CN103433621B - 一种激光切割头工作状态的切换装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光切割头工作状态的切换装置及方法。所述切换装置由信号幅值调整模块、切换模块和幅值限制模块组成。信号幅值调整模块通过逐次比较递增或递减方法实现了激光切割头由伺服状态至随动状态的平滑切换；切换模块能够根据切换控制线上的切换信号从测距信号处理模块和轴卡输出的模拟电压信号之中选择其中的一路用于驱动激光切割头所在轴电机。所述切换方法，通过在坐标系中适时加入或移除激光切割头所在轴，并配合切换装置，实现激光切割头伺服状态、随动状态的双向切换。本发明可有效解决激光切割头调节滞后及抖动等问题，降低数控系统负载，增强数控系统的稳定性，有效提高激光切割的精度及质量。
Description
技术领域
本发明涉及数控激光切割领域，尤其涉及一种激光切割头工作状态的切换装置及切换方法。
背景技术
目前，激光切割技术作为特种加工领域中的重要分支，广泛应用于汽车、电子、医疗、航空航天、军工、机械制造等行业，对于提高产品质量及生产效率、减少材料消耗及污染具有重要作用。在激光切割过程中，如果被加工工件自身表面起伏不平，易导致激光切割头与工件表面之间的间隙(即离焦量)发生较大波动，而离焦量波动对切割质量及效率有很大影响。因此，应为激光切割头配备随动系统，以使激光切割头能随工件表面的起伏而自动调整自身位置，从而确保离焦量恒定不变。
在数控激光切割过程中，依据NC程序，通过数控系统运动控制器的输出信号控制激光切割头所在轴电机运动时，称激光切割头的工作状态为伺服状态；依据激光切割头与工件表面之间的距离变化，通过电容式测距传感器输出的模拟电压信号控制激光切割头所在轴电机的运动以实时调整离焦量时，称激光切割头的工作状态为随动状态。
目前，实现激光切割头伺服、随动工作状态切换的方法，通常是将电容测距传感器输出的模拟电压信号经A/D转换后，送至数控系统；在数控系统内部，由软件控制是否将距离波动量叠加到激光切割头所在轴的控制信号上，从而实现激光切割头的伺服、随动状态切换控制（[1]徐天奇.激光切割机数控系统随动技术的研究[J].机床与液压,2012，40(18):123-125.[2]尹钢.激光切割头喷嘴自动控制系统[P].中国：202591845,2012-12-12）。
在上述方法中，当激光切割头处于随动状态时，受A/D转换精度、转换时间等因素的影响，激光切割头易出现调节滞后或者抖动等问题，导致随动性能不佳，直接影响切割质量和效率，难以适应高精度的切割要求。此外，经软件系统将距离波动量实时叠加到激光切割头所在轴的控制信号上，增加了数控系统的计算负载，易导致系统的不稳定。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光切割头工作状态的切换装置及方法，用以降低激光切割头在工作过程中出现的调节滞后或者抖动等问题、消除A/D转换精度及时间等因素对激光切割头随动性能的影响、降低数控系统的计算负载并增强其稳定性。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的切换装置，包括测距信号处理模块、运动控制器、轴卡、I/O端口以及激光切割头所在轴的伺服驱动器，所述切换装置由信号幅值调整模块、切换模块和幅值限制模块组成。
运动控制器中轴卡一端分别与信号幅值调整模块的输入端和切换模块的输入端连接；运动控制器中I/O端口与切换模块之间通过切换控制线连接；测距信号处理模块的输出端与信号幅值调整模块的输入端连接；信号幅值调整模块的输出端与切换模块的输入端连接；切换模块接收测距信号处理模块输出的模拟电压信号、轴卡输出的模拟电压信号以及I/O端口输出的切换控制信号。
切换模块选择测距信号处理模块输出的模拟电压信号或轴卡输出的模拟电压信号，经幅值限制模块将信号输送给激光切割头所在轴的伺服驱动器。
本发明所述的切换方法，已知的工作状态分为伺服状态和随动状态，切换方法是：在运动控制器中，编制伺服状态与随动状态之间相互切换的两种命令，然后在工业控制计算机的数控软件系统中，编制包含上述两种命令的NC程序，并下发至运动控制器执行；执行命令过程中，在工作坐标系中加入或移除激光切割头所在轴，实现激光切割头伺服状态、随动状态的双向切换；
A、运动控制器执行由伺服状态切换至随动状态的命令时，从当前坐标系中移出激光切割头所在轴，并由I/O端口经切换控制线发送切换信号至切换装置，完成切换至随动状态的动作；
（1）若信号幅值调整模块输出值的调整状态为未完成状态；
a、分别获取轴卡及测距信号处理模块输出的模拟电压信号幅值，设定信号幅值调整模块的输出值与轴卡的输出值相等；
