專利名稱：間隙檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及檢測激光加工機(jī)用的噴嘴與工作物(work)間的間隙(gap)的間隙檢測裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有的激光加工機(jī)用的間隙檢測裝置中，在對被加工物的加工中，如果由于輸出不足等原因而在噴嘴和工作物間產(chǎn)生等離子體，則該等離子體作為阻抗發(fā)揮作用，因此有可能無法正確地檢測出噴嘴和工作物間的間隙。
因此，如果檢測出在加工中產(chǎn)生等離子體時產(chǎn)生的基準(zhǔn)范圍值以上的靜電電容的變化，則為了防止伴隨著噴嘴與工作物間的間隙的錯誤檢測而噴嘴與被加工物沖撞，而將噴嘴與工作物間的間隙維持一定時間(例如參考專利文獻(xiàn)1)。
而與此相對，例如在專利文獻(xiàn)2所揭示的間隙檢測裝置中，為了能夠在產(chǎn)生等離子體的過程中檢測出噴嘴與工作物間的間隙，而測量存在于傳感器電極中的電壓，決定該測量電壓的實數(shù)部分和虛數(shù)部分。
另外，在專利文獻(xiàn)2所揭示的間隙檢測裝置中，安裝一個信號產(chǎn)生器，產(chǎn)生一個頻率信號，并向與噴嘴連接的電纜(cable)供給該頻率信號。選擇該頻率信號的頻率，使得等離子體作為純粹的歐姆電阻發(fā)揮作用。
專利文獻(xiàn)1特開平6-7976號公報(段落編號 ，圖1)專利文獻(xiàn)2特開2000-234903號公報(段落編號 ，圖1)由于現(xiàn)有的間隙檢測裝置如上那樣構(gòu)成，所以在產(chǎn)生等離子體的過程中，也能夠檢測噴嘴與工作物間的間隙。但是，由于向與噴嘴連接的電纜供給的頻率信號的頻率成分只有一種，所以有以下的問題如果等離子體的產(chǎn)生狀況發(fā)生變化，則間隙的檢測精度惡化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是為了解決上述那樣的問題而提出的，其的目的在于提供一種即使等離子體的產(chǎn)生狀況變化，也能夠高精度地檢測出噴嘴和工作物間的間隙的間隙檢測裝置。
本發(fā)明的間隙檢測裝置設(shè)置對通過了電纜的合成信號的多個頻率成分進(jìn)行檢波的檢波裝置，根據(jù)由該檢波裝置檢波出的多個頻率成分，生成與噴嘴和工作物間的間隙對應(yīng)的檢測信號。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，構(gòu)成為設(shè)置對通過了電纜的合成信號的多個頻率成分進(jìn)行檢波的檢波裝置，根據(jù)由該檢波裝置檢波出的多個頻率成分，生成與噴嘴和工作物間的間隙對應(yīng)的檢測信號，因此具有以下效果即使等離子體的產(chǎn)生狀況變化，也能夠高精度地檢測出噴嘴與工作物間的間隙。


圖1是表示本發(fā)明的實施例1的間隙檢測裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是表示使間隙電容C變化時的頻率和系統(tǒng)增益的關(guān)系的伯德(bode)曲線圖。
圖3是表示使等離子體電阻R變化時的頻率和系統(tǒng)增益的關(guān)系的伯德曲線圖。
圖4是表示使間隙電容C和等離子體電阻R柵格狀變化時的頻率f1＝1[MHz]的系統(tǒng)增益和頻率f2＝20[kHz]的系統(tǒng)增益的關(guān)系的2頻率分析圖示圖。
圖5是表示本發(fā)明的實施例2的間隙檢測裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖6是中心電極電纜沒有斷線的通常時和中心電極電纜斷線的電纜斷線時的系統(tǒng)的伯德曲線圖。
