一種激光切割頭工作狀態的切換裝置及方法
【專利摘要】本發明提供一種激光切割頭工作狀態的切換裝置及方法。所述切換裝置由信號幅值調整模塊、切換模塊和幅值限制模塊組成。信號幅值調整模塊通過逐次比較遞增或遞減方法實現了激光切割頭由伺服狀態至隨動狀態的平滑切換；切換模塊能夠根據切換控制線上的切換信號從測距信號處理模塊和軸卡輸出的模擬電壓信號之中選擇其中的一路用于驅動激光切割頭所在軸電機。所述切換方法，通過在坐標系中適時加入或移除激光切割頭所在軸，并配合切換裝置，實現激光切割頭伺服狀態、隨動狀態的雙向切換。本發明可有效解決激光切割頭調節滯后及抖動等問題，降低數控系統負載，增強數控系統的穩定性，有效提高激光切割的精度及質量。
【專利說明】一種激光切割頭工作狀態的切換裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及數控激光切割領域，尤其涉及一種激光切割頭工作狀態的切換裝置及切換方法。
【背景技術】
[0002]目前，激光切割技術作為特種加工領域中的重要分支，廣泛應用于汽車、電子、醫療、航空航天、車工、機械制造等行業，對于提聞廣品質量及生廣效率、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，易導致激光切割頭與工件表面之間的間隙(即離焦量)發生較大波動，而離焦量波動對切割質量及效率有很大影響。因此，應為激光切割頭配備隨動系統，以使激光切割頭能隨工件表面的起伏而自動調整自身位置，從而確保離焦量恒定不變。
[0003]在數控激光切割過程中，依據NC程序，通過數控系統運動控制器的輸出信號控制激光切割頭所在軸電機運動時，稱激光切割頭的工作狀態為伺服狀態；依據激光切割頭與工件表面之間的距離變化，通過電容式測距傳感器輸出的模擬電壓信號控制激光切割頭所在軸電機的運動以實時調整離焦量時，稱激光切割頭的工作狀態為隨動狀態。
[0004]目前，實現激光切割頭伺服、隨動工作狀態切換的方法，通常是將電容測距傳感器輸出的模擬電壓信號經A/D轉換后，送至數控系統；在數控系統內部，由軟件控制是否將距離波動量疊加到激光切割頭所在軸的控制信號上，從而實現激光切割頭的伺月艮、隨動狀態切換控制([I]徐天奇.激光切割機數控系統隨動技術的研究[J].機床與液壓，2012,40(18):123-125.[2]尹鋼.激光切割頭噴嘴自動控制系統[P].中國:202591845，2012-12-12)。
[0005]在上述方法中，當激光切割頭處于隨動狀態時，受A/D轉換精度、轉換時間等因素的影響，激光切割頭易出現調節滯后或者抖動等問題，導致隨動性能不佳，直接影響切割質量和效率，難以適應高精度的切割要求。此外，經軟件系統將距離波動量實時疊加到激光切割頭所在軸的控制信號上，增加了數控系統的計算負載，易導致系統的不穩定。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是提供一種激光切割頭工作狀態的切換裝置及方法，用以降低激光切割頭在工作過程中出現的調節滯后或者抖動等問題、消除A/D轉換精度及時間等因素對激光切割頭隨動性能的影響、降低數控系統的計算負載并增強其穩定性。
[0007]為了解決上述問題，本發明采用以下技術方案:
[0008]本發明所述的切換裝置，包括測距信號處理模塊、運動控制器、軸卡、I/O端口以及激光切割頭所在軸的伺服驅動器，所述切換裝置由信號幅值調整模塊、切換模塊和幅值限制模塊組成。
[0009]運動控制器中軸卡一端分別與信號幅值調整模塊的輸入端和切換模塊的輸入端連接；運動控制器中I/o端口與切換模塊之間通過切換控制線連接；測距信號處理模塊的輸出端與信號幅值調整模塊的輸入端連接；信號幅值調整模塊的輸出端與切換模塊的輸入端連接；切換模塊接收測距信號處理模塊輸出的模擬電壓信號、軸卡輸出的模擬電壓信號以及I/o端口輸出的切換控制信號。