b、切换模块执行切换动作，将信号幅值调整模块的输出信号输出至激光切割头所在轴的伺服驱动器中；
c、以逐次比较递增或递减的方法调整信号幅值调整模块的输出值与测距信号处理模块输出的信号幅值相等时，置信号幅值调整模块输出值的调整状态为完成状态；
（2）若信号幅值调整模块输出值的调整状态为完成状态；
由切换模块执行切换动作，将测距信号处理模块输出的模拟电压信号直接输出至激光切割头所在轴的伺服驱动器中，使激光切割头工作在随动状态。
B、运动控制器执行由随动状态切换至伺服状态的命令时，向当前坐标系中添加激光切割头所在轴，使激光切割头所在轴的位置与其电机当前位置相匹配，并由I/O端口经切换控制线发送切换信号至切换装置，由切换模块执行切换动作，将轴卡输出的模拟电压信号直接输出至激光切割头所在轴的伺服驱动器中，完成切换至伺服状态的动作，并将信号幅值调整模块输出值调整状态为未完成状态。
所述逐次比较递增或递减的方法，是将切换装置执行切换至随动状态命令时轴卡输出的模拟电压信号幅值作为初值，将切换装置执行切换至随动状态命令时测距信号处理模块输出的模拟电压信号幅值作为终值，将初值与终值的差分成n等分，每一等份称为一个增量单位；在初值的基础上，逐次递增或递减某一增量单位，并将调整后的值与终值比较。
与已有技术相比，本发明的有益效果为：
通过在工作坐标系中适时加入或移除激光切割头所在轴，并配合切换装置，实现激光切割头伺服状态、随动状态的双向切换。在随动状态下，由激光切割头的电容式测距传感器及其信号处理模块与激光切割头所在轴电机的驱动器构成闭环，避免了传统方法中因加入A/D转换模块而引起的激光切割头调节滞后及抖动问题，并有效降低数控系统负载，增强数控系统的稳定性。通过逐次比较递增或递减的方法调整所述信号幅值调整模块输出的模拟电压信号幅值至电容测距传感器输出的模拟电压信号幅值，实现信号幅值的平滑切换，可有效避免工作状态切换过程中激光切割头的瞬时跳动问题，大幅度提高激光切割的精度及质量。
附图说明
图1为本发明的激光切割头工作状态切换系统硬件结构示意图。
图2为本发明的切换装置与运动控制器、测距信号处理模块的硬件连接图。
图3为本发明的切换装置的内部信号处理流程图。
图4为本发明的激光切割头由伺服状态切换至随动状态的工作流程图。
图5为本发明的激光切割头由随动状态切换至伺服状态的工作流程图。
附图标记：101为工业控制计算机、102为UMAC运动控制器、103为切换装置、104为Z轴伺服器、105为Z轴电机、106为测距信号处理模块、107为激光切割头、108为工件平面、109为切换控制线、1021为框架底板、1022为电源模块、1023为轴卡、1024为I/O卡、1025为CPU板、201为信号幅值调整模块、202为切换模块、203为幅值限制模块。
具体实施方式
以下结合附图及实施例，对本发明做进一步说明。
实施例一：如图1激光切割头工作状态切换系统硬件结构示意图所示。其中，运动控制器采用美国UMAC(Universal Motion and Automation Controller)运动控制器，UMAC运动控制器102作为整个数控系统的核心，负责NC程序及软件PLC程序的解释及执行、各轴伺服计算、与外围设备通讯等。就激光切割头工作状态切换系统硬件而言，工业控制计算机101负责向UMAC运动控制器102下发NC程序(其中含有激光切割头工作状态切换命令)；UMAC运动控制器102负责解释执行NC程序，并通过对切换命令的解析，实现对切换装置103的控制，从而实现对激光切割头107工作状态的控制。
如图2切换装置与运动控制器、测距信号处理模块的硬件连接图所示。切换装置103接收测距信号处理模块106及轴卡1023输出的模拟电压信号，以及I/O卡1204输出的切换控制信号；其中，切换模块202能够从测距信号处理模块106和轴卡1023输出的模拟电压信号之中选择其中的一路驱动激光切割头所在轴电机。信号幅值调整模块201能够获取由伺服状态切换至随动状态前一时刻的轴卡1023输出的模拟电压信号幅值，并以该信号幅值为起点，通过逐次比较递增或递减的方法调整所述信号幅值调整模块输出的模拟电压信号幅值至测距信号处理模块106输出的模拟电压信号幅值。
在执行具体切换命令时，切换装置内部的信号处理流程如图3所示。
在上述硬件系统的基础上，以伺服状态切换至随动状态、随动状态切换至伺服状态两个切换方向为例，详细介绍所述激光切割头工作状态的切换方法的具体实施过程。
首先，在UMAC运动控制器102的M代码解释程序中，编制伺服状态切换至随动状态命令M20及随动状态切换至伺服状态命令M21；然后在工业控制计算机101的数控软件系统中，编制NC程序(含有M20、M21)，并下发至UMAC运动控制器102执行。
