一種激光切割頭工作狀態(tài)的切換裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種激光切割頭工作狀態(tài)的切換裝置及方法。所述切換裝置由信號(hào)幅值調(diào)整模塊、切換模塊和幅值限制模塊組成。信號(hào)幅值調(diào)整模塊通過逐次比較遞增或遞減方法實(shí)現(xiàn)了激光切割頭由伺服狀態(tài)至隨動(dòng)狀態(tài)的平滑切換；切換模塊能夠根據(jù)切換控制線上的切換信號(hào)從測(cè)距信號(hào)處理模塊和軸卡輸出的模擬電壓信號(hào)之中選擇其中的一路用于驅(qū)動(dòng)激光切割頭所在軸電機(jī)。所述切換方法，通過在坐標(biāo)系中適時(shí)加入或移除激光切割頭所在軸，并配合切換裝置，實(shí)現(xiàn)激光切割頭伺服狀態(tài)、隨動(dòng)狀態(tài)的雙向切換。本發(fā)明可有效解決激光切割頭調(diào)節(jié)滯后及抖動(dòng)等問題，降低數(shù)控系統(tǒng)負(fù)載，增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效提高激光切割的精度及質(zhì)量。
【專利說明】一種激光切割頭工作狀態(tài)的切換裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)控激光切割領(lǐng)域，尤其涉及一種激光切割頭工作狀態(tài)的切換裝置及切換方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，激光切割技術(shù)作為特種加工領(lǐng)域中的重要分支，廣泛應(yīng)用于汽車、電子、醫(yī)療、航空航天、車工、機(jī)械制造等行業(yè)，對(duì)于提聞廣品質(zhì)量及生廣效率、減少材料消耗及污染具有重要作用。在激光切割過程中，如果被加工工件自身表面起伏不平，易導(dǎo)致激光切割頭與工件表面之間的間隙(即離焦量)發(fā)生較大波動(dòng)，而離焦量波動(dòng)對(duì)切割質(zhì)量及效率有很大影響。因此，應(yīng)為激光切割頭配備隨動(dòng)系統(tǒng)，以使激光切割頭能隨工件表面的起伏而自動(dòng)調(diào)整自身位置，從而確保離焦量恒定不變。
[0003]在數(shù)控激光切割過程中，依據(jù)NC程序，通過數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制器的輸出信號(hào)控制激光切割頭所在軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，稱激光切割頭的工作狀態(tài)為伺服狀態(tài)；依據(jù)激光切割頭與工件表面之間的距離變化，通過電容式測(cè)距傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)控制激光切割頭所在軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)以實(shí)時(shí)調(diào)整離焦量時(shí)，稱激光切割頭的工作狀態(tài)為隨動(dòng)狀態(tài)。
[0004]目前，實(shí)現(xiàn)激光切割頭伺服、隨動(dòng)工作狀態(tài)切換的方法，通常是將電容測(cè)距傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，送至數(shù)控系統(tǒng)；在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部，由軟件控制是否將距離波動(dòng)量疊加到激光切割頭所在軸的控制信號(hào)上，從而實(shí)現(xiàn)激光切割頭的伺月艮、隨動(dòng)狀態(tài)切換控制([I]徐天奇.激光切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)隨動(dòng)技術(shù)的研究[J].機(jī)床與液壓，2012,40(18):123-125.[2]尹鋼.激光切割頭噴嘴自動(dòng)控制系統(tǒng)[P].中國:202591845，2012-12-12)。
[0005]在上述方法中，當(dāng)激光切割頭處于隨動(dòng)狀態(tài)時(shí)，受A/D轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間等因素的影響，激光切割頭易出現(xiàn)調(diào)節(jié)滯后或者抖動(dòng)等問題，導(dǎo)致隨動(dòng)性能不佳，直接影響切割質(zhì)量和效率，難以適應(yīng)高精度的切割要求。此外，經(jīng)軟件系統(tǒng)將距離波動(dòng)量實(shí)時(shí)疊加到激光切割頭所在軸的控制信號(hào)上，增加了數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)載，易導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種激光切割頭工作狀態(tài)的切換裝置及方法，用以降低激光切割頭在工作過程中出現(xiàn)的調(diào)節(jié)滯后或者抖動(dòng)等問題、消除A/D轉(zhuǎn)換精度及時(shí)間等因素對(duì)激光切割頭隨動(dòng)性能的影響、降低數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)載并增強(qiáng)其穩(wěn)定性。