[0010]切換模塊選擇測距信號處理模塊輸出的模擬電壓信號或軸卡輸出的模擬電壓信號，經幅值限制模塊將信號輸送給激光切割頭所在軸的伺服驅動器。
[0011]本發明所述的切換方法，已知的工作狀態分為伺服狀態和隨動狀態，切換方法是:在運動控制器中，編制伺服狀態與隨動狀態之間相互切換的兩種命令，然后在工業控制計算機的數控軟件系統中，編制包含上述兩種命令的NC程序，并下發至運動控制器執行；執行命令過程中，在工作坐標系中加入或移除激光切割頭所在軸，實現激光切割頭伺服狀態、隨動狀態的雙向切換；
[0012]A、運動控制器執行由伺服狀態切換至隨動狀態的命令時，從當前坐標系中移出激光切割頭所在軸，并由I/O端口經切換控制線發送切換信號至切換裝置，完成切換至隨動狀態的動作；
[0013](I)若信號幅值調整模塊輸出值的調整狀態為未完成狀態；
[0014]a、分別獲取軸卡及測距信號處理模塊輸出的模擬電壓信號幅值，設定信號幅值調整模塊的輸出值與軸卡的輸出值相等；
[0015]b、切換模塊執行切換動作，將信號幅值調整模塊的輸出信號輸出至激光切割頭所在軸的伺服驅動器中；
[0016]C、以逐次比較遞增或遞減的方法調整信號幅值調整模塊的輸出值與測距信號處理模塊輸出的信號幅值相等時，置信號幅值調整模塊輸出值的調整狀態為完成狀態；
[0017](2)若信號幅值調整模塊輸出值的調整狀態為完成狀態；
[0018]由切換模塊執行切換動作，將測距信號處理模塊輸出的模擬電壓信號直接輸出至激光切割頭所在軸的伺服驅動器中，使激光切割頭工作在隨動狀態。
[0019]B、運動控制器執行由隨動狀態切換至伺服狀態的命令時，向當前坐標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當前位置相匹配，并由I/O端口經切換控制線發送切換信號至切換裝置，由切換模塊執行切換動作，將軸卡輸出的模擬電壓信號直接輸出至激光切割頭所在軸的伺服驅動器中，完成切換至伺服狀態的動作，并將信號幅值調整模塊輸出值調整狀態為未完成狀態。
[0020]所述逐次比較遞增或遞減的方法，是將切換裝置執行切換至隨動狀態命令時軸卡輸出的模擬電壓信號幅值作為初值，將切換裝置執行切換至隨動狀態命令時測距信號處理模塊輸出的模擬電壓信號幅值作為終值，將初值與終值的差分成n等分，每一等份稱為一個增量單位；在初值的基礎上，逐次遞增或遞減某一增量單位，并將調整后的值與終值比較。
[0021]與已有技術相比，本發明的有益效果為:
[0022]通過在工作坐標系中適時加入或移除激光切割頭所在軸，并配合切換裝置，實現激光切割頭伺服狀態、隨動狀態的雙向切換。在隨動狀態下，由激光切割頭的電容式測距傳感器及其信號處理模塊與激光切割頭所在軸電機的驅動器構成閉環，避免了傳統方法中因加入A/D轉換模塊而引起的激光切割頭調節滯后及抖動問題，并有效降低數控系統負載，增強數控系統的穩定性。通過逐次比較遞增或遞減的方法調整所述信號幅值調整模塊輸出的模擬電壓信號幅值至電容測距傳感器輸出的模擬電壓信號幅值，實現信號幅值的平滑切換，可有效避免工作狀態切換過程中激光切割頭的瞬時跳動問題，大幅度提高激光切割的精度及質量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發明的激光切割頭工作狀態切換系統硬件結構示意圖。
[0024]圖2為本發明的切換裝置與運動控制器、測距信號處理模塊的硬件連接圖。
[0025]圖3為本發明的切換裝置的內部信號處理流程圖。
[0026]圖4為本發明的激光切割頭由伺服狀態切換至隨動狀態的工作流程圖。
[0027]圖5為本發明的激光切割頭由隨動狀態切換至伺服狀態的工作流程圖。
