
综上所述，该激光加工的防碰撞保护***及方法，通过声发射传感器被动采集设备运行和碰撞的声音数据，声音监控装置进行分析判断处理，当碰撞时发生得噪声频率超过设定阀值，通过总线发送信号到***停机。声信号传递速率快，可以有效在控制上防碰撞。声发射传感器安装简单可应用于各种激光头，不需要更改切割机结构，不影响激光切割机的加工精度。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (1)
1.一种激光加工的防碰撞保护的方法，其特征在于：包括激光加工的防碰撞保护硬件***和激光加工的防碰撞保护模块***；
其中，激光加工的防碰撞保护硬件***，包括装置本体和检查机构，所述装置本体的一侧分别设置有电气柜（7）、数控***（9）和激光器（10），所述数控***（9）上设置有激光器通讯电缆（11），所述电气柜（7）内设置有伺服驱动器（5）和声音监控装置（6），所述声音监控装置（6）上设置有工业以太网电缆（8），所述装置本体上设置有与伺服驱动器（5）配合设置的伺服电机（2），所述伺服电机（2）的下方设置有激光加工头（3），所述激光加工头（3）的侧面设置有声发射传感器（1），所述声发射传感器（1）上设置有声发射传感器电缆（4），所述声音监控装置（6）包括声音接收装置和信号处理器；
其中，激光加工的防碰撞保护模块***包括信息采集模块、数据分析模块、数据处理模块和执行指令模块；
其中，信息采集模块，用于通过被动声纳也就是声发射传感器的被动采集实现激光切割机正常工作各部位产生的噪音频率，以及发生碰撞噪音频率的采集；
数据分析模块分析采集到的各种频率，根据设定的安全阀值判断噪声类别，将报警信息发送到数据处理模块；
数据处理模块，接收数据分析模块发来的报警信息，启动防碰撞程序；
执行指令模块，接到数据处理模块指令做出相应动作，保护设备；
工作时，通过采用声发射传感器被动采集激光切割机运行噪声频率，碰撞频率信息，同时，通过采用声音监控装置（6）分析激光切割机噪声信息，对危险碰撞做出判断；
其中，对于激光切割机处理危险信息执行动作是采用数控***直接通过以太网接收声音监控装置（6）的信息对设备动作处理，非采用PLC的形式，响应时间大幅提高；
其中，激光加工的防碰撞保护的方法的具体操作如下：
S1、将不同碰撞情况所对应的频率制作成频率表，同时定义安全频率，安全振铃计数次数，并存储于声音监控装置（6）内；
S2、当碰撞发生时，声音监控装置（6）实时监控声音信号，并经过信号处理器处理获得其对应的电信号；
S3、根据电信号对应的声音频率对应频率表判断出当前碰撞情况，若对应为等离子、反渣飞溅的频率，则认定为设备噪音，返回至步骤S2，若不为等离子、反渣飞溅的频率，则认定为碰撞噪音，其中，碰撞噪音包括脉冲式碰撞噪音，脉冲式碰撞噪音为偶尔一次加工的零件翘起碰触，即振铃计数，所形成的超过阈值的电信号的振荡波虽然超过阀值，但是次数很低的情况，被激光切割头碰掉没有造成损伤；
S4、统计振铃计数，若振铃计数等于1，则判定为脉冲式碰撞，返回至步骤S2，若振铃计数大于1，则将振铃计数发送至数控***（9）；
S5、数控***（9）控制激光器停止出光，同时启动退刀程序；
S6、数控***（9）控制伺服驱动器（5）和伺服电机（2）停止工作，随后控制传动机构退刀；
S7、检查机构判断设备是否存在损伤，以此判断碰撞是否严重，若严重，则停机处理，并进行维修，维修完成后进行下一步操作，若不严重，则进行复位操作，随后进行下一步操作；
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