[发明专利]一种数字式闭环控制电容调高系统的方法

说明书

[技术领域]

本发明涉及数控技术领域，具体地说是一种用于激光切割加工设备上的一种数字式闭环控制电容调高系统的方法。

[背景技术]

激光切割加工过程中，为了使切口处获得最大的功率密度，保证获得高质量的切口，激光焦点一般应位于工件表面以下约1/3板厚处，所以切割加工过程中被割工件2表面到激光割嘴1的高度必须保持一致，此高度又称之为切割高度，一般在0.5～1.5mm间，1mm最常用。在激光切割加工金属板或木板等板材的过程中，往往会遇到板材表面有弧度纹路，材料表面有平整度不高，板材振动或者板材由于局部高温而变形等不利情况。如果不保持切割高度恒定，将无法保证激光焦点的合适位置，导致切割效果会比较差，甚至无法切穿板材，无法达到合格的切割标准。

因此，必须为激光切割设备设计一种随动控制系统来自动调节切割高度，简称调高系统，而高度随动控制又称之为高度跟随；该调高系统包括电容检测传感器、调高器主控制板和伺服机构模块，其中调高器主控制板中包括有主控制板核心处理器、伺服电机接口电路；伺服机构模块包括编码器、伺服电机、伺服驱动器、机械零点信号感应器、传动机构，其中伺服电机接口电路的一信号端双向连接伺服驱动器的信号端，伺服电机接口电路的信号输入端连接机械零点信号感应器的信号输出端，实现调高器主控制板与伺服机构模块间的检测和控制。激光割嘴垂直安装在传动机构上，系统通过控制传动机构来调节激光割嘴的高度位置，首先调高系统的测量部分实时检测出切割高度的变化；然后，调高器主控制板根据切割高度的变化，通过高度随动控制算法或称之为高度跟随控制算法，向伺服机构模块中的伺服驱动器输出合适的调节信号；伺服驱动器驱动伺服电机做出相应转动，并通过传动机构，例如丝杆等，转化为激光割嘴在垂直方向的上升或下降运动，使得切割高度保持恒定，从而保证切割质量。

依据变极距电容传感器的原理，激光割嘴与待切割板材之间会形成一个约在5-20pF的微小的两平板间电容，该电容大小与两极板间的高度，即切割高度，近似成反比例关系。由此便可以通过测量板间电容的大小来获取切割高度信息。

目前国内和国际上，现有的调高系统一般是给板间电容充电后将其转换成电压模拟信号，然后通过测量信号平均电压值，来推算切割高度信息后，用于高度跟随控制。此方法最大的劣势在于：1)模拟电压信号传输过程容易受到干扰，使测量精度降低，无法实现对微小电容的精确测量，而降低系统的跟随精度及跟随速度；2)传输信号电缆自身阻抗、杂散电容的大小都会直接影响被测电容转电压信号的电路，从而导致测量精度降低，对传输信号电缆的长短以及质量要求很高，现场调试复杂；3)电容信号转成模拟电压信号无法远距离传输。同时由于测量精度不高，高度跟随算法一般采用传统的PID控制算法，虽能保证系统的稳定，但是跟随速度和精度却不尽人意。

另外，现有的调高系统中没有友好的人机交互界面，没有数据交互的通讯接口，仅仅只提供基于IO的握手控制接口。因此，其扩展性、通用性有限，与激光切割设备无法实时交换数据，降低了加工效率，限制了切割工艺的发展。

[发明内容]

本发明的目的是为克服现有技术的不足，设计一种把微小电容转换成数字频率信号后，进行高速精确采样以实现非接触式测量切割高度，并根据测量数据进行高度跟随控制，保证切割高度恒定的系统；并设有以太网接口，方便在调高系统与PC或激光切割设备之间建立通讯，在调高的同时进行与上位机软件或激光切割设备的实时通讯，以实现激光切割过程中，多段穿孔，蛙跳上抬，飞行光路焦距补偿等高级功能。

为实现上述目的，设计一种数字式闭环控制电容调高系统的方法，包括调高器主控制板、伺服机构模块、电容采集放大器；所述的调高器主控制板包括主控制板核心处理器、伺服电机接口电路；所述的主控制板核心处理器嵌设有调高处理软件；所述的伺服机构模块包括编码器、伺服电机、伺服驱动器、机械零点信号感应器、传动机构，其中伺服电机接口电路的一信号端双向连接伺服驱动器的信号端，伺服电机接口电路的信号输入端连接机械零点信号感应器的信号输出端，其特征在于：