專利名稱：一種數(shù)字式閉環(huán)控制電容調(diào)高系統(tǒng)的方法
一種數(shù)字式閉環(huán)控制電容調(diào)高系統(tǒng)的方法本發(fā)明涉及數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種用于激光切割加工設(shè)備上的一種數(shù)字式閉環(huán)控制電容調(diào)高系統(tǒng)的方法。激光切割加工過程中，為了使切口處獲得最大的功率密度，保證獲得高質(zhì)量的切口，激光焦點(diǎn)一般應(yīng)位于工件表面以下約1/3板厚處，所以切割加工過程中被割工件2表面到激光割嘴1的高度必須保持一致，此高度又稱之為切割高度，一般在0. 5 1. 5mm間，Imm 最常用。在激光切割加工金屬板或木板等板材的過程中，往往會(huì)遇到板材表面有弧度紋路， 材料表面有平整度不高，板材振動(dòng)或者板材由于局部高溫而變形等不利情況。如果不保持切割高度恒定，將無法保證激光焦點(diǎn)的合適位置，導(dǎo)致切割效果會(huì)比較差，甚至無法切穿板材，無法達(dá)到合格的切割標(biāo)準(zhǔn)。因此，必須為激光切割設(shè)備設(shè)計(jì)一種隨動(dòng)控制系統(tǒng)來自動(dòng)調(diào)節(jié)切割高度，簡(jiǎn)稱調(diào)高系統(tǒng)，而高度隨動(dòng)控制又稱之為高度跟隨；該調(diào)高系統(tǒng)包括電容檢測(cè)傳感器、調(diào)高器主控制板和伺服機(jī)構(gòu)模塊，其中調(diào)高器主控制板中包括有主控制板核心處理器、伺服電機(jī)接口電路；伺服機(jī)構(gòu)模塊包括編碼器、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械零點(diǎn)信號(hào)感應(yīng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)， 其中伺服電機(jī)接口電路的一信號(hào)端雙向連接伺服驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)端，伺服電機(jī)接口電路的信號(hào)輸入端連接機(jī)械零點(diǎn)信號(hào)感應(yīng)器的信號(hào)輸出端，實(shí)現(xiàn)調(diào)高器主控制板與伺服機(jī)構(gòu)模塊間的檢測(cè)和控制。激光割嘴垂直安裝在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，系統(tǒng)通過控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)激光割嘴的高度位置，首先調(diào)高系統(tǒng)的測(cè)量部分實(shí)時(shí)檢測(cè)出切割高度的變化；然后，調(diào)高器主控制板根據(jù)切割高度的變化，通過高度隨動(dòng)控制算法或稱之為高度跟隨控制算法，向伺服機(jī)構(gòu)模塊中的伺服驅(qū)動(dòng)器輸出合適的調(diào)節(jié)信號(hào)；伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)做出相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，例如絲桿等，轉(zhuǎn)化為激光割嘴在垂直方向的上升或下降運(yùn)動(dòng)，使得切割高度保持恒定，從而保證切割質(zhì)量。依據(jù)變極距電容傳感器的原理，激光割嘴與待切割板材之間會(huì)形成一個(gè)約在 5-20pF的微小的兩平板間電容，該電容大小與兩極板間的高度，即切割高度，近似成反比例關(guān)系。由此便可以通過測(cè)量板間電容的大小來獲取切割高度信息。目前國(guó)內(nèi)和國(guó)際上，現(xiàn)有的調(diào)高系統(tǒng)一般是給板間電容充電后將其轉(zhuǎn)換成電壓模擬信號(hào)，然后通過測(cè)量信號(hào)平均電壓值，來推算切割高度信息后，用于高度跟隨控制。此方法最大的劣勢(shì)在于1)模擬電壓信號(hào)傳輸過程容易受到干擾，使測(cè)量精度降低，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)微小電容的精確測(cè)量，而降低系統(tǒng)的跟隨精度及跟隨速度；幻傳輸信號(hào)電纜自身阻抗、 雜散電容的大小都會(huì)直接影響被測(cè)電容轉(zhuǎn)電壓信號(hào)的電路，從而導(dǎo)致測(cè)量精度降低，對(duì)傳輸信號(hào)電纜的長(zhǎng)短以及質(zhì)量要求很高，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試復(fù)雜；3)電容信號(hào)轉(zhuǎn)成模擬電壓信號(hào)無法遠(yuǎn)距離傳輸。同時(shí)由于測(cè)量精度不高，高度跟隨算法一般采用傳統(tǒng)的PID控制算法，雖能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，但是跟隨速度和精度卻不盡人意。另外，現(xiàn)有的調(diào)高系統(tǒng)中沒有友好的人機(jī)交互界面，沒有數(shù)據(jù)交互的通訊接口，僅僅只提供基于IO的握手控制接口。