CN106624304A - 一种正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统与控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，包括：间隙调节机构，与切割头连接，包括电机，用于调节切割头与待切割板材之间的间隙；电容检测电路，具有输入端和输出端，用于测量切割头与待切割板材之间的电容值并通过输出端发送出去；驱动器，与间隙调节结构连接，用于直接驱动该间隙调节机构；以及控制器，与驱动器和电容检测电路连接，接收从输出端发送来的电容值，将该电容值与设定值进行比较处理后得出控制信号，并发出该控制信号来控制驱动器，其中，输入端具有两根导线，分别与切割头、待切割板材连接。通过PID负反馈控制，可在线调节间隙调节机构的运动速度和运动方向，进而实时控制切割头与板材之间的间隙值。整个系统受到外界的电磁干扰小。

Description

一种正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统与控制方法
技术领域
本发明属于精密机械运动控制领域。
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)，这是因为间隙值过小会烧毁板材，间隙值过大则聚光能量不足。要实现毫米级间隙值的随动，必须保证间隙值的测量分辨率达到0.1mm：就现有的微小间隙工业测量方法来看，激光测距和超声波测距的分辨率在1mm左右，不能满足要求；电涡流位移传感器的分辨率可以高于0.1mm但是受现场电磁干扰较大。
发明内容
本发明为解决上述问题，提出了一种正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统与控制方法，用于控制切割头与待切割板材之间的间隙。
一种正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，用于测量并控制切割头与待切割板材之间的间隙值，并控制该间隙值处于设定值，其特征在于，包括：间隙调节机构，与切割头连接，包括电机，用于调节切割头与待切割板材之间的间隙；电容检测电路，具有输入端和输出端，用于测量切割头与待切割板材之间的电容值并通过输出端发送出去；驱动器，与间隙调节结构连接，用于直接驱动该间隙调节机构；以及控制器，与驱动器和电容检测电路连接，接收从输出端发送来的电容值，将该电容值与设定值进行比较处理后得出控制信号，并发出该控制信号来控制驱动器，其中，输入端具有两根导线，分别与切割头、待切割板材连接。
本发明提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，还可以具有这样的特征，其特征在于还包括：参数设定与监控单元，与控制器连接，用于设定预定数值，并实时获取电容值并转换为间隙值进行显示。
本发明提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，间隙调节机构还包括滚珠丝杠滑台，电机为伺服电机，伺服电机与驱动器连接，滚珠丝杠滑台与伺服电机、切割头直接连接，驱动器驱动伺服电机带动滚珠丝杠滑台动作从而调节切割头与待切割板材之间的间隙值。
本发明提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，控制器为MCU控制器。
本发明提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，控制器为采用PID负反馈控制原理。
本发明提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，还可以具有这样的特征，其特征在于：其其中，参数设定与监控单元为工控机。
本发明提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，电容检测电路还包括与电容检测转换芯片相连的STC12高速单片机芯片。
本发明提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，电容检测电路还包括与电容检测转换芯片相连的STC12高速单片机芯片。
本发明还提供一种根据上述的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，设第k时刻的间隙误差error(k)为：
error(k)＝Set-Measure(k) (1)
(1)式中，Set为间隙设定值，Measure(k)为实际测量值；
步骤二，控制器的控制律表达式为：
Pul(k)＝Kp·[err(k)-err(k-1)]+Ki·err(k)+Kd[err(k)-2err(k-1)+err(k-2)](2)
(2)式中，Pul(k)为控制器发出的脉冲信号频率，它与间隙调节机构的运动速度成正比，Kp，Ki，Kd分别为比例环节系数、积分环节系数和微分环节系数；
步骤三，驱动器根据Pul(k)的大小对应计算出电机的转速，该电机的转向由error(k)值确定：当误差在正负十分之一毫米内的时候，电机停止转动，转速为零，否则根据偏差的正负进行转向的反向切换；
步骤四，间隙调节机构根据的电机根据步骤三中得到的转速来运转，调节切割头与待切割板材之间的间隙。
发明作用与效果
根据本发明提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，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，通过PID负反馈控制，可在线调节间隙调节机构的运动速度和运动方向，进而实时控制切割头与板材之间的间隙值。整个系统受到外界的电磁干扰小。由于切割头和被切割的板材作为电容的两个电极板，无需设置电极板，不仅减化了机构，而且还能够减小因为额外设置电极板对电容值与间隙值之间对应关系的影响。
附图说明
图1是本发明提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统的系统框图；
图2是本发明提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统的电路图；以及
