激光切割高精度Z軸調(diào)高隨動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

西大馳，李中凱,2，張志峰，洪兆溪

自動(dòng)化與智能化技術(shù)

激光切割高精度軸調(diào)高隨動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

西大馳1，李中凱1,2，張志峰2,3，洪兆溪2,3

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.浙江大學(xué) 流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027；3.湖州綠產(chǎn)智能制造有限公司，浙江 湖州 313000）

設(shè)計(jì)一種基于STM32主控制器芯片與FPGA從控制器芯片的激光切割高精度軸調(diào)高隨動(dòng)控制系統(tǒng)。介紹該控制系統(tǒng)的工作原理、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及微電容測(cè)量電路的仿真實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，針對(duì)系統(tǒng)隨動(dòng)過程中存在干擾的現(xiàn)象，提出基于滑動(dòng)平均值濾波算法的改進(jìn)濾波算法。經(jīng)過上機(jī)切割測(cè)試驗(yàn)證，該隨動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨精度為0.01 mm，最大跟隨速度為500 mm/s。該隨動(dòng)控制系統(tǒng)能夠使激光切割機(jī)床實(shí)現(xiàn)高速高精度的切割。

STM32主控制器；激光切割；軸調(diào)高；微電容測(cè)量電路；隨動(dòng)系統(tǒng)

由于激光切割技術(shù)具備可控性強(qiáng)、切割速度快、切割精度高、切割熱影響區(qū)和熱畸變小、材料適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使得激光切割技術(shù)近年來得到快速發(fā)展，逐漸取代線切割、火焰切割、等離子切割、沖床和數(shù)控剪床等傳統(tǒng)切割加工技術(shù)。相比傳統(tǒng)切割技術(shù)，使用激光切割技術(shù)進(jìn)行板材切割，不僅大大降低了企業(yè)生產(chǎn)成本、提高了產(chǎn)品加工質(zhì)量，而且無須二次加工，符合綠色發(fā)展理念，因此，激光切割技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汽車制造、工程機(jī)械、船舶制造、航空航天等領(lǐng)域，成為主流的切割加工技術(shù)[1-7]。伴隨著激光加工技術(shù)的興起，在平面切割中，激光切割機(jī)床對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)在軸方向的跟隨精度和跟隨速度要求也越來越高。在激光切割過程中，要求激光切割頭與切割工件之間始終保持一定的間距，間距過大或者過小都會(huì)影響激光切割產(chǎn)品的質(zhì)量。為了解決該問題，相關(guān)技術(shù)人員提出了軸調(diào)高隨動(dòng)控制系統(tǒng)的解決方案。

李建新[8]基于差動(dòng)式電橋和相敏檢波電路設(shè)計(jì)了一種跟隨精度為0.2 mm的激光切割調(diào)高系統(tǒng)。陳和平等[9]設(shè)計(jì)了一種接觸式彈性定距隨動(dòng)系統(tǒng)，但該隨動(dòng)系統(tǒng)測(cè)距裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以加工表面變化幅度大的板材且測(cè)距裝置存在磨損問題。孫玉國等[10]設(shè)計(jì)了一款基于STC15單片機(jī)和AD7746電容轉(zhuǎn)換器的軸隨動(dòng)控制系統(tǒng)，跟隨精度為0.1 mm。劉愛偉[11]設(shè)計(jì)了一種基于ET8010運(yùn)動(dòng)控制器的激光切割隨動(dòng)系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)的跟隨誤差為0.1 mm。張振華[12]基于STM32與FPGA設(shè)計(jì)了一款激光切割電容調(diào)高系統(tǒng)，但該系統(tǒng)跟隨精度仍然停留在0.1 mm。由此可以看出，目前國內(nèi)激光切割軸調(diào)高隨動(dòng)控制系統(tǒng)跟隨精度低，僅適應(yīng)于中低速激光切割場(chǎng)合。

針對(duì)上述問題，文中設(shè)計(jì)了一種適合國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，接口少且易標(biāo)定的高速高精度激光切割軸調(diào)高隨動(dòng)控制系統(tǒng)。該隨動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨精度為0.01 mm，最大跟隨速度為500 mm/s。通過配備該隨動(dòng)控制系統(tǒng)，激光切割機(jī)床不僅能夠快速準(zhǔn)確地加工出各種用于產(chǎn)品外觀包裝的高質(zhì)量金屬飾品，而且能夠在產(chǎn)品的包裝外殼上快速準(zhǔn)確地加工出各種形狀復(fù)雜的外觀圖形，滿足消費(fèi)者的個(gè)性化審美需求，對(duì)于產(chǎn)品包裝具有重要意義。

