CN104181907A - 非接触式金属缝隙及表面的数控跟踪器和跟踪方法 - Google Patents

Abstract

一种非接触式金属缝隙及表面的数控跟踪器，由两个微小型环状金属探测器、两组特种同轴电缆、一个双通道微弱信号电子激励和解调器、一台具有双通道高速信号处理能力的工控机组成，两个环形金属探测器呈同心套环方式构筑，两个探测器处于同一平面，两个金属探测器相互之间电气绝缘和电容场隔离，内环传感器中心孔与加工刀具外径配合。一种数控跟踪方法，利用双通道微弱信号电子激励和解调器同时激励和接受来自两个环状金属探测器的电容信号，并进行高频数字滤波、锁相环精确信号同步、数字信号转换处理。双通道高速信号处理的工控机读入两路电容变化信号后进行信号处理并判断当前被测表面的变化及其幅度。本发明实现了智能的高度和缝隙同时跟踪。

Description

非接触式金属缝隙及表面的数控跟踪器和跟踪方法

技术领域:

本发明涉及电学领域，尤其涉及自动化设备中的工件轮廓仿形跟踪技术，特别是一种非接触式金属缝隙及表面的数控跟踪器。

背景技术:

在自动化加工设备中，存在大量需要按照工件不规则轮廓进行自动加工的需求，比较常见的包括依照模版的仿形加工和示教加工、实时检测材料表面的切割高度跟踪、实时扫描拼缝并跟踪的自动焊缝跟踪等等。现有技术中，这些广为采用的方法和手段存在很多弊端，仿形和示教费时长效率低，激光焊缝跟踪价格昂贵，电容高度跟踪无法同时进行焊缝跟踪等。尤其在焊割行业，无法实现无需预处理的、高度和焊缝可以同时跟踪的技术。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种非接触式金属缝隙及表面的数控跟踪器，所述的这种非接触式金属缝隙及表面的数控跟踪器要解决现有技术中焊割加工预处理仿形效率低、实时仿形传感技术男友普及、无法兼顾高度和缝隙的同时跟踪的技术问题。

本发明的这种非接触式金属缝隙及表面的数控跟踪器，包括一个第一环状金属探测器、一个第二环状金属探测器、一个双通道微弱信号电子激励和解调器和一个工控机，其中，所述的第一环状金属探测器的内径大于所述的第二环状金属探测器的外径，第一环状金属探测器和第二环状金属探测器呈同心套环方式布置，第一环状金属探测器和第二环状金属探测器之间电气绝缘，第一环状金属探测器的电容场与第二环状金属探测器的电容场相互隔离，第一环状金属探测器和第二环状金属探测器位于同一平面内，第一环状金属探测器通过一根第一低容性特种同轴电缆与所述的双通道微弱信号电子激励和解调器的信号输入端连接，第二环状金属探测器通过一根第二低容性特种同轴电缆也与双通道微弱信号电子激励和解调器的信号输入端连接，双通道微弱信号电子激励和解调器的输出端通过数据线与所述的工控机连接，工控机中设置有双通道信号处理数控模块。

进一步的，工控机与加工刀具的控制机构连接。

进一步的，第一低容性特种同轴电缆和第二低容性特种同轴电缆的长度均接近零。

进一步的，第二环状金属探测器的内径与加工刀具的外径配合。

进一步的，第一环状金属探测器和第二环状金属探测器均为微小型金属探测器。

本发明还提供了一种利用上述数控跟踪器实现的数控跟踪方法，其中，将第一环状金属探测器和第二环状金属探测器放置在待加工工件的上方或者下方，第一环状金属探测器和第二环状金属探测器与待加工工件的表面之间设置有电容间隙，利用第一环状金属探测器和第二环状金属探测器与待加工工件的表面各自构成一对电容正负极板，利用双通道微弱信号电子激励和解调器激励第一环状金属探测器和第二环状金属探测器各自产生电容信号，利用双通道微弱信号电子激励和解调器同时接受来自第一环状金属探测器和第二环状金属探测器的电容信号，利用双通道微弱信号电子激励和解调器对接受的电容信号进行高频数字滤波、锁相环精确信号同步和数字信号转换处理，然后将数字信号转换处理后的信号输入工控机，利用工控机中的双通道信号处理数控模块对信号进行处理，并根据两路电容变化信号判断当前待加工工件表面的变化及其幅度，待加工工件表面的变化包括起伏、缝隙和边缘。

