一種毫米級間隙隨動控制方法與裝置的制造方法
【專利說明】一種毫米級間隙隨動控制方法與裝置
[0001] ( - )技術領域 本發明屬于精密機械運動控制技術領域，特別涉及一種毫米級間隙隨動控制方法與裝 置。
[0002] (二)【背景技術】 在激光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(典型范圍為1mm~3mm):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，間隙值過小會燒毀板材，間隙值過大則聚光能量不足。
[0003] (三)
【發明內容】
本發明為了彌補現有技術的不足，提供了一種毫米級間隙隨動控制方法與裝置，可使 等離子切割頭或激光切割頭在運動過程中，能夠以設定的間隙懸浮在凹凸不平的板材之 上，提尚了控制精度。
[0004] 本發明是通過如下技術方案實現的： 一種毫米級間隙隨動控制裝置，包括板材和懸浮于板材上的切割頭，其特征是:所述切 割頭安裝于滾珠絲杠滑臺上，滾珠絲杠滑臺與伺服電機相連接，伺服電機與MCU控制器相連 接，切割頭與板材之間通過電容檢測電路與MCU控制器相連接。
[0005] 所述伺服電機與Μ⑶控制器之間連接設有伺服電機驅動器。
[0006] 所述Μ⑶控制器通過RS-485接口與工控機連接進行通信。
[0007 ] -種毫米級間隙隨動控制方法，其特征是:包括以下步驟： (1) 、切割頭與板材之間構成等效平行板電容，測量其等效電容值，其等效電容值的表 達式為：
式中A分別為相對介電常數、絕對介電常數和相對面積，d為切 割頭與板材之間的間隙值；
(2) 、進行電容值與間隙值的標定：用點動的方法控制滾珠絲杠滑臺的運動，帶動切割 頭貼在板材上，此時間隙d=0,電容C的示數為4.096pF，控制滾珠絲杠滑臺提升若干次不 同的距離，記錄下每次的電容值，根據每次的電容值進行曲線擬合，得到C-d之間的對應關 系，根據測量得到的電容值得出間隙值； (3) 、計算第k時刻的間隙誤差，其表達式為 式中，Set為間 隙設定值，Measure (k)為d的實際測量值； (4) 、計算得出脈沖信號頻率，其表達式為：
，式中， 句為Μ⑶控制器發出的脈沖信號頻率，KpMd分別為比例環節、積分環節和微分環 節系數； (5) 、Pul(k)的大小對應伺服電機的轉速，伺服電機的轉向則由值確定：在土 0.1mm的跟隨精度內，伺服電機停止轉動；若大于+0.1mm，則伺服電機正向轉動；若小于-0· 1mm，則伺服電機反向轉動。
[0008] 優選的，在步驟（1)中，對測量得到的電容值以平滑濾波的方式采用迭代運算進行 濾波處理。
[0009] 優選的，在步驟(2)中，控制滾珠絲杠滑臺提升五次不同的距離，每次提升0.5mm。
[0010] 本發明的有益效果是:通過對0.范圍的微小間隙的在線測量與反饋控制， 使得等離子切割頭或激光切割頭在運動過程中，能夠以設定的間隙懸浮在凹凸不平的板材 之上，間隙動態保持精度可達i〇. 1mm，最大跟隨速度達l〇〇mm/s，保證了切割質量，提高了生 產效率。
[0011](四）【附圖說明】 下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
[0012]附圖1為本發明的結構示意圖； 附圖2為本發明的控制器電路圖； 圖中，1板材，2切割頭，3滾珠絲杠滑臺，4伺服電機，5MCU控制器，6電容檢測電路，7伺服 電機驅動器，8工控機。
[0013](五）【具體實施方式】 附圖為本發明的一種具體實施例。該實施例包括板材1和懸浮于板材1上的切割頭2,切 割頭2安裝于滾珠絲杠滑臺3上，滾珠絲杠滑臺3與伺服電機4相連接，伺服電機4與MCU控制 器5相連接，切割頭2與板材1之間通過電容檢測電路6與MCU控制器5相連接。伺服電機4與 MCU控制器5之間連接設有伺服電機驅動器7 j⑶控制器5通過RS-485接口與工控機8連接進 行通信。
[0014]采用本發明的毫米級間隙隨動控制方法與裝置，選用電容測量的方法，通過標定 其分辨率可達〇.01mm，受環境電磁干擾較小。切割頭2與板材1之間構成等效平行板電容，其 等效電容值的表達式為
式中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。
[0015]通過實驗發現：在〇.5mm-3mm的間隙范圍內，該電容值為pF級，故難以用傳統的 555芯片測量。如果采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，我們采用數字式電容轉換器（CDC)的方案：采用美國ADI公司的CDC集成芯片 AD7746與國產STC12高速單片機來實現電容值的測量，AD7746與STC12通過IIC總線連接， 上拉電阻為2.2K歐姆。
[0016] STC12對AD7746的寄存器配置關鍵步驟如下：（1)、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。（2)、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（3)、數據更新率的設置:通過對OxOA地址對應的寄存器寫入 0x89來實現83.8Hz的采樣頻率。（4)、量程設置:通過對ΟχΟΒ地址對應的寄存器寫入4.096來 設置最大量程為4.096pF(切割頭貼在金屬板材上的工況）。（5)、數據的寫入與讀取遵循IIC 通信的時序規范。
[0017] 微控制器Μ⑶采用44pins貼片封裝的STC12單片機，與普通的51單片機相比，運行 速度大大提高。由間隙值變化引起的電容值C的變換由CDC集成芯片AD7746采集，電容的兩 端分別連接到AD7746的EXCB引腳和CIN(+)引腳。STC12與AD7746通過IIC總線連接，SCL時鐘 線和SDA數據線均通過2.2K歐姆的電阻上拉。STC12采用5V直流電源供電，其中C7為濾波電 容，AMS1117-3.3將5V電壓穩定到3.3V為AD7746供電。其中，PUL，DIR，ENA三路控制信號用 于連接伺服電機或者步進電機的驅動器。J2端口用于程序下載