CN102218751A - 智能跟踪台板平面的裁割头及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能跟踪台板平面的裁割头及其控制方法，该智能跟踪台板平面的裁割头通过滑块设置在导轨上，滑块上设置有机头架，机头架顶部设置有电机，其特点是：滑块上还设置有自动跟踪控制器，所述的机头架内设置有由电机控制上下滑动的升降块，升降块上固定有刀座部件和激光位移传感器，自动跟踪控制器分别与电机和激光位移传感器连接。本发明把机械平面度问题通过电气控制的方法得以解决，实现裁割头的智能化，提高切割稳定性，降低成本，增强半刀切割功能，可用于所有大幅面切割设备上实现工作台面的自动跟踪。

Description

智能跟踪台板平面的裁割头及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种智能跟踪台板平面的裁割头及其控制方法，适用于所有对平面度有较高要求的机电设备，尤其在较大的幅面范围内，能保证裁割喷绘设备工作端头相对设备台面的精确距离。

背景技术

针对当前国内外大幅面的裁剪喷绘设备，面对的台板平面度问题，主要采用了机械调整和笨重的焊接框架来保证，平面度机械调整技术难度高，且容易在运输振动情况下发生平面度偏差，会导致在高起位置切割台板，在低下位置切割不到材料的问题，直接导致台板损坏或卡死电机产生丢步错位，伺服电机过流报错，容易切坏材料，造成浪费或影响生产时间。为解决根本问题有些厂家采用了气缸浮动落刀，或电磁铁浮动落刀技术，从一定程度对台面不平度要求有所降低，相当于直接切割台板，虽然不会卡死电机产生报错，但是台面的使用寿命大大降低，且相对切割阻力增加，额外需要更大功率的电机相匹配，也产生了能源浪费，更重要的是在有半刀深度切割要求的情况，这种方式也无法获得满意的使用效果。

专利号200720085670.3，专利名称为“具有自动跟踪功能的数控激光切割机高度传感装置”中公开了一种测高传感器的机械结构，这仅仅是跟踪平面控制多个环节中一个环节的一种情况下的一个局部零件，即电容传感器端头的机械构件。在自动跟踪控制过程中采用接触式的电容传感器存在几方面的问题：第一，他属于接触式测量的一种，在喷绘设备中，这将直接导致喷墨在未干化前被触碰而散开，无论在单色或彩色喷绘都是要绝对禁止的。另外在切割有粘度的材料或比较细嫩的材料过程中，这种接触式摩擦过程，都将对材料本身带来损伤或对材料吸附提出更高的要求，否则材料会与接触式端头粘和一起被带着走动。第二，该现有技术中没有公开切割头相应的控制方法，例如误差位移量转换为控制信号的数据量的过程，完全没有给出实现方法，即电容的变化转换为模拟电压量或数字信号量后输出跟踪控制的过程，而在实际应用过程中这个环节是决定实用性的基础；在检测到位移变化后，后续处理过程如数字滤波，参考量比较、误差量生成、电机脉冲信号生成等等更多控制过程没有涉及，而这些都是使裁割头智能跟踪台板平面所不可缺少的。虽然现有技术中有关于激光位移传感器的技术公开，但是将激光位移传感器用于裁割喷绘设备，并与自动跟踪控制器配合，通过的专用的控制方法智能跟踪台板平面，现有技术中还未见公开也不是本领域技术人员的公知常识。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的不足而提供一种非接触式的智能跟踪台板平面的裁割头及其控制方法，以解决大幅面柔性材料切割机工作台板机械平面度问题，旨在实现刀具能够跟随台面高低起伏自动调节刀具空间高度，保持刀具相对台面的位移在设定精度内，把机械平面度问题通过电气控制的方法得以解决，实现裁割头的智能化，提高切割稳定性，降低成本，增强半刀切割功能，本发明可用于所有大幅面切割设备上实现工作台面的自动跟踪。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：该智能跟踪台板平面的裁割头通过滑块设置在导轨上，滑块上设置有机头架，机头架顶部设置有电机，其特点是：滑块上还设置有自动跟踪控制器，所述的机头架内设置有由电机控制上下滑动的升降块，升降块上固定有刀座部件和激光位移传感器，自动跟踪控制器分别与电机和激光位移传感器连接。本发明采用非接触式的激光位移传感器，避免了对台板平面上未干化的喷墨的破坏，同时对台板材料的要求比较低，适用于各种材料，应用广泛。

