CN105487482B - 一种毫米级间隙随动控制方法与装置 - Google Patents

一种毫米级间隙随动控制方法与装置 Download PDF

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Abstract

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±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。

Description

一种毫米级间隙随动控制方法与装置
（一）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。
（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。
（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，提高了控制精度。
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。
所述伺服电机与MCU控制器之间连接设有伺服电机驱动器。
所述MCU控制器通过RS-485接口与工控机连接进行通信。
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MCU控制器发出的脉冲信号频率， K p 、K i 、K d 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+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。
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。
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。
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+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。
（四）附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
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。
（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。MCU控制器5通过RS-485接口与工控机8连接进行通信。
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0.01mm，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，、、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。
通过实验发现: 在0.5mm-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。
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0x0A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0x0B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。
微控制器MCU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。
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。
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；控制丝杠提升0.5mm，记录下此时的电容值C 1 ；控制丝杠提升1.0mm，记录下此时的电容值C 2 ；控制丝杠提升1.5mm，记录下此时的电容值C 3 ；控制丝杠提升2.0mm，记录下此时的电容值C 4 ；控制丝杠提升2.5mm，记录下此时的电容值C 5 ；根据C 1 、C 2 、C 3 、C 4 、C 5 的数值进行曲线拟合，得到C-d之间的对应关系。
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ＭＣＵ上实现控制律，我们将其转化为位置—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—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：
。
式中，Set为间隙设定值，即期望值。Measure(k)为实际测量值。
采用增量式PID反馈控制方法，以减少MCU的运算量、提高跟随速度。控制律表达式：
式中，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。
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+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。
控制系统参数的监控与设定：MCU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。
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。

Claims (5)

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；
其控制方法，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MCU控制器发出的脉冲信号频率， K p 、K i 、K d 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+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。
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.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：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。
5.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：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。
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