CN109164760A - 一种具有双重工作模式的调高方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光切割领域，具体涉及一种具有双重工作模式的调高方法及装置。所述具有双重工作模式的调高方法，包括步骤：判断CNC数控机床是否具有高度调整闭环控制功能；若是，切换到传感模式，获取实际高度并进行反馈，CNC数控机床采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整高度；若否，切换到控制模式，获取实际高度并采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值，由CNC数控机床将运算结果转化为电信号，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整高度。本发明的具有双重工作模式的调高方法，适用于具有传感模式和控制模式的调高装置在不同CNC数控机床上的应用，可有效的提高工作效率以及调高的稳定性。

Description

一种具有双重工作模式的调高方法及装置

技术领域

本发明属于激光切割领域，具体涉及一种具有双重工作模式的调高方法及装置。

背景技术

在激光切割领域中，传统的高度调整方案要么是由CNC进行闭环控制，要么是调高盒进行闭环控制，通常调高盒仅具有传感器模式，即调高盒只能反馈比如0-10V的电压表示高度，由CNC进行闭环控制，若该CNC的没有高度调整闭环控制功能，则必须更换调高盒，或者调高盒仅具有控制功能，若该CNC具有高度调整闭环控制功能，那么则容易引起对Z轴控制权的分配不合理，造成加工不流畅等问题，那么就必须更换调高盒。为此，设计一种调高装置，它同时具有传感器模式和控制器模式两种工作状态，针对不同的CNC和不同的需求选择不同的工作状态，以适应不同的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种具有双重工作模式的调高方法及装置，解决激光切割时，现有的调高装置功能过少，无法适配不同种类的CNC进行高度调整的问题。

为解决该技术问题，本发明提供一种具有双重工作模式的调高方法，包括步骤：

步骤A、判断CNC数控机床是否具有高度调整闭环控制功能；若是，则跳到步骤B；若否，则跳到步骤C；

步骤B、切换到传感模式，获取实际高度并进行反馈，CNC数控机床采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整高度；

步骤C、切换到控制模式，获取实际高度采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值，由CNC数控机床将运算结果转化为电信号，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整高度。

所述具有双重工作模式的调高方法，其中，所述步骤B包括步骤：

步骤B1、设定激光切割喷嘴的预设高度；

步骤B2、获取激光切割喷嘴的实际高度并进行反馈；

步骤B3、CNC数控机床获取步骤B1、步骤B2中的数值的偏差值，采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值；

步骤B4、CNC数控机床将运算结果转化为电信号，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整相应的高度。

所述具有双重工作模式的调高方法，其中，所述步骤B2包括步骤：

步骤B21：获取激光切割喷嘴的实际高度；

步骤B22：获取传感器得到的反馈高度；

步骤B23：输出由反馈高度和实际高度组成的反馈曲线；

步骤B24：对反馈曲线进行配置，使反馈曲线成线性分布。

所述具有双重工作模式的调高方法，其中，所述步骤C包括步骤：

步骤C2、设定激光切割喷嘴的预设高度；

步骤C3、获取激光切割喷嘴的实际高度并进行反馈；

步骤C4、获取步骤C2、步骤C3中的数值的偏差值，采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值；

步骤C5、CNC数控机床将运算结果转化为电信号，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整相应的高度。

所述具有双重工作模式的调高方法，其中，所述步骤C2前还包括：

步骤C1：对传感器发送来的频率信号向外扩充，增加检测距离，使激光切割喷嘴的减速距离加大，提高下落速度。

所述具有双重工作模式的调高方法，其中，所述步骤C2还包括步骤：对预设高度信号进行滤波，减小改变设定高度时对电机造成的冲击。

所述具有双重工作模式的调高方法，其中，所述步骤C4包括步骤：

步骤C41：获取步骤C2、步骤C3中的数值的偏差值

步骤C42：根据偏差值的绝对值的大小，对比例增益系数进行调整；当偏差值的绝对值大于3时，则所述比例增益系数的取值为1.5；当偏差值的绝对值小于0.5时，则所述比例增益系数的取值为0.7；