图3是本发明的实验运行结果截图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统的原理、使用步骤、技术效果作具体阐述。
实施例
图1是本发明提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统的系统框图。
如图1所示，正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统包括。
间隙调节机构，与等离子切割头或激光切割头连接，用于调节切割头与待切割板材之间的间隙，包括伺服电机和滚珠丝杠滑台。
滚珠丝杠滑台和切割头连接，用于直接驱动切割头进行运动，从而调整切割头与板材之间的间隙。
图2是本发明提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统的电路图。
电容检测电路，具有输入端和输出端，用于测量切割头与待切割板材之间的电容值并通过输出端发送出去，其中，输入端具有两根导线，分别与切割头、待切割板材连接，用于采集切割头和板材之间的电容值。
如图1、2所示，切割头与板材之间构成等效平行板电容，其等效电容值的表达式为：
式中，εr，ε0，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。
通过实验发现:在0.1mm-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动态测量。
AD7746与STC12通过IIC总线连接，上拉电阻为2.2K欧姆，测量电路如图2所示：由间隙值变化引起的电容值C的变换由CDC芯片AD7746采集；电容的两端分别连接到AD7746的EXCB引脚(J2)和CIN(+)(J1)引脚；SCL时钟线和SDA数据线通过4.7K欧姆的电阻上拉。此外，采用LM7805三端稳压集成电路为系统提供稳定的5V工作电源；J3为程序下载端口，J4为伺服电机控制信号输出端口。
STC12对AD7746的寄存器配置关键步骤如下：
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。
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。
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。
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(割头贴在金属板上的工况)。
数据的写入与读取遵循IIC通信的时序规范。
伺服电机驱动器，与间隙调节结构的伺服电机连接，用于直接驱动该间隙调节机构的伺服电机。
控制器，与伺服电机驱动器和电容检测电路连接，接收从输出端发送来的电容值，将该电容值与设定值进行比较处理后得出控制信号，并发出该控制信号来控制伺服电机驱动器。本实施例中控制器为MCU微控制器。
参数设定与监控单元，与控制器连接，用于设定预定数值，并实时获取电容值并转换为间隙值进行显示。本实施例为工控机，通过RS-485接口与工控机进行通信，完成控制参数的设定与间隙跟随数据的监控。
考虑到等离子切割与激光切割过程中存在电弧，电磁等诸多干扰因素，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中采用平滑滤波的方法，算法上采用迭代运算实现。
如前，为了获取激光切割头与板材之间的间隙值，为此需要将采集到的pF级电容值转化为毫米级间隙值(它们之间存在非线性映射关系)。在标定过程中，我们采用伺服电机，2000线光电编码器以及滚珠丝杠构成的精密进给机构带动切割头运动，主要步骤如下：
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C1；
控制丝杠提升1.0mm，记录下此时的电容值C2；
控制丝杠提升1.5mm，记录下此时的电容值C3；
控制丝杠提升2.0mm，记录下此时的电容值C4；
控制丝杠提升2.5mm，记录下此时的电容值C5；
控制丝杠提升3.0mm，记录下此时的电容值C6；
根据C1,C2,C3,C4,C5，C6的数值进行曲线拟合，得到C-d之间的非线性对应曲线。
为了实时调节间隙值，必须要求MCU微控制器实时进行如下动作：(1)在线检测间隙值d的变化。(2)根据间隙值d的变化实时调节滚珠丝杠的运动速度和方向。(3)上述两个动作之间要遵循一定的控制律，本发明采用PID调节。与LQR等其他控制方法相比，PID控制律不需要对控制对象的动力学参数进行精确识别，这对图1的具有惯性滞后环节系统尤为必要。
下面对上述的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统的控制方法做详细说明。
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微控制器上实现控制律，我们将其转化为位置—速度反馈控制。其基本与原理为：在图1所示系统中，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，这种比例环节存在由丝杆配合间隙引起的非线性与滞后环节，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：
步骤一，设第k时刻的间隙误差error(k)为：
error(k)＝Set-Measure(k) (1)
(1)式中，Set为间隙设定值，Measure(k)为实际测量值。
步骤二，采用增量式PID反馈控制方法，以减少MCU的运算量、提高跟随速度控制器的控制律表达式为：
Pul(k)＝Kp·[err(k)-err(k-1)]+Ki·err(k)+Kd[err(k)-2err(k-1)+err(k-2)](2)
(2)式中，Pul(k)为控制器发出的脉冲信号频率，它与间隙调节机构的运动速度成正比，Kp，Ki，Kd分别为比例环节系数、积分环节系数和微分环节系数，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。
