CN111203653A - 用于调节激光切割头位置的自适应控制装置及其控制方法 - Google Patents

用于调节激光切割头位置的自适应控制装置及其控制方法 Download PDF

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王江涛
李文胜
张龙
许鹏飞
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Abstract

本发明提供了用于调节激光切割头位置的自适应控制装置及其控制方法，自适应控制装置包括：传感器，用于测量激光切割头与切割面之间的当前距离，并产生与当前距离对应的电容信号；放大器，连接传感器，用于接收电容信号并产生电压信号；以及驱控一体机，连接放大器，用于接收电压信号，并根据电压信号获得激光切割头与切割面所在平面之间的当前距离，以及利用当前距离和预设距离产生一驱动信号；其中，驱控一体机根据驱动信号驱动伺服电机，伺服电机带动激光切割头靠近或远离切割面，通过测量电容值变化来闭环调节激光切割头与切割面所在平面之间的实时距离，直到当前距离和预设距离一致，从而避免信号干扰，加快速度和准确性。

Description

用于调节激光切割头位置的自适应控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及激光切割领域，具体地说，涉及用于调节激光切割头位置的自适应控制装置及其控制方法。
背景技术
激光切割过程中，为了保证切割质量，需要确保加工过程中激光切割头距切割面的高度保持恒定，维持切割过程中激光焦点处于理想位置。目前，国外已经开发出带有自动聚焦系统的激光切割机头，但其价格不菲。针对国内激光切割行业对相关技术的迫切需求，以及国内装备在中低端产品市场的巨大优势，调高控制系统应运而生。
调高控制系统就是用来控制激光切割过程中切割头距切割面高度保持恒定，进而确保激光切割焦点位置恒定。由于激光切割速度比较快，且激光焦点比较小，调高控制系统的品质直接决定了激光切割质量问题，所以一个高响应、高精度的调高器控制系统至关重要。
有鉴于此，本发明提供了一种用于调节激光切割头位置的自适应控制装置及其控制方法。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供用于调节激光切割头位置的自适应控制装置及其控制方法，克服了现有技术的困难，本发明调高控制和伺服控制由驱控一体机处理，可以有效避免分立式调高控制器控制伺服驱动器时出现的信号干扰、信号丢失、响应速度慢等问题。
本发明提供一种用于调节激光切割头位置的自适应控制装置，所述自适应控制装置包括：
传感器，用于测量激光切割头与切割面之间的当前距离，并产生与所述当前距离对应的电容信号；
放大器，连接所述传感器，用于接收所述电容信号，并根据所述电容信号产生电压信号；以及
驱控一体机，连接所述放大器，用于接收所述电压信号，并根据所述电压信号获得所述激光切割头与所述切割面所在平面之间的当前距离，以及利用所述当前距离和预设距离产生一驱动信号；
其中，所述驱控一体机根据所述驱动信号驱动伺服电机，所述伺服电机带动所述激光切割头靠近或远离所述切割面，通过测量所述激光切割头与所述切割面之间的电容值变化来闭环调节所述激光切割头与所述切割面所在平面之间的实时距离，直到所述当前距离和所述预设距离一致。
优选地，所述驱控一体机包括一数字信号处理单元，用于根据所述电压信号和所述预设距离产生所述控制信号，所述驱控一体机根据所述控制信号产生所述驱动信号。
优选地，所述数字信号处理单元还接收所述伺服电机的位置信号，产生所述控制信号，所述驱控一体机根据所述控制信号产生所述驱动信号。
优选地，所述驱控一体机还包括一复杂可编程逻辑器件，用于接收所述伺服电机的位置信号并传送给所述数字信号处理单元。
优选地，所述驱控一体机还集成有一驱动单元，所述驱动单元接收所述控制信号，并根据所述控制信号驱动所述伺服电机。