步骤C43：根据偏差值以及比例增益系数的取值，采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值。

所述具有双重工作模式的调高方法，其中，所述步骤C43中包括步骤：在计算需要调整的高度值时，采用遇限制削弱积分的方法对偏差进行调整，以避免积分饱和导致的超调过冲。

所述具有双重工作模式的调高方法，其中，所述步骤C41还包括步骤：增加一个可配置参数的虚拟的Z轴伺服驱动器模型，调节偏差值，用于抑制反馈控制高度的超调量。

本发明还提供一种具有双重工作模式的调高装置，设置在CNC数控机床上，包括工作模式切换模块、传感器模块、控制器模块，其中，

工作模式切换模块：用于判断CNC数控机床是否具有高度调整闭环控制功能，并根据CNC数控机床是否具有高度调整闭环控制功能对传感器模块以及控制器模块进行切换；

传感器模块：只用于获取实际高度并进行反馈，CNC数控机床采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整高度；

控制器模块：用于获取实际高度，采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值，由CNC将运算结果转化为电信号，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整高度。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过判断CNC数控机床是否具有高度调整闭环控制功能，切换不同的模式以适配CNC数控机床，在CNC数控机床不具备高度调整闭环控制功能时，切换到控制模式，完成高度调整闭环控制；当CNC数控机床具备高度调整闭环控制功能时，切换到传感模式，仅用于获取反馈实际高度，由CNC数控机床完成高度调整控制。本发明的一种具有双重工作模式的调高装置，适用于各种CNC数控机床，通用性高，工作效率高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明具有双重工作模式的调高方法的流程图；

图2是本发明传感模式的框图；

图3是本发明步骤S200的流程图；

图4是本发明步骤S220的流程图；

图5是本发明线性化反馈曲线图；

图6是本发明原始反馈曲线图；

图7是本发明步骤S300的流程图；

图8是本发明步骤S340的流程图；

图9是本发明控制模式的示意框图；

图10是本发明控制模式的详细框图；

图11是本发明控制模式的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种具有双重工作模式的调高方法及装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，图1是本发明较佳实施例提供的具有双重工作模式的调高方法的流程图。图1所示的一种具有双重工作模式的调高方法，包括：

步骤S100、判断CNC数控机床是否具有高度调整闭环控制功能；若是，则跳到步骤S200；若否，则跳到步骤S300；

步骤S200、切换到传感模式，获取实际高度并进行反馈，CNC数控机床采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整高度；

步骤S300、切换到控制模式，获取实际高度并采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值，由CNC数控机床将运算结果转化为电信号，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整高度。

本发明一种具有双重工作模式的调高方法是一种具有双重工模模式的调高装置在不同CNC机床中对高度进行调节的方法。本发明通过判断CNC数控机床是否具有高度调整闭环控制功能，切换不同的模式以适配CNC数控机床，在CNC数控机床不具备高度调整闭环控制功能时，切换到控制模式，完成高度调整闭环控制；当CNC数控机床具备高度调整闭环控制功能时，切换到传感模式，仅用于获取反馈实际高度，由CNC数控机床完成高度调整控制。本发明的一种具有双重工作模式的调高装置，适用于各种CNC数控机床，通用性高，工作效率高。

需要说明的是，本实施例中高度调整控制算法以PI控制算法为基础，在此基础上针对激光切割喷嘴与板材的间隙控制加入了其他技术进行优化。基本公式如下：

其中，u是施加到Z轴伺服驱动器的电压值，它表示了Z轴伺服驱动器的速度指令；Kp是时间增益系数，Ti是一个常数，e是偏差值。其中，Kp，Ti均由使用人员进行配置。通过计算出u的数值，便可控制Z轴伺服驱动器进行正转或者反转，对激光切割喷嘴的高度进行调节。

如图2所示，本实施中的传感模式，先设定高度，再通过传感器获取喷头的实际高度并进行反馈，CNC控制算法通过偏差值(设定高度与反馈高度的差值)控制伺服驱动，进行调高。

进一步的，如图3所示，本实施例中，所述步骤S200包括步骤：

步骤S210、设定激光切割喷嘴的预设高度；

步骤S220、获取激光切割喷嘴的实际高度并进行反馈；

步骤S230、CNC数控机床获取步骤B1、步骤B2中的数值的偏差值，采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值；

步骤S240、CNC数控机床将运算结果转化为电信号，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整相应的高度。