步骤三，驱动器根据Pul(k)的大小对应计算出电机的转速，该电机的转向由error(k)值确定：当误差在正负十分之一毫米内实审，电机停止转动，转速为零，否则根据偏差的正负进行转向的反向切换：当偏差为正时，转向为负，当偏差为负时，转向为正。
步骤四，间隙调节机构根据的电机根据步骤三中得到的转速来运转，调节切割头与待切割板材之间的间隙。
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。
图3是本发明的实验运行结果截图。
将上述设计的系统和方法在原型机上进行验证，将采集到的电容值(对应一定的间隙值)通过RS-485接口传输到上位机，并用C#语言编写了数据显示界面，如图3所示。实现结果表明：所设计的间隙测量系统，其测量范围为0-3mm，精度+0.1mm，数据更新率80Hz，达到了正负十分之一毫米的间隙控制要求。
实施例的作用和有益效果
根据本实施例提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，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，通过PID负反馈控制，可在线调节间隙调节机构的运动速度和运动方向，进而实时控制切割头与板材之间的间隙值。由于切割头和被切割的板材作为电容的两个电极板，无需设置电极板，不仅减化了结构，而且还能够减小因为额外设置电极板对电容值与间隙值之间对应关系的影响。
根据本实施例提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，由于还具有参数设定与监控单元，可以实时显示间隙值，这样可以实时的更改设定值并显示。
又由于间隙调节机构采用的是伺服电机和滚珠丝杠滑台，同时通过伺服电机驱动器来直接驱动伺服电机的运转，通过电机的运转来调节实时的间隙，实现随动。
通过对1mm-3mm范围内的微小间隙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，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+0.1mm，最大跟随速度100mm/s，达到了实际应用要求。

Claims (9)

1. 一种正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，用于测量并控制切割头与待切割板材之间的间隙值，并控制该间隙值处于设定值，其特征在于，包括：
间隙调节机构，与所述切割头连接，包括电机，用于调节所述切割头与所述待切割板材之间的间隙；
电容检测电路，具有输入端和输出端，用于测量所述切割头与所述待切割板材之间的电容值并通过所述输出端发送出去；
驱动器，与所述间隙调节结构连接，用于直接驱动该间隙调节机构；以及
控制器，与所述驱动器和所述电容检测电路连接，接收从所述输出端发送来的电容值，将该电容值与所述设定值进行比较处理后得出控制信号，并发出该控制信号来控制所述驱动器，
其中，所述输入端具有两根导线，分别与所述切割头、所述待切割板材连接。
2.根据权利要求1所述的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，其特征在于，还包括：
参数设定与监控单元，与所述控制器连接，用于设定所述预定数值，并实时获取所述电容值并转换为间隙值进行显示。
3.根据权利要求2所述的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，其特征在于：
其中，所述间隙调节机构还包括滚珠丝杠滑台，
所述电机为伺服电机，
所述伺服电机与所述驱动器连接，所述滚珠丝杠滑台与所述伺服电机、所述切割头直接连接，
所述驱动器驱动所述伺服电机带动所述滚珠丝杠滑台动作从而调节所述切割头与所述待切割板材之间的间隙值。
4.根据权利要求1所述的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，其特征在于：
其中，所述控制器为MCU控制器。
5.根据权利要求1所述的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，其特征在于：
其中，所述控制器为采用PID负反馈控制原理。
6.根据权利要求2所述的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，其特征在于：
其中，所述参数设定与监控单元为工控机。
7.根据权利要求1所述的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，其特征在于：
其中，所述电容检测电路中的电容检测转换芯片为AD7746。
8.根据权利要求7所述的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，其特征在于：
其中，所述所述电容检测电路还包括与电容检测转换芯片相连的STC12高速单片机芯片。
9.一种根据权利要求1所述的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，设第k时刻的间隙误差error(k)为：
error(k)＝Set-Measure(k) (1)
(1)式中，Set为间隙设定值，Measure(k)为实际测量值；
步骤二，控制器的控制律表达式为：
Pul(k)＝Kp·[err(k)-err(k-1)]+Ki·err(k)+Kd[err(k)-2err(k-1)+err(k-2)](2)
(2)式中，Pul(k)为控制器发出的脉冲信号频率，它与间隙调节机构的运动速度成正比，Kp，Ki，Kd分别为比例环节系数、积分环节系数和微分环节系数；
步骤三，所述驱动器根据Pul(k)的大小对应计算出所述电机的转速，该电机的转向由error(k)值确定：当误差在正负十分之一毫米内的时候，所述电机停止转动，转速为零，否则根据偏差的正负进行转向的反向切换；
步骤四，所述间隙调节机构根据的所述电机根据步骤三中得到的转速来运转，调节所述切割头与所述待切割板材之间的间隙。
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