激光數控切割中的高度自動跟隨控制

劉里吉

摘要：本文主要是探討分析激光數控切割中的高度自動跟隨控制。全面分析該系統組成。跟蹤控制策略和傳感器工作。在此基礎之上分析系統軟件流程圖和硬件流程圖。希望能夠為相關技術人員提供參考性價值。

關鍵詞：激光數控切割；高度自動跟隨控制

高度自動跟隨在激光數控切割當中占據重要性位置，激光焦點在工件上的位置一致性和準確性在較大程度上對切割質量產生影響。國內外都是使用電容高度跟蹤技術，該種跟蹤技術與氧焰切割雖然在本質上相同，但是在處理信號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進行處理，只要是應用微處理器數字控制，采集以及補償等技術，與傳統的模數電路信號處理技術相比較，該項技術能夠在較大程度上改善響應向和精度性等。

1.簡述高度自動跟隨系統

高度自動跟隨系統都具備同樣的問題，就是如何能夠更好地與控制器之間進行配合。現階段，市場當中的激光電容高度自動跟隨系統在實際工作期間都是獨立存在的，并且只能提供與數控之間的接口。這就導致激光切割機在實際應用期間需要處理較多問題，主要表現在：（1）在切割機當中的切割程序當中如何進行高度自動跟隨的自動開啟，是否能夠自定義設置自動跟隨的高度。（2）在實際切割操作當中，怎樣能夠實現調高器和數控器不在同一時間內進行操作，在切割期間如何只開啟數控器的操作。（3）針對調高器與數控器之間的信號連接方式如何進行簡化。為了全面確保解決以上問題，需要將激光高度跟隨系統進行內部設置，需要使激光高度隨著系統一起向數控器發射高度信號，以及碰槍時自動抬槍動作，自動跟隨功能。手動升降控制以及跟隨速度控制等都能夠借助于數控器實現。需要摒棄激光高度自動跟隨系統當中的數控信號接口和電機控制方式等。該種方式在較大程度上能夠對調高器和數控器進行高度集成化作用。這樣能夠更加簡潔，方便地設計激光數控切割機的高度控制。

使用內置方式的高度跟隨系統，能夠實現與高度控制的各項功能，比如蛙跳運動，在數控切割機當中進行“蛙跳”選項設置之后，其主要的程序形式如下：

此次研究當中的“蛙跳”方法主要是按照參數調節型進行設置，按照數控器功能，能夠在此基礎之上設計智能化的“蛙跳”方式：首先，理想“蛙跳”，在下個起割點跳到穿孔高度，如圖2所示；其次，過長“蛙跳”，在下個起割點時沒有下降到穿孔高度，如圖3所示；最后就是過短蛙跳：沒有到下個起割點之前已經下降到穿孔高度，如圖4所示。

如果在實際切割期間出現圖3情況，將會導致切割失敗情況。圖4情況若隨動功能比較良好，則不會出現嚴重的后果。

2.高度檢測

傳感器當中能夠進行高度檢測的種類有很多，主要表現在光電式，電容式，電感式以及電阻式風。在以上傳感器種類當中，理想化選擇就是給非接觸式電容傳感器。然而，因為激光切割機在實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達到幾百毫米。電容傳感器對接電常數存在較大的敏感性，這就使其無法全面包容所有的材料種類。其次，激光切割機在實際加工期間，會相應改變切割工具周邊環境的溫度，特別表現在被加工材料方面，在加工期間會持續提升其表面溫度，然而電容傳感器當中的敏感部位無法遠離材料表面，這就導致傳感器在實際工作期間會受到過高溫度的影響，無法在有效時間內完成工作。分析傳感器的實用價值，在實際使用期間可以選擇差動電感式位移傳感器，該傳感器的主要工作原理如下圖所示：在初級線圈L1主要是受到正弦信號的激勵出現交變磁場，這樣就會與差動方式的次級線圈相連接，導致次級線圈感應到相同頻率的電壓信號，并且活動磁芯位置與電壓信號幅值之間存在線性關系。之后將電壓限號經過濾波，相敏解調以及電壓跟隨之后，就能夠獲得與磁芯位置移動之間形成正比的直流電壓輸出。如果磁芯位置在中心地點時，其直流電壓輸出值為0；如果磁芯位置在中心以上時，其直流電壓輸出值為正；如果磁芯位置在中心以下時，其直流電壓輸出值為負。差動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，其分辨率能夠達到0.01μm，其線性度能夠達到0.56%左右，這樣能夠全面滿足實際應用的標準要求。