更进一步的，如图4所示，本实施例中，所述步骤S220还包括步骤：

步骤S221：获取激光切割喷嘴的实际高度；

步骤S222：获取传感器得到的反馈高度；

步骤S223：输出由反馈高度和实际高度组成的反馈曲线；

步骤S224：对反馈曲线进行配置，使反馈曲线成线性分布，保证不具有线性化功能的CNC数控机床调节的高度时的准确性。

本实施例中，偏差值的大小由预设高度以及反馈高度决定。由于激光切割过程中，常用的间隙值通常在1mm以下，根据高度调整控制算法的公式可以看出，u与e密切相关。由于日常生产作业中，常用的间隙都比较小，当激光切割喷嘴低于设定高度时，偏差e的变化范围是0～1，这样就会使计算出来的控制值u较小，切割头上抬速度不足而容易导致碰板。通过曲线配置，例如：使0～1mm对应0～2的反馈值，那么偏差e的变化范围是0～2，这样就会使计算出来的控制值u较大，提升切割头上抬速度减少碰板的可能性。如果CNC数控机床没有线性化功能，则需要进行线性化处理，如图5所示，否则控制的高度与实际需要的调整高度不一致，即调整高度失败。而对于需要原始曲线做灵活开发的CNC数控机床，则可以省略步骤S224，由调高装置直接输出反馈高度和实际高度组成的反馈曲线的原始曲线(非线性曲线)，如图6所示，CNC数控机床可不拘泥于现有的标定点，也不拘泥于现有的标定距离，对于激光切割喷嘴上抬性能和下落性能可以有很大的提升空间。

更进一步的，本实施例中，所述步骤S300包括步骤：

步骤S320、设定激光切割喷嘴的预设高度；

步骤S330、获取激光切割喷嘴的实际高度并进行反馈；

步骤S340、获取步骤S100、步骤S200中的数值的偏差值，采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值；

步骤S350、CNC数控机床将运算结果转化为电信号，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整相应的高度。

更进一步的，如图7所示，本实施例中，所述步骤C320前还包括：

步骤S310：对传感器发送来的频率信号向外扩充，增加检测距离，使激光切割喷嘴的减速距离加大，提高下落速度。

本实施例中，根据传感器的频率信号，对检测距离进行扩张，从而加大随动的减速距离。传统的调整方式是标定了多大的范围那么量程就有多大，事实上电容传感器的范围可以比标定范围大，只是这个更大的范围并不精确，但是这个不精确的距离可以用于随动下落时的缓冲距离。所述不精确的距离是指没有标定的区域，它是按照前面的电容变化趋势进行扩展。电容曲线是曲线，按照曲线的斜率进行扩展。由于它不是经过标定的，因此它的距离并不精确。例如，对于10mm标定，其精确量程是0-10mm，当定位高度为8mm时，这样减速距离仅2mm，大大限制了下落速度，为此，对传感器发送来的频率信号按照10mm处的趋势向外扩充，即多获取了5mm以上的不精确的距离，可以使得减速距离加大，下落速度得到了提升，提高调整效率。

更进一步的，本实施例中，所述步骤S320还包括步骤：对预设高度信号进行滤波，减小改变设定高度时对电机造成的冲击。

当电机突然启动或者进行高度值时，Z轴伺服驱动器会有较大的冲击，通过增加一个一阶滤波器对预设高度信号进行滤波，可以减小改变设定高度时对电机造成的冲击。在本实施例中，滤波频率的表达式为：

其中，s是复频率，仅用于表示该系统，并不会在程序中体现。T是时间常数，它越大则该一阶滤波器带宽越窄，根据实际生产的需求，使用人员可对改参数进行配置，以提高激光切割工作的稳定性。

更进一步的，如图8所示，本实施例中，所述步骤S340还包括步骤：

步骤S341：获取步骤S320、步骤S330中的数值的偏差值；

步骤S342：根据偏差值的绝对值的大小，对比例增益系数进行调整；当偏差值的绝对值大于3时，则所述比例增益系数的取值为1.5；当偏差值的绝对值小于0.5时，则所述比例增益系数的取值为0.7；

