一种毫米级间隙随动控制方法与装置的制造方法

xiaoxiao2021-3-1  222

一种毫米级间隙随动控制方法与装置的制造方法
【专利说明】一种毫米级间隙随动控制方法与装置
[0001] ( - )技术领域 本发明属于精密机械运动控制技术领域,特别涉及一种毫米级间隙随动控制方法与装 置。
[0002] (二)【背景技术】 在激光切割和等离子切割等特种加工过程中,需要切割头与板材之间始终保持一定的 间隙值(典型范围为1mm~3mm):受机架振动和板材自身凹凸不平的影响,切割头与板材之 间的间隙会时刻发生变化,间隙值过小会烧毁板材,间隙值过大则聚光能量不足。
[0003] (三)
【发明内容】
本发明为了弥补现有技术的不足,提供了一种毫米级间隙随动控制方法与装置,可使 等离子切割头或激光切割头在运动过程中,能够以设定的间隙悬浮在凹凸不平的板材之 上,提尚了控制精度。
[0004] 本发明是通过如下技术方案实现的: 一种毫米级间隙随动控制装置,包括板材和悬浮于板材上的切割头,其特征是:所述切 割头安装于滚珠丝杠滑台上,滚珠丝杠滑台与伺服电机相连接,伺服电机与MCU控制器相连 接,切割头与板材之间通过电容检测电路与MCU控制器相连接。
[0005] 所述伺服电机与Μ⑶控制器之间连接设有伺服电机驱动器。
[0006] 所述Μ⑶控制器通过RS-485接口与工控机连接进行通信。
[0007 ] -种毫米级间隙随动控制方法,其特征是:包括以下步骤: (1) 、切割头与板材之间构成等效平行板电容,测量其等效电容值,其等效电容值的表 达式为:
式中A分别为相对介电常数、绝对介电常数和相对面积,d为切 割头与板材之间的间隙值;
(2) 、进行电容值与间隙值的标定:用点动的方法控制滚珠丝杠滑台的运动,带动切割 头贴在板材上,此时间隙d=0,电容C的示数为4.096pF,控制滚珠丝杠滑台提升若干次不 同的距离,记录下每次的电容值,根据每次的电容值进行曲线拟合,得到C-d之间的对应关 系,根据测量得到的电容值得出间隙值; (3) 、计算第k时刻的间隙误差,其表达式为 式中,Set为间 隙设定值,Measure (k)为d的实际测量值; (4) 、计算得出脉冲信号频率,其表达式为:
,式中, 句为Μ⑶控制器发出的脉冲信号频率,KpMd分别为比例环节、积分环节和微分环 节系数; (5) 、Pul(k)的大小对应伺服电机的转速,伺服电机的转向则由值确定:在土 0.1mm的跟随精度内,伺服电机停止转动;若大于+0.1mm,则伺服电机正向转动;若小于-0· 1mm,则伺服电机反向转动。
[0008] 优选的,在步骤(1)中,对测量得到的电容值以平滑滤波的方式采用迭代运算进行 滤波处理。
[0009] 优选的,在步骤(2)中,控制滚珠丝杠滑台提升五次不同的距离,每次提升0.5mm。
[0010] 本发明的有益效果是:通过对0.范围的微小间隙的在线测量与反馈控制, 使得等离子切割头或激光切割头在运动过程中,能够以设定的间隙悬浮在凹凸不平的板材 之上,间隙动态保持精度可达i〇. 1mm,最大跟随速度达l〇〇mm/s,保证了切割质量,提高了生 产效率。
[0011](四)【附图说明】 下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0012]附图1为本发明的结构示意图; 附图2为本发明的控制器电路图; 图中,1板材,2切割头,3滚珠丝杠滑台,4伺服电机,5MCU控制器,6电容检测电路,7伺服 电机驱动器,8工控机。
[0013](五)【具体实施方式】 附图为本发明的一种具体实施例。该实施例包括板材1和悬浮于板材1上的切割头2,切 割头2安装于滚珠丝杠滑台3上,滚珠丝杠滑台3与伺服电机4相连接,伺服电机4与MCU控制 器5相连接,切割头2与板材1之间通过电容检测电路6与MCU控制器5相连接。伺服电机4与 MCU控制器5之间连接设有伺服电机驱动器7 j⑶控制器5通过RS-485接口与工控机8连接进 行通信。