[0028]附圖標記:101為工業控制計算機、102為UMAC運動控制器、103為切換裝置、104為Z軸伺服器、105為Z軸電機、106為測距信號處理模塊、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為信號幅值調整模塊、202為切換模塊、203為幅值限制模塊。
【具體實施方式】
[0029]以下結合附圖及實施例，對本發明做進一步說明。
[0030]實施例一:如圖1激光切割頭工作狀態切換系統硬件結構示意圖所示。其中，運動控制器米用美國UMAC(Universal Motion and Automation Controller)運動控制器，UMAC運動控制器102作為整個數控系統的核心，負責NC程序及軟件PLC程序的解釋及執行、各軸伺服計算、與外圍設備通訊等。就激光切割頭工作狀態切換系統硬件而言，工業控制計算機101負責向UMAC運動控制器102下發NC程序(其中含有激光切割頭工作狀態切換命令)；UMAC運動控制器102負責解釋執行NC程序，并通過對切換命令的解析，實現對切換裝置103的控制，從而實現對激光切割頭107工作狀態的控制。
[0031]如圖2切換裝置與運動控制器、測距信號處理模塊的硬件連接圖所示。切換裝置103接收測距信號處理模塊106及軸卡1023輸出的模擬電壓信號，以及1/0卡1204輸出的切換控制信號；其中，切換模塊202能夠從測距信號處理模塊106和軸卡1023輸出的模擬電壓信號之中選擇其中的一路驅動激光切割頭所在軸電機。信號幅值調整模塊201能夠獲取由伺服狀態切換至隨動狀態前一時刻的軸卡1023輸出的模擬電壓信號幅值，并以該信號幅值為起點，通過逐次比較遞增或遞減的方法調整所述信號幅值調整模塊輸出的模擬電壓信號幅值至測距信號處理模塊106輸出的模擬電壓信號幅值。
[0032]在執行具體切換命令時，切換裝置內部的信號處理流程如圖3所示。
[0033]在上述硬件系統的基礎上，以伺服狀態切換至隨動狀態、隨動狀態切換至伺服狀態兩個切換方向為例，詳細介紹所述激光切割頭工作狀態的切換方法的具體實施過程。
[0034]首先，在UMAC運動控制器102的M代碼解釋程序中，編制伺服狀態切換至隨動狀態命令M20及隨動狀態切換至伺服狀態命令M21 ;然后在工業控制計算機101的數控軟件系統中，編制NC程序(含有M20、M21)，并下發至UMAC運動控制器102執行。
[0035]1、當UMAC運動控制器102解釋并執行切換至隨動狀態命令M20時，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前坐標系中移除；
[0037](2)然后經I/O卡1024發送切換控制信號至切換裝置103 ；
[0038](3)切換裝置103的信號幅值調整模塊201首先獲取軸卡1023輸出的模擬電壓信號幅值，并以該信號幅值為起點，通過逐次比較遞增或遞減的方法調整自身輸出的模擬電壓信號幅值；
[0039](4)切換裝置103的切換模塊202依據切換控制信號選擇信號幅值調整模塊201輸出的模擬電壓信號輸入至Z軸伺服器104,以驅動激光切割頭107所在軸電機105運動，使激光切割頭107工作在隨動狀態。
[0040](5)若切換完成，則點亮隨動狀態燈。
[0041]2、當UMAC運動控制器102解釋并執行切換至伺服狀態命令M21時，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前坐標系中；
[0043](2)將激光切割頭所在軸的位置與其電機當前位置相匹配。
[0044](3)然后經I/O卡1024發送切換控制信號至切換裝置103 ；
[0045](4)切換裝置103的切換模塊202依據切換控制信號選擇軸卡1023輸出的模擬電壓信號輸入至Z軸伺服器104，以驅動激光切割頭107所在軸電機105運動，使激光切割頭107工作在伺服狀態。
