一種正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統與控制方法與流程
2023-05-25 09:10:51
本發明屬於精密機械運動控制領域。
背景技術：
在雷射切割和等離子切割等特種加工過程中，需要切割頭與板材之間始終保持一定的間隙值(典型範圍為1mm-3mm)，這是因為間隙值過小會燒毀板材，間隙值過大則聚光能量不足。要實現毫米級間隙值的隨動，必須保證間隙值的測量解析度達到0.1mm：就現有的微小間隙工業測量方法來看，雷射測距和超聲波測距的解析度在1mm左右，不能滿足要求；電渦流位移傳感器的解析度可以高於0.1mm但是受現場電磁幹擾較大。
技術實現要素：
本發明為解決上述問題，提出了一種正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統與控制方法，用於控制切割頭與待切割板材之間的間隙。
一種正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統，用於測量並控制切割頭與待切割板材之間的間隙值，並控制該間隙值處於設定值，其特徵在於，包括：間隙調節機構，與切割頭連接，包括電機，用於調節切割頭與待切割板材之間的間隙；電容檢測電路，具有輸入端和輸出端，用於測量切割頭與待切割板材之間的電容值並通過輸出端發送出去；驅動器，與間隙調節結構連接，用於直接驅動該間隙調節機構；以及控制器，與驅動器和電容檢測電路連接，接收從輸出端發送來的電容值，將該電容值與設定值進行比較處理後得出控制信號，並發出該控制信號來控制驅動器，其中，輸入端具有兩根導線，分別與切割頭、待切割板材連接。
本發明提供的正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統，還可以具有這樣的特徵，其特徵在於還包括：參數設定與監控單元，與控制器連接，用於設定預定數值，並實時獲取電容值並轉換為間隙值進行顯示。
本發明提供的正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統，還可以具有這樣的特徵，其特徵在於：其中，間隙調節機構還包括滾珠絲槓滑臺，電機為伺服電機，伺服電機與驅動器連接，滾珠絲槓滑臺與伺服電機、切割頭直接連接，驅動器驅動伺服電機帶動滾珠絲槓滑臺動作從而調節切割頭與待切割板材之間的間隙值。
本發明提供的正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統，還可以具有這樣的特徵，其特徵在於：其中，控制器為MCU控制器。
本發明提供的正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統，還可以具有這樣的特徵，其特徵在於：其中，控制器為採用PID負反饋控制原理。
本發明提供的正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統，還可以具有這樣的特徵，其特徵在於：其其中，參數設定與監控單元為工控機。
本發明提供的正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統，還可以具有這樣的特徵，其特徵在於：其中，電容檢測電路還包括與電容檢測轉換晶片相連的STC12高速單片機晶片。
本發明提供的正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統，還可以具有這樣的特徵，其特徵在於：其中，電容檢測電路還包括與電容檢測轉換晶片相連的STC12高速單片機晶片。
本發明還提供一種根據上述的正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統的控制方法，其特徵在於，包括以下步驟：
步驟一，設第k時刻的間隙誤差error(k)為：
error(k)＝Set-Measure(k) (1)
(1)式中，Set為間隙設定值，Measure(k)為實際測量值；
步驟二，控制器的控制律表達式為：
Pul(k)＝Kp·[err(k)-err(k-1)]+Ki·err(k)+Kd[err(k)-2err(k-1)+err(k-2)] (2)
(2)式中，Pul(k)為控制器發出的脈衝信號頻率，它與間隙調節機構的運動速度成正比，Kp，Ki，Kd分別為比例環節係數、積分環節係數和微分環節係數；
步驟三，驅動器根據Pul(k)的大小對應計算出電機的轉速，該電機的轉向由error(k)值確定：當誤差在正負十分之一毫米內的時候，電機停止轉動，轉速為零，否則根據偏差的正負進行轉向的反向切換；
步驟四，間隙調節機構根據的電機根據步驟三中得到的轉速來運轉，調節切割頭與待切割板材之間的間隙。
發明作用與效果