1 工作原理

圖1所示為本次激光切割高精度軸調(diào)高隨動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作原理圖。該系統(tǒng)通過微電容測(cè)量模塊將激光切割頭噴嘴與待加工工件表面的位置信息轉(zhuǎn)化為電容頻率值，然后通過專用的通信線纜發(fā)送給調(diào)高控制器。調(diào)高控制器將接收的電容頻率轉(zhuǎn)化為位置信息，通過控制器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)控制，信號(hào)處理模塊處理之后輸出控制指令到伺服驅(qū)動(dòng)模塊。伺服驅(qū)動(dòng)模塊將控制器輸出的速度控制指令發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，由伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。最后通過滾珠絲杠副絲杠滑臺(tái)將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為切割頭在軸方向的垂直運(yùn)動(dòng)，使切割頭在待加工工件表面垂直上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光切割時(shí)切割頭在軸的高度跟隨運(yùn)動(dòng)。

圖1 Z軸調(diào)高隨動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

激光切割高精度軸調(diào)高隨動(dòng)控制系統(tǒng)主要由微電容測(cè)量模塊、調(diào)高控制器和伺服驅(qū)動(dòng)模塊組成。

1）微電容測(cè)量模塊用來實(shí)時(shí)檢測(cè)切割頭噴嘴與待加工工件表面形成的平行板電容值，電容值的變化引起電容三點(diǎn)式LC振蕩電路輸出正弦波的頻率變化。

2）調(diào)高控制器在接收到頻率值后將其轉(zhuǎn)化為距離信息，并輸出運(yùn)動(dòng)控制指令到伺服驅(qū)動(dòng)模塊。

3）伺服驅(qū)動(dòng)模塊主要由伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)組成。通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)調(diào)節(jié)激光切割頭與待加工工件表面之間的距離，從而保證切割時(shí)切割頭與待加工工件表面之間的高度保持為最佳恒定值。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖2，其中調(diào)高控制器主要由STM32F407芯片、FPGA芯片、伺服驅(qū)動(dòng)電路、差分轉(zhuǎn)單端電路、人機(jī)交互模塊和電源模塊組成。微電容測(cè)量模塊主要由電容三點(diǎn)式LC振蕩電路與單端轉(zhuǎn)差分電路組成。

圖2 激光切割頭隨動(dòng)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖3所示，系統(tǒng)硬件以STM32F407芯片和FPGA芯片為核心。其中，伺服驅(qū)動(dòng)電路包括伺服電機(jī)速度環(huán)控制的模擬量輸出、編碼器的反饋輸入以及其他控制端口。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，伺服驅(qū)動(dòng)電路與FPGA芯片之間采用了光耦隔離電路與數(shù)字隔離電路進(jìn)行隔離。人機(jī)交互模塊采用傳統(tǒng)的人機(jī)交互技術(shù)進(jìn)行單片機(jī)與人之間的信息交互，信息交互設(shè)備有LCD液晶顯示屏與機(jī)械按鍵，通過機(jī)械按鍵設(shè)置系統(tǒng)的標(biāo)定距離、標(biāo)定速度、隨動(dòng)速度等參數(shù)，同時(shí)也通過機(jī)械按鍵控制系統(tǒng)的回零、回中、標(biāo)定、隨動(dòng)等功能。機(jī)械按鍵接口、微電容測(cè)量模塊的輸出接口均通過I/O接口與FPGA芯片連接，D/A通過SPI由FPGA芯片發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)模塊，LCD液晶顯示屏通過I/O接口與STM32F407芯片連接。STM32F407芯片采用FSMC的方式與FPGA芯片進(jìn)行信息交換，此種信息交換方式使得數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時(shí)性效果更好。綜上所述，本設(shè)計(jì)利用FPGA芯片協(xié)調(diào)同步I/O接口與STM32單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，以此減小調(diào)高器內(nèi)存占有率，使系統(tǒng)具有高實(shí)時(shí)性、高精度的特點(diǎn)。