进一步的，利用工控机中的处理器对两路电容变化信号进行高速信号处理，并选择按一个表面起伏跟踪模式、或者一个缝隙跟踪模式、或者一个边缘跟踪模式进行处理，在所述的表面起伏跟踪模式中，根据第一环状金属探测器信号的变化判断待加工工件的表面起伏幅度，利用第二环状金属探测器信号的变化识别越过的缝隙，利用第二环状金属探测器的信号来修正待加工工件的表面起伏幅度的调节量，在所述的缝隙跟踪模式中，根据第一环状金属探测器信号的变化判断待加工工件的表面起伏幅度，同时根据缝隙偏移引起的第一环状金属探测器信号微量缓变辅助判断缝隙的走向，根据第二环状金属探测器在同一时序上的微量信号动态偏差派来决定缝隙跟踪调节量和方向，在所述的边缘跟踪模式中，在第一环状金属探测器和第二环状金属探测器跌出边缘然后回到边缘的两个时刻上，建立稳定的信号差值参照以及边缘方位特征，在随后的边缘跟踪中按边缘方位特征维持两路信号差分值决定了边缘跟踪的调节量和方向，同时根据第一环状金属探测器信号的变化判断待加工工件的表面起伏幅度。

本发明的工作原理是：第一环状金属探测器和第二环状金属探测器围绕加工刀具且相互隔离，由于第一环状金属探测器和第二环状金属探测器尺寸和位置不同，因此可以对应工件表面特征的不同区域产生不同幅度和变化率的电容信号，利用工控机中的处理器采用数字技术分析两个信号在同一时间刻的这种复杂和细微的差别，从而判断并且跟踪工件特征中的表面起伏、缝隙位置以及边缘位置。

具体的，当在表面起伏跟踪时，第一环状金属探测器以较大面积获得刀具周围起伏变化的平均信号，作为调节起伏的基本依据，当越过以前加工的缝隙或隆起带时，第一环状金属探测器可能会产生较为平缓的信号变化从而开始调整高度，但第二环状金属探测器面积较小，将会产生比较激烈的信号跳变，这个跳变信号结合外环的平缓变化，表明刀具正在越过一个缝隙或隆起带，高度跟踪不应该变化或少变化，这个跳变信号应该加权后修正外环信号的调节量。

进一步的，当缝隙跟踪时，在刀具沿着编程的缝隙路径运动中，实际拼缝的偏差可以同时被第一环状金属探测器和第二环状金属探测器感应到，这会造成第一环状金属探测器信号平缓变化，第二环状金属探测器较激烈变化。在一般情况下，在不少于连续两步采样内环信号变化可判断偏移方向和偏移量，但为抗干扰，外环信号同时为作为补充的方向判断条件。 同时外环信号还作为表面起伏跟踪调节用。

进一步的，当边缘跟踪时，第一环状金属探测器和第二环状金属探测器在手动或自动寻边中，两个探测器在边缘建立了一个幅度迥异的信号对：第一环状金属探测器具有一半或以上面积在工件上方，信号较强，第二环状金属探测器基本悬空在工件外，信号很弱。在边缘跟踪中，偏离边缘的运动导致外环信号平缓减弱，内环信号完全消失。接近边缘的运动导致外环信号平缓增强，内环信号骤然增强。由此跟踪信号处理系统产生相应幅度的靠近或离开边缘信号，运动控制按照寻边时获得的边缘特征决定对应的轴运动量和方向，实现边缘跟随。

本发明和已有技术相对比，其效果是积极和明显的。本发明提出了全新的传感器结构，并提出了对应传感器新结构的信号处理算法和策略，利用数字化的强大能力，实现了智能的、具有广泛适用性的高度和缝隙同时跟踪。在功能、精度、速度、稳定性、性价比等多个方面都取得了显著成效。

附图说明

图1是本发明的非接触式金属缝隙及表面的数控跟踪器的示意图。

图2是本发明的非接触式金属缝隙及表面的数控跟踪器的信号处理机制示意图。

具体实施方式：

实施例1:    

