CN114535833A - 一种金属切割设备及金属切割方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种金属切割设备及金属切割方法。所述设备包括：电容传感器，由喷嘴处设置的电容极板与被切割金属板面构成，所述电容极板与被切割金属板面之间高度影响电容大小的变化；电容测量模块，用于将获取所述电容，并所述电容的实时变化转化为频率信号通过同轴电缆传输；高度获取模块，用于根据所述频率信号进行谐振频率测量；CNC控制模块，用于根据测量频率，获得当前所述电容极板与被切割金属板面之间的高度，以所述高度调整当前切割控制以保持恒定切割高度进行切割作业，实现了根据实时高度，调整切割高度，保持恒定切割高度进行切割作业，提高切割质量。

Description

一种金属切割设备及金属切割方法
技术领域
本申请涉及切割技术领域，特别是涉及一种金属切割设备及金属切割方法。
背景技术
金属切割设备是用来进行把金属按照设计形状进行分割的一种设备，常见的有火花切割、等离子切割、激光切割等。金属切割是以融化被切割部分的材料并通过一定的外部手段，通常是气压吹走融化部分的残渣，来达到切割部分分离的目的。切割喷嘴喷出的气流气压越稳定，切割效果越好，断面越整齐，为保证这个效果，要求喷嘴跟切割表面之间尽量靠近，保证压力很小外泄。然而，现有金属切割设备由于切割头在整个切割过程中是跟受控于CNC控制器，做轨迹运动，而被切割板面经常有不平整、翘起、切割部件撬动等异常情况发生，CNC控制器不能及时了解切割头运动中遇到的这些异常高度信息，从而不能调整CNC控制器产生对应的控制，也就不能保证喷嘴与切割表面之间的高度保持一致从而影响切割效果。
综上所述，亟需一种可实时获取被切割板面的高度异常并调整控制以保持恒定切割高度进行切割作业的金属切割设备。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种可实时获取被切割板面的高度异常并调整控制以保持恒定切割高度进行切割作业的金属切割设备及金属切割方法。
第一方面，提供了一种金属切割设备，所述设备包括：
电容传感器，由喷嘴处设置的电容极板与被切割金属板面构成，所述电容极板与被切割金属板面之间高度影响电容大小的变化；
与所述电容传感器接线连接的电容测量模块，用于将获取所述电容，并所述电容的实时变化转化为频率信号通过同轴电缆传输；
与所述同轴电缆连接的高度获取模块，用于根据所述频率信号进行谐振频率测量；
与所述高度获取模块连接的CNC控制模块，用于根据测量频率，获得当前所述电容极板与被切割金属板面之间的高度，以所述高度调整当前切割控制以保持恒定切割高度进行切割作业。
进一步地，所述电容测量模块包括信号转化子模块和信号调制子模块，其中，
与所述电容传感器连接的信号转化子模块，用于获取所述电容，检测所述电容的变化并放大，将放大后的所述电容的变化转化为频率信号；
与所述信号转化子模块连接的信号调制子模块，用于将所述频率信号通过调制后输出至同轴电缆传输。
进一步地，所述高度获取模块包括信号解调子模块和频率检测子模块，其中，
与所述同轴电缆连接的信号解调子模块，用于通过解调获取所述频率信号，放大所述频率信号，并通过隔离电路后输出；
与所述信号解调子模块连接的频率检测子模块，用于对隔离后的所述频率信号进行频率测量。
进一步地，所述频率检测子模块为FPGA模块，其通过等精度测量法进行频率测量。
进一步地，所述电容极板内置或者外置于喷嘴。
进一步地，所述电容传感器还包括切割头前端设置的温度传感器，温度变化时，以所述温度传感器的输出波形对所述电容进行非线性补偿。
进一步地，所述频率信号为高频信号，所述谐振频率测量的检测频率大于等于10MHz。
进一步地，所述金属切割设备还包括电容标定模块，用于在初始切割、更换喷嘴、变更切割材料及切割故障时，对所述电容传感器的电容值变化曲线进行重新测量记录。
进一步地，所述同轴电缆还用于为所述电容传感器供电。
第二方面，提供了一种金属切割方法，所述方法包括：
获取喷嘴处设置的电容极板与被切割金属板面之间的电容；
将所述电容的实时变化转化为频率信号通过同轴电缆传输；
根据所述频率信号进行谐振频率测量；
根据测量频率，获得当前所述电容极板与被切割金属板面之间的高度，以所述高度调整当前切割控制以保持恒定切割高度进行切割作业。
上述金属切割设备及金属切割方法，通过喷嘴处设置的电容传感器，将获取其电容，并所述电容的实时变化转化为频率信号通过同轴电缆传输；根据所述频率信号进行谐振频率测量；根据测量频率，获得当前所述电容极板与被切割金属板面之间的高度，以所述高度调整当前切割控制以保持恒定切割高度进行切割作业，实现了根据实时高度，调整切割高度，保持恒定切割高度进行切割作业，提高切割质量。
附图说明
图1为一个实施例中金属切割设备的结构框图；