[0007]為了解決上述問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]本發(fā)明所述的切換裝置，包括測(cè)距信號(hào)處理模塊、運(yùn)動(dòng)控制器、軸卡、I/O端口以及激光切割頭所在軸的伺服驅(qū)動(dòng)器，所述切換裝置由信號(hào)幅值調(diào)整模塊、切換模塊和幅值限制模塊組成。
[0009]運(yùn)動(dòng)控制器中軸卡一端分別與信號(hào)幅值調(diào)整模塊的輸入端和切換模塊的輸入端連接；運(yùn)動(dòng)控制器中I/o端口與切換模塊之間通過切換控制線連接；測(cè)距信號(hào)處理模塊的輸出端與信號(hào)幅值調(diào)整模塊的輸入端連接；信號(hào)幅值調(diào)整模塊的輸出端與切換模塊的輸入端連接；切換模塊接收測(cè)距信號(hào)處理模塊輸出的模擬電壓信號(hào)、軸卡輸出的模擬電壓信號(hào)以及I/o端口輸出的切換控制信號(hào)。
[0010]切換模塊選擇測(cè)距信號(hào)處理模塊輸出的模擬電壓信號(hào)或軸卡輸出的模擬電壓信號(hào)，經(jīng)幅值限制模塊將信號(hào)輸送給激光切割頭所在軸的伺服驅(qū)動(dòng)器。
[0011]本發(fā)明所述的切換方法，已知的工作狀態(tài)分為伺服狀態(tài)和隨動(dòng)狀態(tài)，切換方法是:在運(yùn)動(dòng)控制器中，編制伺服狀態(tài)與隨動(dòng)狀態(tài)之間相互切換的兩種命令，然后在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的數(shù)控軟件系統(tǒng)中，編制包含上述兩種命令的NC程序，并下發(fā)至運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行；執(zhí)行命令過程中，在工作坐標(biāo)系中加入或移除激光切割頭所在軸，實(shí)現(xiàn)激光切割頭伺服狀態(tài)、隨動(dòng)狀態(tài)的雙向切換；
[0012]A、運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行由伺服狀態(tài)切換至隨動(dòng)狀態(tài)的命令時(shí)，從當(dāng)前坐標(biāo)系中移出激光切割頭所在軸，并由I/O端口經(jīng)切換控制線發(fā)送切換信號(hào)至切換裝置，完成切換至隨動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)作；
[0013](I)若信號(hào)幅值調(diào)整模塊輸出值的調(diào)整狀態(tài)為未完成狀態(tài)；
[0014]a、分別獲取軸卡及測(cè)距信號(hào)處理模塊輸出的模擬電壓信號(hào)幅值，設(shè)定信號(hào)幅值調(diào)整模塊的輸出值與軸卡的輸出值相等；
[0015]b、切換模塊執(zhí)行切換動(dòng)作，將信號(hào)幅值調(diào)整模塊的輸出信號(hào)輸出至激光切割頭所在軸的伺服驅(qū)動(dòng)器中；
[0016]C、以逐次比較遞增或遞減的方法調(diào)整信號(hào)幅值調(diào)整模塊的輸出值與測(cè)距信號(hào)處理模塊輸出的信號(hào)幅值相等時(shí)，置信號(hào)幅值調(diào)整模塊輸出值的調(diào)整狀態(tài)為完成狀態(tài)；
[0017](2)若信號(hào)幅值調(diào)整模塊輸出值的調(diào)整狀態(tài)為完成狀態(tài)；
[0018]由切換模塊執(zhí)行切換動(dòng)作，將測(cè)距信號(hào)處理模塊輸出的模擬電壓信號(hào)直接輸出至激光切割頭所在軸的伺服驅(qū)動(dòng)器中，使激光切割頭工作在隨動(dòng)狀態(tài)。
[0019]B、運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行由隨動(dòng)狀態(tài)切換至伺服狀態(tài)的命令時(shí)，向當(dāng)前坐標(biāo)系中添加激光切割頭所在軸，使激光切割頭所在軸的位置與其電機(jī)當(dāng)前位置相匹配，并由I/O端口經(jīng)切換控制線發(fā)送切換信號(hào)至切換裝置，由切換模塊執(zhí)行切換動(dòng)作，將軸卡輸出的模擬電壓信號(hào)直接輸出至激光切割頭所在軸的伺服驅(qū)動(dòng)器中，完成切換至伺服狀態(tài)的動(dòng)作，并將信號(hào)幅值調(diào)整模塊輸出值調(diào)整狀態(tài)為未完成狀態(tài)。