因此，其擴(kuò)展性、通用性有限，與激光切割設(shè)備無法實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)，降低了加工效率，限制了切割工藝的發(fā)展。本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)一種把微小電容轉(zhuǎn)換成數(shù)字頻率信號(hào)后，進(jìn)行高速精確采樣以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量切割高度，并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行高度跟隨控制，保證切割高度恒定的系統(tǒng)；并設(shè)有以太網(wǎng)接口，方便在調(diào)高系統(tǒng)與PC或激光切割設(shè)備之間建立通訊，在調(diào)高的同時(shí)進(jìn)行與上位機(jī)軟件或激光切割設(shè)備的實(shí)時(shí)通訊，以實(shí)現(xiàn)激光切割過程中，多段穿孔，蛙跳上抬，飛行光路焦距補(bǔ)償?shù)雀呒?jí)功能。為實(shí)現(xiàn)上述目的，設(shè)計(jì)一種數(shù)字式閉環(huán)控制電容調(diào)高系統(tǒng)的方法，包括調(diào)高器主控制板、伺服機(jī)構(gòu)模塊、電容采集放大器；所述的調(diào)高器主控制板包括主控制板核心處理器、伺服電機(jī)接口電路；所述的主控制板核心處理器嵌設(shè)有調(diào)高處理軟件；所述的伺服機(jī)構(gòu)模塊包括編碼器、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械零點(diǎn)信號(hào)感應(yīng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中伺服電機(jī)接口電路的一信號(hào)端雙向連接伺服驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)端，伺服電機(jī)接口電路的信號(hào)輸入端連接機(jī)械零點(diǎn)信號(hào)感應(yīng)器的信號(hào)輸出端，其特征在于A.所述的電容采集放大器采用數(shù)字式電容采集放大器，所述的數(shù)字式電容采集放大器是采用LC諧振電路的輸出端連接信號(hào)放大電路輸入端所組成；所述的調(diào)高器主控制板采用信號(hào)接收電路的輸出端依次連接FPGA芯片的信號(hào)輸入端、主控制板核心處理器的一輸入端、伺服電機(jī)接口電路的另一信號(hào)端，主控制板核心處理器的另兩個(gè)信號(hào)端分別雙向連接人機(jī)接口的一端、以太網(wǎng)接口的一端，人機(jī)接口的另一端連接鍵盤和液晶顯示器所構(gòu)成；數(shù)字式電容采集放大器中的信號(hào)放大電路的輸出端連接調(diào)高器主控制板的信號(hào)接收電路的輸入端；所述的信號(hào)接收電路采用EMIFIL電容濾波電路的輸出端依次連接阻抗匹配電路的輸入端、運(yùn)算放大電路的輸入端、磁電轉(zhuǎn)換電路的輸入端所組成；磁電轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接FPGA芯片的信號(hào)輸入端；B.所述的調(diào)高處理軟件進(jìn)行如下處理步驟(1)開始；(2)從人機(jī)接口或以太網(wǎng)接口接收命令；(3)判斷接收到命令否，沒有接收到命令，則返回開始；接收到命令則判斷是否有停止命令；(4)停止命令為是，則停止一切動(dòng)作并返回開始步驟；停止命令為否，則判斷是否有高度跟隨命令；(5)高度跟隨命令為是，則停止一切動(dòng)作，并設(shè)置跟隨高度，然后執(zhí)行高度跟隨流程并返回“開始”步驟；高度跟隨命令為否，則判斷是否有單邊保護(hù)命令； (6)單邊保護(hù)命令為是，則停止一切動(dòng)作，并設(shè)置保護(hù)高度，然后執(zhí)行單邊保護(hù)流程，并返回 “開始”步驟；單邊保護(hù)命令為否，則判斷是否有空移定位命令；(7)空移定位命令為是，則停止一切動(dòng)作，并設(shè)置空移目標(biāo)位置，然后執(zhí)行空移定位流程，并返回“開始”步驟；空移定位命令為否，則判斷是否有機(jī)械回零命令；(8)機(jī)械回零命令為是，則停止一切動(dòng)作，然后執(zhí)行機(jī)械回零流程，并返回“開始”步驟；機(jī)械回零命令為否，進(jìn)入錯(cuò)誤命令處理，并返回“開始”步驟；C.數(shù)字式電容采集放大器采集電容信號(hào)后經(jīng)LC諧振電路對(duì)電容進(jìn)行反復(fù)地充放電，產(chǎn)生頻率在1 