激光数控切割中的高度自动跟随控制

刘里吉

摘要：本文主要是探讨分析激光数控切割中的高度自动跟随控制。全面分析该系统组成。跟踪控制策略和传感器工作。在此基础之上分析系统软件流程图和硬件流程图。希望能够为相关技术人员提供参考性价值。

关键词：激光数控切割；高度自动跟随控制

高度自动跟随在激光数控切割当中占据重要性位置，激光焦点在工件上的位置一致性和准确性在较大程度上对切割质量产生影响。国内外都是使用电容高度跟踪技术，该种跟踪技术与氧焰切割虽然在本质上相同，但是在处理信号方面却存在较大的差异性。激光主要是借助于电容高度跟随的电容信号进行处理，只要是应用微处理器数字控制，采集以及补偿等技术，与传统的模数电路信号处理技术相比较，该项技术能够在较大程度上改善响应向和精度性等。

1.简述高度自动跟随系统

高度自动跟随系统都具备同样的问题，就是如何能够更好地与控制器之间进行配合。现阶段，市场当中的激光电容高度自动跟随系统在实际工作期间都是独立存在的，并且只能提供与数控之间的接口。这就导致激光切割机在实际应用期间需要处理较多问题，主要表现在：（1）在切割机当中的切割程序当中如何进行高度自动跟随的自动开启，是否能够自定义设置自动跟随的高度。（2）在实际切割操作当中，怎样能够实现调高器和数控器不在同一时间内进行操作，在切割期间如何只开启数控器的操作。（3）针对调高器与数控器之间的信号连接方式如何进行简化。为了全面确保解决以上问题，需要将激光高度跟随系统进行内部设置，需要使激光高度随着系统一起向数控器发射高度信号，以及碰枪时自动抬枪动作，自动跟随功能。手动升降控制以及跟随速度控制等都能够借助于数控器实现。需要摒弃激光高度自动跟随系统当中的数控信号接口和电机控制方式等。该种方式在较大程度上能够对调高器和数控器进行高度集成化作用。这样能够更加简洁，方便地设计激光数控切割机的高度控制。

使用内置方式的高度跟随系统，能够实现与高度控制的各项功能，比如蛙跳运动，在数控切割机当中进行“蛙跳”选项设置之后，其主要的程序形式如下：

此次研究当中的“蛙跳”方法主要是按照參数调节型进行设置，按照数控器功能，能够在此基础之上设计智能化的“蛙跳”方式：首先，理想“蛙跳”，在下个起割点跳到穿孔高度，如图2所示；其次，过长“蛙跳”，在下个起割点时没有下降到穿孔高度，如图3所示；最后就是过短蛙跳：没有到下个起割点之前已经下降到穿孔高度，如图4所示。

如果在实际切割期间出现图3情况，将会导致切割失败情况。图4情况若随动功能比较良好，则不会出现严重的后果。

2.高度检测

传感器当中能够进行高度检测的种类有很多，主要表现在光电式，电容式，电感式以及电阻式风。在以上传感器种类当中，理想化选择就是给非接触式电容传感器。然而，因为激光切割机在实际加工期间涉及到较多种类的材料，并且这些材料之间存在不相同的厚度，有些材料的厚度只有1毫米，有些材料的厚度已经达到几百毫米。电容传感器对接电常数存在较大的敏感性，这就使其无法全面包容所有的材料种类。其次，激光切割机在实际加工期间，会相应改变切割工具周边环境的温度，特别表现在被加工材料方面，在加工期间会持续提升其表面温度，然而电容传感器当中的敏感部位无法远离材料表面，这就导致传感器在实际工作期间会受到过高温度的影响，无法在有效时间内完成工作。分析传感器的实用价值，在实际使用期间可以选择差动电感式位移传感器，该传感器的主要工作原理如下图所示：在初级线圈L1主要是受到正弦信号的激励出现交变磁场，这样就会与差动方式的次级线圈相连接，导致次级线圈感应到相同频率的电压信号，并且活动磁芯位置与电压信号幅值之间存在线性关系。之后将电压限号经过滤波，相敏解调以及电压跟随之后，就能够获得与磁芯位置移动之间形成正比的直流电压输出。如果磁芯位置在中心地点时，其直流电压输出值为0；如果磁芯位置在中心以上时，其直流电压输出值为正；如果磁芯位置在中心以下时，其直流电压输出值为负。差动电感式位移传感器具有良好地线性和分辨率，并且在1毫米量程之内，其分辨率能够达到0.01μm，其线性度能够达到0.56%左右，这样能够全面满足实际应用的标准要求。

