激光切割随动控制及物镜自动调焦系统技术领域
本发明涉及一种激光切割系统的控制装置。更具体来说，涉及一种激光切割系统
的自动调焦控制装置。是一种当激光切割板材遇到凹凸不平变化时，可使激光切割头(喷
嘴)随着切割板材表面高度变化而自动变化的随动控制装置。
背景技术
激光切割已在国内金属材料切割和汽车制造等工业领域获得大规模应用，然而作
为激光切割系统的关键组件激光切割随动控制器仍以德国和美国等进口技术为主，且存在
标定困难、接口复杂等问题，国内同类技术还存在着精度不高、难以适应高速切割要求等问
题。迫切需要一种适合国内技术人员操作现状的高速、高精和使用简便的激光切割随动控
制器。
激光切割的重要条件之一是必须保证良好的聚焦，在切割过程中，即使焦距发生
±0.1mm的变化，就会导致焦点温度发生数百摄氏度变化，并产生锯齿状的切痕，严重降低
切割质量。在激光切割过程中，板材在不同位置的高度变化则通常可达数毫米，而现代高速
加工需要激光切割速度达到每分钟60～120米，在此高速切割过程中，实现激光的高速动态
自动聚焦无疑是激光切割的关键技术之一。本发明的目的之一就是设计一种激光切割随动
控制器，其功能即是采集激光激光切割头下端的非接触式传感器输出的激光喷嘴相对于切
割板材高度信号，并将采集的高度信号转换为控制伺服电机驱动系统的模拟电压信号，使
伺服电机驱动系统的伺服电机可以在该模拟电压控制下，随着切割板材平面的凹凸不平变
化而在垂直方向发生正转或反转，从而使激光喷嘴相对于切割板材的高度保持恒定，即激
光焦距恒定。
发明内容
传统的激光切割头随动控制器一般采用电容式距离测量方法，其测量原理是激光
切割头与金属加工件之间构成电容，电容值与两者之间的距离有关，测量二者之间的电容
值，即可计算出二者之间的距离。现有测量方式为模拟测量，基于LC振荡电路原理测量电
容，采用这种方式的问题是当温度变化时，电感受温度影响变化很大，造成电容测量产生很
大温度漂移误差。另外传统模拟测量速度较慢，主要原因是需要将LC高频振荡的正弦波转
换为方波，再测量单位时间内的脉冲数，求出频率，再换算为频率，误差大。本发明采用单芯
片数字测量方式，无温度漂移、速度快(1秒可测量1000次以上)。
为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：
一种激光切割随动控制系统，包括控制器、电容检测芯片、电容传感器、伺服电机
驱动系统，其中：
电容传感器设置在激光切割头喷嘴上，用于将检测到的电容信号传送给电容检测
芯片；
电容检测芯片用于根据接收到的检测电容信号输出相应的电压信号；
控制器用于接收该电压信号，并根据该电压信号驱动伺服电机驱动系统，从而带
动激光切割头向上或向下移动。
所述的激光切割随动控制系统，优选的：
电容传感器包括金属感应极板，激光切割头喷嘴为锥形空心结构，外层为喷嘴金
属外壳，接地，内层为电容传感器的金属感应极板，金属外壳与金属感应电极之间设置有陶
瓷绝缘层，金属感应极板在喷嘴下端向喷嘴外部水平延伸，该延伸部大致呈环状，且覆盖陶
瓷绝缘层的部分或全部下表面。
所述的激光切割随动控制系统，优选的：
金属感应极板上部具有电路接口，该电路接口通过导线与电容检测芯片连接，将
检测电容发送给电容检测芯片。
所述的激光切割随动控制系统，优选的：
金属外壳上设有通孔，与该通孔相对的在陶瓷绝缘层上设置有与该通孔同心的第
一沉孔，该第一沉孔的直径与金属外壳上的通孔直径相同，在第一沉孔底部与该第一沉孔
同心的设置有第二沉孔，该第二沉孔穿透过该陶瓷绝缘层；在金属感应极板上与该第二沉
孔同心的设置有一个盲孔，该盲孔与第二沉孔的直径相同，该盲孔设有内螺纹。
