激光數(shù)控切割中的高度自動(dòng)跟隨控制

劉里吉

摘要：本文主要是探討分析激光數(shù)控切割中的高度自動(dòng)跟隨控制。全面分析該系統(tǒng)組成。跟蹤控制策略和傳感器工作。在此基礎(chǔ)之上分析系統(tǒng)軟件流程圖和硬件流程圖。希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)技術(shù)人員提供參考性價(jià)值。

關(guān)鍵詞：激光數(shù)控切割；高度自動(dòng)跟隨控制

高度自動(dòng)跟隨在激光數(shù)控切割當(dāng)中占據(jù)重要性位置，激光焦點(diǎn)在工件上的位置一致性和準(zhǔn)確性在較大程度上對(duì)切割質(zhì)量產(chǎn)生影響。國(guó)內(nèi)外都是使用電容高度跟蹤技術(shù)，該種跟蹤技術(shù)與氧焰切割雖然在本質(zhì)上相同，但是在處理信號(hào)方面卻存在較大的差異性。激光主要是借助于電容高度跟隨的電容信號(hào)進(jìn)行處理，只要是應(yīng)用微處理器數(shù)字控制，采集以及補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，與傳統(tǒng)的模數(shù)電路信號(hào)處理技術(shù)相比較，該項(xiàng)技術(shù)能夠在較大程度上改善響應(yīng)向和精度性等。

1.簡(jiǎn)述高度自動(dòng)跟隨系統(tǒng)

高度自動(dòng)跟隨系統(tǒng)都具備同樣的問(wèn)題，就是如何能夠更好地與控制器之間進(jìn)行配合?，F(xiàn)階段，市場(chǎng)當(dāng)中的激光電容高度自動(dòng)跟隨系統(tǒng)在實(shí)際工作期間都是獨(dú)立存在的，并且只能提供與數(shù)控之間的接口。這就導(dǎo)致激光切割機(jī)在實(shí)際應(yīng)用期間需要處理較多問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：（1）在切割機(jī)當(dāng)中的切割程序當(dāng)中如何進(jìn)行高度自動(dòng)跟隨的自動(dòng)開啟，是否能夠自定義設(shè)置自動(dòng)跟隨的高度。（2）在實(shí)際切割操作當(dāng)中，怎樣能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)高器和數(shù)控器不在同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行操作，在切割期間如何只開啟數(shù)控器的操作。（3）針對(duì)調(diào)高器與數(shù)控器之間的信號(hào)連接方式如何進(jìn)行簡(jiǎn)化。為了全面確保解決以上問(wèn)題，需要將激光高度跟隨系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部設(shè)置，需要使激光高度隨著系統(tǒng)一起向數(shù)控器發(fā)射高度信號(hào)，以及碰槍時(shí)自動(dòng)抬槍動(dòng)作，自動(dòng)跟隨功能。手動(dòng)升降控制以及跟隨速度控制等都能夠借助于數(shù)控器實(shí)現(xiàn)。需要摒棄激光高度自動(dòng)跟隨系統(tǒng)當(dāng)中的數(shù)控信號(hào)接口和電機(jī)控制方式等。該種方式在較大程度上能夠?qū)φ{(diào)高器和數(shù)控器進(jìn)行高度集成化作用。這樣能夠更加簡(jiǎn)潔，方便地設(shè)計(jì)激光數(shù)控切割機(jī)的高度控制。

使用內(nèi)置方式的高度跟隨系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)與高度控制的各項(xiàng)功能，比如蛙跳運(yùn)動(dòng)，在數(shù)控切割機(jī)當(dāng)中進(jìn)行“蛙跳”選項(xiàng)設(shè)置之后，其主要的程序形式如下：

此次研究當(dāng)中的“蛙跳”方法主要是按照參數(shù)調(diào)節(jié)型進(jìn)行設(shè)置，按照數(shù)控器功能，能夠在此基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)智能化的“蛙跳”方式：首先，理想“蛙跳”，在下個(gè)起割點(diǎn)跳到穿孔高度，如圖2所示；其次，過(guò)長(zhǎng)“蛙跳”，在下個(gè)起割點(diǎn)時(shí)沒(méi)有下降到穿孔高度，如圖3所示；最后就是過(guò)短蛙跳：沒(méi)有到下個(gè)起割點(diǎn)之前已經(jīng)下降到穿孔高度，如圖4所示。