本发明所述的电机输出端与丝杠连接，丝杠居中设置在机头架上，机头架上丝杠左右两侧分别等距设置有一个线性轴承光轴，升降块套装在线性轴承光轴和丝杠上，升降块与线性轴承光轴之间设置有线性轴承滑套。本发明中电机通过丝杠、线性轴承光轴、线性轴承滑套来带动升降快的上下运动，丝杠居中设置，丝杠两侧等距设置有线性轴承光轴，使得升降块的升降更加平稳。采用这种结构的好处是实现大的减速比，选用更小的z向电机获得需要的切割垂直压力，另外抬落刀的幅度更宽，对于切割较厚的材料及避免空行程时刀具挂到材料都更为有利，电机旋转角与垂直落刀量建立了线性关系，即电机旋转角与垂直落刀量线性关系，对台面自动跟踪更高精度控制提供了方便。

本发明所述的自动跟踪控制器包括位移传感器模拟量信号的输入端口，全刀和半刀开关量输入端口，串口命令输入端口，4键输入端口以及电机方向输出端口、电机脉冲控制输出端口，串口数据输出端口，8位数码管输出端口，自动跟踪控制器上还设置有EEPROM存储器和模数转换器。本发明所述的自动跟踪控制器专注于大幅面工作台板平面度跟踪控制，通过激光位移传感器，自动跟踪控制器，电机，共同构成全闭环***，EEPROM存储器用于存储跟踪控制参数，模数转换器用于把位移传感器的模拟量信号转换为数字量信号，不存在复杂的PID调节，误差量直接对应补偿输出量，不容易产生振荡。直接全刀半刀开关量，接口简单，在对数据线要求更少的情况下，也可以通过串口发送抬落刀命令，更能在线路走线数量受限情况下提供方便。

本发明所述的刀具部件包括刀具安装板、刀具安装帽、刀座和刀尖，刀具安装板固定在升降块上，刀尖设置在刀具安装帽内，刀具安装帽与刀座连接，刀座设置在刀具安装板内。本发明所述的刀具部件随着升降块整体上下移动，刀座安装帽方便刀尖的固定安装，刀座、刀具安装帽和刀尖可以拆卸更换，操作方便。

本发明所述的EEPROM存储器和模数转换器可以是嵌入式集成设置在自动跟踪控制器上，也可以是独立的EEPROM存储器和独立的模数转换器连接在自动跟踪控制器上。本发明优选嵌入式集成的自动跟踪控制器，使得整体结构更为紧凑简单。

本发明还提供了该智能跟踪台板平面的裁割头的控制方法，本发明所述的自动跟踪控制器中设置并储存有基准平面值、全刀给定值、半刀给定值、采样周期、电机运行周期、最小动作误差设定量和输出补偿倍率，基准平面值映射在抬刀或落刀命令下一次性移动的距离，跟踪采样动作在刀具移动过基准面距离后开始工作，全刀给定值和半刀给定值均与刀具部件下落深度量对应，自动跟踪控制器接到落刀命令后，首先按照基准平面值执行落刀动作，然后按照全刀给定值或半刀给定值进行跟踪控制，通过激光位移传感器定时检测台面高度变化量，在设置的采样周期内，连续取检测值6次，去掉最大值和最小值后，把4次检测值取平均值，得到台面高度变化量的有效检测值，将该台面高度变化量的有效检测值与最小动作误差设定量进行比较，如果有效检测值小于最小动作误差设定量，电机不动，随即重复上述的检测台面高度变化量过程，如果有效检测值大于最小动作误差设定量，则停止检测台面高度变化量，在电机运行周期内，电机启动并按照输出补偿倍率带动升降块向上或向下运动，对当前刀具部件相对于基准平面值的误差量进行补偿，补偿完成后电机停止，随即重复上述的检测台面高度变化量过程。这种优化后的处理方法，大大提高了跟踪控制的精度和稳定性，同时降低了对CPU处理器运算速度的要求，从而选择更加廉价的处理器即可满足使用要求，在实用方案中采用了20MHZ时钟频率，单指令执行周期50ns的CPU，可满足2ms时间内完成1次跟踪补偿动作，实际应用证明完全满足台面平面度0.1mm的要求。在采样周期内通过定时采样6次，去掉最大值和最小值，其余4次取平均值的方法，保证了采样数据的可靠，避免了各种电磁信号的干扰，以及台面切割后的刀痕对检测值的影响，使得动作更稳定。在进行最小动作误差设定量比较时，当台面高度变化量的有效检测值小于最小动作误差设定量时，不执行跟踪动作，重新开始采样，提高跟踪效率及准确性。本发明采用了优化的处理算法，即台面高度补偿量等于电机补偿脉冲量，等于误差量乘于减速比倍率，相对通用PID控制方法，效率更高，稳定性更好，不容易产生振荡，通过专用于台面跟踪一步求解的方法，效率及精度实际应用中取得了良好效果。

