CN113458606B - 一种基于激光的金属表面硬化系统的速度跟随方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光的金属表面硬化系统的速度跟随方法，在跟随速度上提出采用三段式速度控制使得从电机能做到快速启动，中间过程平稳，缓慢停止，跟随效果好。在打开气缸启动跟随之前，将从电机的速度先加速至与主电机相同，有效解决了盖板与产品的位置超前或滞后问题。同时，本发明由于在从电机加速至设定的初始速度后，考虑到该速度与主电机的实际运动速度可能存在偏差，需要对比编码器的实时反馈数据，采取闭环控制，利用增量式PID算法对从电机的运动速度进行调整，使其与主电机的速度保持一致，能有效提高速度跟随的精度，解决三轴实际线速度在视觉上同步的缺陷，真正起到在数值上同步的效果，增加了系统的鲁棒性。

Description

一种基于激光的金属表面硬化系统的速度跟随方法

技术领域

本申请属于电机跟随控制技术领域，具体涉及一种基于激光的金属表面硬化系统的速度跟随方法。

背景技术

激光处理金属表面硬化的加工过程是指主电机携带产品做持续低速运动，对射式光电传感器检测到产品后隔一定的距离，从电机1所在的X轴打开气缸1，气缸控制一个盖板覆盖住产品表面凹槽，从电机1从回零点开始跟随主电机运动，完成激光对产品的加工。运动至手持器设定的距离后关闭气缸，减速直至X轴停止运动并快速返回回零点。对于下一个产品，则由从电机2和气缸2完成同样的运动过程。从电机1和2交替运动，以保证激光对生产线上的每一个产品进行加工。其中，主电机是伺服电机带圆盘负载，从电机是伺服电机带丝杠负载。在此过程中，主电机速度恒定，从电机1和从电机2需要不断的启停，因此，速度跟随是该部分的核心技术难点。因为激光具有极高的能量，所以从电机对主电机的速度跟随的同步性能是保证产品最终被有效加工的重要因素。在整个运动过程中，两个从电机需要完成加速、匀速、减速的运动过程，跟随速度要保证与主电机的运动速度一致，但由于主电机和从电机所带负载不同，电子齿轮比和减速机也不同，所以不可避免的存在着启动的同步问题，如何处理从加速到匀速运动的这一段路程也是该部分的一个关键问题。

现有速度跟随存在的主要问题有：1、在跟随过程中，跟随误差的累积导致后面的一段位置出现不完全同步，存在略微的位置超前或者滞后问题，影响产品的加工效果。2、主从电机速度设置时，跟随速度难以确定。在某一速度下，需要经过多次调试才使得主电机所在轴和从电机所在轴在视觉上保持一致，而实际是否完全同步还无法确定。

发明内容

本申请的目的在于提供一种基于激光的金属表面硬化系统的速度跟随方法，降低主从电机的跟随误差，保持主从电机同步运行。

为实现上述目的，本申请所采取的技术方案为：

一种基于激光的金属表面硬化系统的速度跟随方法，所述金属表面硬化系统包括光电式对射传感器、主电机、第一从电机和第二从电机，且主电机、第一从电机和第二从电机分别连接有对应的编码器，所述基于激光的金属表面硬化系统的速度跟随方法，包括：

步骤1、设置主从电机的电机驱动方式和电机控制方式；

步骤2、获取预设参数，所述预设参数包括主电机运动速度、从电机初始速度、从电机跟随距离、从电机的单圈脉冲数和单圈长度、从电机返回速度；

步骤3、控制主从电机回零，并在回零后控制主电机基于所述主电机运动速度开始运动，取第一从电机和第二从电机两者中的一者作为当前运动从电机；

步骤4、在光电式对射传感器检测到产品之后，判断当前检测到的产品是否为待加工的第一个产品，若是，则在光电式对射传感器检测到第四个产品时控制当前运动从电机在回零位置从静止开始加速至所述从电机初始速度；若不是，则控制当前运动从电机在回零位置直接从静止开始加速至所述从电机初始速度；

步骤5、接收与当前运动从电机连接的编码器反馈的从电机实际转速，以及与主电机连接的编码器反馈的主电机实际转速，根据从电机实际转速和主电机实际转速计算主从电机的实际线速度误差；

步骤6、若计算得到的主从电机的实际线速度误差在预设范围内，则控制当前运动从电机保持当前速度从回零位置开始运动；否则根据所述主从电机的实际线速度误差调节当前运动从电机的速度并返回步骤5；

步骤7、根据从电机的单圈脉冲数和单圈长度计算当前运动从电机从回零位置开始运动的实际运动距离，当当前运行从电机的实际运动距离与所述从电跟随距离相等时，控制当前运动从电机减速至停止并以所述从电机返回速度回零；

