一种正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统与控制方法技术方案

一种正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，包括：间隙调节机构，与切割头连接，包括电机，用于调节切割头与待切割板材之间的间隙；电容检测电路，具有输入端和输出端，用于测量切割头与待切割板材之间的电容值并通过输出端发送出去；驱动器，与间隙调节结构连接，用于直接驱动该间隙调节机构；以及控制器，与驱动器和电容检测电路连接，接收从输出端发送来的电容值，将该电容值与设定值进行比较处理后得出控制信号，并发出该控制信号来控制驱动器，其中，输入端具有两根导线，分别与切割头、待切割板材连接。通过PID负反馈控制，可在线调节间隙调节机构的运动速度和运动方向，进而实时控制切割头与板材之间的间隙值。整个系统受到外界的电磁干扰小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于精密机械运动控制领域。
技术介绍
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)，这是因为间隙值过小会烧毁板材，间隙值过大则聚光能量不足。要实现毫米级间隙值的随动，必须保证间隙值的测量分辨率达到0.1mm：就现有的微小间隙工业测量方法来看，激光测距和超声波测距的分辨率在1mm左右，不能满足要求；电涡流位移传感器的分辨率可以高于0.1mm但是受现场电磁干扰较大。
技术实现思路
本专利技术为解决上述问题，提出了一种正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统与控制方法，用于控制切割头与待切割板材之间的间隙。一种正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，用于测量并控制切割头与待切割板材之间的间隙值，并控制该间隙值处于设定值，其特征在于，包括：间隙调节机构，与切割头连接，包括电机，用于调节切割头与待切割板材之间的间隙；电容检测电路，具有输入端和输出端，用于测量切割头与待切割板材之间的电容值并通过输出端发送出去；驱动器，与间隙调节结构连接，用于直接驱动该间隙调节机构；以及控制器，与驱动器和电容检测电路连接，接收从输出端发送来的电容值，将该电容值与设定值进行比较处理后得出控制信号，并发出该控制信号来控制驱动器，其中，输入端具有两根导线，分别与切割头、待切割板材连接。本专利技术提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，还可以具有这样的特征，其特征在于还包括：参数设定与监控单元，与控制器连接，用于设定预定数值，并实时获取电容值并转换为间隙值进行显示。本专利技术提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，间隙调节机构还包括滚珠丝杠滑台，电机为伺服电机，伺服电机与驱动器连接，滚珠丝杠滑台与伺服电机、切割头直接连接，驱动器驱动伺服电机带动滚珠丝杠滑台动作从而调节切割头与待切割板材之间的间隙值。本专利技术提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，控制器为MCU控制器。本专利技术提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，控制器为采用PID负反馈控制原理。本专利技术提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，还可以具有这样的特征，其特征在于：其其中，参数设定与监控单元为工控机。本专利技术提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，电容检测电路还包括与电容检测转换芯片相连的STC12高速单片机芯片。本专利技术提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，电容检测电路还包括与电容检测转换芯片相连的STC12高速单片机芯片。本专利技术还提供一种根据上述的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，设第k时刻的间隙误差error(k)为：error(k)＝Set-Measure(k)(1)(1)式中，Set为间隙设定值，Measure(k)为实际测量值；步骤二，控制器的控制律表达式为：Pul(k)＝Kp·[err(k)-err(k-1)]+Ki·err(k)+Kd[err(k)-2err(k-1)+err(k-2)](2)(2)式中，Pul(k)为控制器发出的脉冲信号频率，它与间隙调节机构的运动速度成正比，Kp，Ki，Kd分别为比例环节系数、积分环节系数和微分环节系数；步骤三，驱动器根据Pul(k)的大小对应计算出电机的转速，该电机的转向由error(k)值确定：当误差在正负十分之一毫米内的时候，电机停止转动，转速为零，否则根据偏差的正负进行转向的反向切换；步骤四，间隙调节机构根据的电机根据步骤三中得到的转速来运转，调节切割头与待切割板材之间的间隙。专利技术作用与效果根据本专利技术提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，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，通过PID负反馈控制，可在线调节间隙调节机构的运动速度和运动方向，进而实时控制切割头与板材之间的间隙值。整个系统受到外界的电磁干扰小。由于切割头和被切割的板材作为电容的两个电极板，无需设置电极板，不仅减化了机构，而且还能够减小因为额外设置电极板对电容值与间隙值之间对应关系的影响。附图说明图1是本专利技术提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统的系统框图；图2是本专利技术提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统的电路图；以及图3是本专利技术的实验运行结果截图。