优选地，所述数字信号处理单元和所述复杂可编程逻辑器件集成于一电路板上。
优选地，所述传感器按预设的时间间隔测量所述当前距离，产生与所述当前距离对应的电容信号并传送给所述放大器。
优选地，所述驱控一体机实时计算所述当前距离。
优选地，当所述当前距离小于所述预设距离，则所述驱控一体机控制所述伺服电机带动所述激光切割头远离所述切割面。
优选地，当所述当前距离大于所述预设距离，则所述驱控一体机控制所述伺服电机带动所述激光切割头靠近所述切割面。
本发明还提供一种用于激光切割头的自适应控制方法，采用上述的激光切割头的自适应控制装置，包括以下步骤：
所述传感器测量激光切割头与切割面之间的所述当前距离，并产生与所述当前距离对应的所述电容信号；
放大器接收所述电容信号，并根据所述电容信号产生电压信号；
所述驱控一体机接收所述电压信号，计算获得所述激光切割头在垂直于切割面方向与切割面之间的当前距离，并根据所述当前距离和预设距离产生控制信号，控制所述伺服电机带动所述激光切割头靠近或远离所述切割面，直到所述当前距离和所述预设距离一致。
有鉴于此，本发明的用于调节激光切割头位置的自适应控制装置及其控制方法中调高控制和伺服控制由驱控一体机处理，可以有效避免分立式调高控制器控制伺服驱动器时出现的信号干扰、信号丢失、响应速度慢等问题。并且，能够实现单平台控制操作，可以同时配置调高控制相关参数与伺服驱动相关参数，更加方便快捷的实现系统配置与系统调机工作。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本发明的用于调节激光切割头位置的自适应控制装置的模块连接示意图；
图2是本发明的用于调节激光切割头位置的自适应控制装置的示意图；
图3是本发明的用于调节激光切割头位置的自适应控制装置方法的流程图。
附图标记
1 用于调节激光切割头位置的自适应控制装置
11 传感器
12 放大器
13 驱控一体机
14 伺服电机
15 激光切割头
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
图1是本发明的用于调节激光切割头位置的自适应控制装置的模块连接示意图。图2是本发明的用于调节激光切割头位置的自适应控制装置的示意图。如图1和2所示，本发明提供一种用于调节激光切割头位置(Z轴调高)的自适应控制装置1，自适应控制装置包括：传感器11、放大器12、驱控一体机13以及伺服电机14，激光切割头15向切割面7发射激光6。其中，传感器11用于测量激光切割头15与切割面7之间的当前距离d，并产生与当前距离d对应的电容信号。放大器12连接传感器11，用于接收电容信号，并根据电容信号产生电压信号。传感器11按预设的时间间隔测量当前距离d，产生与当前距离d对应的电容信号并传送给放大器12，但不以此为限。
驱控一体机13连接放大器12，用于接收电压信号，并根据电压信号获得激光切割头15与切割面7所在平面之间的当前距离d，以及利用当前距离d和预设距离产生一驱动信号。驱控一体机13实时计算当前距离d，但不以此为限。驱控一体机13根据驱动信号驱动伺服电机14，伺服电机14带动激光切割头15靠近或远离切割面7，通过测量激光切割头15与切割面7之间的电容值变化来闭环调节激光切割头15与切割面7所在平面之间的实时距离，直到当前距离d和预设距离一致。本实施例中，驱控一体机13包括一数字信号处理单元，用于根据电压信号和预设距离产生控制信号，驱控一体机13根据控制信号产生驱动信号，但不以此为限。若当前距离d小于预设距离，则驱控一体机13控制伺服电机14带动激光切割头15远离切割面7；若当前距离d大于预设距离，则驱控一体机13控制伺服电机14带动激光切割头15靠近切割面7，但不以此为限。
本发明通过将调高控制与伺服驱动二合一的调高控制系统，有效避免信号干扰、信号滞后等问题并且使得调高控制器参数配置与伺服驱动器参数配置可以合并操作。
本实施例中，数字信号处理单元还接收伺服电机14的位置信号，产生控制信号，驱控一体机13根据控制信号产生驱动信号。