10MHZ的高頻數(shù)字信號(hào)，接著信號(hào)放大電路對(duì)高頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行差分放大成5V的差分?jǐn)?shù)字信號(hào)后輸出，然后調(diào)高器主控制板內(nèi)的信號(hào)接收電路先采用EMIFIL電容濾波電路來過濾高次諧波干擾，再通過阻抗匹配電路來終結(jié)信號(hào)的傳輸完成接收，接著運(yùn)算放大電路再次將信號(hào)調(diào)理成幅值5V的數(shù)字頻率信號(hào)；最后經(jīng)磁電轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)調(diào)理成同等頻率的方波信號(hào)后，輸出給FPGA芯片的信號(hào)輸入端，F(xiàn)PGA芯片對(duì)該同等頻率的方波信號(hào)的上升沿進(jìn)行過采樣，通過方波信號(hào)中相鄰兩個(gè)上升沿的間隔時(shí)間來計(jì)算出該方波信號(hào)的頻率值，并對(duì)超過100個(gè)連續(xù)的頻率值做均值濾波處理后，將均值濾波后的電容信號(hào)頻率值結(jié)果存儲(chǔ)在FPGA芯片的內(nèi)部寄存器中供主控制板核心處理器讀取后，由調(diào)高器處理軟件對(duì)讀取后的電容信號(hào)頻率值進(jìn)行處理后實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服機(jī)構(gòu)模塊的運(yùn)動(dòng)控制。所述的高度跟隨控制流程執(zhí)行如下處理步驟(1)設(shè)定目標(biāo)跟隨高度；(2)從FPGA 芯片的內(nèi)部寄存器讀取電容信號(hào)頻率值；(3)計(jì)算當(dāng)前切割高度信息；(4)根據(jù)當(dāng)前切割高度信息計(jì)算跟隨誤差和上一周期跟隨速度；( 自適應(yīng)調(diào)整跟隨控制算法的位置環(huán)比例增益；(6)平滑開啟跟隨控制算法的位置環(huán)積分增益；(7)計(jì)算位置環(huán)控制量，輸出到速度環(huán)； (8)根據(jù)位置環(huán)控制量和上周期跟隨速度計(jì)算跟隨速度誤差；(9)平滑開啟跟隨控制算法速度環(huán)積分增益；(10)計(jì)算速度環(huán)控制量；(11)輸出速度環(huán)控制量到伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)執(zhí)行高度跟隨動(dòng)作；(12)返回“從FPGA芯片的內(nèi)部寄存器讀取電容信號(hào)頻率值”步驟。所述的單邊保護(hù)流程執(zhí)行如下處理步驟⑴設(shè)定單邊保護(hù)高度；(2)從FPGA芯片讀取電容信號(hào)頻率值；(3)根據(jù)測(cè)量到的電容信號(hào)數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前切割高度；(4)判斷當(dāng)前切割高度小于設(shè)定的單邊保護(hù)高度否；如果當(dāng)前切割高度不小于設(shè)定的單邊保護(hù)高度，則關(guān)閉高度跟隨命令，返回到“從FPGA芯片讀取電容信號(hào)頻率值”步驟；如果當(dāng)前切割高度小于設(shè)定的單邊保護(hù)高度，則以設(shè)定的單邊保護(hù)高度為目標(biāo)高度，并執(zhí)行高度跟隨流程，然后返回“從FPGA芯片讀取電容信號(hào)頻率值”步驟。所述的空移定位流程執(zhí)行如下處理步驟(1)設(shè)定空移速度和目標(biāo)位置；(2)按S 形加減速規(guī)劃空移位移一時(shí)間曲線；(3)根據(jù)位移一時(shí)間曲線獲取下一插補(bǔ)周期激光割嘴的目標(biāo)定位位置；(4)執(zhí)行伺服定位控制流程；(5)判斷是否到達(dá)目標(biāo)位置；(6)如未到達(dá)目標(biāo)位置，則返回到“根據(jù)位移一時(shí)間曲線獲取下一插補(bǔ)周期激光割嘴的目標(biāo)定位位置”步驟；如到達(dá)目標(biāo)位置，則結(jié)束。所述的機(jī)械回零流程執(zhí)行如下處理步驟(1)伺服機(jī)構(gòu)帶著激光割嘴向上運(yùn)動(dòng)尋找機(jī)械零點(diǎn)信號(hào)；(2)判斷機(jī)械零點(diǎn)信號(hào)有效否；如果無效，則返回上一步；如果有效，則減速停止；⑶激光割嘴以2mm/s的速度向下運(yùn)動(dòng)；⑷判斷機(jī)械零點(diǎn)信號(hào)有效否；如果有效， 則返回“激光割嘴以2mm/s的速度向下運(yùn)動(dòng)”步驟；如果無效，則判斷編碼器Z信號(hào)有效否； (5)如果編碼器Z信號(hào)無效，則返回“激光割嘴以2mm/s的速度向下運(yùn)動(dòng)”步驟；如果編碼器 Z信號(hào)有效，則結(jié)束。所述的伺服定位控制流程執(zhí)行如下處理步驟⑴設(shè)定目標(biāo)位置；(2)讀編碼器數(shù)據(jù)，計(jì)算當(dāng)前激光割嘴的位置、定位速度以及定位誤差；C3)位置PID算法根據(jù)定位速度、定位誤差，計(jì)算控制量；(4)輸出位置PID算法控制量到伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)執(zhí)行定位動(dòng)作；( 返回“讀編碼器數(shù)據(jù)，計(jì)算當(dāng)前激光割嘴的位置、定位速度以及定位誤差”步驟。本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，把激光割嘴與板材之間的板間電容轉(zhuǎn)化成數(shù)字頻率信號(hào)后進(jìn)行傳輸和測(cè)量，抗干擾能力強(qiáng)，不受傳輸距離限制，對(duì)傳輸信號(hào)電纜要求低，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便，并能獲得很高的測(cè)量精度；再結(jié)合自適應(yīng)雙閉環(huán)控制算法，取得了很高的控制精度， 靜態(tài)精度0. 