步骤8、取第一从电机和第二从电机两者中的另一者作为当前运动从电机，并返回步骤4继续执行，直至完成所有产品的加工。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

作为优选，所述主从电机的电机驱动方式均采用PWM变频控制方式，所述主从电机的电机控制方式均采用脉冲及方向控制方式。

作为优选，所述判断当前检测到的产品是否为待加工的第一个产品，包括：

所述金属表面硬化系统中包含两对光电式对射传感器，第一对光电式对射传感器安装在金属表面硬化系统的X轴回零点开始往前间隔三个产品距离的位置，第二对光电式对射传感器安装在金属表面硬化系统的X轴和Z轴的硬限位之后；

所述判断当前检测到的产品是否为待加工的第一个产品包括：在金属表面硬化系统启动时，若第一对光电式对射传感器检测到产品而第二对光电式对射传感器未检测到产品，则认为当前检测到的产品为待加工的第一个产品；否则认为当前检测到的产品不是待加工的第一个产品。

作为优选，所述根据从电机实际转速和主电机实际转速计算主从电机的实际线速度误差，包括：

设主电机的主电机实际转速为n₁，当前运动从电机的从电机实际转速为n2；

设主电机的实际线速度为v₁，从电机的实际线速度为v₂，则：

式中，d为主电机的圆盘式负载的直径，π为圆周率；

式中，s为当前运动从电机的丝杠螺距；

则计算主从电机的实际线速度误差为e：

e＝v₁-v₂

式中，v₁为主电机的实际线速度，v₂为从电机的实际线速度。

作为优选，根据所述主从电机的实际线速度误差调节当前运动从电机的速度，包括：

将主从电机的实际线速度误差作为控制量运用增量式PID算法改变其作用于当前运动从电机的输出的PWM信号的频率，将新的PWM信号传输至当前运动从电机对应的电机驱动器来调节当前运动从电机的转速。

本申请提供的基于激光的金属表面硬化系统的速度跟随方法，在跟随速度上提出采用三段式速度控制(先加速到跟主电机速度相同，然后定速跟随，最后减速回零)，使得从电机能做到快速启动，中间过程平稳，缓慢停止，跟随效果好。在打开气缸启动跟随之前，将从电机的速度先加速至与主电机相同，有效解决了盖板与产品的位置超前或滞后问题。同时，本申请由于在从电机加速至设定的初始速度后，考虑到该速度与主电机的实际运动速度可能存在偏差，需要对比编码器的实时反馈数据，采取闭环控制，利用增量式PID算法对从电机的运动速度进行调整，使其与主电机的速度保持一致，能有效提高速度跟随的精度，解决三轴实际线速度在视觉上同步的缺陷，真正起到在数值上同步的效果，增加了系统的鲁棒性。

附图说明

图1为本申请的金属表面硬化系统的结构示意图；

图2为本申请基于激光的金属表面硬化系统的速度跟随方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。

其中一个实施例中，提供一种基于激光的金属表面硬化系统的速度跟随方法，解决现有技术中速度跟随容易出现位置超前或滞后，且无法真正做到同步跟随的问题。

本实施例中的金属表面硬化系统是指在进行金属表面硬化加工时所使用的器械，通常该器械包括光电式对射传感器、主电机、第一从电机和第二从电机，且主电机、第一从电机和第二从电机分别连接有对应的编码器。需要说明的是，本实施例的重点不在于对器械的改进，因此本实施例基于现有器械实现即可(如申请号为201711419453.8的专利中公开的装置)，并且本实施例的速度跟随方法可推广适用于其他需要进行速度跟随的场景。

例如如图1所示，为金属表面硬化加工器械的常规结构，其中X轴为第一从电机所带动的轴，Y轴为主电机所带动的轴，Z轴为第二从电机所带动的轴，1为X轴连接的气缸，2为Z轴连接的气缸，①为第一对光电式对射传感器，其安装在X轴回零点开始往前(往前应理解为逆着产品加工时的移动方向)间隔三个产品距离的位置，②为第二对光电式对射传感器，其安装在X轴和Z轴的硬限位之后，其余结构省略说明。

如图2所示，本实施例的基于激光的金属表面硬化系统的速度跟随方法，包括以下步骤：

步骤1、设置主从电机的电机驱动方式和电机控制方式。

伺服系统相比于步进系统，在控制精度、低频特性、距频特性、过载能力、运行性能和速度响应方面，都存在明显的优势。具体体现在：1)伺服电机在低频时不会共振；2)伺服电机为恒力矩输出，不受转速影响；3)伺服电机的最大转矩为额定转矩的三倍，具备过载能力；4)伺服电机为闭环系统，驱动器可采集位置和速度，一般不会出现丢步或过冲，性能可靠；5)在速度响应上，伺服电机从静止加速至设定转速只需几毫秒的时间。