圖7是表示本發(fā)明實施例3的間隙檢測裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖8是表示由檢測信號生成部件生成的檢測信號和作為測量對象的間隙的對應(yīng)關(guān)系的說明圖。
具體實施例方式
實施例1圖1是表示本發(fā)明的實施例1的間隙檢測裝置的結(jié)構(gòu)圖，在圖中，間隙檢測裝置1的信號產(chǎn)生部件2是生成測量所必需的信號的處理部件，信號產(chǎn)生部件2由信號產(chǎn)生器2a和信號產(chǎn)生器2b和加法器2c構(gòu)成。
信號產(chǎn)生部件2的信號產(chǎn)生器2a產(chǎn)生頻率在共振頻率附近的信號(在此，為了說明的方便，假設(shè)產(chǎn)生共振頻率的信號)，信號產(chǎn)生部件2的信號產(chǎn)生器2b產(chǎn)生頻率比共振頻率附近低的信號(在此，為了說明的方便，假設(shè)產(chǎn)生比共振頻率低的信號)。
信號產(chǎn)生部件2的加法器2c對由信號產(chǎn)生器2a產(chǎn)生的頻率f1的信號和由信號產(chǎn)生器2b產(chǎn)生的頻率f2的信號進(jìn)行合成，并輸出其合成信號。
另外，信號產(chǎn)生部件2構(gòu)成信號產(chǎn)生裝置。
參考電阻3的一端與信號產(chǎn)生部件2連接，另一端與中心電極電纜4連接。
中心電極電纜4與激光加工機(jī)用的噴嘴5的前端連接，將從信號產(chǎn)生部件2輸出的合成信號傳導(dǎo)到激光加工機(jī)用的噴嘴5。
激光加工機(jī)的加工頭前端的噴嘴5作為傳感器電極發(fā)揮功能，另外，與作為被加工物的工作物6(工作物6與電路的GND連接)一起進(jìn)行電容那樣的動作，產(chǎn)生間隙電容C。間隙電容C與噴嘴5和工作物6間的距離對應(yīng)地變化。
另外，在被加工物的加工過程中，如果由于輸出不足等的原因，而在噴嘴5和工作物6之間產(chǎn)生等離子體，則該等離子體作為與間隙電容C并聯(lián)耦合的等離子體電阻，對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。由于等離子體電阻中的電容成分無法與間隙電容C區(qū)別，所以在該實施例1中，選擇等離子體電阻主要作為歐姆電阻發(fā)揮作用的頻率。可以考慮等離子體的影響為等離子體電阻R，而排除其影響。
OP放大器7作為緩沖器發(fā)揮功能，輸出與通過了中心電極電纜4的合成信號相當(dāng)?shù)男盘枴?br> 檢波部件8從OP放大器7的輸出信號中檢波出頻率f1的成分和頻率f2的成分，輸出作為頻率f1的成分的檢波信號K1、作為頻率f2的成分的檢波信號K2。另外，檢波部件8構(gòu)成檢波裝置。
檢測信號生成部件9實施以下的處理根據(jù)從檢波部件8輸出的檢波信號K1和檢波信號K2，生成與噴嘴5和工作物6之間的間隙對應(yīng)的檢測信號。另外，檢測信號生成部件9構(gòu)成檢測信號生成裝置。
在圖中，L1是中心電極電纜4的電纜電感，Z1是存在于覆蓋中心電極電纜4的保護(hù)電極電纜10與中心電極電纜4之間的電纜間電容，Z2是基板特性，Z3是保護(hù)電極電纜10的電纜雜散電容，Cin是OP放大器7的OP放大器輸入電容。
接著，說明動作。
信號產(chǎn)生部件2的信號產(chǎn)生器2a產(chǎn)生系統(tǒng)增益對應(yīng)于間隙電容C的變化而高靈敏度地變化的頻率f1的信號，即頻率為共振頻率的信號。