003mm，動(dòng)態(tài)精度0. 02mm ；跟隨速度快，可以達(dá)到200mm/s的跟隨速度；另外由于控制軟件有單邊保護(hù)功能，可以實(shí)現(xiàn)切割設(shè)備從一個(gè)加工工位空走到下一個(gè)加工工位的過程，激光割嘴不上抬直接躍過障礙及空洞，從而提高切割加工效率；同時(shí)采用了太網(wǎng)接口來與外圍切割設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)友好的人際交互，提高控制精度和隨動(dòng)速度，并能實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)以及超遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸功能。

圖1為本發(fā)明工作原理框圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例中接入被測(cè)電容后的原理框圖。圖3為本發(fā)明中調(diào)高器主控制板中信號(hào)接收電路圖。圖4為本發(fā)明中的調(diào)高處理軟件流程框圖。圖5為圖4中高度跟隨控制流程的流程框圖。圖6為圖4中單邊保護(hù)流程的流程框圖。圖7為圖4中空移定位流程的流程框圖。圖8為圖4中機(jī)械回零流程的流程框圖。圖9為圖7中伺服定位控制流程的流程框圖。圖10為本發(fā)明中位置、速度雙閉環(huán)控制原理框圖。現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地說明。參見圖1，本發(fā)明中數(shù)字式閉環(huán)控制電容調(diào)高系統(tǒng)的方法，包括調(diào)高器主控制板、 伺服機(jī)構(gòu)模塊、電容采集放大器；所述的調(diào)高器主控制板包括信號(hào)接收電路、FPGA芯片、主控制板核心處理器、伺服電機(jī)接口電路、人機(jī)接口、以太網(wǎng)接口 ；所述的主控制板核心處理器嵌設(shè)有調(diào)高處理軟件；所述的伺服機(jī)構(gòu)模塊包括編碼器、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械零點(diǎn)信號(hào)感應(yīng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中伺服電機(jī)接口電路的一信號(hào)端雙向連接伺服驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)端，伺服電機(jī)接口電路的信號(hào)輸入端連接機(jī)械零點(diǎn)信號(hào)感應(yīng)器的信號(hào)輸出端，其具體結(jié)構(gòu)如下所述的電容采集放大器采用數(shù)字式電容采集放大器，所述的數(shù)字式電容采集放大器是采用LC諧振電路的輸出端連接信號(hào)放大電路輸入端所組成；所述的調(diào)高器主控制板采用信號(hào)接收電路的輸出端依次連接FPGA芯片的信號(hào)輸入端、主控制板核心處理器的一輸入端、伺服電機(jī)接口電路的另一信號(hào)端，主控制板核心處理器的另兩個(gè)信號(hào)端分別雙向連接人機(jī)接口的一端、以太網(wǎng)接口的一端，人機(jī)接口的另一端連接鍵盤和液晶顯示器；數(shù)字式電容采集放大器中的信號(hào)放大電路的輸出端連接調(diào)高器主控制板的信號(hào)接收電路的輸入端；參見圖3，所述的信號(hào)接收電路采用EMIFIL電容濾波電路的輸出端依次連接阻抗匹配電路的輸入端、運(yùn)算放大電路的輸入端、磁電轉(zhuǎn)換電路的輸入端所組成；磁電轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接FPGA芯片的信號(hào)輸入端；參見圖4，所述的調(diào)高處理軟件進(jìn)行如下處理步驟(1)開始；( 從人機(jī)接口或以太網(wǎng)接口接收命令；(3)判斷接收到命令否，沒有接收到命令，則返回開始；接收到命令則判斷是否有停止命令；(4)停止命令為是，則停止一切動(dòng)作并返回開始步驟；停止命令為否，則判斷是否有高度跟隨命令；(5)高度跟隨命令為是，則停止一切動(dòng)作，并設(shè)置跟隨高度，然后執(zhí)行高度跟隨流程并返回“開始”步驟；高度跟隨命令為否，則判斷是否有單邊保護(hù)命令；(6)單邊保護(hù)命令為是，則停止一切動(dòng)作，并設(shè)置保護(hù)高度，然后執(zhí)行單邊保護(hù)流程， 并返回“開始”步驟；單邊保護(hù)命令為否，則判斷是否有空移定位命令；(7)空移定位命令為是，則停止一切動(dòng)作，并設(shè)置空移目標(biāo)位置，然后執(zhí)行空移定位流程，并返回“開始”步驟；空移定位命令為否，則判斷是否有機(jī)械回零命令；(8)機(jī)械回零命令為是，則停止一切動(dòng)作， 然后執(zhí)行機(jī)械回零流程，并返回“開始”步驟；機(jī)械回零命令為否，進(jìn)入錯(cuò)誤命令處理，并返回“開始”步驟。