所述的激光切割随动控制系统，优选的：
激光切割随动控制系统还包括电容传感器连接器，该电容传感器连接器包括三段
金属圆柱杆，第一段圆柱杆的直径最小，为外螺纹杆状结构，中间的第二段圆柱杆两端分别
与第一段圆柱杆和第三段圆柱杆相连，第二段圆柱杆的直径大于第一段圆柱杆的直径，略
小于金属外壳上的通孔的直径，第三段圆柱杆与第二段圆柱杆相连，第三段圆柱杆的直径
大于金属外壳上的通孔的直径。
所述的激光切割随动控制系统，优选的：
第三段圆柱杆开有一个第一空心孔，第一空心孔的直径大于金属外壳上的通孔的
直径，且第一空心孔的深度小于第三段圆柱杆的长度；第一空心孔底部向第二段的方向开
有一个细长的第二空心孔，第二空心孔的直径小于第一空心孔的直径，第二空心孔的深度
延伸到第二段圆柱杆而没有到达第一段圆柱杆。
所述的激光切割随动控制系统，优选的：第二空心孔是螺纹孔。
所述的激光切割随动控制系统，优选的：
电容传感器连接器的第一段圆柱杆旋紧在金属感应极板的螺纹盲孔中，第二圆柱
杆穿过金属外壳上的通孔，且在该通孔与第二圆柱杆之间设置有绝缘垫，该绝缘垫为带外
翻边沿的空心套状结构，绝缘垫的空心套状主体套在第二圆柱杆上，绝缘垫的主体的外翻
边沿设置在第三段圆柱杆与金属外壳之间。
所述的激光切割随动控制系统，优选的：
绝缘垫采用弹性材料。
所述的激光切割随动控制系统，优选的：
导线一端插入连接器的第二空心孔后固定在连接器上，导线另一端连接检测芯
片。
所述的激光切割随动控制系统，优选的：
电容检测芯片预先设置有标准电容值，该标准电容值是激光切割头喷嘴距离加工
工件表面预定距离时测得的电容值，当接收到电容传感器发来的检测电容值时，电容检测
芯片将检测电容值与标准电容值进行比较，根据比较结果输出电压信号。
所述的激光切割随动控制系统，优选的：
电容检测芯片当检测电容值与标准电容值二者相等时输出0电压，前者大于后者
时输出正电压，前者小于后者时，输出负电压，且输出的正、负电压值的绝对值与检测电容
值与标准电容值之间电容差值的绝对值成正比例关系。
所述的激光切割随动控制系统，优选的：
控制器接收到电容检测芯片发来的电压信号后，根据该电压信号的正或负向伺服
电机驱动系统发出正转或反转脉冲信号以及根据电压信号的绝对值输出相应脉冲数的脉
冲信号，伺服电机驱动系统在接收到脉冲信号后，由驱动器驱动伺服电机正转或反转相应
的角度，进而驱动与之相连的驱动机构，通过驱动机构带动激光切割头向上或下移动。
所述的激光切割随动控制系统，优选的：
该控制系统还包括物镜驱动机构，该物镜驱动机构用于在控制器的控制下，带动
激光切割头喷嘴内的激光头的物镜移动。
所述的激光切割随动控制系统，优选的：
物镜驱动机构包括步进电机驱动系统、滚珠丝杠副，其中，滚珠丝杠副包括滚珠丝
杠和与之配合的螺母，激光头的物镜安装在螺母上。
所述的激光切割随动控制系统，优选的：
激光切割随动控制系统还包括上位机，通过上位机输入调节信号，控制器接收该
调节信号，根据该调节信号向步进电机驱动系统发出正转或反转的驱动信号，步进电机驱
动系统的驱动器根据该驱动信号驱动步进电机正转或反转，带动滚珠丝杆转动，从而带动
螺母向上或向下移动，从而驱动物镜向上或向下移动。
附图说明
图1为本发明激光切割随动控制系统结构示意图；
图2a为电容传感器结构示意图；
图2b为电容传感器结构仰视示意图；
图3为电容传感器连接器连接示意图；
图4为物镜驱动机构示意图。
具体实施方式
如图1所示，激光切割随动控制系统包括控制器(例如，可以选用高速单片机)、电
容检测芯片、电容传感器、伺服电机驱动系统、物镜驱动机构、上位机。电容传感器将检测到
