一种金属切割高度传感器的制作方法

1.本技术涉及金属切割技术领域，特别是涉及一种金属切割高度传感器。


背景技术：

2.在使用等离子、火焰、激光等对金属板材进行切割时，保持切割头跟被加工板材之间恒定的高度有利于保证切面效果，降低后期加工难度和复杂度，节省成本。切割时，由于切割窗体本身的平整和板材本身平整度问题以及板材表面异物等影响，被切割平面并不是理想的水平面，切割进行时，还有可能切落的金属部分产生起翘，反转等，导致切割头运动受影响，轻则触板，重则因为碰撞损坏切割头。通常切割较厚板材时，需要先对板材进行穿孔，配合气压和激光、等离子、火焰等把板材烧透，这过程需要对一个或多个切割头跟板材之间的高度进行精确控制。现有控制系统由于没有总线接口或者采用低速非实时信号传递，只能采用0-10v传统plc形式进行高度跟随，无法实现一个控制器对多个切割头进行高度跟随控制。
3.综上所述，亟需一种可实现一个控制器对一个或多个切割头进行高度跟随控制的金属切割高度传感器。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种可实现一个控制器对一个或多个切割头进行高度跟随控制的金属切割高度传感器。
5.提供了一种金属切割高度传感器，所述设备包括：
6.至少一个电容传感器，由设置于切割头的喷嘴处的电容极板与被切割金属板面构成，所述电容传感器的数量根据切割头数量设置；
7.与所述电容传感器接线连接的电容测量模块，用于将获取所述电容，并所述电容的实时变化转化为频率信号通过同轴电缆传输；
8.与所述同轴电缆连接的高度获取模块，用于根据所述频率信号进行谐振频率测量，将所述测量频率通过ethercat总线输出；
9.与所述ethercat总线连接的cnc控制模块，用于根据所述切割头对应的所述测量频率，获得当前所述电容极板与被切割金属板面之间的高度，以所述高度调整所述切割头的当前切割控制以保持恒定切割高度进行切割作业。
10.进一步地，所述电容测量模块包括信号转化子模块和信号调制子模块，其中，
11.与所述电容传感器连接的信号转化子模块，用于获取所述电容，检测所述电容的变化并放大，将放大后的所述电容的变化转化为频率信号；
12.与所述信号转化子模块连接的信号调制子模块，用于将所述频率信号通过调制后输出至同轴电缆传输。
13.进一步地，所述高度获取模块包括信号解调子模块和频率检测子模块，其中，
14.与所述同轴电缆连接的信号解调子模块，用于通过解调获取所述频率信号，放大
所述频率信号，并通过隔离电路后输出；
15.与所述信号解调子模块连接的频率检测子模块，用于对隔离后的所述频率信号进行频率测量，将所述测量频率通过ethercat总线输出。
16.进一步地，所述频率检测子模块通过等精度测量法进行频率测量。
17.进一步地，所述电容极板内置或者外置于喷嘴。
18.进一步地，所述电容传感器还包括切割头前端设置的温度传感器，温度变化时，以所述温度传感器的输出波形对所述电容进行非线性补偿。
19.进一步地，所述频率信号为高频信号，所述谐振频率测量的检测频率大于等于10mhz。
20.进一步地，所述金属切割高度传感器还包括标定模块，用于在初始切割、更换喷嘴、变更切割材料及切割故障时，测量所述电容传感器的电容值变化完成初始频率和高度的标定，获得频率和高度曲线，并对所述频率和高度曲线进行分段拟合金属切割高度传感器。
21.进一步地，所述同轴电缆还用于为所述电容传感器供电。
22.进一步地，所述ethercat总线采用coe协议。
23.上述金属切割高度传感器，通过在每个切割头喷嘴处设置的电容传感器，将获取其电容，并所述电容的实时变化转化为频率信号通过同轴电缆传输；根据所述频率信号进行谐振频率测量，将所述测量频率通过ethercat总线输出；根据每个切割头对应的所述测量频率，获得当前所述电容极板与被切割金属板面之间的高度，以所述高度调整所述切割头的当前切割控制以保持恒定切割高度进行切割作业，实现了一个控制器对一个或多个切割头的高度跟随。
附图说明