根據本發明提供的正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統，受機架振動和板材自身凹凸不平的影響，切割頭與板材之間的間隙會時刻發生變化，通過PID負反饋控制，可在線調節間隙調節機構的運動速度和運動方向，進而實時控制切割頭與板材之間的間隙值。整個系統受到外界的電磁幹擾小。由於切割頭和被切割的板材作為電容的兩個電極板，無需設置電極板，不僅減化了機構，而且還能夠減小因為額外設置電極板對電容值與間隙值之間對應關係的影響。
附圖說明
圖1是本發明提供的正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統的系統框圖；
圖2是本發明提供的正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統的電路圖；以及
圖3是本發明的實驗運行結果截圖。
具體實施方式
為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，以下實施例結合附圖對本發明的正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統的原理、使用步驟、技術效果作具體闡述。
實施例
圖1是本發明提供的正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統的系統框圖。
如圖1所示，正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統包括。
間隙調節機構，與等離子切割頭或雷射切割頭連接，用於調節切割頭與待切割板材之間的間隙，包括伺服電機和滾珠絲槓滑臺。
滾珠絲槓滑臺和切割頭連接，用於直接驅動切割頭進行運動，從而調整切割頭與板材之間的間隙。
圖2是本發明提供的正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統的電路圖。
電容檢測電路，具有輸入端和輸出端，用於測量切割頭與待切割板材之間的電容值並通過輸出端發送出去，其中，輸入端具有兩根導線，分別與切割頭、待切割板材連接，用於採集切割頭和板材之間的電容值。
如圖1、2所示，切割頭與板材之間構成等效平行板電容，其等效電容值的表達式為：
式中，εr，ε0，A分別為相對介電常數，絕對介電常數和相對面積；d為間隙值，顯然間隙值越大，電容值越小。
通過實驗發現:在0.1mm-3mm的間隙範圍內，該電容值為pF級，故難以用傳統的555晶片測量。如果採用分離式元器件搭建電容測量電路，則旁路電容，分布電容的影響較大。為此，我們採用數字式電容轉換器(CDC)的方案：採用美國ADI公司的CDC集成晶片AD7746與國產STC12高速單片機來實現電容值的動態測量。
AD7746與STC12通過IIC總線連接，上拉電阻為2.2K歐姆，測量電路如圖2所示：由間隙值變化引起的電容值C的變換由CDC晶片AD7746採集；電容的兩端分別連接到AD7746的EXCB引腳(J2)和CIN(+)(J1)引腳；SCL時鐘線和SDA數據線通過4.7K歐姆的電阻上拉。此外，採用LM7805三端穩壓集成電路為系統提供穩定的5V工作電源；J3為程序下載埠，J4為伺服電機控制信號輸出埠。
STC12對AD7746的寄存器配置關鍵步驟如下：
使能與單端通道設置。通過對0x07地址對應的寄存器寫入0x81來實現。
激勵端和激勵電壓設置。通過對0x09地址對應的寄存器寫入0x2B來實現。
數據更新率的設置。通過對0x0A地址對應的寄存器寫入0x89來實現83.8Hz的採樣頻率。
量程設置。通過對0x0B地址對應的寄存器寫入4.096來設置最大量程為4.096pF(割頭貼在金屬板上的工況)。
數據的寫入與讀取遵循IIC通信的時序規範。
伺服電機驅動器，與間隙調節結構的伺服電機連接，用於直接驅動該間隙調節機構的伺服電機。
控制器，與伺服電機驅動器和電容檢測電路連接，接收從輸出端發送來的電容值，將該電容值與設定值進行比較處理後得出控制信號，並發出該控制信號來控制伺服電機驅動器。本實施例中控制器為MCU微控制器。
參數設定與監控單元，與控制器連接，用於設定預定數值，並實時獲取電容值並轉換為間隙值進行顯示。本實施例為工控機，通過RS-485接口與工控機進行通信，完成控制參數的設定與間隙跟隨數據的監控。
考慮到等離子切割與雷射切割過程中存在電弧，電磁等諸多幹擾因素，為了進一步確保間隙測量的準確度，有必要對測量數據進行在線濾波，以便消除奇異點數據對整個反饋控制系統造成的衝擊。為了提高濾波器輸出數據的更新率、確保系統的跟隨速度，在MCU中採用平滑濾波的方法，算法上採用迭代運算實現。