在一个优选方案中，驱控一体机13还包括一复杂可编程逻辑器件，用于接收伺服电机14的位置信号并传送给数字信号处理单元，以便优化控制。
在一个优选方案中，数字信号处理单元和复杂可编程逻辑器件集成于一电路板上，但不以此为限。
在一个优选方案中，驱控一体机13还集成有一驱动单元，驱动单元接收控制信号，并根据控制信号驱动伺服电机14，以便优化控制。
本发明针对现有调高控制系统存在的信号干扰与操作繁琐等问题，提出了一种用于调节激光切割头位置的自适应控制装置。如图2所示，本发明采用的技术方案是：本发明控制系统主要由四部分组成：传感器11、放大器12、驱控一体机13、伺服电机14。传感器11位于整个系统的最前端，主要用来检测激光切割头15距切割面之间的电容值，距离越大检测到的电容值越小，距离越小检测到的电容值越大。放大器12可以接收传感器11检测到的电容值，输出一个与所述的电容值相关的模拟量信号给驱控一体机13。
驱控一体机13是一种具有调高控制功能和伺服驱动功能二合一的设备。优选地，该设备主控核心部件包括一个数字信号处理器(Digital Signal Processing简称：DSP，是一种适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法)和一个复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，简称：CPLD，是一种根据用户自定义而构造逻辑功能的数字集成电路)，并且DSP内部分区处理调高控制和伺服数据处理，CPLD接收所述伺服电机14的位置信号，并通过系统内部总线传给DSP，由驱动单元驱动伺服电机14运动。
驱控一体机13接收到放大器输出的电压信号后，计算出当前距离与预设距离之间的关系，通过控制算法，输出伺服运动指令，驱控一体机13根据该指令并驱动伺服电机14运动，伺服电机14运转带动激光切割头15上下运动，最终实现一个全闭环调高控制。优选地，所述伺服电机的位置信号通过伺服电机自带的编码器获得。
图3是本发明的用于调节激光切割头位置的自适应控制装置方法的流程图。如图3所示，本发明还提供一种用于激光切割头的自适应控制方法，采用上述的激光切割头的自适应控制装置，包括以下步骤：
S10、传感器测量激光切割头与切割面之间的当前距离，并产生与当前距离对应的电容信号。
S20、放大器接收电容信号，并根据电容信号产生电压信号。以及
S30、驱控一体机接收电压信号，计算获得激光切割头在垂直于切割面方向与切割面之间的当前距离，并根据当前距离和预设距离产生控制信号，控制伺服电机带动激光切割头靠近或远离切割面，直到当前距离和预设距离一致。
本发明的自适应控制装置启动后，放大器12会实时获取传感器11的电容值，将采样到的电容信号运算放大后转换为模拟量信号。其中，模拟量信号与激光切割头15距切割面的距离之间的曲线关系可以通过定标拟合的方式得到。驱控一体机13得到该模拟量信号，进而计算出当前激光切割头15距切割面之间的距离。驱控一体机13控制伺服电机14运转，带动激光切割头15靠近或远离切割面移动。当激光切割头15距切割面的实时距离接近调高系统预设距离，驱控一体机13可以通过控制算法使伺服电机14快速平稳的减速，确保激光切割头15能够快速稳定的到达预设距离位置，保持激光切割头15与切割面之间的距离恒定。
具体的，定标拟合过程可以描述如下：
首先由驱控一体机13控制伺服电机14，带动激光切割头15向切割面移动，当激光切割头15接触到切割面时停止，此时激光切割头15与切割面间距为0mm，以当前位置为基准点，驱控一体机13控制伺服电机14，带动激光切割头15远离切割面运动并依次定位至0.2mm、0.5mm、0.7mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm、2.0mm、2.5mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、10mm位置，当激光切割头15到达上述位置时，驱控一体机13输出IO信号给放大器12，放大器12记录当前传感器11输出的电容信号，记录完毕后输出IO信号给驱控一体机13，驱控一体机13控制激光切割头15定位至下一点位，当所有点位对应的电容信号记录完毕后，通过曲线拟合，得到电压信号与激光切割头15距切割面间距两者之间的对应关系，定标完成。