具体实施方式为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本专利技术的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统的原理、使用步骤、技术效果作具体阐述。实施例图1是本专利技术提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统的系统框图。如图1所示，正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统包括。间隙调节机构，与等离子切割头或激光切割头连接，用于调节切割头与待切割板材之间的间隙，包括伺服电机和滚珠丝杠滑台。滚珠丝杠滑台和切割头连接，用于直接驱动切割头进行运动，从而调整切割头与板材之间的间隙。图2是本专利技术提供的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统的电路图。电容检测电路，具有输入端和输出端，用于测量切割头与待切割板材之间的电容值并通过输出端发送出去，其中，输入端具有两根导线，分别与切割头、待切割板材连接，用于采集切割头和板材之间的电容值。如图1、2所示，切割头与板材之间构成等效平行板电容，其等效电容值的表达式为：式中，εr，ε0，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。通过实验发现:在0.1mm-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动态测量。AD7746与STC12通过IIC总线连接，上拉电阻为2.2K欧姆，测量电路如图2所示：由间隙值变化引起的电容值C的变换由CDC芯片AD7746采集；电容的两端分别连接到AD7746的EXCB引脚(J2)和CIN(+)(J1)引脚；SCL时钟线和SDA数据线通过4.7K欧姆的电阻上拉。此外，采用LM7805三端稳压集成电路为系统提供稳定的5V工作电源；J3为程序下载端口，J4为伺服电机控制信号输出端口。STC12对AD7746的寄存器配置关键步骤如下：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。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。数据更新率的设置。通过对0x0A地址对应的寄存器写入0x89来实现83.8Hz的采样频率。量程设置。通过对0x0B地址对应的寄存器写入4.096来设置最大量程为4.096pF(割头贴在金属板上的工况)。数据的写入与读取遵循IIC通信的时序规范。伺服电机驱动器，与间隙调节结构的伺服电机连接，用于直接驱动该间隙调节机构的伺服电机。控制器，与伺服电机驱动器和电容检测电路连接，接收从输出端发送来的电容值，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，用于测量并控制切割头与待切割板材之间的间隙值，并控制该间隙值处于设定值，其特征在于，包括：间隙调节机构，与所述切割头连接，包括电机，用于调节所述切割头与所述待切割板材之间的间隙；电容检测电路，具有输入端和输出端，用于测量所述切割头与所述待切割板材之间的电容值并通过所述输出端发送出去；驱动器，与所述间隙调节结构连接，用于直接驱动该间隙调节机构；以及控制器，与所述驱动器和所述电容检测电路连接，接收从所述输出端发送来的电容值，将该电容值与所述设定值进行比较处理后得出控制信号，并发出该控制信号来控制所述驱动器，其中，所述输入端具有两根导线，分别与所述切割头、所述待切割板材连接。

【技术特征摘要】
1.一种正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，用于测量并控制切割头与待切割板材之间的间隙值，并控制该间隙值处于设定值，其特征在于，包括：间隙调节机构，与所述切割头连接，包括电机，用于调节所述切割头与所述待切割板材之间的间隙；电容检测电路，具有输入端和输出端，用于测量所述切割头与所述待切割板材之间的电容值并通过所述输出端发送出去；驱动器，与所述间隙调节结构连接，用于直接驱动该间隙调节机构；以及控制器，与所述驱动器和所述电容检测电路连接，接收从所述输出端发送来的电容值，将该电容值与所述设定值进行比较处理后得出控制信号，并发出该控制信号来控制所述驱动器，其中，所述输入端具有两根导线，分别与所述切割头、所述待切割板材连接。2.根据权利要求1所述的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，其特征在于，还包括：参数设定与监控单元，与所述控制器连接，用于设定所述预定数值，并实时获取所述电容值并转换为间隙值进行显示。3.根据权利要求2所述的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，其特征在于：其中，所述间隙调节机构还包括滚珠丝杠滑台，所述电机为伺服电机，所述伺服电机与所述驱动器连接，所述滚珠丝杠滑台与所述伺服电机、所述切割头直接连接，所述驱动器驱动所述伺服电机带动所述滚珠丝杠滑台动作从而调节所述切割头与所述待切割板材之间的间隙值。4.根据权利要求1所述的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，其特征在于：其中，所述控制器为MCU控制器。5.根据权利要求1所述的正负十分之一毫米级间隙动态测量控制系统，其特征在于：其中，所述控制器为采...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙玉国，孙瑞熙，王志昊，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31