步骤S343：根据偏差值以及比例增益系数的取值，采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值。

在上述计算施加到Z轴伺服驱动器的电压值u的式子中，可看出比例增益系数Kp与u的大小成正比的关系。现通过调整比例增益系数，可以提高工作效率或提高激光切割时的稳定性。需要说明的是，比例增益系数Kp在日常生产中是一个定值，由使用人员根据实际生产需求进行配置。在偏差值的绝对值较大的时候，增大比例增益系数Kp，使运动加快从而快速跟随到位；当偏差值的绝对值较小的时候，则减小比例增益系数Kp，使其受到切割熔渣的影响减小。举例说明：在日常生产中，由使用人员定义Kp的值为1。在偏差值的绝对值绝对值大于3时(较大的时候)，比例增益系数Kp的取值为1.5(增大比例增益系数Kp)，使运动加快从而快速跟随到位；当偏差值的绝对值小于0.5时(较小的时候)，则比例增益系数Kp的取值为0.7(减小比例增益系数Kp)，使其受到切割熔渣的影响减小。

更进一步的，本实施例中，所述步骤S343还包括步骤：在计算需要调整的高度值时，采用遇限制削弱积分的方法对偏差进行调整，以避免积分饱和导致的超调过冲。

本实施例中，所述积分增益系数为Ki，为了抑制下落过程中的积分饱和导致的超调过冲，采用了遇限制削弱积分的方法，在设定高度以上时且积分项大于0时才进行积分计算。遇限制削弱积分的方法是指当积分值进入饱和区域时，只累加反向的偏差，不累加正向的偏差，可以有效的避免积分饱和导致的超调，提高工作的稳定性。

更进一步的，本实施例中，所述步骤S341还包括步骤：增加一个可配置参数的虚拟的Z轴伺服驱动器模型，调节偏差值，用于抑制反馈控制高度的超调量。

在本实施例中，所述Z轴伺服驱动器模型的表达式为：

其中，ω_n是无阻尼震荡频率(即二阶系统的自然频率)，ζ是阻尼系数，这个式子反映了Z轴伺服驱动器的刚性，为了方便参数调试，取为临界阻尼系统，ζ＝1，此时仅需配置ω_n，它可通过测试Z轴伺服驱动器的机械延时情况进行配置，采用了内部虚拟伺服速度反馈可使得机械延时得到一定的补偿，减小过冲。通过上述式子，可以在没有编码反馈的情况下也能获取Z轴伺服驱动器的速度。把它加入偏差值的运算中，则可以起到提前减速的作用，减小超调量。

此外，本实施例中还引入了速度反馈增益系数Kv，通过增加一个速度反馈增益系数Kv，可以根据实际情况对Z轴伺服驱动器模型计算出来的模拟Z轴伺服驱动器速度进行调节，提高系统的稳定性。

为了更好的理解，现结合框图对控制模式下的调高方法进一步说明，如图9、图10、图11所示：

首先开启跟随，由CNC数控机床控制Z轴伺服驱动器使得激光切割喷嘴跟随到设定高度Ref(设定参考值)；配置二阶Z轴伺服驱动器模型输出velo(虚拟Z轴伺服驱动器模型的速度输出值)；由一阶滤波器进行滤波处理，输出Ref_fo(设定参考值的一阶滤波输出)；传感器获取实际高度并进行反馈输出Fdb(反馈高度值)；计算偏差值Err，其中，Err＝Ref_fo-(Fdb+velo*Kv)；根据偏差值的大小计算比例控制系数Kp以及积分增益系数Ki；根据上述得到的偏差值Err、Kp、Ki的大小，计算施加到Z轴伺服驱动器上的电压值u；驱动Z轴伺服驱动器对高度进行调整。

更进一步的，本发明还提供一种具有双重工作模式的调高装置，设置在CNC数控机床上，包括工作模式切换模块、传感器模块、控制器模块，其中，

工作模式切换模块：用于判断CNC数控机床是否具有高度调整闭环控制功能，并根据CNC数控机床是否具有高度调整闭环控制功能对传感器模块以及控制器模块进行切换；

传感器模块：只用于获取实际高度并进行反馈，CNC数控机床采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整高度；

控制器模块：用于获取实际高度，采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值，由CNC将运算结果转化为电信号，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整高度。