[0020]所述逐次比較遞增或遞減的方法，是將切換裝置執(zhí)行切換至隨動(dòng)狀態(tài)命令時(shí)軸卡輸出的模擬電壓信號(hào)幅值作為初值，將切換裝置執(zhí)行切換至隨動(dòng)狀態(tài)命令時(shí)測(cè)距信號(hào)處理模塊輸出的模擬電壓信號(hào)幅值作為終值，將初值與終值的差分成n等分，每一等份稱為一個(gè)增量單位；在初值的基礎(chǔ)上，逐次遞增或遞減某一增量單位，并將調(diào)整后的值與終值比較。
[0021]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:
[0022]通過在工作坐標(biāo)系中適時(shí)加入或移除激光切割頭所在軸，并配合切換裝置，實(shí)現(xiàn)激光切割頭伺服狀態(tài)、隨動(dòng)狀態(tài)的雙向切換。在隨動(dòng)狀態(tài)下，由激光切割頭的電容式測(cè)距傳感器及其信號(hào)處理模塊與激光切割頭所在軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成閉環(huán)，避免了傳統(tǒng)方法中因加入A/D轉(zhuǎn)換模塊而引起的激光切割頭調(diào)節(jié)滯后及抖動(dòng)問題，并有效降低數(shù)控系統(tǒng)負(fù)載，增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過逐次比較遞增或遞減的方法調(diào)整所述信號(hào)幅值調(diào)整模塊輸出的模擬電壓信號(hào)幅值至電容測(cè)距傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)幅值，實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅值的平滑切換，可有效避免工作狀態(tài)切換過程中激光切割頭的瞬時(shí)跳動(dòng)問題，大幅度提高激光切割的精度及質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的激光切割頭工作狀態(tài)切換系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為本發(fā)明的切換裝置與運(yùn)動(dòng)控制器、測(cè)距信號(hào)處理模塊的硬件連接圖。
[0025]圖3為本發(fā)明的切換裝置的內(nèi)部信號(hào)處理流程圖。
[0026]圖4為本發(fā)明的激光切割頭由伺服狀態(tài)切換至隨動(dòng)狀態(tài)的工作流程圖。
[0027]圖5為本發(fā)明的激光切割頭由隨動(dòng)狀態(tài)切換至伺服狀態(tài)的工作流程圖。
[0028]附圖標(biāo)記:101為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、102為UMAC運(yùn)動(dòng)控制器、103為切換裝置、104為Z軸伺服器、105為Z軸電機(jī)、106為測(cè)距信號(hào)處理模塊、107為激光切割頭、108為工件平面、109為切換控制線、1021為框架底板、1022為電源模塊、1023為軸卡、1024為I/O卡、1025為CPU板、201為信號(hào)幅值調(diào)整模塊、202為切換模塊、203為幅值限制模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0030]實(shí)施例一:如圖1激光切割頭工作狀態(tài)切換系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖所示。其中，運(yùn)動(dòng)控制器米用美國UMAC(Universal Motion and Automation Controller)運(yùn)動(dòng)控制器，UMAC運(yùn)動(dòng)控制器102作為整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)NC程序及軟件PLC程序的解釋及執(zhí)行、各軸伺服計(jì)算、與外圍設(shè)備通訊等。就激光切割頭工作狀態(tài)切換系統(tǒng)硬件而言，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)101負(fù)責(zé)向UMAC運(yùn)動(dòng)控制器102下發(fā)NC程序(其中含有激光切割頭工作狀態(tài)切換命令)；UMAC運(yùn)動(dòng)控制器102負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行NC程序，并通過對(duì)切換命令的解析，實(shí)現(xiàn)對(duì)切換裝置103的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光切割頭107工作狀態(tài)的控制。