參見圖5，所述的高度跟隨控制流程執(zhí)行如下處理步驟(1)設(shè)定目標(biāo)跟隨高度； (2)從FPGA芯片的內(nèi)部寄存器讀取電容信號(hào)頻率值；(3)計(jì)算當(dāng)前切割高度信息；(4)根據(jù)切割高度信息計(jì)算跟隨誤差和上一周期跟隨速度；( 自適應(yīng)調(diào)整跟隨控制算法的位置環(huán)比例增益；(6)平滑開啟跟隨控制算法的位置環(huán)積分增益；(7)計(jì)算位置環(huán)控制量，輸出到速度環(huán)；(8)計(jì)算跟隨速度誤差；(9)平滑開啟跟隨控制算法速度環(huán)積分增益；(10)計(jì)算速度環(huán)控制量；(11)輸出速度環(huán)控制量到伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)執(zhí)行高度跟隨動(dòng)作；(11) 返回“從FPGA芯片的內(nèi)部寄存器讀取電容信號(hào)頻率值”步驟。所述的“自適應(yīng)調(diào)整跟隨控制算法的位置環(huán)比例增益”，指在高度跟隨誤差較大時(shí)，例如超過3mm，使用約為系統(tǒng)最大增益75%的較大的比例增益，而誤差較小時(shí)，例如小于1mm，使用約為系統(tǒng)最大增益35%的較小比例增益，以達(dá)到更快的跟隨速度，同時(shí)減少過沖。所述的“平滑開啟跟隨控制算法的位置環(huán)積分增益”，指僅在跟隨誤差較小時(shí)，例如小于1-0. 5mm時(shí)，開啟一半的積分增益，在小于0. 5mm時(shí)，才全部開啟積分增益，這樣處理以減小跟隨控制的穩(wěn)態(tài)誤差，減少過沖，防止由積分增益引起的振蕩，同時(shí)避免突然開啟積分增益帶來的沖擊。所述的“平滑開啟跟隨控制算法速度環(huán)積分增益”處理方法與此相同。參見圖6，所述的單邊保護(hù)流程執(zhí)行如下處理步驟(1)設(shè)定單邊保護(hù)高度；(2)從 FPGA芯片讀取電容信號(hào)頻率值；(3)根據(jù)測(cè)量到的電容信號(hào)數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前切割高度；(4)判斷當(dāng)前切割高度小于設(shè)定的單邊保護(hù)高度否；如果當(dāng)前切割高度不小于設(shè)定的單邊保護(hù)高度，則關(guān)閉高度跟隨命令，返回到“從FPGA芯片讀取電容信號(hào)頻率值”步驟；如果當(dāng)前切割高度小于設(shè)定的單邊保護(hù)高度，則以設(shè)定的單邊保護(hù)高度為目標(biāo)高度，并打開高度跟隨，然后返回“從FPGA芯片讀取電容信號(hào)頻率值”步驟。參見圖7，所述的空移定位流程執(zhí)行如下處理步驟(1)設(shè)定空移速度和目標(biāo)位置；(2)按S形加減速規(guī)劃空移位移一時(shí)間曲線；(3)根據(jù)位移一時(shí)間曲線獲取下一插補(bǔ)周期激光割嘴目標(biāo)定位位置；(4)執(zhí)行伺服定位控制流程；(5)判斷是否到達(dá)目標(biāo)位置；(6) 如未到達(dá)目標(biāo)位置，則返回到“根據(jù)位移一時(shí)間曲線獲取下一插補(bǔ)周期激光割嘴定位位置” 步驟；如到達(dá)目標(biāo)位置，則結(jié)束。參見圖8，所述的機(jī)械回零流程執(zhí)行如下處理步驟(1)伺服機(jī)構(gòu)帶著激光割嘴1 向上運(yùn)動(dòng)尋找機(jī)械零點(diǎn)信號(hào)；(2)判斷機(jī)械零點(diǎn)信號(hào)有效否；如果無效，則返回上一步；如果有效，則減速停止；⑶激光割嘴1以2mm/s的速度向下運(yùn)動(dòng)；⑷判斷機(jī)械零點(diǎn)信號(hào)有效否；如果有效，則返回“激光割嘴以2mm/s的速度向下運(yùn)動(dòng)”步驟；如果無效，則判斷編碼器 Z信號(hào)有效否；(5)如果編碼器Z信號(hào)無效，則返回“激光割嘴以2mm/s的速度向下運(yùn)動(dòng)”步驟；如果編碼器Z信號(hào)有效，則結(jié)束。參見圖9，所述的伺服定位控制流程執(zhí)行如下處理步驟(1)設(shè)定目標(biāo)位置；(2)讀編碼器數(shù)據(jù)，計(jì)算當(dāng)前激光割嘴的位置、定位速度以及定位誤差；C3)根據(jù)定位誤差計(jì)算位置環(huán)控制量；(4)用位置環(huán)控制量與當(dāng)前定位速度相減計(jì)算出定位速度誤差；(5)根據(jù)定位速度誤差計(jì)算速度環(huán)控制量；(6)輸出速度環(huán)控制量到伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)執(zhí)行定位動(dòng)作；(5)返回“讀編碼器數(shù)據(jù)，計(jì)算當(dāng)前激光割嘴的位置、定位速度以及定位誤差”步驟。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，激光割嘴和切割設(shè)備機(jī)殼分別采用線路連接到數(shù)字式電容采集放大器的兩個(gè)輸入端口，便可將激光割嘴1與被割工件2之間的板間電容輸入LC諧振電路， 本例中激光割嘴與被割工件之間的板間電容以下簡(jiǎn)稱“被測(cè)電容”，參見圖2。