另外，在控制算法上，增量式PID算法的运用不需要建立数学模型，可省去对交流伺服电机的建模，给开发带来极大方便。考虑到上述特点，该设备在主、从电机的选择上均采用交流伺服电机和伺服控制系统。转速控制方式采用PWM变频控制方式且基于单片机控制系统，单片机控制系统集成度高、体积小、易于扩展、控制功能强且成本低，适合用作工业控制。电机控制方式均采用脉冲及方向控制方式。

步骤2、获取预设参数，所述预设参数包括主电机运动速度、从电机初始速度、从电机跟随距离、从电机的单圈脉冲数和单圈长度、从电机返回速度。在金属表面硬化加工中可通过手持器进行参数预设。步骤1和2即为设置系统参数和电机参数。

步骤3、控制主从电机回零，并在回零后控制主电机基于主电机运动速度开始运动(实际操作中在收到产品加工指令后控制主电机运动，主电机进行加速运动并按照预设的加速度加速至运动速度后定速运动)，取第一从电机和第二从电机两者中的一者作为当前运动从电机。

步骤4、在光电式对射传感器(指第一对光电式对射传感器)检测到产品之后，判断当前产品是否为待加工的第一个产品，若是，则需要等待三个产品的距离，即在光电式对射传感器(指第一对光电式对射传感器)检测到第四个产品时，控制当前运动从电机在回零位置从静止开始加速至所述从电机初始速度；若不是，则控制当前运动从电机在回零位置直接从静止开始加速至所述从电机初始速度。

该步骤中从电机仅完成加速，并未进行真正的运动。本申请控制等待三个产品的距离是因为对射式光电传感器与从电机的零点位置存在三个产品长度的距离，如果是第一个产品则表明其前面没有产品，从电机无需进行跟踪。

本实施例中基于两对光电式对射传感器检测当前产品的加工进度，在金属表面硬化系统启动时(这里的启动时可以理解为启动时刻，也可以理解为启动后的预设时间内)，若第一对光电式对射传感器检测到产品而第二对光电式对射传感器未检测到产品，则认为当前检测到的产品为待加工的第一个产品；否则认为当前检测到的产品不是待加工的第一个产品。检测到是首个产品后，在第一对光电式对射传感器检测到第四个产品时再控制当前运动从电机在回零位置从静止开始加速至所述从电机初始速度。

步骤5、接收与当前运动从电机连接的编码器反馈的从电机实际转速，以及与主电机连接的编码器反馈的主电机实际转速，根据从电机实际转速和主电机实际转速计算主从电机的实际线速度误差。

其中，根据从电机实际转速和主电机实际转速计算主从电机的实际线速度误差，包括：

设主电机的主电机实际转速为n₁，当前运动从电机的从电机实际转速为n₂；

设主电机的实际线速度为v₁，从电机的实际线速度为v₂，则：

式中，d为主电机的圆盘式负载(用来带动Y轴的传送带运动)的直径，π为圆周率；

式中，s为当前运动从电机的丝杠螺距；

则计算主从电机的实际线速度误差为e：

e＝v₁-v₂

式中，v₁为主电机的实际线速度，v₂为从电机的实际线速度。

步骤6、若计算得到的主从电机的实际线速度误差在预设范围(|e|∈[min，max])内，则控制当前运动从电机保持当前速度(这里的当前速度应理解为从电机符合主从电机的实际线速度误差在预设范围这一条件时确定的速度，而后保持该速度不变进行跟随)从回零位置开始运动，即打开气缸启动从电机跟随；否则根据所述主从电机的实际线速度误差调节当前运动从电机的速度并返回步骤5。

本实施例中根据主从电机的实际线速度误差调节当前运动从电机的速度，包括：将主从电机的实际线速度误差作为控制量运用增量式PID算法改变其作用于当前运动从电机的输出的PWM信号的频率，将新的PWM信号传输至当前运动从电机对应的电机驱动器来调节当前运动从电机的转速。

步骤7、根据从电机的单圈脉冲数和单圈长度计算当前运动从电机从回零位置开始运动的实际运动距离，当前运行从电机的实际运动距离与所述从电机跟随距离相等时，控制当前运动从电机减速至停止并以所述从电机返回速度回零。

本实施例中计算电机的实际运动距离的方式为：实际运动距离＝(单圈长度/单圈脉冲数)*实际脉冲个数，这里的实际脉冲个数即为从电机由回零位置开始运动收到的脉冲累计数，也就是驱动电机运动发送的脉冲累计数。