的电容信号传送给电容检测芯片；电容检测芯片根据接收到的检测电容信号输出相应的电
压信号；控制器用于接收该电压信号，并根据该电压信号驱动伺服电机驱动系统，从而带动
激光切割头向上或向下移动。控制器还可接收上位机的指令，控制步进电机驱动系统，使激
光头内部的聚焦镜头上下移动，以达到正好将激光焦点控制在喷嘴下的预定距离。如图2a
和图2b所示，示出了电容传感器的基本结构，电容传感器设置在激光切割头喷嘴上，电容传
感器包括金属感应极板，激光切割头喷嘴为锥形空心结构，外层为喷嘴金属外壳，接地，内
层为电容传感器的金属感应极板，金属外壳与金属感应电极之间设置有陶瓷绝缘层，金属
感应极板在喷嘴下端向喷嘴外部水平延伸，该延伸部大致呈环状，且覆盖陶瓷绝缘层的部
分下表面。激光切割头与待加工工件(金属工件)之间具有一定的间距h，工件接地，在金属
感应极板与工件之间产生电容Cx。金属感应极板上部具有电路接口，该电路接口与导线连
接，导线穿过金属外壳上的通孔后与检测芯片连接，将电容检测值发送给测量芯片。另一方
面，由附图2可见，固定电容是喷嘴内感应极板与激光切割头上部金属外壳产生之间具有固
定电容C0,测量时，有时为了方便，可以直接测量固定电容与电容Cx串联后的总电容值，此
时电容传感器包括金属感应极板、喷嘴金属外壳以及陶瓷绝缘层，但是本发明优选的选用
第一种方式，该方式采集的电容值更为灵敏、准确。
如图3所示，为电容传感器连接器连接示意图，金属外壳上设有通孔，与该通孔相
对的在陶瓷绝缘层上设置有与该通孔同心的第一沉孔，该第一沉孔的直径与金属外壳上的
通孔直径相同，在第一沉孔底部与该第一沉孔同心的设置有第二沉孔，该第二沉孔穿透该
陶瓷绝缘层；在金属感应极板上与该第二沉孔同心的设置有一个盲孔(电路接口)，该盲孔
与第二沉孔的直径相同，该盲孔设有内螺纹。电容传感器连接器整体为阶梯金属圆柱杆状
接结构，第一段圆柱杆的直径最小，为外螺纹杆状结构，与金属感应极板上的螺纹盲孔配
合，中间的第二段圆柱杆两端分别与第一段圆柱杆杆、第三段圆柱杆相连，第二段圆柱杆的
直径大于第一段圆柱杆的直径，略小于金属外壳上的通孔的直径，第三段圆柱杆与第二段
圆柱杆相连，第三段圆柱杆的直径大于金属外壳上的通孔的直径。第三段圆柱杆开有一个
第一空心孔，第一空心孔的直径大于金属外壳上的通孔的直径而小于第三段圆柱杆的直径
且第一空心孔的深度小于第三段圆柱杆的长度。第一空心孔底部向第二段的方向开有一个
细长的第二空心孔，第二空心孔的直径小于第一空心孔的直径，优选的小于上述盲孔的直
径，第二空心孔的深度延伸到第二段圆柱杆而没有到达第一段圆柱杆，第二空心孔可以是
螺纹孔。
在连接时，电容传感器连接器的第一段圆柱杆依次穿过金属外壳上的通孔以及陶
瓷绝缘层上的第一沉孔并旋紧在金属感应极板的螺纹盲孔中，第二圆柱杆穿过金属外壳上
的通孔，且在该通孔与第二圆柱杆之间设置有绝缘垫，该绝缘垫为带外翻边沿的空心套状
结构，套在第二圆柱杆上，绝缘垫的空心套状主体设置在该通孔与第二圆柱杆之间，绝缘垫
主体的外翻边沿设置在第三段圆柱杆与金属外壳之间。优选的绝缘垫采用橡胶、树脂等弹
性材料。导线一端可在插入连接器的第二空心孔后固定在连接器上。可通过螺钉旋紧在第
二空心孔中的方式固定导线，也可通过焊接的方式固定导线，导线另一端连接电容检测芯
片。
电容传感器将感应到的电容传送给电容检测芯片，电容检测芯片以较高的频率检
测该电容(1秒可测量1000次以上)，并将检测到的电容转换为电压信号传输给控制器。具体
的，电容检测芯片按如下方式工作：电容检测芯片预先设置有标准电容值，该电容值是激光
切割头喷嘴距离加工工件表面预定距离(如0.7mm)时通过传感器测得的电容值。当接收到
