一种毫米级间隙随动控制方法与装置的制造方法
【专利说明】一种毫米级间隙随动控制方法与装置
[0001] ( - )技术领域 本发明属于精密机械运动控制技术领域，特别涉及一种毫米级间隙随动控制方法与装 置。
[0002] (二)【背景技术】 在激光切割和等离子切割等特种加工过程中，需要切割头与板材之间始终保持一定的 间隙值(典型范围为1mm~3mm):受机架振动和板材自身凹凸不平的影响，切割头与板材之 间的间隙会时刻发生变化，间隙值过小会烧毁板材，间隙值过大则聚光能量不足。
[0003] (三)
【发明内容】
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种毫米级间隙随动控制方法与装置，可使 等离子切割头或激光切割头在运动过程中，能够以设定的间隙悬浮在凹凸不平的板材之 上，提尚了控制精度。
[0004] 本发明是通过如下技术方案实现的： 一种毫米级间隙随动控制装置，包括板材和悬浮于板材上的切割头，其特征是:所述切 割头安装于滚珠丝杠滑台上，滚珠丝杠滑台与伺服电机相连接，伺服电机与MCU控制器相连 接，切割头与板材之间通过电容检测电路与MCU控制器相连接。
[0005] 所述伺服电机与Μ⑶控制器之间连接设有伺服电机驱动器。
[0006] 所述Μ⑶控制器通过RS-485接口与工控机连接进行通信。
[0007 ] -种毫米级间隙随动控制方法，其特征是:包括以下步骤： (1) 、切割头与板材之间构成等效平行板电容，测量其等效电容值，其等效电容值的表 达式为：
式中A分别为相对介电常数、绝对介电常数和相对面积，d为切 割头与板材之间的间隙值；
(2) 、进行电容值与间隙值的标定：用点动的方法控制滚珠丝杠滑台的运动，带动切割 头贴在板材上，此时间隙d=0,电容C的示数为4.096pF，控制滚珠丝杠滑台提升若干次不 同的距离，记录下每次的电容值，根据每次的电容值进行曲线拟合，得到C-d之间的对应关 系，根据测量得到的电容值得出间隙值； (3) 、计算第k时刻的间隙误差，其表达式为 式中，Set为间 隙设定值，Measure (k)为d的实际测量值； (4) 、计算得出脉冲信号频率，其表达式为：
，式中， 句为Μ⑶控制器发出的脉冲信号频率，KpMd分别为比例环节、积分环节和微分环 节系数； (5) 、Pul(k)的大小对应伺服电机的转速，伺服电机的转向则由值确定：在土 0.1mm的跟随精度内，伺服电机停止转动；若大于+0.1mm，则伺服电机正向转动；若小于-0· 1mm，则伺服电机反向转动。
[0008] 优选的，在步骤（1)中，对测量得到的电容值以平滑滤波的方式采用迭代运算进行 滤波处理。
[0009] 优选的，在步骤(2)中，控制滚珠丝杠滑台提升五次不同的距离，每次提升0.5mm。
[0010] 本发明的有益效果是:通过对0.范围的微小间隙的在线测量与反馈控制， 使得等离子切割头或激光切割头在运动过程中，能够以设定的间隙悬浮在凹凸不平的板材 之上，间隙动态保持精度可达i〇. 1mm，最大跟随速度达l〇〇mm/s，保证了切割质量，提高了生 产效率。
[0011](四）【附图说明】 下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0012]附图1为本发明的结构示意图； 附图2为本发明的控制器电路图； 图中，1板材，2切割头，3滚珠丝杠滑台，4伺服电机，5MCU控制器，6电容检测电路，7伺服 电机驱动器，8工控机。
[0013](五）【具体实施方式】 附图为本发明的一种具体实施例。该实施例包括板材1和悬浮于板材1上的切割头2,切 割头2安装于滚珠丝杠滑台3上，滚珠丝杠滑台3与伺服电机4相连接，伺服电机4与MCU控制 器5相连接，切割头2与板材1之间通过电容检测电路6与MCU控制器5相连接。伺服电机4与 MCU控制器5之间连接设有伺服电机驱动器7 j⑶控制器5通过RS-485接口与工控机8连接进 行通信。
[0014]采用本发明的毫米级间隙随动控制方法与装置，选用电容测量的方法，通过标定 其分辨率可达〇.01mm，受环境电磁干扰较小。切割头2与板材1之间构成等效平行板电容，其 等效电容值的表达式为
式中A分别为相对介电常数、绝对介电常数和相对面积;d为间隙值，显然间隙 值越大，电容值越小。
[0015]通过实验发现：在〇.5mm-3mm的间隙范围内，该电容值为pF级，故难以用传统的 555芯片测量。如果采用分离式元器件搭建电容测量电路，则旁路电容，分布电容的影响较 大。为此，我们采用数字式电容转换器（CDC)的方案：采用美国ADI公司的CDC集成芯片 AD7746与国产STC12高速单片机来实现电容值的测量，AD7746与STC12通过IIC总线连接， 上拉电阻为2.2K欧姆。
[0016] STC12对AD7746的寄存器配置关键步骤如下：（1)、使能与单端通道设置:通过对 0x07地址对应的寄存器写入0x81来实现。（2)、激励端和激励电压设置:通过对0x09地址对 应的寄存器写入0x2B来实现（3)、数据更新率的设置:通过对OxOA地址对应的寄存器写入 0x89来实现83.8Hz的采样频率。（4)、量程设置:通过对ΟχΟΒ地址对应的寄存器写入4.096来 设置最大量程为4.096pF(切割头贴在金属板材上的工况）。（5)、数据的写入与读取遵循IIC 通信的时序规范。
[0017] 微控制器Μ⑶采用44pins贴片封装的STC12单片机，与普通的51单片机相比，运行 速度大大提高。由间隙值变化引起的电容值C的变换由CDC集成芯片AD7746采集，电容的两 端分别连接到AD7746的EXCB引脚和CIN(+)引脚。STC12与AD7746通过IIC总线连接，SCL时钟 线和SDA数据线均通过2.2K欧姆的电阻上拉。STC12采用5V直流电源供电，其中C7为滤波电 容，AMS1117-3.3将5V电压稳定到3.3V为AD7746供电。其中，PUL，DIR，ENA三路控制信号用 于连接伺服电机或者步进电机的驱动器。J2端口用于程序下载