3.实时运动控制

在上文已经分析了，如果位移情况是由步进电机提供动力来源，高度跟踪系统针对步进电机的要求主要是，不仅需要满足跟踪精度的分辨率，还需要确保其启动频率。这样才能全面确保其符合实时性的要求。启动频率能够对驱动电源的性能产生较大的影响。所以在选择驱动电源时需要选择具有良好启动特性的该地高低压驱动电源。

需要科学选择高度跟踪系统的灵敏度指标，如果其具有较低的灵敏度，将会导致其无法展现出明显的跟踪效果。如果其具有较高的灵敏度，将会严重影响机械的使用期限和加工精度等。其次，如果高度跟踪系统的灵敏度过低，将会在较大程度上提升加工开始前期的调焦工作。在实际工作期间，而且为了确保高度跟踪系统的灵敏度，需要使用“死区”的bany-bang控制来对材料表面粗糙度进行过滤处理，避免其对实际工作产生波动影响。在此期间需要将高度参考值设置为Xa，将反馈值设置为Xb，将⊿设置为大于0的常数，此时，对步进电机转动步数的脉冲数A进行控制时就能够通过下式进行确定：

4.单片机NC接口

为了能够符合较多控制方式的要求，此次研究主要是以单片机为前提设计NC接口。如下图所示。在图中，ADC0804属于8位模数转换器，其模拟输入端 —— ，其能够接受0-5V的模拟信号，之后还需要加上外部电路，使其能够在VIN—AGND端接受-15V—+15V的模拟信号，并且将其应用在高度传感器出的输出电压上进行匹配。在单片机8031的P1口对驱动电源进行相应的控制，并且使其各相脉冲信号进行关断或者相通，之后由软件对各相开通的顺序以及开关频率进行控制。将T0和T1脚接到限位开关处，借助于高度自动跟随系统当中的软件查询功能对限位信号进行检测。异步通讯口TXD和RXD与NC之间的通信主要是依靠全双工方式实现，由NC发出的指令主要是由接口板进行接收，之后进行命令动作，将所需要的数据信息进行反馈，接口板的功能主要表现在以下方面：

（1）应答—回送口令，等待命令，NC通过应答—回送口令对该部分的工作状态进行判断；

（2）手动控制。该功能主要是对现行速度运行状态以及方向给予指令，直至接收到限位命令或者停止命令。

（3）自动跟踪功能：主要的参考点为传感器零位，将提前设置的⊿值作为偏移量，这样能够建立跟踪死区。之后需要对传感器的反馈值进行检测，如果其反馈值在死区范围紫外。，需要将驱动步进电机朝着一定的方向进行移动，这样能够使高度反馈值存在于该死区范围之内。

（4）回送坐标值功能：该功能主要是将切割工具的实际位置以及复位点的坐标值回送到NC，依靠BCD码的形式实现。

（5）手摇控制功能：主要是借助于手摇脉冲发生器传输的方向信号和脉冲信号。对步进电机的转动情况进行控制，此次主要是可以選择三个档位，这样能够一一脉冲电机的行走步数。

（6）设置灵敏度功能：将原有值数替换成指令对应的⊿值数。

（7）设置速度：该项功能主要是将现行速度值替换成指令所对应的速度值。以新的速度执行各项运动控制指令。

（8）复位功能：将电机单方向转动进行控制，直到其移动到限位，清零内部位置坐标计数器，之后将会复位码进行回送。在整个程序流程当中，串行口的中断自始至终都处于开放状态。这样能够及时响应上级发出的指令。

5.结束语

综上所述，此次研究主要是在激光数控切割机上实行，其启动速度最高能够达到每分钟4米，并且其灵敏度能够在15？m-127？m内进行调节。该激光数控切割机的加工速度最高能够达到每分钟6米，这样就可以对小于30°的坡度进行跟踪。在探讨分析激光数控切割中的高度自动跟随控制时，首先需要全面了解高度自动跟随系统的主要内容和基本工作原理，之后需要进行高度检测，实现该系统的实时运动控制，除此之外还探讨分析了单片机NC接口，全面研究单片机NC接口的各项功能，希望通过以上研究能够为相关人员提供参考性价值。

参考文献：

[1]张庆力，侯贺启，王明周，等.基于数控技术的激光曲面淬火运动轨迹的控制研究[J].现代机械，2017，18（05）：7-9.

[2]宋硕.激光数控切割技术在铁路货车钣金制造的应用和展望[J].金属加工（冷加工），2016，26（S1）：749-751.