1、当UMAC运动控制器102解释并执行切换至随动状态命令M20时，切换流程如图4所示，具体如下：
(1)首先将激光切割头所在轴从当前坐标系中移除；
(2)然后经I/O卡1024发送切换控制信号至切换装置103；
(3)切换装置103的信号幅值调整模块201首先获取轴卡1023输出的模拟电压信号幅值，并以该信号幅值为起点，通过逐次比较递增或递减的方法调整自身输出的模拟电压信号幅值；
(4)切换装置103的切换模块202依据切换控制信号选择信号幅值调整模块201输出的模拟电压信号输入至Z轴伺服器104，以驱动激光切割头107所在轴电机105运动，使激光切割头107工作在随动状态。
(5)若切换完成，则点亮随动状态灯。
2、当UMAC运动控制器102解释并执行切换至伺服状态命令M21时，切换流程如图5所示，具体如下：
(1)首先将激光切割头所在轴添加到当前坐标系中；
(2)将激光切割头所在轴的位置与其电机当前位置相匹配。
(3)然后经I/O卡1024发送切换控制信号至切换装置103；
(4)切换装置103的切换模块202依据切换控制信号选择轴卡1023输出的模拟电压信号输入至Z轴伺服器104，以驱动激光切割头107所在轴电机105运动，使激光切割头107工作在伺服状态。
(5)若切换完成，则熄灭随动状态灯。
以上实施目的在于说明本发明专利，而非限制本发明专利保护范围，所有由本发明专利简单变化而得到的新应用均落在本发明专利的保护范围内。
Claims (3)
1.一种激光切割头工作状态的切换装置，包括测距信号处理模块、运动控制器、轴卡、I/O端口以及激光切割头所在轴的伺服驱动器，其特征在于：所述切换装置由信号幅值调整模块、切换模块和幅值限制模块组成；
运动控制器中轴卡输出端分别与信号幅值调整模块的输入端和切换模块的输入端连接；运动控制器中I/O端口与切换模块之间通过切换控制线连接；测距信号处理模块的输出端与信号幅值调整模块的输入端连接；信号幅值调整模块的输出端与切换模块的输入端连接；切换模块接收测距信号处理模块输出的模拟电压信号、轴卡输出的模拟电压信号以及I/O端口输出的切换控制信号；
切换模块选择测距信号处理模块输出的模拟电压信号或轴卡输出的模拟电压信号，经幅值限制模块将信号输送给激光切割头所在轴的伺服驱动器。
2.一种激光切割头工作状态的切换方法，所述工作状态分为伺服状态和随动状态，其特征在于：在运动控制器中，编制伺服状态与随动状态之间相互切换的两种命令，然后在工业控制计算机的数控软件系统中，编制包含上述两种命令的NC程序，并下发至运动控制器执行；执行命令过程中，在工作坐标系中加入或移除激光切割头所在轴，实现激光切割头伺服状态、随动状态的双向切换；
A、运动控制器执行由伺服状态切换至随动状态的命令时，从当前坐标系中移出激光切割头所在轴，并由I/O端口经切换控制线发送切换信号至切换装置，完成切换至随动状态的动作；
(1)若信号幅值调整模块输出值的调整状态为未完成状态；
a、分别获取轴卡及测距信号处理模块输出的模拟电压信号幅值，设定信号幅值调整模块的输出值与轴卡的输出值相等；
b、切换模块执行切换动作，将信号幅值调整模块的输出信号输出至激光切割头所在轴的伺服驱动器中；
c、以逐次比较递增或递减的方法调整信号幅值调整模块的输出值与测距信号处理模块输出的信号幅值相等时，置信号幅值调整模块输出值的调整状态为完成状态；
(2)若信号幅值调整模块输出值的调整状态为完成状态；
由切换模块执行切换动作，将测距信号处理模块输出的模拟电压信号直接输出至激光切割头所在轴的伺服驱动器中，使激光切割头工作在随动状态；
B、运动控制器执行由随动状态切换至伺服状态的命令时，向当前坐标系中添加激光切割头所在轴，使激光切割头所在轴的位置与其电机当前位置相匹配，并由I/O端口经切换控制线发送切换信号至切换装置，由切换模块执行切换动作，将轴卡输出的模拟电压信号直接输出至激光切割头所在轴的伺服驱动器中，完成切换至伺服状态的动作，并将信号幅值调整模块输出值调整状态为未完成状态。
3.根据权利要求2所述的一种激光切割头工作状态的切换方法，其特征在于：所述逐次比较递增或递减的方法，是将切换装置执行切换至随动状态命令时轴卡输出的模拟电压信号幅值作为初值，将切换装置执行切换至随动状态命令时测距信号处理模块输出的模拟电压信号幅值作为终值，将初值与终值的差分成n等分，每一等份称为一个增量单位；在初值的基础上，逐次递增或递减一个增量单位，并将调整后的值与终值比较。
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