LC諧振電路對(duì)被測(cè)電容反復(fù)地充放電，可產(chǎn)生幅值IV左右的微弱高頻數(shù)字信號(hào)，該高頻數(shù)字信號(hào)的頻率一般在1 10MHZ，接著通過信號(hào)放大電路進(jìn)行差分放大成5V的差分?jǐn)?shù)字信號(hào)后輸出，然后調(diào)高器主控制板內(nèi)的信號(hào)接收電路先采用EMIFIL電容濾波電路來過濾高次諧波干擾， 然后通過阻抗匹配電路來終結(jié)信號(hào)的傳輸，完成接收并防止信號(hào)放射回發(fā)射端與原始信號(hào)疊加而引入傳輸干擾，保證傳輸過程的穩(wěn)定性；接著運(yùn)算放大電路再次將信號(hào)調(diào)理成幅值 5V的數(shù)字頻率信號(hào)，防止傳輸過程中信號(hào)的衰減；最后經(jīng)磁電轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)調(diào)理成同等頻率的方波信號(hào)后，輸出給FPGA芯片的信號(hào)輸入端。FPGA芯片對(duì)該同等頻率的方波信號(hào)的上升沿以300MHZ的采樣率進(jìn)行過采樣，通過相鄰兩個(gè)上升沿的間隔時(shí)間來計(jì)算出信號(hào)的頻率值，并對(duì)超過100個(gè)連續(xù)的頻率值做均值濾波處理后，將結(jié)果鎖存在FPGA芯片的內(nèi)部寄存器供主控制板核心處理器通過數(shù)據(jù)線讀取。主控制板核心處理器內(nèi)嵌調(diào)高處理軟
件，根據(jù)LC諧振電路電容與頻率的關(guān)系式/ = ^^，便可以換算出被測(cè)電容大小，進(jìn)而
根據(jù)該電容與切割高度的反比關(guān)系計(jì)算出激光割嘴和被割工件之間的當(dāng)前高度信息，式中 f表示頻率、L表示電路電感、C表示諧振電路電容。根據(jù)每個(gè)控制周期測(cè)量的切割高度信息，調(diào)高處理軟件的高度跟隨閉環(huán)控制算法就可以實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前控制周期的跟隨速度以及跟隨誤差，通過位置、速度雙閉環(huán)高度跟隨算法轉(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)的控制量后，經(jīng)伺服電機(jī)接口電路輸出給伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，即可完成每個(gè)控制周期的切割高度的跟隨工作，參見圖10。本發(fā)明涉及的調(diào)高系統(tǒng)在具體實(shí)現(xiàn)中，主要分測(cè)量和控制兩部分來實(shí)現(xiàn)。本例中測(cè)量部分也即數(shù)字式電容采集放大器，根據(jù)被測(cè)電容和切割高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將切割高度的測(cè)量轉(zhuǎn)換成了被測(cè)電容的測(cè)量。調(diào)高系統(tǒng)利用LC諧振電路的原理，把被測(cè)電容轉(zhuǎn)化成高頻的數(shù)字頻率信號(hào)后，進(jìn)行傳輸、測(cè)量，此方法抗干擾性強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便，并獲得了高速、 高精度的測(cè)量結(jié)果?？刂撇糠?，采用了位置、速度雙閉環(huán)的高度隨動(dòng)算法，也稱高度跟隨算法，并結(jié)合自適應(yīng)調(diào)整位置環(huán)比例、平滑開啟位置、速度環(huán)積分增益的現(xiàn)代控制論方法，使系統(tǒng)在保證高的控制精度的同時(shí)，獲得了快的調(diào)節(jié)速度，并避免了穩(wěn)態(tài)附近的過沖。上述技術(shù)手段，讓本發(fā)明實(shí)現(xiàn)高度跟隨控制士0. 003mm的靜態(tài)精度，士0. 02mm的動(dòng)態(tài)精度，以及 200mm/s以上的跟隨速度。本發(fā)明涉及的調(diào)高系統(tǒng)在具體實(shí)現(xiàn)中，還增加了太網(wǎng)接口來與外圍切割設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)友好的人際交互，提高控制精度和隨動(dòng)速度，并能實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)以及超遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸功能，實(shí)現(xiàn)調(diào)高系統(tǒng)和外圍切割設(shè)備的信息實(shí)時(shí)共享，從而配合外圍切割設(shè)備實(shí)現(xiàn)一系列復(fù)雜切割工藝，如多段穿孔，蛙跳上抬，飛行光路焦距補(bǔ)償、自動(dòng)尋找板材邊界等高級(jí)功能。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字式閉環(huán)控制電容調(diào)高系統(tǒng)的方法，包括調(diào)高器主控制板、伺服機(jī)構(gòu)模塊、電容采集放大器；所述的調(diào)高器主控制板包括主控制板核心處理器、伺服電機(jī)接口電路；所述的主控制板核心處理器嵌設(shè)有調(diào)高處理軟件；所述的伺服機(jī)構(gòu)模塊包括編碼器、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械零點(diǎn)信號(hào)感應(yīng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中伺服電機(jī)接口電路的一信號(hào)端雙向連接伺服驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)端，伺服電機(jī)接口電路的信號(hào)輸入端連接機(jī)械零點(diǎn)信號(hào)感應(yīng)器的信號(hào)輸出端，其特征在于A.