信號產(chǎn)生部件2的信號產(chǎn)生器2b產(chǎn)生系統(tǒng)增益對應(yīng)于因在噴嘴5和工作物6之間產(chǎn)生的等離子體造成的等離子體電阻R的變化而高靈敏度地變化的頻率f2的信號，即頻率比共振頻率低的信號。
信號產(chǎn)生部件2的加法器2c如果從信號產(chǎn)生器2a接收到頻率f1的信號，并從信號產(chǎn)生器2b接收到頻率f2的信號，則對該頻率f1的信號和頻率f2的信號進(jìn)行合成，輸出其合成信號Vin。
從信號產(chǎn)生部件2輸出的合成信號Vin經(jīng)由參考電阻3被導(dǎo)入到中心電極電纜4，中心電極電纜4將合成信號Vin導(dǎo)入到激光加工機(jī)用的噴嘴5。
另外，通過了中心電極電纜4的合成信號Vin作為測量信號被分支，該測量信號被輸入到OP放大器7。
OP放大器7作為緩沖器發(fā)揮功能，將與該測量信號相當(dāng)?shù)妮敵鲂盘朧out輸出到檢波部件8。
另外，OP放大器7的輸出信號Vout在檢波部件8之前被分支，并經(jīng)由基板特性Z2導(dǎo)入到保護(hù)電極電纜10。
其理由是因為OP放大器7的輸出信號Vout應(yīng)該不受到間隙電容C以外的雜散電容的影響。
檢波部件8如果從OP放大器7接收到輸出信號Vout，則從該輸出信號Vout中檢波出頻率f1的成分和頻率f2的成分，向檢測信號生成部件9輸出作為頻率f1的成分的檢波信號K1、作為頻率f2的成分的檢波信號K2。
檢測信號生成部件9如果從檢波部件8接收到檢波信號K1、檢波信號K2，則根據(jù)該檢波信號K1、檢波信號K2，生成與噴嘴6和工作物6之間的間隙對應(yīng)的檢測信號，這將在后面詳細(xì)說明。
在此，由于間隙電容C小到數(shù)pF，所以中心電極電纜4必須盡量不受到來自附近的雜散電容的影響。
在考慮到實用的電纜的粗度的情況下，中心電極電纜4和保護(hù)電極電纜10無論如何都存在電纜間電容Z1。
但是，如果中心電極電纜4和保護(hù)電極電纜10是同電位，則可以消除雜散電容的影響。
因此，重要的是OP放大器7選擇在所使用的頻率頻帶中相位沒有偏移的元件。
在考慮到實際的電路的情況下，還必須考慮中心電極電纜4的電纜電感L1、OP放大器7的OP放大器輸入電容Cin、保護(hù)電極電纜10的電纜雜散電容Z3等。通過考慮到它們，而成為更接近實際的現(xiàn)象的模型。用以下的公式表示從由信號產(chǎn)生部件2輸出的合成信號Vin到OP放大器7的輸出信號Vout的傳遞函數(shù)H(S)。
H(s)=A1+Rref{1Z6+1Z1-1Z1(AZ2+1Z1)1Z1+1Z2+1Z3}----(1)]]>
其中Z6=1sCin+1(sL1+(1sC+1R))=s2L1CR+sL1+Rs3L1CinCR+s2L1Cin+s(CinR+CR)+1----(2)]]>A是OP放大器7的傳遞函數(shù)，s是拉普拉斯算子。以下，將用公式(1)表示的傳遞函數(shù)H(S)的大小稱為系統(tǒng)增益。
在此，圖2是表示使間隙電容C變化時的頻率和系統(tǒng)增益的關(guān)系的伯德曲線圖，圖3是表示使等離子體電阻R變化時的頻率和系統(tǒng)增益的關(guān)系的伯德曲線圖。
另外，圖4是表示使間隙電容C和等離子體電阻R柵格狀變化時的頻率f1＝1[MHz]的系統(tǒng)增益和頻率f2＝20[kHz]的系統(tǒng)增益的關(guān)系的2頻率分析圖示圖，在圖4中，圖示等C曲線和等R曲線。
以下，參考圖2～圖4，說明間隙的檢測原理。
圖2和圖3圖示了公式(1)的傳遞函數(shù)H(S)的伯德曲線圖，但是如圖2所示，因間隙電容C的變化造成的系統(tǒng)增益的變化在共振頻率附近表現(xiàn)為最大。
在圖2的例子中，共振頻率約為1MHz，但主要通過設(shè)計參考電阻3，能夠改變共振頻率。