如图1所示，本发明的非接触式金属缝隙及表面的数控跟踪器，包括一个第一环状金属探测器1、一个第二环状金属探测器2、一个双通道微弱信号电子激励和解调器5和一个工控机6，其中，所述的第一环状金属探测器1的内径大于所述的第二环状金属探测器2的外径，第一环状金属探测器1和第二环状金属探测器2呈同心套环方式布置，第一环状金属探测器1和第二环状金属探测器2之间电气绝缘，第一环状金属探测器1的电容场与第二环状金属探测器2的电容场相互隔离，第一环状金属探测器1和第二环状金属探测器2位于同一平面内，第一环状金属探测器1通过一根第一低容性特种同轴电缆3与所述的双通道微弱信号电子激励和解调器5的信号输入端连接，第二环状金属探测器2通过一根第二低容性特种同轴电缆4也与双通道微弱信号电子激励和解调器5的信号输入端连接，双通道微弱信号电子激励和解调器5的输出端通过数据线与所述的工控机6连接，工控机6中设置有双通道信号处理数控模块。

进一步的，工控机6与加工刀具的控制机构连接。

进一步的，第一低容性特种同轴电缆3和第二低容性特种同轴电缆4的长度均接近零。

进一步的，第二环状金属探测器2的内径与加工刀具的外径配合。

如图2所示，本发明还提供了一种利用上述数控跟踪器实现的数控跟踪方法，其中，将第一环状金属探测器1和第二环状金属探测器2放置在待加工工件的上方或者下方，第一环状金属探测器1和第二环状金属探测器2与待加工工件的表面之间设置有电容间隙，利用第一环状金属探测器1和第二环状金属探测器2与待加工工件的表面各自构成一对电容正负极板，利用双通道微弱信号电子激励和解调器5激励第一环状金属探测器1和第二环状金属探测器2各自产生电容信号，利用双通道微弱信号电子激励和解调器5同时接受来自第一环状金属探测器1和第二环状金属探测器2的电容信号，利用双通道微弱信号电子激励和解调器5对接受的电容信号进行高频数字滤波、锁相环精确信号同步和数字信号转换处理，然后将数字信号转换处理后的信号输入工控机6，利用工控机6中的双通道信号处理数控模块对信号进行处理，并根据两路电容变化信号判断当前待加工工件表面的变化及其幅度，待加工工件表面的变化包括起伏、缝隙和边缘。

进一步的，利用工控机6中的处理器对两路电容变化信号进行高速信号处理，并选择按一个表面起伏跟踪模式、或者一个缝隙跟踪模式、或者一个边缘跟踪模式进行处理，在所述的表面起伏跟踪模式中，根据第一环状金属探测器1信号的变化判断待加工工件的表面起伏幅度，利用第二环状金属探测器2信号的变化识别越过的缝隙，利用第二环状金属探测器2的信号来修正待加工工件的表面起伏幅度的调节量，在所述的缝隙跟踪模式中，根据第一环状金属探测器1信号的变化判断待加工工件的表面起伏幅度，同时根据缝隙偏移引起的第一环状金属探测器1信号微量缓变辅助判断缝隙的走向，根据第二环状金属探测器2在同一时序上的微量信号动态偏差派来决定缝隙跟踪调节量和方向，在所述的边缘跟踪模式中，在第一环状金属探测器1和第二环状金属探测器2跌出边缘然后回到边缘的两个时刻上，建立稳定的信号差值参照以及边缘方位特征，在随后的边缘跟踪中按边缘方位特征维持两路信号差分值决定了边缘跟踪的调节量和方向，同时根据第一环状金属探测器1信号的变化判断待加工工件的表面起伏幅度。

本实施例的工作原理是：第一环状金属探测器1和第二环状金属探测器2围绕加工刀具且相互隔离，由于第一环状金属探测器1和第二环状金属探测器2尺寸和位置不同，因此可以对应工件表面特征的不同区域产生不同幅度和变化率的电容信号，利用工控机6中的处理器采用数字技术分析两个信号在同一时间刻的这种复杂和细微的差别，从而判断并且跟踪工件特征中的表面起伏、缝隙位置以及边缘位置。