2.2 微電容測(cè)量電路

設(shè)計(jì)的軸調(diào)高隨動(dòng)控制系統(tǒng)通過電容三點(diǎn)式LC振蕩電路對(duì)切割頭噴嘴與加工工件之間的電容值進(jìn)行連續(xù)采樣。從結(jié)構(gòu)上講，電容三點(diǎn)式LC振蕩電路是一個(gè)自帶選頻網(wǎng)絡(luò)且沒有輸入信號(hào)的正反饋放大電路，由放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)4部分組成。其中，放大電路采用一定放大倍數(shù)的三級(jí)管對(duì)某一頻率的輸出信號(hào)進(jìn)行放大處理；正反饋網(wǎng)絡(luò)用來將輸出的正反饋信號(hào)引入到輸入端，使電路產(chǎn)生自激振蕩；選頻網(wǎng)絡(luò)用來篩選出指定頻率信號(hào)，保證電容三點(diǎn)式LC振蕩電路實(shí)現(xiàn)單一頻率振蕩；穩(wěn)幅環(huán)節(jié)用來穩(wěn)定振蕩電路輸出信號(hào)的幅值，使振蕩電路輸出波形維持等幅振蕩。

電容三點(diǎn)式LC振蕩電路見圖4，放大電路為單級(jí)放大電路，由電阻1、2、3、4，電容1和三體管1組成。1的基極與1相連使得三極管基極接地，實(shí)現(xiàn)了正反饋電壓從三極管發(fā)射極輸入和集電極輸出的目的，此外，三極管1的非線性特性實(shí)現(xiàn)了微電容測(cè)量電路的穩(wěn)幅效果。電容2、3、4、5與電感1串聯(lián)組合構(gòu)成LC選頻電路，為了保證LC環(huán)路的準(zhǔn)確度，所選電容為NPO電容，電阻與電感也為溫度穩(wěn)定性較好的高頻元器件，由于輸出頻率高，電容參數(shù)在1 000 pF以下。電容5為激光切割頭噴嘴與待加工工件的簡(jiǎn)化模型，電路中將其簡(jiǎn)化為一個(gè)極距變化型電容傳感器，因此5大小不固定，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，當(dāng)5取值范圍為10～50 pF時(shí)，電路輸出高頻率信號(hào)。該簡(jiǎn)化模型使得切割頭噴嘴與待加工工件之間的高度變化轉(zhuǎn)化為電容極板間距的變化，從而引起振蕩電路輸出信號(hào)頻率的變化。輸出的頻率信號(hào)經(jīng)過差分芯片max485濾波后，通過雙絞線發(fā)送給調(diào)高控制器。調(diào)高控制器內(nèi)部通過差分芯片max485、串聯(lián)磁珠與并聯(lián)小電容的方式再次對(duì)接收到的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖4 電容三點(diǎn)式LC振蕩電路

將三極管的輸入電容簡(jiǎn)化為I，輸出電容簡(jiǎn)化為O，可以得到式（1）：

式中：S為微電容測(cè)量電路的總電容；2、3、4為電容；5為可變電容；I為三極管的輸入電容；O為三極管的輸出電容。

式中：S為微電容測(cè)量電路的總電容；5為可變電容。

微電容測(cè)量電路所用元器件多為非線性元件，不便解析，因此主要采用Multisim仿真軟件對(duì)電容三點(diǎn)式LC振蕩電路進(jìn)行元器件參數(shù)調(diào)試和仿真實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)試元器件參數(shù)使該微電容測(cè)量電路輸出的頻率范圍為1.665～4.053 MHz。圖5為該微電容測(cè)量電路仿真時(shí)產(chǎn)生的波形圖，可以看出，在測(cè)量過程中，輸出的正弦波維持等幅振蕩，波形穩(wěn)定且無高次諧波出現(xiàn)，能夠達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的。

圖5 微電容測(cè)量電路輸出信號(hào)波形

3 隨動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在STM32單片機(jī)的開發(fā)中存在3種常用的軟件架構(gòu)，分別為順序執(zhí)行的前后臺(tái)系統(tǒng)、時(shí)間片輪詢系統(tǒng)和多任務(wù)操作系統(tǒng)。在邏輯清晰且功能單一的系統(tǒng)中多采用順序執(zhí)行的前后臺(tái)架構(gòu)，時(shí)間片輪詢系統(tǒng)多應(yīng)用在對(duì)系統(tǒng)可靠性要求較高且單片機(jī)資源缺乏的情況下，對(duì)功能復(fù)雜、邏輯控制較為困難的系統(tǒng)多采用多任務(wù)操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