[0031]如圖2切換裝置與運(yùn)動(dòng)控制器、測(cè)距信號(hào)處理模塊的硬件連接圖所示。切換裝置103接收測(cè)距信號(hào)處理模塊106及軸卡1023輸出的模擬電壓信號(hào)，以及1/0卡1204輸出的切換控制信號(hào)；其中，切換模塊202能夠從測(cè)距信號(hào)處理模塊106和軸卡1023輸出的模擬電壓信號(hào)之中選擇其中的一路驅(qū)動(dòng)激光切割頭所在軸電機(jī)。信號(hào)幅值調(diào)整模塊201能夠獲取由伺服狀態(tài)切換至隨動(dòng)狀態(tài)前一時(shí)刻的軸卡1023輸出的模擬電壓信號(hào)幅值，并以該信號(hào)幅值為起點(diǎn)，通過逐次比較遞增或遞減的方法調(diào)整所述信號(hào)幅值調(diào)整模塊輸出的模擬電壓信號(hào)幅值至測(cè)距信號(hào)處理模塊106輸出的模擬電壓信號(hào)幅值。
[0032]在執(zhí)行具體切換命令時(shí)，切換裝置內(nèi)部的信號(hào)處理流程如圖3所示。
[0033]在上述硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以伺服狀態(tài)切換至隨動(dòng)狀態(tài)、隨動(dòng)狀態(tài)切換至伺服狀態(tài)兩個(gè)切換方向?yàn)槔?，詳?xì)介紹所述激光切割頭工作狀態(tài)的切換方法的具體實(shí)施過程。
[0034]首先，在UMAC運(yùn)動(dòng)控制器102的M代碼解釋程序中，編制伺服狀態(tài)切換至隨動(dòng)狀態(tài)命令M20及隨動(dòng)狀態(tài)切換至伺服狀態(tài)命令M21 ;然后在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)101的數(shù)控軟件系統(tǒng)中，編制NC程序(含有M20、M21)，并下發(fā)至UMAC運(yùn)動(dòng)控制器102執(zhí)行。
[0035]1、當(dāng)UMAC運(yùn)動(dòng)控制器102解釋并執(zhí)行切換至隨動(dòng)狀態(tài)命令M20時(shí)，切換流程如圖4所示，具體如下:[0036](I)首先將激光切割頭所在軸從當(dāng)前坐標(biāo)系中移除；
[0037](2)然后經(jīng)I/O卡1024發(fā)送切換控制信號(hào)至切換裝置103 ；
[0038](3)切換裝置103的信號(hào)幅值調(diào)整模塊201首先獲取軸卡1023輸出的模擬電壓信號(hào)幅值，并以該信號(hào)幅值為起點(diǎn)，通過逐次比較遞增或遞減的方法調(diào)整自身輸出的模擬電壓信號(hào)幅值；
[0039](4)切換裝置103的切換模塊202依據(jù)切換控制信號(hào)選擇信號(hào)幅值調(diào)整模塊201輸出的模擬電壓信號(hào)輸入至Z軸伺服器104,以驅(qū)動(dòng)激光切割頭107所在軸電機(jī)105運(yùn)動(dòng)，使激光切割頭107工作在隨動(dòng)狀態(tài)。
[0040](5)若切換完成，則點(diǎn)亮隨動(dòng)狀態(tài)燈。
[0041]2、當(dāng)UMAC運(yùn)動(dòng)控制器102解釋并執(zhí)行切換至伺服狀態(tài)命令M21時(shí)，切換流程如圖5所示，具體如下:
[0042](I)首先將激光切割頭所在軸添加到當(dāng)前坐標(biāo)系中；
[0043](2)將激光切割頭所在軸的位置與其電機(jī)當(dāng)前位置相匹配。
[0044](3)然后經(jīng)I/O卡1024發(fā)送切換控制信號(hào)至切換裝置103 ；
[0045](4)切換裝置103的切換模塊202依據(jù)切換控制信號(hào)選擇軸卡1023輸出的模擬電壓信號(hào)輸入至Z軸伺服器104，以驅(qū)動(dòng)激光切割頭107所在軸電機(jī)105運(yùn)動(dòng)，使激光切割頭107工作在伺服狀態(tài)。
[0046](5)若切換完成，則熄滅隨動(dòng)狀態(tài)燈。
[0047]以上實(shí)施目的在于說明本發(fā)明專利，而非限制本發(fā)明專利保護(hù)范圍，所有由本發(fā)明專利簡單變化而得到的新應(yīng)用均落在本發(fā)明專利的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種激光切割頭工作狀態(tài)的切換裝置，包括測(cè)距信號(hào)處理模塊、運(yùn)動(dòng)控制器、軸卡、I/o端口以及激光切割頭所在軸的伺服驅(qū)動(dòng)器，其特征在于:所述切換裝置由信號(hào)幅值調(diào)整模塊、切換模塊和幅值限制模塊組成； 運(yùn)動(dòng)控制器中軸卡輸出端分別與信號(hào)幅值調(diào)整模塊的輸入端和切換模塊的輸入端連接；運(yùn)動(dòng)控制器中I/o端口與切換模塊之間通過切換控制線連接；測(cè)距信號(hào)處理模塊的輸出端與信號(hào)幅值調(diào)整模塊的輸入端連接；信號(hào)幅值調(diào)整模塊的輸出端與切換模塊的輸入端連接；切換模塊接收測(cè)距信號(hào)處理模塊輸出的模擬電壓信號(hào)、軸卡輸出的模擬電壓信號(hào)以及I/o端口輸出的切換控制信號(hào)； 切換模塊選擇測(cè)距信號(hào)處理模塊輸出的模擬電壓信號(hào)或軸卡輸出的模擬電壓信號(hào)，經(jīng)幅值限制模塊將信號(hào)輸送給激光切割頭所在軸的伺服驅(qū)動(dòng)器。
