激光切割机焦点位置检测及误差产生

激光切割的优点之一就是光束的能量密度高，所以焦点光斑直径会尽可能的小，以便产生极微小的切缝。因为聚焦透镜的焦深越小，焦点光斑的直径就越小。对于高质量、高精度的切割，有效焦深还与透镜直径和被切材料有关，因此控制焦点和被切材料表面的位置是十分重要的。

激光切割过程中焦点位置在线检测与控制系统的组成:

图1  焦点位置控制系统框图

如图1所示，激光切割焦点位置在线检测与控制系统由控制器、检测系统、执行装置等部分组成。

根据焦点位置检测控制系统和系统的关系，焦点位置检测控制系统分为以下两种形式：

1、独立式焦点

独立式焦点位置检测与控制系统采用单独的坐标轴进行焦点位置误差的补偿控制，机械结构复杂，成本较高，但可与各种数控系统和激光切割机床配合使用。

2、集成式焦点

而集成式采用激光切割机床本身的一个进给轴（对平面加工）或多个进给轴的合成（对于1维切割加工）运动来进行焦点位置误差的补偿。这种方式具有结构简单、成本低，易于调整等优点，但要求和数控系统统一设计，对数控系统的开放性要求较高。

激光焦点位置检测与控制是激光切割加工的关键技术之一，对于快速切割加工，焦点位置检测精度和快速性将直接影响到焦点位置的控制精度和加工质量，电容传感器具有检测灵敏度高、响应快速的优点，可以通过计算机系统的线性化来克服其非线性；通过特殊的传感器结构来消除加工过程中产生的等离子云和喷渣对检测结果的影响，提高其在激光切割加工系统中的使用效果。

在激光切割过程中，产生焦点和被加工对象表面之间相对位置发生变化的因素很多，被加工工件表面凸凹不平、工件装夹方式、机床的几何误差以及机床在负载力下的变形、工件在加工过程中的热变形等都会造成激光焦点位置和理想给定位置（编程位置）发生偏差。

有些误差（如机床的几何误差）具有规律性，可以通过定量补偿方法进行补偿，但有些误差为随机误差，只能通过在线检测和控制来消除，这些误差有：

1、工件几何误差

激光切割的对象为板材或覆盖件型零件，由于各种原因的影响，加工对象表面具有起伏不平，且在切割过程中的热效应的影响也会产生薄板零件的表面变形，对于1维激光加工，覆盖件在压制成型过程中也会产生表面的不平，所有这些，都会产生激光焦点与被加工对象表面的位置与理想位置发生随机变化。

2、工件装夹装置产生的误差

激光切割加工的工件是放在针状工作台上，由于加工误差、长时间与工件之间的磨损和激光的烧伤，针床会出现凸凹不平，这种不平也会产生薄钢板和激光焦点之间的位置的随机误差。

3、编程产生的误差

在维激光切割加工过程中，复杂曲面上的加工轨迹是通过直线、圆弧等拟合的，这些拟合曲线和实际曲线存在一定误差，这些误差使得实际焦点和加工对象表面的相对位置和理想编程位置产生一定误差，而有些示教编程系统也会引入一些偏差。

被加工工件表面凸凹不平、工件装夹方式、机床的几何误差以及机床在负载力下的变形、工件在加工过程中的热变形等都会造成激光焦点位置和理想给定位置（编程位置）发生偏差，加工人员和设计师在工作过程中应该多加注意。