基于STM32主控制器開發(fā)的軸調(diào)高隨動(dòng)控制系統(tǒng)邏輯清晰，且只需完成高度跟隨控制的單一功能，因此，采用簡(jiǎn)單的前后臺(tái)順序執(zhí)行架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。如圖6所示，隨動(dòng)系統(tǒng)正常工作時(shí)共調(diào)度4個(gè)任務(wù)：人機(jī)界面信息處理任務(wù)、電容傳感器數(shù)據(jù)處理任務(wù)、伺服電機(jī)控制任務(wù)、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控任務(wù)。此外，為了便于系統(tǒng)的試用管理，系統(tǒng)軟件也提供了基于STM32F407芯片ID的加密認(rèn)證服務(wù)。前臺(tái)包括電容傳感器數(shù)據(jù)處理任務(wù)、伺服電機(jī)控制任務(wù)，由于前臺(tái)操作對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高，將其置于優(yōu)先級(jí)較高的中斷器中執(zhí)行；而對(duì)于人機(jī)界面信息處理任務(wù)、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控任務(wù)實(shí)時(shí)性要求較低的后臺(tái)部分，則將其置于優(yōu)先級(jí)較低的主循環(huán)中執(zhí)行。

3.1 傳感器數(shù)據(jù)處理模塊

由于切割頭噴嘴與待加工工件之間的距離是變化的，導(dǎo)致LC振蕩電路輸出信號(hào)的頻率值隨之發(fā)生變化，系統(tǒng)將微電容測(cè)量電路輸出的電容頻率信號(hào)經(jīng)過放大與單端轉(zhuǎn)差分處理之后得到電容頻率差分?jǐn)?shù)字信號(hào)，通過雙絞線將其傳送給調(diào)高控制器，調(diào)高控制器對(duì)接收到的電容頻率差分?jǐn)?shù)字信號(hào)進(jìn)行差分轉(zhuǎn)單端處理，將處理之后得到的濾波信號(hào)傳送給FPGA芯片，此時(shí)，F(xiàn)PGA對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻率測(cè)量，確定被測(cè)信號(hào)的頻率值。任務(wù)結(jié)束之后，F(xiàn)PGA芯片將處理好的數(shù)據(jù)信息通過FSMC的方式傳送給STM32F407芯片。

圖6 系統(tǒng)軟件啟動(dòng)流程

3.2 電容值轉(zhuǎn)化為距離

電容傳感器測(cè)量切割頭噴嘴與待加工工件表面之間的距離是基于平行板電容數(shù)學(xué)模型與LC振蕩電路頻率數(shù)學(xué)模型：

由于實(shí)際計(jì)算距離時(shí)不能直接依據(jù)此理論模型，在軸調(diào)高隨動(dòng)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行前，調(diào)高控制器首先控制激光切割頭運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行標(biāo)定處理。

本次設(shè)計(jì)將激光切割頭在軸方向的標(biāo)定距離設(shè)置為0～10 mm，由于系統(tǒng)每次間隔1 ms采集一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，為了每次間隔0.01 mm的距離采集一次標(biāo)定點(diǎn)，利用調(diào)高控制器將系統(tǒng)的標(biāo)定速度設(shè)置為10 mm/s。理想狀態(tài)下，系統(tǒng)會(huì)標(biāo)定1 000個(gè)采樣點(diǎn)，若標(biāo)定過程獲得的標(biāo)定點(diǎn)數(shù)越接近1 000，隨動(dòng)時(shí)系統(tǒng)精度越高。標(biāo)定結(jié)束后，系統(tǒng)生成電容頻率–高度數(shù)據(jù)表，并把標(biāo)定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在STM32芯片內(nèi)部。當(dāng)系統(tǒng)處于隨動(dòng)狀態(tài)下，獲取電容頻率值之后，將標(biāo)定的數(shù)據(jù)表作為參考，采用二分法查表得到切割頭與待加工工件之間的實(shí)時(shí)高度值。利用Matlab軟件處理采集到的標(biāo)定數(shù)據(jù)，得到圖7所示的標(biāo)定曲線。

3.3 濾波算法設(shè)計(jì)