2.一種激光切割頭工作狀態(tài)的切換方法，所述工作狀態(tài)分為伺服狀態(tài)和隨動(dòng)狀態(tài)，其特征在于:在運(yùn)動(dòng)控制器中，編制伺服狀態(tài)與隨動(dòng)狀態(tài)之間相互切換的兩種命令，然后在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的數(shù)控軟件系統(tǒng)中，編制包含上述兩種命令的NC程序，并下發(fā)至運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行；執(zhí)行命令過程中，在工作坐標(biāo)系中加入或移除激光切割頭所在軸，實(shí)現(xiàn)激光切割頭伺服狀態(tài)、隨動(dòng)狀態(tài)的雙向切換； A、運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行由伺服狀態(tài)切換至隨動(dòng)狀態(tài)的命令時(shí)，從當(dāng)前坐標(biāo)系中移出激光切割頭所在軸，并由I/O端口經(jīng)切換控制線發(fā)送切換信號(hào)至切換裝置，完成切換至隨動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)作； (1)若信號(hào)幅值調(diào)整模塊輸出值的調(diào)整狀態(tài)為未完成狀態(tài)； a、分別獲取軸卡及測(cè)距信號(hào)處理模塊輸出的模擬電壓信號(hào)幅值，設(shè)定信號(hào)幅值調(diào)整模塊的輸出值與軸卡的輸出值相等； b、切換模塊執(zhí)行切換動(dòng)作，將信號(hào)幅值調(diào)整模塊的輸出信號(hào)輸出至激光切割頭所在軸的伺服驅(qū)動(dòng)器中； C、以逐次比較遞增或遞減的方法調(diào)整信號(hào)幅值調(diào)整模塊的輸出值與測(cè)距信號(hào)處理模塊輸出的信號(hào)幅值相等時(shí)，置信號(hào)幅值調(diào)整模塊輸出值的調(diào)整狀態(tài)為完成狀態(tài)； (2)若信號(hào)幅值調(diào)整模塊輸出值的調(diào)整狀態(tài)為完成狀態(tài)； 由切換模塊執(zhí)行切換動(dòng)作，將測(cè)距信號(hào)處理模塊輸出的模擬電壓信號(hào)直接輸出至激光切割頭所在軸的伺服驅(qū)動(dòng)器中，使激光切割頭工作在隨動(dòng)狀態(tài)。 B、運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行由隨動(dòng)狀態(tài)切換至伺服狀態(tài)的命令時(shí)，向當(dāng)前坐標(biāo)系中添加激光切割頭所在軸，使激光切割頭所在軸的位置與其電機(jī)當(dāng)前位置相匹配，并由I/O端口經(jīng)切換控制線發(fā)送切換信號(hào)至切換裝置，由切換模塊執(zhí)行切換動(dòng)作，將軸卡輸出的模擬電壓信號(hào)直接輸出至激光切割頭所在軸的伺服驅(qū)動(dòng)器中，完成切換至伺服狀態(tài)的動(dòng)作，并將信號(hào)幅值調(diào)整模塊輸出值調(diào)整狀態(tài)為未完成狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種激光切割頭工作狀態(tài)的切換方法，其特征在于:所述逐次比較遞增或遞減的方法，是將切換裝置執(zhí)行切換至隨動(dòng)狀態(tài)命令時(shí)軸卡輸出的模擬電壓信號(hào)幅值作為初值，將切換裝置執(zhí)行切換至隨動(dòng)狀態(tài)命令時(shí)測(cè)距信號(hào)處理模塊輸出的模擬電壓信號(hào)幅值作為終值，將初值與終值的差分成n等分，每一等份稱為一個(gè)增量單位；在初值的基礎(chǔ)上，逐次遞增或遞減某一增量單位，并將調(diào)整后的值與終值比較。
【文檔編號(hào)】B23K26/38GK103433621SQ201310322309
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月29日
【發(fā)明者】李志明, 胡海龍, 吳榮華, 王培德, 陳喜東 申請(qǐng)人:燕山大學(xué), 北京機(jī)床所精密機(jī)電有限公司