具体的，当在表面起伏跟踪时，第一环状金属探测器1以较大面积获得刀具周围起伏变化的平均信号，作为调节起伏的基本依据，当越过以前加工的缝隙或隆起带时，第一环状金属探测器1可能会产生较为平缓的信号变化从而开始调整高度，但第二环状金属探测器2面积较小，将会产生比较激烈的信号跳变，这个跳变信号结合外环的平缓变化，表明刀具正在越过一个缝隙或隆起带，高度跟踪不应该变化或少变化，这个跳变信号应该加权后修正外环信号的调节量。

进一步的，当缝隙跟踪时，在刀具沿着编程的缝隙路径运动中，实际拼缝的偏差可以同时被第一环状金属探测器1和第二环状金属探测器2感应到，这会造成第一环状金属探测器1信号平缓变化，第二环状金属探测器2较激烈变化。在一般情况下，在不少于连续两步采样内环信号变化可判断偏移方向和偏移量，但为抗干扰，外环信号同时为作为补充的方向判断条件。 同时外环信号还作为表面起伏跟踪调节用。

进一步的，当边缘跟踪时，第一环状金属探测器1和第二环状金属探测器2在手动或自动寻边中，两个探测器在边缘建立了一个幅度迥异的信号对：第一环状金属探测器1具有一半或以上面积在工件上方，信号较强，第二环状金属探测器2基本悬空在工件外，信号很弱。在边缘跟踪中，偏离边缘的运动导致外环信号平缓减弱，内环信号完全消失。接近边缘的运动导致外环信号平缓增强，内环信号骤然增强。由此跟踪信号处理系统产生相应幅度的靠近或离开边缘信号，运动控制按照寻边时获得的边缘特征决定对应的轴运动量和方向，实现边缘跟随。

进一步的，工件表面的高低、缝隙或隆起等变化将影响与第一环状金属探测器1或者第二环状金属探测器2形成的电容空间，从而影响其电容量。第一环状金属探测器1和第二环状金属探测器2的电容量的变化幅度和速度被第一低容性特种同轴电缆3和第二低容性特种同轴电缆4分别传送到双通道电子激励和解调线路5。由于电容量信号非常微弱，其传输必须保证不被线间电容淹没和干扰，所以第一低容性特种同轴电缆3和第二低容性特种同轴电缆4必须采用很短的超低容性特种同轴电缆。电容信号被送到电子激励和解调线路5的两个通道，两路电容信号分别进行高频滤波、锁相环精密同步处理，并被转换成数字信号。然后两路电容信号的数字量通过数据线7被送入工控机6中的双通道信号处理数控系统，通过对两路信号综合对比、分析和处理，计算出工件表面起伏跟踪的调节量和调节速率、缝隙和边缘跟踪的调节量和调节速率，这些数据被送到运动控制系统，实现跟踪的实际动作。    

进一步的，在工控机6中的双通道信号处理数控系统中，两路电容量变化的数字量分别进入各自的数据采集通道8，并作为原始数据保存在一个按时序队列的内存缓冲区中。

进一步的，按照当前操作人员设定的跟踪模式，读入的信号分别进入高度跟踪处理器9，或缝隙跟踪处理器10，或边缘跟踪处理器11。在高度跟踪处理器9中，外环探测器以较大面积获得刀具周围起伏变化的平均信号，作为调节起伏的基本依据，内环小面积探测器对缝隙或隆起产生的比较激烈的信号跳变，将会加权后修正外环信号的调节量。在缝隙跟踪处理器10中，实际拼缝的偏差可以同时被外环内环探测器感应到，内环信号通过数步变化可判断偏移方向和偏移量，外环信号同时为作为补充的方向判断条件。 同时外环信号还作为表面起伏跟踪调节用。在边缘跟踪处理器11中，外环和内环两个探测器在边缘建立了一个幅度迥异的信号对，按照这对信号强弱变化幅度和速率，该处理器产生相应幅度的靠近或离开边缘信号。 

进一步的，在高度跟踪处理器9，或缝隙跟踪处理器10，或边缘跟踪处理器11经过对比、分析和处理产生调节量后，这些调节量被送入运动控制接口12，结合运动控制系统的编程路径或运动特征数据，刀具运动系统就可以控制运动机构做相应的精密跟踪跟随动作。