[0046](5)若切換完成，則熄滅隨動狀態燈。
[0047]以上實施目的在于說明本發明專利，而非限制本發明專利保護范圍，所有由本發明專利簡單變化而得到的新應用均落在本發明專利的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種激光切割頭工作狀態的切換裝置，包括測距信號處理模塊、運動控制器、軸卡、I/o端口以及激光切割頭所在軸的伺服驅動器，其特征在于:所述切換裝置由信號幅值調整模塊、切換模塊和幅值限制模塊組成； 運動控制器中軸卡輸出端分別與信號幅值調整模塊的輸入端和切換模塊的輸入端連接；運動控制器中I/o端口與切換模塊之間通過切換控制線連接；測距信號處理模塊的輸出端與信號幅值調整模塊的輸入端連接；信號幅值調整模塊的輸出端與切換模塊的輸入端連接；切換模塊接收測距信號處理模塊輸出的模擬電壓信號、軸卡輸出的模擬電壓信號以及I/o端口輸出的切換控制信號； 切換模塊選擇測距信號處理模塊輸出的模擬電壓信號或軸卡輸出的模擬電壓信號，經幅值限制模塊將信號輸送給激光切割頭所在軸的伺服驅動器。
2.一種激光切割頭工作狀態的切換方法，所述工作狀態分為伺服狀態和隨動狀態，其特征在于:在運動控制器中，編制伺服狀態與隨動狀態之間相互切換的兩種命令，然后在工業控制計算機的數控軟件系統中，編制包含上述兩種命令的NC程序，并下發至運動控制器執行；執行命令過程中，在工作坐標系中加入或移除激光切割頭所在軸，實現激光切割頭伺服狀態、隨動狀態的雙向切換； A、運動控制器執行由伺服狀態切換至隨動狀態的命令時，從當前坐標系中移出激光切割頭所在軸，并由I/O端口經切換控制線發送切換信號至切換裝置，完成切換至隨動狀態的動作； (1)若信號幅值調整模塊輸出值的調整狀態為未完成狀態； a、分別獲取軸卡及測距信號處理模塊輸出的模擬電壓信號幅值，設定信號幅值調整模塊的輸出值與軸卡的輸出值相等； b、切換模塊執行切換動作，將信號幅值調整模塊的輸出信號輸出至激光切割頭所在軸的伺服驅動器中； C、以逐次比較遞增或遞減的方法調整信號幅值調整模塊的輸出值與測距信號處理模塊輸出的信號幅值相等時，置信號幅值調整模塊輸出值的調整狀態為完成狀態； (2)若信號幅值調整模塊輸出值的調整狀態為完成狀態； 由切換模塊執行切換動作，將測距信號處理模塊輸出的模擬電壓信號直接輸出至激光切割頭所在軸的伺服驅動器中，使激光切割頭工作在隨動狀態。 B、運動控制器執行由隨動狀態切換至伺服狀態的命令時，向當前坐標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當前位置相匹配，并由I/O端口經切換控制線發送切換信號至切換裝置，由切換模塊執行切換動作，將軸卡輸出的模擬電壓信號直接輸出至激光切割頭所在軸的伺服驅動器中，完成切換至伺服狀態的動作，并將信號幅值調整模塊輸出值調整狀態為未完成狀態。
3.根據權利要求2所述的一種激光切割頭工作狀態的切換方法，其特征在于:所述逐次比較遞增或遞減的方法，是將切換裝置執行切換至隨動狀態命令時軸卡輸出的模擬電壓信號幅值作為初值，將切換裝置執行切換至隨動狀態命令時測距信號處理模塊輸出的模擬電壓信號幅值作為終值，將初值與終值的差分成n等分，每一等份稱為一個增量單位；在初值的基礎上，逐次遞增或遞減某一增量單位，并將調整后的值與終值比較。
【文檔編號】B23K26/38GK103433621SQ201310322309
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年7月29日 優先權日:2013年7月29日
【發明者】李志明, 胡海龍, 吳榮華, 王培德, 陳喜東 申請人:燕山大學, 北京機床所精密機電有限公司