综上，本发明的用于调节激光切割头位置的自适应控制装置及其控制方法中调高控制和伺服控制由驱控一体机处理，可以有效避免分立式调高控制器控制伺服驱动器时出现的信号干扰、信号丢失、响应速度慢等问题。并且，能够实现单平台控制操作，可以同时配置调高控制相关参数与伺服驱动相关参数，更加方便快捷的实现系统配置与系统调机工作。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种用于调节激光切割头位置的自适应控制装置，其特征在于，所述自适应控制装置包括：
传感器，用于测量激光切割头与切割面之间的当前距离，并产生与所述当前距离对应的电容信号；
放大器，连接所述传感器，用于接收所述电容信号，并根据所述电容信号产生电压信号；以及
驱控一体机，连接所述放大器，用于接收所述电压信号，并根据所述电压信号获得所述激光切割头与所述切割面所在平面之间的当前距离，以及利用所述当前距离和预设距离产生一驱动信号；
其中，所述驱控一体机根据所述驱动信号驱动伺服电机，所述伺服电机带动所述激光切割头靠近或远离所述切割面，通过测量所述激光切割头与所述切割面之间的电容值变化来闭环调节所述激光切割头与所述切割面所在平面之间的实时距离，直到所述当前距离和所述预设距离一致。
2.如权利要求1所述的自适应控制装置，其特征在于：所述驱控一体机包括一数字信号处理单元，用于根据所述电压信号和所述预设距离产生所述控制信号，所述驱控一体机根据所述控制信号产生所述驱动信号。
3.如权利要求2所述的自适应控制装置，其特征在于：所述数字信号处理单元还接收所述伺服电机的位置信号，产生所述控制信号，所述驱控一体机根据所述控制信号产生所述驱动信号。
4.如权利要求3所述的自适应控制装置，其特征在于：所述驱控一体机还包括一复杂可编程逻辑器件，用于接收所述伺服电机的位置信号并传送给所述数字信号处理单元。
5.如权利要求2-4中任一项所述的自适应控制装置，其特征在于：所述驱控一体机还集成有一驱动单元，所述驱动单元接收所述控制信号，并根据所述控制信号驱动所述伺服电机。
6.如权利要求4所述的自适应控制装置，其特征在于：所述数字信号处理单元和所述复杂可编程逻辑器件集成于一电路板上。
7.如权利要求1所述的自适应控制装置，其特征在于：所述传感器按预设的时间间隔测量所述当前距离，产生与所述当前距离对应的电容信号并传送给所述放大器。
8.如权利要求1所述的自适应控制装置，其特征在于：所述驱控一体机实时计算所述当前距离。
9.如权利要求1所述的自适应控制装置，其特征在于：当所述当前距离小于所述预设距离，则所述驱控一体机控制所述伺服电机带动所述激光切割头远离所述切割面。
10.如权利要求1所述的自适应控制装置，其特征在于：当所述当前距离大于所述预设距离，则所述驱控一体机控制所述伺服电机带动所述激光切割头靠近所述切割面。
11.一种用于激光切割头的自适应控制方法，其特征在于，采用如权利要求1至10中任意一项所述的激光切割头的自适应控制装置，包括以下步骤：
所述传感器测量激光切割头与切割面之间的所述当前距离，并产生与所述当前距离对应的所述电容信号；
放大器接收所述电容信号，并根据所述电容信号产生电压信号；
所述驱控一体机接收所述电压信号，计算获得所述激光切割头在垂直于切割面方向与切割面之间的当前距离，并根据所述当前距离和预设距离产生控制信号，控制所述伺服电机带动所述激光切割头靠近或远离所述切割面，直到所述当前距离和所述预设距离一致。
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