Claims (7)

1.一种非接触式金属缝隙及表面的数控跟踪器，包括一个第一环状金属探测器、一个第二环状金属探测器、一个双通道微弱信号电子激励和解调器和一个工控机，其特征在于：所述的第一环状金属探测器的内径大于所述的第二环状金属探测器的外径，第一环状金属探测器和第二环状金属探测器呈同心套环方式布置，第一环状金属探测器和第二环状金属探测器之间电气绝缘，第一环状金属探测器的电容场与第二环状金属探测器的电容场相互隔离，第一环状金属探测器和第二环状金属探测器位于同一平面内，第一环状金属探测器通过一根第一低容性特种同轴电缆与所述的双通道微弱信号电子激励和解调器的信号输入端连接，第二环状金属探测器通过一根第二低容性特种同轴电缆也与双通道微弱信号电子激励和解调器的信号输入端连接，双通道微弱信号电子激励和解调器的输出端通过数据线与所述的工控机连接，工控机中设置有双通道信号处理数控模块。

2.如权利要求1所述的非接触式金属缝隙及表面的数控跟踪器，其特征在于：工控机与加工刀具的控制机构连接。

3.如权利要求1所述的非接触式金属缝隙及表面的数控跟踪器，其特征在于：第一低容性特种同轴电缆和第二低容性特种同轴电缆的长度均接近零。

4.如权利要求1所述的非接触式金属缝隙及表面的数控跟踪器，其特征在于：第二环状金属探测器的内径与加工刀具的外径配合。

5.一种利用权利要求1所述的非接触式金属缝隙及表面的数控跟踪器实现的数控跟踪方法，其特征在于：将第一环状金属探测器和第二环状金属探测器放置在待加工工件的上方或者下方，第一环状金属探测器和第二环状金属探测器与待加工工件的表面之间设置有电容间隙，利用第一环状金属探测器和第二环状金属探测器与待加工工件的表面各自构成一对电容正负极板，利用双通道微弱信号电子激励和解调器激励第一环状金属探测器和第二环状金属探测器各自产生电容信号，利用双通道微弱信号电子激励和解调器同时接受来自第一环状金属探测器和第二环状金属探测器的电容信号，利用双通道微弱信号电子激励和解调器对接受的电容信号进行高频数字滤波、锁相环精确信号同步和数字信号转换处理，然后将数字信号转换处理后的信号输入工控机，利用工控机中的双通道信号处理数控模块对信号进行处理，并根据两路电容变化信号判断当前待加工工件表面的变化及其幅度，待加工工件表面的变化包括起伏、缝隙和边缘。

6.如权利要求5所述的非接触式金属缝隙及表面的数控跟踪方法，其特征在于：利用工控机中的处理器对两路电容变化信号进行高速信号处理，并选择按一个表面起伏跟踪模式、或者一个缝隙跟踪模式、或者一个边缘跟踪模式进行处理，在所述的表面起伏跟踪模式中，根据第一环状金属探测器信号的变化判断待加工工件的表面起伏幅度，利用第二环状金属探测器信号的变化识别越过的缝隙，利用第二环状金属探测器的信号来修正待加工工件的表面起伏幅度的调节量，在所述的缝隙跟踪模式中，根据第一环状金属探测器信号的变化判断待加工工件的表面起伏幅度，同时根据缝隙偏移引起的第一环状金属探测器信号微量缓变辅助判断缝隙的走向，根据第二环状金属探测器在同一时序上的微量信号动态偏差派来决定缝隙跟踪调节量和方向，在所述的边缘跟踪模式中，在第一环状金属探测器和第二环状金属探测器跌出边缘然后回到边缘的两个时刻上，建立稳定的信号差值参照以及边缘方位特征，在随后的边缘跟踪中按边缘方位特征维持两路信号差分值决定了边缘跟踪的调节量和方向，同时根据第一环状金属探测器信号的变化判断待加工工件的表面起伏幅度。

7.如权利要求1所述的非接触式金属缝隙及表面的数控跟踪器，其特征在于：第一环状金属探测器和第二环状金属探测器均为微小型金属探测器。