本发明所述的基准平面值、全刀给定值、半刀给定值、采样周期、电机运行周期、最小动作误差设定量和输出补偿倍率通过自动跟踪控制器上的4键输入端口或串口命令输入端口输入，上述参数保存在自动跟踪控制器的EEPROM存储器中。本发明为了直接应用于现有切割设备当中，而无需进行电气及机械的重新设计考虑，采用4键输入方法可方便实现直接的应用。操作灵活，通过串通信的方式可以减少拖链中走线数量，实现上位机直接设置控制参数，形成一体化的设计，更为智能和方便。

本发明所述的刀具部件抬刀落刀落命令通过自动跟踪控制器上的全刀和半刀开关量输入端口或串口命令输入端口输入。该输入方法的好处是可直接应用于现有切割设备当中，而无需进行电气及机械的重新设计考虑，采用全刀和半刀开关量输入端口方法可方便实现直接的应用。操作灵活，通过串行通信的方式可以减少拖链中走线数量，仅3线实现上位机直接设置控制参数和控制全部刀具抬落，形成一体化的设计，更为智能和方便。

本发明所述的激光位移传感器送出的模拟量信号是0v~5v的电压信号，分别对应台面上切割材料基准平面低位-2mm~高位+2mm，该模拟量信号通过自动跟踪控制器上的位移传感器模拟量信号的输入端口输入，并经过自动跟踪控制器上的模数转换器转换成数字信号。

本发明所述的补偿过程中，通过自动跟踪控制器上的电机方向输出端口和电机脉冲控制输出端口输出控制电机补偿方向和补偿距离。

本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明控制精度高，速度快，专用性，成本低，实现了嵌入式微处理控制器在大幅面切割机台面跟踪应用，彻底改变切割机机械台面通过厚重焊接框架，需要时效处理后精加工，最后再进行复杂调节平面，生产成本高，生产效率低，不方便运输，在振动后平面度不稳定；本发明从而降低生产成本，生产周期，提高切割机稳定性及切割精度，这是电子计算技术补偿机械局限性的一次体现。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明电路原理方框图。

图3为本发明自动跟踪控制器原理方框图。

图4为本发明控制方法流程图。

具体实施方式

参见图1、图2，本发明包括自动跟踪控制器1、电机2、线性轴承滑套3、丝杠4、激光位移传感器7、刀座10、刀具安装帽11、刀尖12、刀座安装板13、机头架14、线性轴承光轴15、升降块16、滑块17、导轨18和电机安装座19。

滑块17设置在导轨18上，滑块17上设置有机头架14和自动跟踪控制器1，机头架14顶部设置有电机2，所述的机头架14内设置有由电机2控制上下滑动的升降块16，电机2输出端与丝杠4连接，丝杠4设置在机头架14上，机头架14上丝杠4左右两侧分别设置有一个线性轴承光轴15，升降块17套装在线性轴承光轴15和丝杠4上，升降块16与线性轴承光轴15之间设置有线性轴承滑套3。升降块16上固定有刀座部件Ⅰ和激光位移传感器7，自动跟踪控制器1分别与电机2和激光位移传感器7电路连接。所述的刀座部件Ⅰ包括刀具安装板13、刀具安装帽11、刀座10和刀尖12，刀具安装板13固定在升降块16上，刀尖12设置在刀具安装帽11内，刀具安装帽11与刀座10连接，刀座10设置在刀具安装板13内。

参见图3，本发明所述的自动跟踪控制器1包括位移传感器模拟量信号的输入端口，全刀和半刀开关量输入端口，串口命令输入端口，4键输入端口以及电机方向输出端口、电机脉冲控制输出端口，串口数据输出端口，8位数码管输出端口，自动跟踪控制器上还设置有EEPROM存储器和模数转换器。所述的EEPROM存储器和模数转换器可以是嵌入式集成设置在自动跟踪控制器上，也可以是独立的EEPROM存储器和独立的模数转换器连接在自动跟踪控制器上。