所述的電容采集放大器采用數(shù)字式電容采集放大器，所述的數(shù)字式電容采集放大器是采用LC諧振電路的輸出端連接信號(hào)放大電路輸入端所組成；所述的調(diào)高器主控制板采用信號(hào)接收電路的輸出端依次連接FPGA芯片的信號(hào)輸入端、主控制板核心處理器的一輸入端、伺服電機(jī)接口電路的另一信號(hào)端，主控制板核心處理器的另兩個(gè)信號(hào)端分別雙向連接人機(jī)接口的一端、以太網(wǎng)接口的一端，人機(jī)接口的另一端連接鍵盤和液晶顯示器所構(gòu)成； 數(shù)字式電容采集放大器中的信號(hào)放大電路的輸出端連接調(diào)高器主控制板的信號(hào)接收電路的輸入端；所述的信號(hào)接收電路采用EMIFIL電容濾波電路的輸出端依次連接阻抗匹配電路的輸入端、運(yùn)算放大電路的輸入端、磁電轉(zhuǎn)換電路的輸入端所組成；磁電轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接FPGA芯片的信號(hào)輸入端；B.所述的調(diào)高處理軟件進(jìn)行如下處理步驟(1)開始；( 從人機(jī)接口或以太網(wǎng)接口接收命令；(3)判斷接收到命令否，沒有接收到命令，則返回開始；接收到命令則判斷是否有停止命令；(4)停止命令為是，則停止一切動(dòng)作并返回開始步驟；停止命令為否，則判斷是否有高度跟隨命令；(5)高度跟隨命令為是，則停止一切動(dòng)作，并設(shè)置跟隨高度，然后執(zhí)行高度跟隨流程并返回“開始”步驟；高度跟隨命令為否，則判斷是否有單邊保護(hù)命令；(6) 單邊保護(hù)命令為是，則停止一切動(dòng)作，并設(shè)置保護(hù)高度，然后執(zhí)行單邊保護(hù)流程，并返回“開始”步驟；單邊保護(hù)命令為否，則判斷是否有空移定位命令；(7)空移定位命令為是，則停止一切動(dòng)作，并設(shè)置空移目標(biāo)位置，然后執(zhí)行空移定位流程，并返回“開始”步驟；空移定位命令為否，則判斷是否有機(jī)械回零命令；(8)機(jī)械回零命令為是，則停止一切動(dòng)作，然后執(zhí)行機(jī)械回零流程，并返回“開始”步驟；機(jī)械回零命令為否，進(jìn)入錯(cuò)誤命令處理，并返回“開始” 步驟；C.數(shù)字式電容采集放大器采集電容信號(hào)后經(jīng)LC諧振電路對(duì)電容進(jìn)行反復(fù)地充放電， 產(chǎn)生頻率在1 10MHZ的高頻數(shù)字信號(hào)，接著信號(hào)放大電路對(duì)高頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行差分放大成5V的差分?jǐn)?shù)字信號(hào)后輸出，然后調(diào)高器主控制板內(nèi)的信號(hào)接收電路先采用EMIFIL電容濾波電路來過濾高次諧波干擾，再通過阻抗匹配電路來終結(jié)信號(hào)的傳輸完成接收，接著運(yùn)算放大電路再次將信號(hào)調(diào)理成幅值5V的數(shù)字頻率信號(hào)；最后經(jīng)磁電轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)調(diào)理成同等頻率的方波信號(hào)后，輸出給FPGA芯片的信號(hào)輸入端，F(xiàn)PGA芯片對(duì)該同等頻率的方波信號(hào)的上升沿進(jìn)行過采樣，通過方波信號(hào)中相鄰兩個(gè)上升沿的間隔時(shí)間來計(jì)算出該方波信號(hào)的頻率值，并對(duì)超過100個(gè)連續(xù)的頻率值做均值濾波處理后，將均值濾波后的電容信號(hào)頻率值結(jié)果存儲(chǔ)在FPGA芯片的內(nèi)部寄存器中供主控制板核心處理器讀取后，由調(diào)高器處理軟件對(duì)讀取后的電容信號(hào)頻率值進(jìn)行處理后實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服機(jī)構(gòu)模塊的運(yùn)動(dòng)控制。
2.如權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字式閉環(huán)控制電容調(diào)高系統(tǒng)的方法，其特征在于所述的高度跟隨控制流程執(zhí)行如下處理步驟⑴設(shè)定目標(biāo)跟隨高度；⑵從FPGA芯片的內(nèi)部寄存器讀取電容信號(hào)頻率值；(3)計(jì)算當(dāng)前切割高度信息；(4)根據(jù)當(dāng)前切割高度信息計(jì)算跟隨誤差和上一周期跟隨速度；(5)自適應(yīng)調(diào)整跟隨控制算法的位置環(huán)比例增益；(6)平滑開啟跟隨控制算法的位置環(huán)積分增益；(7)計(jì)算位置環(huán)控制量，輸出到速度環(huán)；(8)根據(jù)位置環(huán)控制量和上周期跟隨速度計(jì)算跟隨速度誤差；(9)平滑開啟跟隨控制算法速度環(huán)積分增益；(10)計(jì)算速度環(huán)控制量；(11)輸出速度環(huán)控制量到伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