如果在實(shí)際切割期間出現(xiàn)圖3情況，將會(huì)導(dǎo)致切割失敗情況。圖4情況若隨動(dòng)功能比較良好，則不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的后果。

2.高度檢測(cè)

傳感器當(dāng)中能夠進(jìn)行高度檢測(cè)的種類有很多，主要表現(xiàn)在光電式，電容式，電感式以及電阻式風(fēng)。在以上傳感器種類當(dāng)中，理想化選擇就是給非接觸式電容傳感器。然而，因?yàn)榧す馇懈顧C(jī)在實(shí)際加工期間涉及到較多種類的材料，并且這些材料之間存在不相同的厚度，有些材料的厚度只有1毫米，有些材料的厚度已經(jīng)達(dá)到幾百毫米。電容傳感器對(duì)接電常數(shù)存在較大的敏感性，這就使其無(wú)法全面包容所有的材料種類。其次，激光切割機(jī)在實(shí)際加工期間，會(huì)相應(yīng)改變切割工具周邊環(huán)境的溫度，特別表現(xiàn)在被加工材料方面，在加工期間會(huì)持續(xù)提升其表面溫度，然而電容傳感器當(dāng)中的敏感部位無(wú)法遠(yuǎn)離材料表面，這就導(dǎo)致傳感器在實(shí)際工作期間會(huì)受到過(guò)高溫度的影響，無(wú)法在有效時(shí)間內(nèi)完成工作。分析傳感器的實(shí)用價(jià)值，在實(shí)際使用期間可以選擇差動(dòng)電感式位移傳感器，該傳感器的主要工作原理如下圖所示：在初級(jí)線圈L1主要是受到正弦信號(hào)的激勵(lì)出現(xiàn)交變磁場(chǎng)，這樣就會(huì)與差動(dòng)方式的次級(jí)線圈相連接，導(dǎo)致次級(jí)線圈感應(yīng)到相同頻率的電壓信號(hào)，并且活動(dòng)磁芯位置與電壓信號(hào)幅值之間存在線性關(guān)系。之后將電壓限號(hào)經(jīng)過(guò)濾波，相敏解調(diào)以及電壓跟隨之后，就能夠獲得與磁芯位置移動(dòng)之間形成正比的直流電壓輸出。如果磁芯位置在中心地點(diǎn)時(shí)，其直流電壓輸出值為0；如果磁芯位置在中心以上時(shí)，其直流電壓輸出值為正；如果磁芯位置在中心以下時(shí)，其直流電壓輸出值為負(fù)。差動(dòng)電感式位移傳感器具有良好地線性和分辨率，并且在1毫米量程之內(nèi)，其分辨率能夠達(dá)到0.01μm，其線性度能夠達(dá)到0.56%左右，這樣能夠全面滿足實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制

在上文已經(jīng)分析了，如果位移情況是由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力來(lái)源，高度跟蹤系統(tǒng)針對(duì)步進(jìn)電機(jī)的要求主要是，不僅需要滿足跟蹤精度的分辨率，還需要確保其啟動(dòng)頻率。這樣才能全面確保其符合實(shí)時(shí)性的要求。啟動(dòng)頻率能夠?qū)︱?qū)動(dòng)電源的性能產(chǎn)生較大的影響。所以在選擇驅(qū)動(dòng)電源時(shí)需要選擇具有良好啟動(dòng)特性的該地高低壓驅(qū)動(dòng)電源。

需要科學(xué)選擇高度跟蹤系統(tǒng)的靈敏度指標(biāo)，如果其具有較低的靈敏度，將會(huì)導(dǎo)致其無(wú)法展現(xiàn)出明顯的跟蹤效果。如果其具有較高的靈敏度，將會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)械的使用期限和加工精度等。其次，如果高度跟蹤系統(tǒng)的靈敏度過(guò)低，將會(huì)在較大程度上提升加工開始前期的調(diào)焦工作。在實(shí)際工作期間，而且為了確保高度跟蹤系統(tǒng)的靈敏度，需要使用“死區(qū)”的bany-bang控制來(lái)對(duì)材料表面粗糙度進(jìn)行過(guò)濾處理，避免其對(duì)實(shí)際工作產(chǎn)生波動(dòng)影響。在此期間需要將高度參考值設(shè)置為Xa，將反饋值設(shè)置為Xb，將⊿設(shè)置為大于0的常數(shù)，此時(shí)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)的脈沖數(shù)A進(jìn)行控制時(shí)就能夠通過(guò)下式進(jìn)行確定：