由于采集的電容值很小，僅為幾十皮法，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，周圍環(huán)境中的電磁干擾以及切割過程產(chǎn)生的碎屑都會(huì)對(duì)采樣信號(hào)產(chǎn)生干擾。為了保證采樣信號(hào)的準(zhǔn)確度，需要采用數(shù)字濾波技術(shù)削弱或?yàn)V除隨機(jī)干擾信號(hào)。數(shù)字濾波技術(shù)的原理是通過科學(xué)判斷和精確計(jì)算減小采樣信號(hào)中存在的干擾信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)在程序中過濾和削弱干擾信號(hào)的目的。常用的數(shù)字濾波算法有防脈沖干擾濾波、滯后濾波和滑動(dòng)平均值濾波等數(shù)學(xué)計(jì)算方法[13]。與其他濾波方法相比，滑動(dòng)平均值濾波算法測(cè)量速度快、數(shù)據(jù)計(jì)算速率高、實(shí)時(shí)性高，因此，采用滑動(dòng)平均值濾波算法對(duì)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理[14-15]。

圖7 標(biāo)定曲線

如圖8所示，滑動(dòng)平均值濾波首先在STM32單片機(jī)RAM中建立一個(gè)長(zhǎng)度為的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后將得到的個(gè)采樣數(shù)據(jù)按照順序依次存放到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，每接收一個(gè)新數(shù)據(jù)，就將最早接收到的數(shù)據(jù)丟掉，然后求包括新數(shù)據(jù)在內(nèi)的個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或加權(quán)平均值，每接收一次數(shù)據(jù)，便可計(jì)算出一個(gè)新的平均值，該濾波方法大大提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度。計(jì)算公式為：

式中：x(n)為輸入；y(n)為輸出；N為滑動(dòng)窗口的寬度，N=2k+1，其中k為正整數(shù)。

為了得到更加精確的數(shù)據(jù)，對(duì)此算法進(jìn)行改進(jìn)。如圖9所示，該算法分為6個(gè)步驟。

1）首先在STM32單片機(jī)的RAM區(qū)建立一個(gè)長(zhǎng)度為的隊(duì)列。

2）利用電容傳感器采集電容頻率值，將采樣值依次寫入長(zhǎng)度為的隊(duì)列。

3）當(dāng)隊(duì)列滿時(shí)，對(duì)隊(duì)列中的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行求和運(yùn)算。

4）當(dāng)隊(duì)列滿時(shí)，篩選出隊(duì)列中采樣數(shù)據(jù)的最大值與最小值，并將得到的最值做求和運(yùn)算。

5）步驟3得到的運(yùn)算結(jié)果與步驟4得到的運(yùn)算結(jié)果相減。

6）將步驟5得到的運(yùn)算結(jié)果與?2相除得到采樣數(shù)據(jù)的平均值，獲得更為準(zhǔn)確的濾波結(jié)果。

圖9 傳感器數(shù)據(jù)處理流程圖

3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)濾波算法的準(zhǔn)確性及軸調(diào)高隨動(dòng)控制系統(tǒng)的跟隨效果，在圖10所示的激光切割機(jī)床上對(duì)設(shè)計(jì)的軸調(diào)高隨動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為2種情況，即分別在隨動(dòng)控制系統(tǒng)采用滑動(dòng)平均值濾波算法和改進(jìn)滑動(dòng)平均值濾波算法的情況下進(jìn)行激光切割實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)步驟如下。

1）通過調(diào)高控制器在機(jī)床上對(duì)激光切割頭進(jìn)行標(biāo)定處理。

2）設(shè)置機(jī)床切割板材時(shí)的隨動(dòng)高度和隨動(dòng)速度。目前，在實(shí)際工業(yè)加工中，激光切割板材時(shí)的隨動(dòng)高度通常設(shè)定在0～1 mm內(nèi)，設(shè)定的隨動(dòng)高度越高，系統(tǒng)反應(yīng)越快，隨動(dòng)誤差越小。本次實(shí)驗(yàn)將隨動(dòng)高度設(shè)置在0～1 mm內(nèi)，隨動(dòng)速度設(shè)置為500 mm/s。