在圖1的例子中，將檢測間隙電容C的信號的頻率設(shè)計為1MHz，而將參考電阻3設(shè)計為Rref＝22kΩ。在該情況下，信號產(chǎn)生部件2的信號產(chǎn)生器2a產(chǎn)生頻率f1＝1MHz的信號。
另一方面，如圖3所示，因等離子體電阻R的變化造成的系統(tǒng)增益的變化在比共振點低的頻率上表現(xiàn)顯著。
因此，為了求出等離子體電阻R的大小，可以使用比共振點低的頻率f2。
即，為了高精度地分別求出激光加工機(jī)用的噴嘴5和工作物6間的間隙電容C和等離子體電阻R，可以使用根據(jù)各個的變化而系統(tǒng)增益變化的各個頻率f1、f2。
在圖1的例子中，將檢測等離子體電阻R的信號的頻率設(shè)計為20kHz。即，信號產(chǎn)生部件2的信號產(chǎn)生器2b產(chǎn)生頻率f2＝20kHz的信號。
如果詳細(xì)觀察圖3，則可知在頻率1MHz時，受到等離子體電阻R的影響而系統(tǒng)增益變化。
另外，由于在任意的頻率下，系統(tǒng)增益都受到間隙電容C和等離子體電阻R雙方的影響，所以無法完全分離二者。
因此，考慮根據(jù)2個頻率f1、f2的系統(tǒng)增益檢測出間隙電容C和等離子體電阻R。
如上所述，OP放大器7的輸出信號Vout被輸入到檢波部件8，檢波部件8根據(jù)該輸出信號Vout檢波出頻率f1的成分、頻率f2的成分。
該頻率f1的成分的大小、頻率f2的成分的大小相當(dāng)于將從信號產(chǎn)生部件2輸出的合成信號Vin的大小設(shè)置為“1”時的頻率f1和頻率f2的系統(tǒng)增益。
檢測信號生成部件9具有進(jìn)行圖4所示那樣的2頻率分析的功能，根據(jù)從檢波部件8輸出的檢波信號K1和檢波信號K2，生成與噴嘴5和工作物6之間的間隙對應(yīng)的檢測信號。即，為了排除等離子體的影響，生成沒有產(chǎn)生等離子體的狀態(tài)(假設(shè)為等離子體電阻R＝∞Ω(實用上是充分大的值)的情況)的頻率f1的成分的檢測信號。
具體地說，在沒有產(chǎn)生等離子體的狀態(tài)(在圖4的例子中，頻率f2的增益為1.0)下，作為與間隙對應(yīng)的檢測信號，可以原樣地輸出作為頻率f1的成分的檢波信號K1(在圖4的例子中，增益約為0.42～1.0范圍的信號A)。但是，在產(chǎn)生了等離子體的狀態(tài)(在圖4的例子中，頻率f2的增益為未滿1.0)下，如下所示，修正檢波信號K1的信號，并作為與間隙對應(yīng)的檢測信號輸出該修正信號。
例如，在頻率f2的增益為0.4，頻率f1的增益為0.4的情況下，間隙電容C存在于7pF的等C曲線上，因此直到不產(chǎn)生等離子體的狀態(tài)，即頻率f2的增益為1.0的位置為止，在7pF的等C曲線上移動，作為與間隙對應(yīng)的檢測信號，輸出位于7pF的等C曲線與信號A的交點處的值(在圖4的例子中，約為0.52的值)。
如以上說明的那樣，根據(jù)本實施例1，構(gòu)成為設(shè)置對通過了中心電極電纜4的合成信號的頻率f1的成分和頻率f2的成分進(jìn)行檢波的檢波部件8，根據(jù)由該檢波部件8檢波出的頻率f1的成分和頻率f2的成分，生成與噴嘴5和工作物6之間的間隙對應(yīng)的檢測信號，因此產(chǎn)生以下的效果即使等離子體的產(chǎn)生狀況變化，也能夠高精度地檢測出噴嘴5和工作物6之間的間隙。
另外，根據(jù)本實施例1，構(gòu)成為產(chǎn)生頻率為共振頻率的信號、頻率比共振頻率低的信號，并將它們的合成信號供給到噴嘴5，因此產(chǎn)生以下的效果能夠提高對間隙變動和等離子體變動的靈敏度。