图2为一个实施例中金属切割方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供的金属切割设备，可以应用激光切割、火花切割机及等离子切割的应用环境中。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种金属切割设备，所述设备包括：
电容传感器，由切割头的喷嘴处设置的电容极板11与被切割金属板面12构成，所述电容极板11与被切割金属板面12之间高度影响电容大小的变化；其中，工作时，所述电容极板11与被切割金属板面12构成一个等效电容器，这个电容器的电容量决定于电容极板11与被切割金属板面12的相对面积、电容极板11与被切割金属板面12之间的距离，当两者相对面积固定，即喷嘴不变情况下，电容极板11与被切割金属板面12之间的距离跟该电容器的电容之间有一个固定的非线性关系，测量电容值就可以精确测算出电容极板11与被切割金属板面12之间的距离，也就是切割喷嘴跟被加工板材之间的实际高度。所述电容极板内置或者外置于喷嘴，当电容传感器内置在切割头前端，尽量保证跟喷嘴距离最近，同时由于切割头本身是接地良好的金属部件，可以很好的屏蔽EMC/EMI干扰源，有效提高信号稳定度。
与所述电容传感器接线连接的电容测量模块13，用于将获取所述电容，并所述电容的实时变化转化为频率信号通过同轴电缆14传输；所述同轴电缆14还用于为所述电容传感器供电。采用高频信号传递的同轴电缆进行信号传递，可以有效改善设计上限频率，扩展频率范围，提高采集精度和分辨率。同时，把直流电源采用同一条线材二合一传递，有效降低成本。由于喷嘴的面积通常都非常小，喷嘴直径通常5mm，中间还有孔，被测电容量非常的小，通常是pF级别，甚至更低，为了保证精确测量，所述接线需设置尽可能的短。
与所述同轴电缆14连接的高度获取模块15，用于根据所述频率信号进行谐振频率测量；所述频率信号为高频信号，所述谐振频率测量的检测频率大于等于10MHz。通过提升谐振频率，可有效提高采样分辨率。
与所述高度获取模块15连接的CNC控制模块16，用于根据测量频率，获得当前所述电容极板11与被切割金属板面12之间的高度，以所述高度调整当前切割控制以保持恒定切割高度进行切割作业。由于标定获得了频率与距离的关系函数，CNC控制模块16会记录这个关系函数，再次获得频率时，很容易就可以得到当前高度，从而知道如何调整当前高度，进而控制调高、调低或者保持不变。切割加工过程中，为了保证切割效果，电容极板11与被切割金属板面12之间必须保持恒定距离，也即切割时候反馈给CNC控制模块16的频率是不变的，或者在误差允许范围内变动。当被切割金属板材的表面不平整的时候，喷嘴跟被切割金属板材之间形成的电容器的电容值发生变化，随之CNC控制模块16测得的频率发生变化。CNC控制模块16就会根据之前标定曲线，运用一定算法调整电容极板11与被切割金属板面12间的距离，使反馈的频率维持在目标距离对应的频率，保证切割效果。
在其中一个实施例中，所述电容测量模块13包括信号转化子模块和信号调制子模块，其中，
与所述电容传感器连接的信号转化子模块，用于获取所述电容，检测所述电容的变化并放大，将放大后的所述电容的变化转化为频率信号；
与所述信号转化子模块连接的信号调制子模块，用于将所述频率信号通过调制后输出至同轴电缆14传输。经过放大之后采用调制器电路调制到同轴电缆上，可有效降低干扰并能够节省成本，保证信号传递稳定性。
在其中一个实施例中，所述高度获取模块15包括信号解调子模块和频率检测子模块，其中，
与所述同轴电缆14连接的信号解调子模块，用于通过解调获取所述频率信号，放大所述频率信号，并通过隔离电路后输出；
与所述信号解调子模块连接的频率检测子模块，用于对隔离后的所述频率信号进行频率测量。优选的，所述频率检测子模块为FPGA模块，其通过等精度测量法进行频率测量，采用等精度测量法，获取的数据非常稳定、平滑，可有效保证频率检测。频率检测子模块通常是安装在机床设备的电控柜之中，频率检测子模块和电容传感器之间的距离通常是几米到几十米，传输线通常会有20米甚至更长。
在其中一个实施例中，由于电容器的稳定性还受温度影响，电容器输出要保持一致的特性，还需要通过硬件补偿，即在电容测量电路中增加温度变化扰动数据。具体，所述电容传感器还包括切割头前端设置的温度传感器，温度变化时，以所述温度传感器的输出波形对所述电容进行非线性补偿，以减少温度变化对电容的影响，从而提高采集精度和分辨率。
在其中一个实施例中，所述金属切割设备还包括电容标定模块，用于在初始切割、更换喷嘴、变更切割材料及切割故障时，对所述电容传感器的电容值变化曲线进行重新测量记录。所述切割故障包括撞板、喷嘴丢失和切割过程中侧碰到其他翘起物体。在切割过程中撞板、喷嘴丢失、切割过程中侧碰到其他翘起物体、初始切割、更换喷嘴或变更切割材料等情况下，都需要进行电容标定。标定过程是数据采集和记录的过程，可采用逐点记录地方进行标定，在被测量范围内根据测量分辨率进行数据记录，并获取频率与距离的关系函数。当需要高度随动调整的时候可以高效的查表实现，不需要经过拟合算法这种损失精度的方式。