金属感应极板与加工工件表面间的电容值时，电容检测芯片将检测电容值与标准电容值进
行比较，根据比较结果输出输出电压，其中，二者相同时输出0电压，前者大于后者时输出正
电压，前者小于后者时，输出负电压，且输出的正、负电压值的绝对值与检测电容值与标准
电容值相比的电容差的绝对值成正比例关系。
伺服电机驱动系统包括伺服电机和用于驱动伺服电机的驱动器。控制器接收到电
容检测芯片发来的输出电压值后，根据输出电压值的正或负向伺服电机驱动系统的驱动器
发出正转或反转脉冲信号以及根据输出电压值的绝对值输出相应的脉冲数量的脉冲信号，
驱动器在接收到脉冲信号后驱动伺服电机正转或反转相应的角度，进而驱动与之相连的驱
动机构，通过驱动机构带动激光切割头向上或下移动，从而保持激光切割头喷嘴与加工工
件表面之间的预定距离。
激光切割头喷嘴工作时，位于喷嘴腔体内部的激光头发出激光束，用于切割金属
加工工件，激光头在喷嘴腔体内安装时，一般安装在固定位置，激光头开启时，即可将激光
束聚焦发射出喷嘴，然而在实际情况下，安装位置有可能会有所偏差，并且在工作时，由于
震动等原因，激光头会发生位置移动，此时有可能发生激光束无法良好聚焦在喷嘴外部的
情况，此时有可能损伤喷嘴，为此，本发明在喷嘴内设置有物镜驱动机构，如图4所示，该物
镜驱动机构包括步进电机驱动系统、滚珠丝杠副，滚珠丝杠副包括滚珠丝杠和与之配合的
螺母，物镜安装在螺母上，准直透镜安装在激光源和物镜之间。准直透镜用于将激光源发出
的激光转变为平行光束入射到物镜上，物镜将该平行光束会聚后投射到工作平面上。通过
在光路上微调物镜的移动距离，可以调节激光束的会聚点，从而可以将将光束聚焦到喷嘴
外部。步进电机驱动系统包括步进电机和驱动步进电机的驱动器(图中未示出)，步进电机
可通过联轴器连接，带传动连接等方式与滚珠丝杠连接。
激光切割头前，在对激光束进行微调时，通过上位机，输入调节信号，控制器接收
该调节信号，根据该调节信号向步进电机驱动系统发出正转或反转的驱动信号，驱动器在
该驱动信号的驱动下，驱动步进电机正转或反转，带动滚珠丝杆转动，从而带动螺母向上或
向下移动，从而驱动物镜向上或向下移动，此时激光束的聚焦光点会发生移动，当在喷嘴外
达到预定距离后，停止输入调节信号，激光束焦距微调完毕。
本发明激光切割头工作时，先通过上述上位机微调激光束的焦距，激光切割头开
始进行切割操作时，电容检测芯片根据接收到的电容传感器传来的检测电容值输出电压信
号，控制器接收电容检测芯片的电压信号，根据该电压信号控制伺服电机驱动系统调节喷
嘴上下移动，保持喷嘴与工件之间的预定距离。
喷嘴在进行金属板材切割过程中，被切割板材表面的凹凸变化，将引起激光头喷
嘴与板材之间的切割间隙变化，该变化被激光切割头下部的电容传感器检测后，电容信号
送入电容检测芯片检测，检测结果再输入高速单片机(每秒检测1000次，确保切割间隙检测
的实时性)。高速单片机一方面可以根据切割间隙变化，控制伺服电机驱动系统，使激光头
上下移动将激光焦距保持动态恒定。另一方面，高速单片机还可接收上位机的指令，控制步
进电机驱动系统，使激光头内部的聚焦镜片上下移动，以达到正好将激光焦点控制在喷嘴
下约0.7mm左右，本发明很好地解决了传统激光头的焦点在激光头内部容易烧坏喷嘴，或焦
点在喷嘴下部较远位置，使喷嘴喷出的保护气体容易发散而无法保护等问题。同时，高速单
片机还将检测结果发送到上位机供分析。
通过本发明，能够方便地调节激光的会聚焦点，同时在进行工件切割时，能够随时
根据工件表面的凹凸情况，自动调节喷嘴的高度，保持激光束位于预定的焦距上，实现高精
度的切割操作。