24.图1为一个实施例中金属切割高度传感器的结构框图。
具体实施方式
25.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
26.本技术提供的金属切割高度传感器，可以应用激光切割、火花切割机及等离子切割机的应用环境中。
27.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种金属切割高度传感器，所述设备包括：
28.至少一个电容传感器，由设置于切割头的喷嘴处的电容极板11与被切割金属板面12构成，所述电容传感器的数量根据切割头数量设置，电容极板11与被切割金属板面12之间高度影响电容大小的变化，一个切割头对应一个电容传感器，整个金属切割高度传感器可包括一个或多个切割头；其中，通电工作时，所述电容极板11与被切割金属板面12构成一个等效电容器，这个电容器的电容量决定于电容极板11与被切割金属板面12的相对面积、电容极板11与被切割金属板面12之间的距离，当两者相对面积固定，即喷嘴不变情况下，电容极板11与被切割金属板面12之间的距离跟该电容器的电容之间有一个固定的非线性关
系，测量电容值就可以精确测算出电容极板11与被切割金属板面12之间的距离，也就是切割喷嘴跟被加工板材之间的实际高度。所述电容极板内置或者外置于喷嘴，当电容传感器内置在切割头前端，尽量保证跟喷嘴距离最近，同时由于切割头本身是接地良好的金属部件，可以很好的屏蔽emc/emi干扰源，有效提高信号稳定度。
29.与所述电容传感器接线连接的电容测量模块13，用于将获取所述电容，并所述电容的实时变化转化为频率信号通过同轴电缆14传输；所述同轴电缆14还用于为所述电容传感器供电。具体的，可采用克拉波三点式谐振电路实现电容-频率转换。采用高频信号传递的同轴电缆进行信号传递，可以有效改善设计上限频率，扩展频率范围，提高采集精度和分辨率。同时，把直流电源采用同一条线材二合一传递，有效降低成本。由于喷嘴的面积通常都非常小，喷嘴直径通常5mm，中间还有孔，被测电容量非常的小，通常是pf级别，甚至更低，为了保证精确测量，所述接线需设置尽可能的短。与所述同轴电缆14连接的高度获取模块15，用于根据所述频率信号进行谐振频率测量，将所述测量频率通过ethercat总线输出；所述频率信号为高频信号，所述谐振频率测量的检测频率大于等于10mhz。通过提升谐振频率，可有效提高采样分辨率。其中，采用等精度测量法，具体实现如下，由被测频率去启动和关闭测量门限，在这个门限里同时对被测频率nx和标准时钟频率ns进行计数。被测频率nx可以由如下公式求出：
[0030][0031]
由于nx没有
±
1误差，ns存在
±
1误差，但是fs会有误差，等精度测量的误差：
[0032][0033]
由此可见ns越小，测量误差越小，也即是说标准频率越高，实际误差越小。若采用测量周期1ms，标准频率400mhz,被测频率为10mhz时，理想测量误差25hz。由于ethercat总线是一个一主多从的结构体系，电容传感器作为ethercat从站结构，多个电容传感器以固定周期与cnc控制模块16传输。
[0034]
与所述ethercat总线17连接的cnc控制模块16，用于根据所述切割头对应的所述测量频率，获得当前所述电容极板11与被切割金属板面12之间的高度，以所述高度调整所述切割头的当前切割控制以保持恒定切割高度进行切割作业。由于标定获得了频率与高度的关系函数，即频率和高度曲线，cnc控制模块16会记录这个关系函数，再次获得频率时，很容易就可以得到当前高度，从而知道如何调整当前高度，进而控制调高、调低或者保持不变。切割加工过程中，为了保证切割效果，电容极板11与被切割金属板面12之间必须保持恒定距离，也即切割时候反馈给cnc控制模块16的频率是不变的，或者在误差允许范围内变动。当被切割金属板材的表面不平整的时候，喷嘴跟被切割金属板材之间形成的电容器的电容值发生变化，随之cnc控制模块16测得的频率发生变化。cnc控制模块16就会根据之前标定曲线，运用一定算法调整电容极板11与被切割金属板面12间的距离，使反馈的频率维持在目标距离对应的频率，保证切割效果。