4.單片機(jī)NC接口

為了能夠符合較多控制方式的要求，此次研究主要是以單片機(jī)為前提設(shè)計(jì)NC接口。如下圖所示。在圖中，ADC0804屬于8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其模擬輸入端 —— ，其能夠接受0-5V的模擬信號(hào)，之后還需要加上外部電路，使其能夠在VIN—AGND端接受-15V—+15V的模擬信號(hào)，并且將其應(yīng)用在高度傳感器出的輸出電壓上進(jìn)行匹配。在單片機(jī)8031的P1口對(duì)驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行相應(yīng)的控制，并且使其各相脈沖信號(hào)進(jìn)行關(guān)斷或者相通，之后由軟件對(duì)各相開通的順序以及開關(guān)頻率進(jìn)行控制。將T0和T1腳接到限位開關(guān)處，借助于高度自動(dòng)跟隨系統(tǒng)當(dāng)中的軟件查詢功能對(duì)限位信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。異步通訊口TXD和RXD與NC之間的通信主要是依靠全雙工方式實(shí)現(xiàn)，由NC發(fā)出的指令主要是由接口板進(jìn)行接收，之后進(jìn)行命令動(dòng)作，將所需要的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行反饋，接口板的功能主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）應(yīng)答—回送口令，等待命令，NC通過(guò)應(yīng)答—回送口令對(duì)該部分的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷；

（2）手動(dòng)控制。該功能主要是對(duì)現(xiàn)行速度運(yùn)行狀態(tài)以及方向給予指令，直至接收到限位命令或者停止命令。

（3）自動(dòng)跟蹤功能：主要的參考點(diǎn)為傳感器零位，將提前設(shè)置的⊿值作為偏移量，這樣能夠建立跟蹤死區(qū)。之后需要對(duì)傳感器的反饋值進(jìn)行檢測(cè)，如果其反饋值在死區(qū)范圍紫外。，需要將驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)朝著一定的方向進(jìn)行移動(dòng)，這樣能夠使高度反饋值存在于該死區(qū)范圍之內(nèi)。

（4）回送坐標(biāo)值功能：該功能主要是將切割工具的實(shí)際位置以及復(fù)位點(diǎn)的坐標(biāo)值回送到NC，依靠BCD碼的形式實(shí)現(xiàn)。

（5）手搖控制功能：主要是借助于手搖脈沖發(fā)生器傳輸?shù)姆较蛐盘?hào)和脈沖信號(hào)。對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況進(jìn)行控制，此次主要是可以選擇三個(gè)檔位，這樣能夠一一脈沖電機(jī)的行走步數(shù)。

（6）設(shè)置靈敏度功能：將原有值數(shù)替換成指令對(duì)應(yīng)的⊿值數(shù)。

（7）設(shè)置速度：該項(xiàng)功能主要是將現(xiàn)行速度值替換成指令所對(duì)應(yīng)的速度值。以新的速度執(zhí)行各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)控制指令。

（8）復(fù)位功能：將電機(jī)單方向轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行控制，直到其移動(dòng)到限位，清零內(nèi)部位置坐標(biāo)計(jì)數(shù)器，之后將會(huì)復(fù)位碼進(jìn)行回送。在整個(gè)程序流程當(dāng)中，串行口的中斷自始至終都處于開放狀態(tài)。這樣能夠及時(shí)響應(yīng)上級(jí)發(fā)出的指令。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，此次研究主要是在激光數(shù)控切割機(jī)上實(shí)行，其啟動(dòng)速度最高能夠達(dá)到每分鐘4米，并且其靈敏度能夠在15？m-127？m內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。該激光數(shù)控切割機(jī)的加工速度最高能夠達(dá)到每分鐘6米，這樣就可以對(duì)小于30°的坡度進(jìn)行跟蹤。在探討分析激光數(shù)控切割中的高度自動(dòng)跟隨控制時(shí)，首先需要全面了解高度自動(dòng)跟隨系統(tǒng)的主要內(nèi)容和基本工作原理，之后需要進(jìn)行高度檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制，除此之外還探討分析了單片機(jī)NC接口，全面研究單片機(jī)NC接口的各項(xiàng)功能，希望通過(guò)以上研究能夠?yàn)橄嚓P(guān)人員提供參考性價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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