如前，為了獲取雷射切割頭與板材之間的間隙值，為此需要將採集到的pF級電容值轉化為毫米級間隙值(它們之間存在非線性映射關係)。在標定過程中，我們採用伺服電機，2000線光電編碼器以及滾珠絲槓構成的精密進給機構帶動切割頭運動，主要步驟如下：
用點動的方法控制絲槓的運動，帶動切割頭貼在金屬板上，此時間隙d＝0,電容C的示數為4.096pF。
控制絲槓提升0.5mm，記錄下此時的電容值C1；
控制絲槓提升1.0mm，記錄下此時的電容值C2；
控制絲槓提升1.5mm，記錄下此時的電容值C3；
控制絲槓提升2.0mm，記錄下此時的電容值C4；
控制絲槓提升2.5mm，記錄下此時的電容值C5；
控制絲槓提升3.0mm，記錄下此時的電容值C6；
根據C1,C2,C3,C4,C5，C6的數值進行曲線擬合，得到C-d之間的非線性對應曲線。
為了實時調節間隙值，必須要求MCU微控制器實時進行如下動作：(1)在線檢測間隙值d的變化。(2)根據間隙值d的變化實時調節滾珠絲槓的運動速度和方向。(3)上述兩個動作之間要遵循一定的控制律，本發明採用PID調節。與LQR等其他控制方法相比，PID控制律不需要對控制對象的動力學參數進行精確識別，這對圖1的具有慣性滯後環節系統尤為必要。
下面對上述的正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統的控制方法做詳細說明。
在線獲取切割頭與板材之間的高精度間隙值後，接下來就需要通過反饋控制來實時調節切割頭的位置，顯然這是一個位置反饋閉環控制系統。為了便於在MCU微控制器上實現控制律，我們將其轉化為位置—速度反饋控制。其基本與原理為：在圖1所示系統中，在採樣時間內，切割頭的位移量與滾珠絲槓的運動速度成比例關係，亦與伺服電機的轉速成比例。當然，這種比例環節存在由絲杆配合間隙引起的非線性與滯後環節，可以通過後續的PID參數整定予以消除。在MCU上實現該位置—速度閉環反饋控制的主要方法如下：
步驟一，設第k時刻的間隙誤差error(k)為：
error(k)＝Set-Measure(k) (1)
(1)式中，Set為間隙設定值，Measure(k)為實際測量值。
步驟二，採用增量式PID反饋控制方法，以減少MCU的運算量、提高跟隨速度控制器的控制律表達式為：
Pul(k)＝Kp·[err(k)-err(k-1)]+Ki·err(k)+Kd[err(k)-2err(k-1)+err(k-2)] (2)
(2)式中，Pul(k)為控制器發出的脈衝信號頻率，它與間隙調節機構的運動速度成正比，Kp，Ki，Kd分別為比例環節係數、積分環節係數和微分環節係數，這3個參數值採用迭代算法進行更新，可進一步減少MCU的運算量。
步驟三，驅動器根據Pul(k)的大小對應計算出電機的轉速，該電機的轉向由error(k)值確定：當誤差在正負十分之一毫米內實審，電機停止轉動，轉速為零，否則根據偏差的正負進行轉向的反向切換：當偏差為正時，轉向為負，當偏差為負時，轉向為正。
步驟四，間隙調節機構根據的電機根據步驟三中得到的轉速來運轉，調節切割頭與待切割板材之間的間隙。
控制系統參數的監控與設定，MCU的運行結果通過RS-485總線上傳到工控機IPC上，用戶可以實時監測到跟隨誤差曲線的變化。並可根據不同系統的階躍響應曲線所反應出的響應時間，超調量及振蕩周期，在現場修改Kp,Ki,Kd3個變量。
圖3是本發明的實驗運行結果截圖。
將上述設計的系統和方法在原型機上進行驗證，將採集到的電容值(對應一定的間隙值)通過RS-485接口傳輸到上位機，並用C#語言編寫了數據顯示界面，如圖3所示。實現結果表明：所設計的間隙測量系統，其測量範圍為0-3mm，精度+0.1mm，數據更新率80Hz，達到了正負十分之一毫米的間隙控制要求。
實施例的作用和有益效果
根據本實施例提供的正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統，受機架振動和板材自身凹凸不平的影響，切割頭與板材之間的間隙會時刻發生變化，通過PID負反饋控制，可在線調節間隙調節機構的運動速度和運動方向，進而實時控制切割頭與板材之間的間隙值。由於切割頭和被切割的板材作為電容的兩個電極板，無需設置電極板，不僅減化了結構，而且還能夠減小因為額外設置電極板對電容值與間隙值之間對應關係的影響。
根據本實施例提供的正負十分之一毫米級間隙動態測量控制系統，由於還具有參數設定與監控單元，可以實時顯示間隙值，這樣可以實時的更改設定值並顯示。
又由於間隙調節機構採用的是伺服電機和滾珠絲槓滑臺，同時通過伺服電機驅動器來直接驅動伺服電機的運轉，通過電機的運轉來調節實時的間隙，實現隨動。
通過對1mm-3mm範圍內的微小間隙在線測量與反饋控制，使得等離子切割頭或雷射切割頭在運動過程中，以設定的間隙懸浮在凹凸不平的板材之上，間隙動態保持精度+0.1mm，最大跟隨速度100mm/s，達到了實際應用要求。