[0014]采用本发明的毫米级间隙随动控制方法与装置,选用电容测量的方法,通过标定 其分辨率可达〇.01mm,受环境电磁干扰较小。切割头2与板材1之间构成等效平行板电容,其 等效电容值的表达式为
式中A分别为相对介电常数、绝对介电常数和相对面积;d为间隙值,显然间隙 值越大,电容值越小。
[0015]通过实验发现:在〇.5mm-3mm的间隙范围内,该电容值为pF级,故难以用传统的 555芯片测量。如果采用分离式元器件搭建电容测量电路,则旁路电容,分布电容的影响较 大。为此,我们采用数字式电容转换器(CDC)的方案:采用美国ADI公司的CDC集成芯片 AD7746与国产STC12高速单片机来实现电容值的测量,AD7746与STC12通过IIC总线连接, 上拉电阻为2.2K欧姆。
[0016] STC12对AD7746的寄存器配置关键步骤如下:(1)、使能与单端通道设置:通过对 0x07地址对应的寄存器写入0x81来实现。(2)、激励端和激励电压设置:通过对0x09地址对 应的寄存器写入0x2B来实现(3)、数据更新率的设置:通过对OxOA地址对应的寄存器写入 0x89来实现83.8Hz的采样频率。(4)、量程设置:通过对ΟχΟΒ地址对应的寄存器写入4.096来 设置最大量程为4.096pF(切割头贴在金属板材上的工况)。(5)、数据的写入与读取遵循IIC 通信的时序规范。
[0017] 微控制器Μ⑶采用44pins贴片封装的STC12单片机,与普通的51单片机相比,运行 速度大大提高。由间隙值变化引起的电容值C的变换由CDC集成芯片AD7746采集,电容的两 端分别连接到AD7746的EXCB引脚和CIN(+)引脚。STC12与AD7746通过IIC总线连接,SCL时钟 线和SDA数据线均通过2.2K欧姆的电阻上拉。STC12采用5V直流电源供电,其中C7为滤波电 容,AMS1117-3.3将5V电压稳定到3.3V为AD7746供电。其中,PUL,DIR,ENA三路控制信号用 于连接伺服电机或者步进电机的驱动器。J2端口用于程序下载 与RS-485通信。
[0018] 为了进一步确保间隙测量的准确度,有必要对测量数据进行在线滤波,以便消除 奇异点数据对整个反馈控制系统造成的冲击。为了提高滤波器输出数据的更新率、确保系 统的跟随速度,在MCU控制器中采用平滑滤波的方法,算法上采用迭代运算实现。
[0019] 对电容值-间隙值进行标定:用点动的方法控制丝杠的运动,带动切割头贴在金属 板上,此时间隙d=0,电容C的示数为4.096pF;控制丝杜提升0.5mm,记录下此时的电容值 Ci;控制丝杜提升1.0mm,记录下此时的电容值C2;控制丝杜提升1.5mm,记录下此时的电容值 C3;控制丝杜提升2.0mm,记录下此时的电容值C4;控制丝杜提升2.5mm,记录下此时的电容值 C5;根据&、C2、C3、C4、C5的数值进行曲线拟合,得到C-d之间的对应关系。
[0020] 在线获取切割头与板材之间的高精度间隙值后,接下来就需要通过反馈控制来实 时调节切割头的位置,显然这是一个位置反馈闭环控制系统。为了便于在M CU上实现控 制律,我们将其转化为位置一速度反馈控制。其基本与原理为:在采样时间内,切割头的位 移量与滚珠丝杠的运动速度成比例关系,亦与伺服电机的转速成比例。当然,这种比例环节 存在一定的滞后,可以通过后续的PID参数整定予以消除。在MCU上实现该位置一速度闭环 反馈控制的主要方法如下: 设第k时刻的间隙误差*?^为:
[0021 ] 式中,Set为间隙设定值,即期望值。Measure (k)为实际测量值。
[0022] 采用增量式PID反馈控制方法,以减少Μ⑶的运算量、提高跟随速度。控制律表达 式: Pt
式中,JMCfi:)为微控制器发出的脉冲信号频率,它与滚珠丝杠的运动速度成正比。Kp, Ki,Kd分别为比例环节、积分环节和微分环节系数,这3个参数值采用迭代算法进行更新, 可进一步减少MCU的运算量。
[0023] Pu 1 (k)的大小对应伺服电机的转速。伺服电机的转向则由值确定:在土 0.1mm的跟随精度内,伺服电机停止转动;否则根据偏差的正负进行转向的切换。