)執(zhí)行高度跟隨動(dòng)作；(12)返回“從FPGA芯片的內(nèi)部寄存器讀取電容信號(hào)頻率值”步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字式閉環(huán)控制電容調(diào)高系統(tǒng)的方法，其特征在于所述的單邊保護(hù)流程執(zhí)行如下處理步驟(1)設(shè)定單邊保護(hù)高度；(2)從FPGA芯片讀取電容信號(hào)頻率值；(3)根據(jù)測(cè)量到的電容信號(hào)數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前切割高度；(4)判斷當(dāng)前切割高度小于設(shè)定的單邊保護(hù)高度否；如果當(dāng)前切割高度不小于設(shè)定的單邊保護(hù)高度，則關(guān)閉高度跟隨命令，返回到“從FPGA芯片讀取電容信號(hào)頻率值”步驟；如果當(dāng)前切割高度小于設(shè)定的單邊保護(hù)高度，則以設(shè)定的單邊保護(hù)高度為目標(biāo)高度，并執(zhí)行高度跟隨流程，然后返回“從FPGA芯片讀取電容信號(hào)頻率值”步驟。
4.如權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字式閉環(huán)控制電容調(diào)高系統(tǒng)的方法，其特征在于所述的空移定位流程執(zhí)行如下處理步驟(1)設(shè)定空移速度和目標(biāo)位置；( 按S形加減速規(guī)劃空移位移一時(shí)間曲線；(3)根據(jù)位移一時(shí)間曲線獲取下一插補(bǔ)周期激光割嘴的目標(biāo)定位位置；(4)執(zhí)行伺服定位控制流程；(5)判斷是否到達(dá)目標(biāo)位置；(6)如未到達(dá)目標(biāo)位置，則返回到“根據(jù)位移一時(shí)間曲線獲取下一插補(bǔ)周期激光割嘴的目標(biāo)定位位置”步驟；如到達(dá)目標(biāo)位置，則結(jié)束。
5.如權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字式閉環(huán)控制電容調(diào)高系統(tǒng)的方法，其特征在于所述的機(jī)械回零流程執(zhí)行如下處理步驟(1)伺服機(jī)構(gòu)帶著激光割嘴向上運(yùn)動(dòng)尋找機(jī)械零點(diǎn)信號(hào)；(2)判斷機(jī)械零點(diǎn)信號(hào)有效否；如果無效，則返回上一步；如果有效，則減速停止；(3) 激光割嘴以2mm/s的速度向下運(yùn)動(dòng)；(4)判斷機(jī)械零點(diǎn)信號(hào)有效否；如果有效，則返回“激光割嘴以2mm/s的速度向下運(yùn)動(dòng)”步驟；如果無效，則判斷編碼器Z信號(hào)有效否；(5)如果編碼器Z信號(hào)無效，則返回“激光割嘴以2mm/s的速度向下運(yùn)動(dòng)”步驟；如果編碼器Z信號(hào)有效， 則結(jié)束。
6.如權(quán)利要求4所述的一種數(shù)字式閉環(huán)控制電容調(diào)高系統(tǒng)的方法，其特征在于所述的伺服定位控制流程執(zhí)行如下處理步驟(1)設(shè)定目標(biāo)位置；( 讀編碼器數(shù)據(jù)，計(jì)算當(dāng)前激光割嘴的位置、定位速度以及定位誤差；(3)位置PID算法根據(jù)定位速度、定位誤差，計(jì)算控制量；(4)輸出位置PID算法控制量到伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)執(zhí)行定位動(dòng)作；(5)返回 “讀編碼器數(shù)據(jù)，計(jì)算當(dāng)前激光割嘴的位置、定位速度以及定位誤差”步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種數(shù)字式閉環(huán)控制電容調(diào)高系統(tǒng)的方法，所述的電容采集放大器采用LC諧振電路的輸出端連接信號(hào)放大電路輸入端所組成；所述的調(diào)高器主控制板采用信號(hào)接收電路的輸出端依次連接FPGA芯片的信號(hào)輸入端、主控制板核心處理器的一輸入端、伺服電機(jī)接口電路的另一信號(hào)端，主控制板核心處理器的另兩個(gè)信號(hào)端分別雙向連接人機(jī)接口的一端、以太網(wǎng)接口的一端；信號(hào)放大電路的輸出端連接信號(hào)接收電路的輸入端；信號(hào)接收電路的磁電轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接FPGA芯片的信號(hào)輸入端。本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，把板間電容轉(zhuǎn)化成數(shù)字頻率信號(hào)后進(jìn)行傳輸和測(cè)量，抗干擾能力強(qiáng)，不受傳輸距離限制，測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G05B19/414GK102528288SQ201210037509
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月17日
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