3）設(shè)置切割圖形，進(jìn)行激光切割實(shí)驗(yàn)并通過示波器采集實(shí)驗(yàn)反饋的隨動(dòng)高度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，利用Matlab軟件處理示波器采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，處理后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖11。當(dāng)采用滑動(dòng)平均值濾波算法時(shí)，隨動(dòng)狀態(tài)下系統(tǒng)反饋的高度與系統(tǒng)設(shè)定的高度之間的最大誤差為0.03 mm；當(dāng)采用改進(jìn)后的滑動(dòng)平均值濾波算法時(shí)，隨動(dòng)狀態(tài)下系統(tǒng)反饋的高度與系統(tǒng)設(shè)定的高度之間的最大誤差被限制在0.01 mm內(nèi)。觀察圖11可以看出，當(dāng)系統(tǒng)處于隨動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)反饋得到的濾波高度在大部分情況下均大于系統(tǒng)設(shè)定的高度，此種現(xiàn)象是為了避免切割頭在系統(tǒng)設(shè)定值附近來回跳變，導(dǎo)致切割頭切割時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)，影響板材切割質(zhì)量。分析表1中的5組隨動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出，滑動(dòng)平均值濾波絕對(duì)誤差的最大值為0.033 357 mm，改進(jìn)后滑動(dòng)平均值濾波絕對(duì)誤差的最大值為0.009 783 mm，小于0.01 mm，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。由表1可以看出，隨著設(shè)定高度的增加，系統(tǒng)絕對(duì)誤差逐漸減小，主要?dú)w因于隨動(dòng)高度越高，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，誤差越小。對(duì)比圖11的濾波高度曲線與表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論：在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)采用改進(jìn)滑動(dòng)平均值濾波算法進(jìn)行激光切割時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生的隨動(dòng)誤差較小，該算法顯著提高了軸調(diào)高控制系統(tǒng)的跟隨精度。

圖10 激光切割實(shí)驗(yàn)機(jī)床

圖11 隨動(dòng)控制系統(tǒng)上機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 隨動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.1 Data of servo test

4 結(jié)語

文中設(shè)計(jì)了一種基于STM32與FPGA的激光切割高精度軸調(diào)高隨動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用變極距電容傳感器，以STM32F407作為隨動(dòng)系統(tǒng)的控制核心，同時(shí)STM32F407通過FSMC與FPGA芯片連接。FPGA芯片通過I/O接口連接各種外設(shè)，處理接收到的數(shù)字信號(hào)，節(jié)省了CPU的占用空間，提高了單片機(jī)的運(yùn)行速度，從而快速實(shí)現(xiàn)激光切割頭對(duì)待加工工件切割高度的跟隨運(yùn)動(dòng)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該隨動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)精度能夠達(dá)到0.01 mm，靜態(tài)響應(yīng)精度為0.001 mm，最大隨動(dòng)速度達(dá)到500 mm/s。系統(tǒng)滿足激光切割機(jī)床加工板材時(shí)高速高精的加工要求，有效解決了加工板材表面彎曲不平造成的切割質(zhì)量問題，提高了切割產(chǎn)品的合格率與產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，安全可靠。文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品外觀包裝設(shè)計(jì)具有重要意義，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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Design of Servo Control System for Laser Cutting-axis Height Adjustment

XI Da-chi1,LI Zhong-kai1,2,ZHANG Zhi-feng2,3,HONG Zhao-xi2,3

(1. School of Mechatronics Engineering, China University of Mining & Technology, Jiangsu Xuzhou 221116, China; 2. State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 3. Huzhou Lvchan Intelligent Manufacturing Co., Ltd., Zhejiang Huzhou 313000, China)

The work aims to design a high-precision servo control system of-axis height adjustment for laser cutting based on an STM32 master controller chip and an FPGA slave controller chip. The principle, hardware design, software design and simulation experiment of micro capacitance measuring circuit of the control system were introduced. Aiming at the interference of servo control system, an improved filtering operator based on moving average filtering algorithm was put forward. Laser cutting test was conducted to verify the proposed method. The dynamic following accuracy of the servo control system was 0.01 mm, and the maximum following speed was 500 mm/s. The servo control system enables laser cutting machines to achieve high speed and high precision cutting effect.

STM32 main controller; laser cutting;-axis height adjustment; micro capacitance measuring circuit; servo system

TB486；TP275

A

1001-3563(2023)03-0131-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.03.016

2022?06?29

國家自然科學(xué)基金（51475459，52105281）；浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022C01196）

西大馳（1996—），男，碩士生，主攻機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

李中凱（1980—），男，博士，副教授，博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和智能設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