本发明的一种具有双重工作模式的调高装置，通过工作模式切换模块判断CNC数控机床是否具有高度调整闭环控制功能，切换不同的模式以适配CNC数控机床。在CNC数控机床不具备高度调整闭环控制功能时，切换到控制模式，由控制器模块完成高度调整闭环控制；当CNC数控机床具备高度调整闭环控制功能时，切换到传感模式，仅用于获取反馈实际高度，由CNC数控机床完成高度调整控制。本发明适用于各种CNC数控机床，通用性高，工作效率高。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有双重工作模式的调高方法，其特征在于，包括步骤：

步骤A、判断CNC数控机床是否具有高度调整闭环控制功能；若是，则跳到步骤B；若否，则跳到步骤C；

步骤B、切换到传感模式，获取实际高度并进行反馈，CNC数控机床采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整高度；

步骤C、切换到控制模式，获取实际高度并采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值，由CNC数控机床将运算结果转化为电信号，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整高度。

2.根据权利要求1所述的具有双重工作模式的调高方法，其特征在于，所述步骤B包括步骤：

步骤B1、设定激光切割喷嘴的预设高度；

步骤B2、获取激光切割喷嘴的实际高度并进行反馈；

步骤B3、CNC数控机床获取步骤B1、步骤B2中的数值的偏差值，采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值；

步骤B4、CNC数控机床将运算结果转化为电信号，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整相应的高度。

3.根据权利要求2所述的具有双重工作模式的调高方法，其特征在于，所述步骤B2包括步骤：

步骤B21：获取激光切割喷嘴的实际高度；

步骤B22：获取传感器得到的反馈高度；

步骤B23：输出由反馈高度和实际高度组成的反馈曲线；

步骤B24：对反馈曲线进行配置，使反馈曲线成线性分布。

4.根据权利要求1所述的具有双重工作模式的调高方法，其特征在于，所述步骤C包括步骤：

步骤C2、设定激光切割喷嘴的预设高度；

步骤C3、获取激光切割喷嘴的实际高度并进行反馈；

步骤C4、获取步骤C2、步骤C3中的数值的偏差值，采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值；

步骤C5、CNC数控机床将运算结果转化为电信号，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整相应的高度。

5.根据权利要求4所述的具有双重工作模式的调高方法，其特征在于，所述步骤C2前还包括：

步骤C1：对传感器发送来的频率信号向外扩充，增加检测距离，使激光切割喷嘴的减速距离加大，提高下落速度。

6.根据权利要求5所述的具有双重工作模式的调高方法，其特征在于，所述步骤C2还包括步骤：对预设高度信号进行滤波，减小改变设定高度时对电机造成的冲击。

7.根据权利要求5所述的具有双重工作模式的调高方法，其特征在于，所述步骤C4包括步骤：

步骤C41：获取步骤C2、步骤C3中的数值的偏差值

步骤C42：根据偏差值的绝对值的大小，对比例增益系数进行调整；当偏差值的绝对值大于3时，则所述比例增益系数的取值为1.5；当偏差值的绝对值小于0.5时，则所述比例增益系数的取值为0.7；

步骤C43：根据偏差值以及比例增益系数的取值，采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值。

8.根据权利要求7所述的具有双重工作模式的调高方法，其特征在于，所述步骤C43中包括步骤：在计算需要调整的高度值时，采用遇限制削弱积分的方法对偏差进行调整，以避免积分饱和导致的超调过冲。

9.根据权利要求7所述的具有双重工作模式的调高方法，其特征在于，所述步骤C41还包括步骤：增加一个可配置参数的虚拟的Z轴伺服驱动器模型，调节偏差值，用于抑制反馈控制高度的超调量。

10.一种具有双重工作模式的调高装置，设置在CNC数控机床上，其特征在于，包括工作模式切换模块、传感器模块、控制器模块，其中，

工作模式切换模块：用于判断CNC数控机床是否具有高度调整闭环控制功能，并根据CNC数控机床是否具有高度调整闭环控制功能对传感器模块以及控制器模块进行切换；

传感器模块：只用于获取实际高度并进行反馈，CNC数控机床采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整高度；

控制器模块：用于获取实际高度，采用高度调整控制算法计算需要调整的高度值，由CNC将运算结果转化为电信号，驱动Z轴伺服驱动器运行，调整高度。