参见图4，所述的自动跟踪控制器1中通过4键输入端口或串口命令输入端口输入基准平面值、全刀给定值、半刀给定值、采样周期、电机运行周期、最小动作误差设定量和输出补偿倍率，这些数据储存在EEPROM存储器中。全刀给定值和半刀给定值均与刀具部件下落深度量对应，随机在0-255范围内取值，分别对应刀具微调跟踪量+2mm到-2mm范围深度，激光位移传感器7送出的模拟量信号是0v-5v的电压信号，对应台面低位-2mm和高位+2mm，该模拟量信号通过位移传感器模拟量信号的输入端口输入，并经过模数转换器转换成数字信号。基准平面值作为机械原点位置实际值在装机调试中给出，并根据实际机械安装的台面高度情况进行机械调整或粗粒度调整。自动跟踪控制器1通过全刀和半刀开关量输入端口或串口命令输入端口接到落刀命令后，首先按照全刀给定值或半刀给定值执行落刀动作，并通过激光位移传感器7定时检测台面高度变化量。为解决实际应用当中遇到的各种电磁信号的干扰，以及台面切割后的刀痕对检测值影响，特加入了数字滤波程序，即在一定时间间隔内连续取检测值6次，忽略最大值和最小值后，把4次检测值取平值，即求和后除4的方法，得到有效检测值，送到下一步处理，这个过程在自动***1中频率为20MHZ的的微控制器当中运行时间约5ms，在裁割头以1米/秒的速度运行的过程中，即在5mm的距离内获得一次有效台面高检测值，通过调整检测时间定时器的频率可以加大或减小有效检测值所在的范围，在实际应用当中在50mm的范围内获得一次台面有效检测值，即完全满足应用要求。

在一次有效检测值取得后，直接进入最小误差比较程序，即把有效检测值和最小动作误差设定量进行比较，如果有效检测值小于最小动作误差设定量，即台面的高度变化在理想的变化范围内，电机2不进行高度控制，不作无用的控制动作从而节约时间、提高工作效率，随即激光位移传感器7再次按照上述过程检测台面高度变化量，如果检测值大于最小动作误差设定量，则停止检测台面高度变化量，在电机2运行周期内，电机2启动，通过自动跟踪控制器1上的电机方向输出端口和电机脉冲控制输出端口输出控制电机按照补偿倍率带动升降块16向上或向下运动，对当前刀具部件1相对于基准平面值的误差量进行补偿，补偿完成后电机2停止，随即重复上述的检测台面高度变化量过程。这个过程在频率为20MHZ的微控制器当运行时间约5-10ms，即电机转速设为300转/分钟，18度/毫秒，实际应用中最大时间为3毫秒，完成一次误差为10微米的误差值。

自动跟踪控制器1的工作流程如下：开机执行初始化，即全部变量初始化设定量后，进入主循环程序，检测刀具复位标置，如果刀具位置标记为1，则说明刀具已经完成复位可以进行其他处理了，如果刀具复位标记为0，则说明刀具复位没有完成，则打开电机运行时间中断程序，使电机正向旋转，使升降块升起，直到复位光电开关检测到信号为止，复位信号的检测通过最高优先级的外部中断向量进行控制，只要有复位信号上升沿到来，则进入复位中断处理程序，关闭电机运行，把复位标记设置为1，即完成刀具复位工作，为自动跟踪控制创建起始出发位置。在接下来主循环程序中，再次检测复位信号为1时，进入全刀抬落标记判断，刀具抬起状态为0，在开机初化过程设置为0，刀具完成下落处于下落状态时标记为1，在检测到刀具抬落标记为0时，进入刀具下落命令判断，在刀具下落命令到来时，开起电机运行时间中断程序，以正方向旋转电机，旋转角度当量等于预定量，完成落刀后，关闭电机运行定时中断，置刀具落状态标记为1，开起高度检测中断定时器，进行定时采集台面高度值，并在所有采集台面过程前检测抬刀信号的到来，没有抬刀信号到来，才进行高度数据采集，否则执行全刀抬程序。在全刀抬程序当中主要加入抬起量的判断，即在全刀状下抬起或是在半刀状态下抬起，分别加入不同的电机运行脉冲数量，设置电机反转，开电机定时中断，使电机开始运行转动，完成抬刀动作，并设置刀具抬落标记为0，即抬起状态，为后续程序判断做准备。