[0024] 控制系统参数的监控与设定:M⑶的运行结果通过RS-485总线上传到工控机IPC 上,用户可以实时监测到跟随误差曲线的变化,并可根据不同系统的阶跃响应曲线所反应 出的响应时间,超调量及振荡周期,在现场修改Kp、Ki、Kd3个变量。
[0025] 通过PID负反馈控制,该套装置可在线调节滚珠丝杠滑台3的运动速度和运动方 向,进而实时控制切割头2与板材1之间的间隙值。通过RS-485接口与工控机8进行通信,完 成控制参数的设定与间隙跟随数据的监控。
【主权项】
1. 一种毫米级间隙随动控制装置,包括板材(1)和悬浮于板材(1)上的切割头(2),其特 征是:所述切割头(2)安装于滚珠丝杠滑台(3)上,滚珠丝杠滑台(3)与伺服电机(4)相连接, 伺服电机(4)与MCU控制器(5)相连接,切割头(2)与板材(1)之间通过电容检测电路(6)与 MCU控制器(5)相连接。2. 根据权利要求1所述的一种毫米级间隙随动控制装置,其特征是:所述伺服电机(4) 与MCU控制器(5 )之间连接设有伺服电机驱动器(7 )。3. 根据权利要求1所述的一种毫米级间隙随动控制装置,其特征是:所述MCU控制器(5) 通过RS-485接口与工控机(8)连接进行通信。4. 一种毫米级间隙随动控制方法,其特征是:包括以下步骤: (1) 、切割头与板材之间构成等效平行板电容,测量其等效电容值,其等效电容值的表 达式为:式中,^分别为相对介电常数、绝对介电常数和相对面积,d为切 割头与板材之间的间隙值; (2) 、进行电容值与间隙值的标定:用点动的方法控制滚珠丝杠滑台的运动,带动切割 头贴在板材上,此时间隙d=0,电容C的示数为4.096pF,控制滚珠丝杠滑台提升若干次不 同的距离,记录下每次的电容值,根据每次的电容值进行曲线拟合,得到C-d之间的对应关 系,根据测量得到的电容值得出间隙值; (3) 、计算第k时刻的间隙误差,其表达式为:式中,Set为间隙 设定值,Measure (k)为d的实际测量值; (4) 、计算得出脉冲信号频率,其表达式为: ..''式中, 为M⑶控制器发出的脉冲信号频率,KpMd分别为比例环节、积分环节和微分环 节系数; (5 )、P u I (k)的大小对应伺服电机的转速,伺服电机的转向则由值确定:在土 0.1mm的跟随精度内,伺服电机停止转动;若大于+0.1mm,则伺服电机正向转动;若小于-0· 1mm,则伺服电机反向转动。5. 根据权利要求4所述的一种毫米级间隙随动控制方法,其特征是:在步骤(1)中,对测 量得到的电容值以平滑滤波的方式采用迭代运算进行滤波处理。6. 根据权利要求4所述的一种毫米级间隙随动控制方法,其特征是:在步骤(2)中,控制 滚珠丝杠滑台提升五次不同的距离,每次提升0.5mm。
【专利摘要】本发明属于精密机械运动控制技术领域,特别涉及一种毫米级间隙随动控制方法与装置。该毫米级间隙随动控制装置,包括板材和悬浮于板材上的切割头,其特征是:所述切割头安装于滚珠丝杠滑台上,滚珠丝杠滑台与伺服电机相连接,伺服电机与MCU控制器相连接,切割头与板材之间通过电容检测电路与MCU控制器相连接。本发明的有益效果是:通过对0.5mm-3mm范围的微小间隙的在线测量与反馈控制,使得等离子切割头或激光切割头在运动过程中,能够以设定的间隙悬浮在凹凸不平的板材之上,间隙动态保持精度可达<u>±</u>0.1mm,最大跟随速度达100mm/s,保证了切割质量,提高了生产效率。
【IPC分类】G05B19/19
【公开号】CN105487482
【申请号】CN201510907732
【发明人】邰家欣, 陈乃圣, 赵金浩, 黄腾, 马宗伟
【申请人】济南森峰科技有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月10日

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