步骤8、取第一从电机和第二从电机两者中的另一者作为当前运动从电机，并返回步骤4继续执行，直至完成所有产品的加工，当第一对光电式对射传感器在一定时间内未检测到产品时则认为完成所有产品的加工。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于激光的金属表面硬化系统的速度跟随方法，所述金属表面硬化系统包括光电式对射传感器、主电机、第一从电机和第二从电机，且主电机、第一从电机和第二从电机分别连接有对应的编码器，其特征在于，所述基于激光的金属表面硬化系统的速度跟随方法，包括：

步骤1、设置主电机、第一从电机和第二从电机的电机驱动方式和电机控制方式；

步骤2、获取预设参数，所述预设参数包括主电机运动速度、第一从电机的从电机初始速度、第一从电机的从电机跟随距离、第一从电机的单圈脉冲数和单圈长度、第一从电机的从电机返回速度、第二从电机的从电机初始速度、第二从电机的从电机跟随距离、第二从电机的单圈脉冲数和单圈长度、第二从电机的从电机返回速度；

步骤3、控制主电机、第一从电机和第二从电机回零，并在回零后控制主电机基于所述主电机运动速度开始运动，取第一从电机和第二从电机两者中的一者作为当前运动从电机；

步骤4、在光电式对射传感器检测到产品之后，判断当前检测到的产品是否为待加工的第一个产品，若是，则在光电式对射传感器检测到第四个产品时控制当前运动从电机在回零位置从静止开始加速至当前运动从电机的从电机初始速度；若不是，则控制当前运动从电机在回零位置直接从静止开始加速至当前运动从电机的从电机初始速度；

步骤5、接收与当前运动从电机连接的编码器反馈的当前运动从电机的从电机实际转速，以及与主电机连接的编码器反馈的主电机实际转速，根据当前运动从电机的从电机实际转速和主电机实际转速计算主电机和当前运动从电机的实际线速度误差；

步骤6、若计算得到的主电机和当前运动从电机的实际线速度误差在预设范围内，则控制当前运动从电机保持当前速度从回零位置开始运动；否则根据所述主电机和当前运动从电机的实际线速度误差调节当前运动从电机的速度并返回步骤5；

步骤7、根据当前运动从电机的单圈脉冲数和单圈长度计算当前运动从电机从回零位置开始运动的实际运动距离，当当前运动从电机的实际运动距离与当前运动从电机的从电机跟随距离相等时，控制当前运动从电机减速至停止并以当前运动从电机的从电机返回速度回零；

步骤8、取第一从电机和第二从电机两者中的另一者作为当前运动从电机，并返回步骤4继续执行，直至完成所有产品的加工。

2.如权利要求1所述的基于激光的金属表面硬化系统的速度跟随方法，其特征在于，所述主电机、第一从电机和第二从电机的电机驱动方式均采用PWM变频控制方式，所述主电机、第一从电机和第二从电机的电机控制方式均采用脉冲及方向控制方式。

3.如权利要求1所述的基于激光的金属表面硬化系统的速度跟随方法，其特征在于，所述判断当前检测到的产品是否为待加工的第一个产品，包括：

所述金属表面硬化系统中包含两对光电式对射传感器，第一对光电式对射传感器安装在金属表面硬化系统的X轴回零点开始往前间隔三个产品距离的位置，第二对光电式对射传感器安装在金属表面硬化系统的X轴和Z轴的硬限位之后；

所述判断当前检测到的产品是否为待加工的第一个产品包括：在金属表面硬化系统启动时，若第一对光电式对射传感器检测到产品而第二对光电式对射传感器未检测到产品，则认为当前检测到的产品为待加工的第一个产品；否则认为当前检测到的产品不是待加工的第一个产品。

4.如权利要求1所述的基于激光的金属表面硬化系统的速度跟随方法，其特征在于，所述根据当前运动从电机的从电机实际转速和主电机实际转速计算主电机和当前运动从电机的实际线速度误差，包括：

设主电机的主电机实际转速为

，当前运动从电机的从电机实际转速为

；

设主电机的实际线速度为

，当前运动从电机的实际线速度为

，则：

式中，

为主电机的圆盘式负载的直径，

为圆周率；

式中，

为当前运动从电机的丝杠螺距；

则计算主电机和当前运动从电机的实际线速度误差为

：

式中，

为主电机的实际线速度，

为当前运动从电机的实际线速度。

5.如权利要求1所述的基于激光的金属表面硬化系统的速度跟随方法，其特征在于，根据所述主电机和当前运动从电机的实际线速度误差调节当前运动从电机的速度，包括：

将主电机和当前运动从电机的实际线速度误差作为控制量运用增量式PID算法改变其作用于当前运动从电机的输出的PWM信号的频率，将新的PWM信号传输至当前运动从电机对应的电机驱动器来调节当前运动从电机的转速。

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