自动跟踪控制器主功能描述，本控制器优化考虑采用了新型嵌入式处理器STC12C5608AD，自带10位AD转换器，完成激光位移传感自模拟量到数字量转换而无需另增模数转换芯片，带EEPOM存储器，完成设置参数存储，无需另增片外存储器，提高集成化稳定性节省成本上。采用外部中断0，实现刀具复位信号检测，采用串行中断程序，完成刀具抬落命令的接收以及设置参数的接收，采用定时中断1实现刀具抬落电机脉冲信号的产生控制，采用定时中断0，实现定时台面高度检测。使得采样频率可灵活控制，采样操作按需开启或关闭，节约微处理器时间用于其他任务的运行。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种智能跟踪台板平面的裁割头，通过滑块设置在导轨上，滑块上设置有机头架，机头架顶部设置有电机，其特征在于：滑块上还设置有自动跟踪控制器，所述的机头架内设置有由电机控制上下滑动的升降块，升降块上固定有刀座部件和激光位移传感器，自动跟踪控制器分别与电机和激光位移传感器连接。

2.根据权利要求1所述的智能跟踪台板平面的裁割头，其特征在于：所述的电机输出端与丝杠连接，丝杠居中设置在机头架上，机头架上丝杠左右两侧分别等距设置有一个线性轴承光轴，升降块套装在线性轴承光轴和丝杠上，升降块与线性轴承光轴之间设置有线性轴承滑套。

3.根据权利要求1所述的智能跟踪台板平面的裁割头，其特征在于：所述的自动跟踪控制器包括位移传感器模拟量信号的输入端口，全刀和半刀开关量输入端口，串口命令输入端口，4键输入端口以及电机方向输出端口、电机脉冲控制输出端口，串口数据输出端口，8位数码管输出端口，自动跟踪控制器上还设置有EEPROM存储器和模数转换器。

4.根据权利要求1所述的智能跟踪台板平面的裁割头，其特征在于：所述的刀具部件包括刀具安装板、刀具安装帽、刀座和刀尖，刀具安装板固定在升降块上，刀尖设置在刀具安装帽内，刀具安装帽与刀座连接，刀座设置在刀具安装板内。

5.根据权利要求3所述的智能跟踪台板平面的裁割头，其特征在于：所述的EEPROM存储器和模数转换器可以是嵌入式集成设置在自动跟踪控制器上，也可以是独立的EEPROM存储器和独立的模数转换器连接在自动跟踪控制器上。

6.根据权利要求1所述的智能跟踪台板平面的裁割头的控制方法，其特征在于：所述的自动跟踪控制器中设置并储存有基准平面值、全刀给定值、半刀给定值、采样周期、电机运行周期、最小动作误差设定量和输出补偿倍率，全刀给定值和半刀给定值均与刀具部件下落深度量对应，自动跟踪控制器接到落刀命令后，首先按照全刀给定值或半刀给定值执行落刀动作，并通过激光位移传感器定时检测台面高度变化量，在定时检测台面高度变化量的过程中，在设置的采样周期内，连续取检测值6次，去掉最大值和最小值后，把4次检测值取平均值，得到台面高度变化量的有效检测值，将该台面高度变化量的有效检测值与最小动作误差设定量进行比较，如果有效检测值小于最小动作误差设定量，电机不动，随即重复上述的检测台面高度变化量过程，如果有效检测值大于最小动作误差设定量，则停止检测台面高度变化量，在电机运行周期内，电机启动并按照输出补偿倍率带动升降块向上或向下运动，对当前刀具部件相对于基准平面值的误差量进行补偿，补偿完成后电机停止，随即重复上述的检测台面高度变化量过程。

7.根据权利要求6所述的智能跟踪台板平面的裁割头的控制方法，其特征在于：所述的基准平面值、全刀给定值、半刀给定值、采样周期、电机运行周期、最小动作误差设定量和输出补偿倍率通过自动跟踪控制器上的4键输入端口或串口命令输入端口输入，上述参数保存在自动跟踪控制器的EEPROM存储器中。

8.根据权利要求6所述的智能跟踪台板平面的裁割头的控制方法，其特征在于：所述的刀具部件抬刀落刀落命令通过自动跟踪控制器上的全刀和半刀开关量输入端口或串口命令输入端口输入。

9.根据权利要求6所述的智能跟踪台板平面的裁割头的控制方法，其特征在于：所述的激光位移传感器送出的模拟量信号是0v~5v的电压信号，分别对应台面低位-2mm~高位+2mm，该模拟量信号通过自动跟踪控制器上的位移传感器模拟量信号的输入端口输入，并经过自动跟踪控制器上的模数转换器转换成数字信号。

10.根据权利要求6所述的智能跟踪台板平面的裁割头的控制方法，其特征在于：所述的补偿过程中，通过自动跟踪控制器上的电机方向输出端口和电机脉冲控制输出端口输出控制电机补偿方向和补偿距离。

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