實施例2圖5是表示本發(fā)明的實施例2的間隙檢測裝置的結(jié)構(gòu)圖，在圖中，與圖1一樣的符號表示相同或相當(dāng)?shù)牟糠?，因此省略說明。
信號產(chǎn)生部件2的信號產(chǎn)生器2d產(chǎn)生在中心電極電纜4的斷線時產(chǎn)生對應(yīng)差的頻率f3的信號。
信號產(chǎn)生部件2的加法器2e對由信號產(chǎn)生器2b產(chǎn)生的頻率f2的信號和由信號產(chǎn)生器2d產(chǎn)生的頻率f3的信號進(jìn)行合成，并輸出該合成信號。
信號產(chǎn)生部件2的加法器2f對由信號產(chǎn)生器2a產(chǎn)生的頻率f1的信號和加法器2e的輸出信號進(jìn)行合成，輸出該合成信號。
斷線檢測用電阻11是連接在保護(hù)電極電纜10和地之間的電阻。
檢波部件12從OP放大器7的輸出信號中檢波出頻率f1的成分、頻率f2的成分和頻率f3的成分，輸出作為頻率f1的成分的檢波信號K1、作為頻率f2的成分的檢波信號K2、作為頻率f3的成分的檢波信號K3。另外，檢波部件12構(gòu)成檢波裝置。
斷線檢測部件13根據(jù)由檢波部件12檢波出的作為頻率f3的成分的檢波信號K3，實施判斷中心電極電纜4的斷線的有無的處理。
另外，由斷線檢測用電阻11和斷線檢測部件13構(gòu)成斷線檢測裝置。
接著，說明動作。
圖6是中心電極電纜4沒有斷線的通常時和中心電極電纜4斷線的電纜斷線時的系統(tǒng)的伯德曲線圖。
以下，參考圖6，說明斷線檢測的原理。
在中心電極電纜4斷線的電纜斷線時，中心電極電纜4和保護(hù)電極電纜10處于相互不受影響的狀態(tài)，因此通過將電纜間電容電阻Z1設(shè)置為無限大(實用上為大的值)，能夠進(jìn)行模擬。
在圖5的例子中，在保護(hù)電極電纜10和地之間插入了斷線檢測用電阻11，但如果插入斷線檢測用電阻11，則在低的頻率區(qū)域中，在通常時和斷線時，系統(tǒng)增益產(chǎn)生差。
在圖5的例子中，將斷線檢測用電阻11的電阻值R3設(shè)計為1kΩ。如根據(jù)圖6的伯德曲線圖所知的那樣，在小于等于1kHz的頻率區(qū)域中，相對于通常時的系統(tǒng)增益約為0.8的情況，電纜斷線時的系統(tǒng)增益約為1。
另一方面，信號產(chǎn)生部件2安裝有產(chǎn)生斷線時會產(chǎn)生對應(yīng)差的頻率f3＝200Hz的信號的信號產(chǎn)生器2d，并輸出頻率f1的信號和頻率f2的信號和頻率f3的信號的合成信號Vin。
檢波部件12與圖1的檢波部件8一樣，在從OP放大器7的輸出信號Vout檢波出頻率f1的成分和頻率f2的成分的同時，檢波出頻率f3的成分，向斷線檢測部件13輸出作為頻率f3的成分的檢波信號K3。
另外，在從信號產(chǎn)生部件2輸出的合成信號Vin的大小為1的情況下，由檢波部件12檢測出的頻率f3的成分的大小相當(dāng)于頻率f3的系統(tǒng)增益。
斷線檢測部件13如果從檢波部件12接收到作為頻率f3的成分的檢波信號K3，則對該檢波信號K3和預(yù)先設(shè)置的閾值(例如0.9)進(jìn)行比較，在該檢波信號K3比閾值小的情況下，判斷為中心電極電纜4沒有斷線，輸出表示中心電極電纜4沒有斷線的斷線檢測信號(例如L電平的信號)。
另一方面，在該檢波信號K3比閾值大的情況下，判斷為中心電極電纜4斷線，輸出表示中心電極電纜4斷線的斷線檢測信號(例如H電平的信號)。
根據(jù)以上說明的那樣，根據(jù)本實施例2，構(gòu)成為在覆蓋中心電極電纜4的保護(hù)電極電纜10和地之間插入斷線檢測用電阻11，根據(jù)由檢波部件12檢波出的頻率f3的成分，判斷中心電極電纜4的斷線的有無，因此，產(chǎn)生以下的效果在中心電極電纜4斷線時，能夠防止錯誤的間隙檢測。
