数控火焰切割机智能高度调控装置的研究

2021-04-08闫伟

机械管理开发 2021年1期

闫伟

（西山煤电（集团）有限责任公司机电厂，山西太原 030053）

引言

数控火焰切割机是一种集机、电、气于一体的自动切割设备，主要包括数控系统、切割系统、高度调节系统和驱动系统，是钢材加工的核心设备，在切割机工作过程中需要根据实际需求不断地调节高度，以满足不同形状板材的切割需求。随着应用范围的不断拓展，对板材的切割精度要求不断提高。但由于切割时高速气流的影响，现有的切割机控制系统在工作过程中存在着调节精度低、滞后性大等不足，已经无法适应高精度截割的控制需求。结合智能控制技术的不断提升，本文提出了一种新的高度调控系统。

1 高度调控系统结构及原理

数控火焰切割机调高系统主要包括感应装置、控制中心、信号检测电路、升降电机等，结构紧凑，调节温度性好，其整体结构如图1 所示。

由图1 可知，在数控切割机高度调节系统中，在截割喷嘴（割炬）处设置有一个感应装置，该感应装置利用了不同距离时产生的电容Cx不同来确定截割喷嘴和截割钢板之间的实际距离，然后系统利用信号检测线路将数据信息传递到调高控制中心内，从而确定截割时机。

图1 切割机高度调控系统结构示意图

感应装置检测到的感应电容的大小和高度调节系统的调节速度有关，若调节速度不足则感应电路监测准确度高，但系统的动态跟踪响应速度差。若调节速度过快则感应电流监测准确性会出现一定的偏差。因此为了确保调高系统的调节灵敏性和响应速度，采用了差异化的高度调节策略[1]，当截割喷嘴和钢板之间的距离较大时高度调节系统将以较大的速度和加速度进行调节，提高响应速度。当截割喷嘴和钢板之间的距离较小时则切换到低速进给模式，降低快速调整时对感应电流的影响，提高对截割距离的判断准确性，提升截割高度调节精度。同时为了减少在截割过程中工件热变形或者振动导致的截割误差，在新的控制系统中采用了电容式闭环调节和电压负反馈调速控制模式，有效提升了调节控制精度和灵敏性。

2 高度调控系统的电容式闭环模糊调节功能

电容式闭环调节的核心是一个位置随动系统，主要包括了电流截止反馈、电压截止反馈及位置截止反馈三个部分，在运行过程中系统的位置信息不断发生变化，其核心要求是随动位置信息能够跟随实际位置的变化而不断更新并快速输出，为了保证执行机构对输出信号反应的灵敏性，执行调高电机一般采用永磁伺服直流电机。

在该电容闭式调节系统中，除了直接读取电容信号进行高度信息采集外，还增加了双重位置信息复测逻辑。判别逻辑一是电压判别，当系统内的电容发生变化后系统内的电压同样会发生变化，因此在复测逻辑中增加了对电压信号的检测，利用模糊控制的理论，对电压信号的波动情况进行过滤，能够有效识别因调高系统速度变化而导致的电压波动。然后将电压信号通过A/D 模拟转换器转换为精确的数字量控制信号，从而实现对高度的判断。判别逻辑二是模糊控制调节。在定量调节中，假设设定的高度为d，系统换算出的高度为dx，系统将dx 和d 进行对比，获取二者的差值e 及偏差变化率ec，然后根据模糊控制逻辑，分别对二者施加一定的量化因子，计算出模糊控制函数E 及EC，然后根据模糊控制规则获取模糊量化数值U 和此时的输出控制信号u，实现对切割机高度的模糊控制调节，该电容式闭环模糊调节逻辑如图2 所示[2]。

图2 闭环模糊控制调节逻辑示意图

3 高度调控系统的电压负反馈调速功能

依靠人工对高度变化速度调整的方式虽然灵活性高，但调节精度差，滞后性也大。因此本文提出了一种新的电压负反馈调速控制系统[3]，该调速控制原理如图3 所示，图中Ui表示系统的电容电压，Uu表示高度调节机构螺杆转速的对应电压信号，Ud表示电枢端电压值。

该负反馈调速的核心在于以位置电压信号作为系统的反馈调节控制信号，为了保证系反馈调节信号的精确性，在信号中增加了一个电压反馈系数r，Uu=rUd，通过该反馈调速系统能够实现利用截割喷嘴和截割钢板之间的实际距离来对高度调节速度进行动态闭环调节，从而满足了“大距离、高速度，小距离、低速度”的反馈调节模式，极大地提升了高度调节的灵敏性和精确性。