3.實時運動控制

在上文已經分析了，如果位移情況是由步進電機提供動力來源，高度跟蹤系統針對步進電機的要求主要是，不僅需要滿足跟蹤精度的分辨率，還需要確保其啟動頻率。這樣才能全面確保其符合實時性的要求。啟動頻率能夠對驅動電源的性能產生較大的影響。所以在選擇驅動電源時需要選擇具有良好啟動特性的該地高低壓驅動電源。

需要科學選擇高度跟蹤系統的靈敏度指標，如果其具有較低的靈敏度，將會導致其無法展現出明顯的跟蹤效果。如果其具有較高的靈敏度，將會嚴重影響機械的使用期限和加工精度等。其次，如果高度跟蹤系統的靈敏度過低，將會在較大程度上提升加工開始前期的調焦工作。在實際工作期間，而且為了確保高度跟蹤系統的靈敏度，需要使用“死區”的bany-bang控制來對材料表面粗糙度進行過濾處理，避免其對實際工作產生波動影響。在此期間需要將高度參考值設置為Xa，將反饋值設置為Xb，將⊿設置為大于0的常數，此時，對步進電機轉動步數的脈沖數A進行控制時就能夠通過下式進行確定：

4.單片機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為前提設計NC接口。如下圖所示。在圖中，ADC0804屬于8位模數轉換器，其模擬輸入端 —— ，其能夠接受0-5V的模擬信號，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，并且將其應用在高度傳感器出的輸出電壓上進行匹配。在單片機8031的P1口對驅動電源進行相應的控制，并且使其各相脈沖信號進行關斷或者相通，之后由軟件對各相開通的順序以及開關頻率進行控制。將T0和T1腳接到限位開關處，借助于高度自動跟隨系統當中的軟件查詢功能對限位信號進行檢測。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現，由NC發出的指令主要是由接口板進行接收，之后進行命令動作，將所需要的數據信息進行反饋，接口板的功能主要表現在以下方面：

（1）應答—回送口令，等待命令，NC通過應答—回送口令對該部分的工作狀態進行判斷；

（2）手動控制。該功能主要是對現行速度運行狀態以及方向給予指令，直至接收到限位命令或者停止命令。

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

（4）回送坐標值功能：該功能主要是將切割工具的實際位置以及復位點的坐標值回送到NC，依靠BCD碼的形式實現。

（5）手搖控制功能：主要是借助于手搖脈沖發生器傳輸的方向信號和脈沖信號。對步進電機的轉動情況進行控制，此次主要是可以選擇三個檔位，這樣能夠一一脈沖電機的行走步數。

（6）設置靈敏度功能：將原有值數替換成指令對應的⊿值數。

（7）設置速度：該項功能主要是將現行速度值替換成指令所對應的速度值。以新的速度執行各項運動控制指令。

（8）復位功能：將電機單方向轉動進行控制，直到其移動到限位，清零內部位置坐標計數器，之后將會復位碼進行回送。在整個程序流程當中，串行口的中斷自始至終都處于開放狀態。這樣能夠及時響應上級發出的指令。

5.結束語

綜上所述，此次研究主要是在激光數控切割機上實行，其啟動速度最高能夠達到每分鐘4米，并且其靈敏度能夠在15？m-127？m內進行調節。該激光數控切割機的加工速度最高能夠達到每分鐘6米，這樣就可以對小于30°的坡度進行跟蹤。在探討分析激光數控切割中的高度自動跟隨控制時，首先需要全面了解高度自動跟隨系統的主要內容和基本工作原理，之后需要進行高度檢測，實現該系統的實時運動控制，除此之外還探討分析了單片機NC接口，全面研究單片機NC接口的各項功能，希望通過以上研究能夠為相關人員提供參考性價值。

參考文獻：

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