上述金属切割设备中，通过喷嘴处设置的电容传感器，将获取其电容，并所述电容的实时变化转化为频率信号通过同轴电缆传输；根据所述频率信号进行谐振频率测量；根据测量频率，获得当前所述电容极板与被切割金属板面之间的高度，以所述高度调整当前切割控制以保持恒定切割高度进行切割作业，实现了根据实时高度，调整切割高度，保持恒定切割高度进行切割作业，提高切割质量。
上述金属切割设备中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于切割设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于切割设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种金属切割方法，该方法适用于上述金属切割设备上，该方法包括以下步骤：
步骤S21，获取喷嘴处设置的电容极板与被切割金属板面之间的电容。
步骤S22，将所述电容的实时变化转化为频率信号通过同轴电缆传输。
步骤S23，根据所述频率信号进行谐振频率测量。
步骤S24，根据测量频率，获得当前所述电容极板与被切割金属板面之间的高度，以所述高度调整当前切割控制以保持恒定切割高度进行切割作业。
关于金属切割方法的具体限定可以参见上文中对于金属切割设备的限定，在此不再赘述。上述金属切割方法中，通过喷嘴处设置的电容传感器，将获取其电容，并所述电容的实时变化转化为频率信号通过同轴电缆传输；根据所述频率信号进行谐振频率测量；根据测量频率，获得当前所述电容极板与被切割金属板面之间的高度，以所述高度调整当前切割控制以保持恒定切割高度进行切割作业，实现了根据实时高度，调整切割高度，保持恒定切割高度进行切割作业，提高切割质量。
以上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个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 (10)

1.一种金属切割设备，其特征在于，所述金属切割设备包括：
电容传感器，由喷嘴处设置的电容极板与被切割金属板面构成，所述电容极板与被切割金属板面之间高度影响电容大小的变化；
与所述电容传感器接线连接的电容测量模块，用于将获取所述电容，并所述电容的实时变化转化为频率信号通过同轴电缆传输；
与所述同轴电缆连接的高度获取模块，用于根据所述频率信号进行谐振频率测量；
与所述高度获取模块连接的CNC控制模块，用于根据测量频率，获得当前所述电容极板与被切割金属板面之间的高度，以所述高度调整当前切割控制以保持恒定切割高度进行切割作业。
2.根据权利要求1所述的金属切割设备，其特征在于，所述电容测量模块包括信号转化子模块和信号调制子模块，其中，
与所述电容传感器连接的信号转化子模块，用于获取所述电容，检测所述电容的变化并放大，将放大后的所述电容的变化转化为频率信号；
与所述信号转化子模块连接的信号调制子模块，用于将所述频率信号通过调制后输出至同轴电缆传输。
3.根据权利要求1所述的金属切割设备，其特征在于，所述高度获取模块包括信号解调子模块和频率检测子模块，其中，
与所述同轴电缆连接的信号解调子模块，用于通过解调获取所述频率信号，放大所述频率信号，并通过隔离电路后输出；
与所述信号解调子模块连接的频率检测子模块，用于对隔离后的所述频率信号进行频率测量。
4.根据权利要求4所述的金属切割设备，其特征在于，所述频率检测子模块为FPGA模块，其通过等精度测量法进行频率测量。
5.根据权利要求1所述的金属切割设备，其特征在于，所述电容极板内置或者外置于喷嘴。
6.根据权利要求1所述的金属切割设备，其特征在于，所述电容传感器还包括切割头前端设置的温度传感器，温度变化时，以所述温度传感器的输出波形对所述电容进行非线性补偿。
7.根据权利要求1所述的金属切割设备，其特征在于，所述频率信号为高频信号，所述谐振频率测量的检测频率大于等于10MHz。
8.根据权利要求1所述的金属切割设备，其特征在于，所述金属切割设备还包括电容标定模块，用于在初始切割、更换喷嘴、变更切割材料及切割故障时，对所述电容传感器的电容值变化曲线进行重新测量记录。
9.根据权利要求1所述的金属切割设备，其特征在于，所述同轴电缆还用于为所述电容传感器供电。
10.一种金属切割方法，其特征在于，所述方法包括：
获取喷嘴处设置的电容极板与被切割金属板面之间的电容；
将所述电容的实时变化转化为频率信号通过同轴电缆传输；
根据所述频率信号进行谐振频率测量；
根据测量频率，获得当前所述电容极板与被切割金属板面之间的高度，以所述高度调整当前切割控制以保持恒定切割高度进行切割作业。
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