實施例3圖7是表示本發(fā)明的實施例3的間隙檢測裝置的結(jié)構(gòu)圖，在圖中，與圖1一樣的符號表示相同或?qū)?yīng)的部分，因此省略說明。
間隙檢測部件14對由檢測信號生成部件9生成的檢測信號進(jìn)行線性修正，實施檢測出噴嘴與工作物之間的間隙的處理。另外，間隙檢測部件14構(gòu)成間隙檢測裝置。
圖8是表示由檢測信號生成部件9生成的檢測信號和作為測量對象的間隙的對應(yīng)關(guān)系的說明圖。
接著，說明動作。
如圖8所示，如果知道由檢測信號生成部件9生成的檢測信號與間隙的關(guān)系，則能夠根據(jù)該檢測信號求出間隙。
如果由檢測信號生成部件9生成的檢測信號為x，測量對象的間隙為y，則該檢測信號x和間隙y的關(guān)系對應(yīng)于如下所示那樣的指數(shù)近似式。
y＝k1exp(k2x)(3)其中，k1、k2是規(guī)定的常數(shù)。
因此，間隙檢測部件14如果從檢測信號生成部件9接收到檢測信號x，則通過將檢測信號x代入到公式(3)，對該檢測信號x進(jìn)行線性修正，來求出噴嘴5和工作物6之間的間隙y。
設(shè)置以下這樣的間隙檢測部件14，即作為數(shù)據(jù)存儲由檢測信號生成部件9生成的檢測信號和間隙的關(guān)系，或者將由檢測信號生成部件9生成的檢測信號代入到公式(3)的近似式中，求出間隙y，由此產(chǎn)生以下的效果在加工機(jī)側(cè)，能夠簡化或省略用于求出間隙y的修正計算。
權(quán)利要求
1.一種間隙檢測裝置，其特征在于包括產(chǎn)生頻率相互不同的多個信號，對該多個信號進(jìn)行合成，并將該合成信號供給到與激光加工機(jī)用的噴嘴的前端連接的電纜的信號產(chǎn)生裝置；對通過了上述電纜的合成信號的多個頻率成分進(jìn)行檢波的檢波裝置；以及根據(jù)由上述檢波裝置檢波出的多個頻率成分，生成與上述噴嘴和工作物之間的間隙對應(yīng)的檢測信號的檢測信號生成裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間隙檢測裝置，其特征在于由上述信號產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的多個信號包含頻率為共振頻率的信號、頻率比共振頻率低的信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間隙檢測裝置，其特征在于還包括被插入到覆蓋上述電纜的保護(hù)電極電纜和地之間的斷線檢測用電阻；根據(jù)由上述檢波裝置檢波出的規(guī)定的頻率成分，判斷上述電纜的斷線的有無的斷線檢測裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間隙檢測裝置，其特征在于還包括對由上述檢測信號生成裝置生成的檢測信號進(jìn)行線性修正，檢測出噴嘴和工作物之間的間隙的間隙檢測單元。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種即使等離子體的產(chǎn)生狀況變化，也能夠高精度地檢測出噴嘴與工作物之間的間隙的間隙檢測裝置。設(shè)置對通過了中心電極電纜(4)的合成信號的頻率(f
文檔編號G01B7/14GK1877245SQ20051002284
公開日2006年12月13日 申請日期2005年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月9日
發(fā)明者巖田高明, 土谷和之, 大村浩嘉 申請人:三菱電機(jī)株式會社