[0035]
在其中一个实施例中，所述电容测量模块13包括信号转化子模块和信号调制子模块，其中，
[0036]
与所述电容传感器连接的信号转化子模块，用于获取所述电容，检测所述电容的变化并放大，将放大后的所述电容的变化转化为频率信号；
[0037]
与所述信号转化子模块连接的信号调制子模块，用于将所述频率信号通过调制后输出至同轴电缆14传输。经过放大之后采用调制器电路调制到同轴电缆上，可有效降低干扰并能够节省成本，保证信号传递稳定性。
[0038]
在其中一个实施例中，所述高度获取模块15包括信号解调子模块和频率检测子模块，其中，
[0039]
与所述同轴电缆14连接的信号解调子模块，用于通过解调获取所述频率信号，放大所述频率信号，并通过隔离电路后输出；
[0040]
与所述信号解调子模块连接的频率检测子模块，用于对隔离后的所述频率信号进行频率测量，将所述测量频率通过ethercat总线17输出。所述ethercat总线17采用coe协议。优选的，所述频率检测子模块为fpga模块，其通过等精度测量法进行频率测量，采用等精度测量法，获取的数据非常稳定、平滑，可有效保证频率检测。频率检测子模块通常是安装在机床设备的电控柜之中，频率检测子模块和电容传感器之间的距离通常是几米到几十米，传输线通常会有20米甚至更长。
[0041]
在其中一个实施例中，由于电容器的稳定性还受温度影响，电容器输出要保持一致的特性，还需要通过硬件补偿，即在电容测量电路中增加温度变化扰动数据。具体，所述电容传感器还包括切割头前端设置的温度传感器，温度变化时，以所述温度传感器的输出波形对所述电容进行非线性补偿，抵消温度变化引起的频率漂移。
[0042]
在其中一个实施例中，所述金属切割高度传感器还包括标定模块，用于在初始切割、更换喷嘴、变更切割材料及切割故障时，测量所述电容传感器的电容值变化完成初始频率和高度的标定，获得频率和高度曲线，并对所述频率和高度曲线进行分段拟合。所述切割故障包括撞板、喷嘴丢失和切割过程中侧碰到其他翘起物体。在切割过程中撞板、喷嘴丢失、切割过程中侧碰到其他翘起物体、初始切割、更换喷嘴或变更切割材料等情况下，都需要进行标定。标定过程是数据采集和记录的过程，可采用逐点记录地方进行标定，在被测量范围内根据测量结果进行数据记录，获取频率与高度的关系函数v＝ah，其中，v为频率值，h代表高度，a为转化系数，输出波形是0-10v对应0-20mm的高度模拟量线性数据，且对频率和高度函数进行分段拟合，通过拟合过滤掉标定点跟实际频率偏移造成的影响。频率和高度曲线中间部分接近一条直线，这个区间的拟合曲线采用一组参数，也即分成1段进行拟合，过滤掉标定点跟实际频率偏移造成的影响。
[0043]
上述金属切割高度传感器中，通过在每个切割头喷嘴处设置的电容传感器，将获取其电容，并所述电容的实时变化转化为频率信号通过同轴电缆传输；根据所述频率信号进行谐振频率测量，将所述测量频率通过ethercat总线输出；根据每个切割头对应的所述测量频率，获得当前所述电容极板与被切割金属板面之间的高度，以所述高度调整所述切割头的当前切割控制以保持恒定切割高度进行切割作业，实现了一个控制器对一个或多个切割头的高度跟随。
[0044]
上述金属切割高度传感器中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于切割设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于切割设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0045]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0046]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。