閆 偉

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司機(jī)電廠， 山西 太原 030053）

引言

數(shù)控火焰切割機(jī)是一種集機(jī)、電、氣于一體的自動切割設(shè)備，主要包括數(shù)控系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)，是鋼材加工的核心設(shè)備，在切割機(jī)工作過程中需要根據(jù)實際需求不斷地調(diào)節(jié)高度，以滿足不同形狀板材的切割需求。隨著應(yīng)用范圍的不斷拓展，對板材的切割精度要求不斷提高。但由于切割時高速氣流的影響，現(xiàn)有的切割機(jī)控制系統(tǒng)在工作過程中存在著調(diào)節(jié)精度低、滯后性大等不足，已經(jīng)無法適應(yīng)高精度截割的控制需求。結(jié)合智能控制技術(shù)的不斷提升，本文提出了一種新的高度調(diào)控系統(tǒng)。

1 高度調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

數(shù)控火焰切割機(jī)調(diào)高系統(tǒng)主要包括感應(yīng)裝置、控制中心、信號檢測電路、升降電機(jī)等，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)節(jié)溫度性好，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

由圖1 可知，在數(shù)控切割機(jī)高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，在截割噴嘴（割炬）處設(shè)置有一個感應(yīng)裝置，該感應(yīng)裝置利用了不同距離時產(chǎn)生的電容Cx不同來確定截割噴嘴和截割鋼板之間的實際距離，然后系統(tǒng)利用信號檢測線路將數(shù)據(jù)信息傳遞到調(diào)高控制中心內(nèi)，從而確定截割時機(jī)。

圖1 切割機(jī)高度調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

感應(yīng)裝置檢測到的感應(yīng)電容的大小和高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度有關(guān)，若調(diào)節(jié)速度不足則感應(yīng)電路監(jiān)測準(zhǔn)確度高，但系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤響應(yīng)速度差。若調(diào)節(jié)速度過快則感應(yīng)電流監(jiān)測準(zhǔn)確性會出現(xiàn)一定的偏差。因此為了確保調(diào)高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)靈敏性和響應(yīng)速度，采用了差異化的高度調(diào)節(jié)策略[1]，當(dāng)截割噴嘴和鋼板之間的距離較大時高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)將以較大的速度和加速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高響應(yīng)速度。當(dāng)截割噴嘴和鋼板之間的距離較小時則切換到低速進(jìn)給模式，降低快速調(diào)整時對感應(yīng)電流的影響，提高對截割距離的判斷準(zhǔn)確性，提升截割高度調(diào)節(jié)精度。同時為了減少在截割過程中工件熱變形或者振動導(dǎo)致的截割誤差，在新的控制系統(tǒng)中采用了電容式閉環(huán)調(diào)節(jié)和電壓負(fù)反饋調(diào)速控制模式，有效提升了調(diào)節(jié)控制精度和靈敏性。

2 高度調(diào)控系統(tǒng)的電容式閉環(huán)模糊調(diào)節(jié)功能

電容式閉環(huán)調(diào)節(jié)的核心是一個位置隨動系統(tǒng)，主要包括了電流截止反饋、電壓截止反饋及位置截止反饋三個部分，在運(yùn)行過程中系統(tǒng)的位置信息不斷發(fā)生變化，其核心要求是隨動位置信息能夠跟隨實際位置的變化而不斷更新并快速輸出，為了保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)對輸出信號反應(yīng)的靈敏性，執(zhí)行調(diào)高電機(jī)一般采用永磁伺服直流電機(jī)。

在該電容閉式調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，除了直接讀取電容信號進(jìn)行高度信息采集外，還增加了雙重位置信息復(fù)測邏輯。判別邏輯一是電壓判別，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的電容發(fā)生變化后系統(tǒng)內(nèi)的電壓同樣會發(fā)生變化，因此在復(fù)測邏輯中增加了對電壓信號的檢測，利用模糊控制的理論，對電壓信號的波動情況進(jìn)行過濾，能夠有效識別因調(diào)高系統(tǒng)速度變化而導(dǎo)致的電壓波動。然后將電壓信號通過A/D 模擬轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為精確的數(shù)字量控制信號，從而實現(xiàn)對高度的判斷。判別邏輯二是模糊控制調(diào)節(jié)。在定量調(diào)節(jié)中，假設(shè)設(shè)定的高度為d，系統(tǒng)換算出的高度為dx，系統(tǒng)將dx 和d 進(jìn)行對比，獲取二者的差值e 及偏差變化率ec，然后根據(jù)模糊控制邏輯，分別對二者施加一定的量化因子，計算出模糊控制函數(shù)E 及EC，然后根據(jù)模糊控制規(guī)則獲取模糊量化數(shù)值U 和此時的輸出控制信號u，實現(xiàn)對切割機(jī)高度的模糊控制調(diào)節(jié)，該電容式閉環(huán)模糊調(diào)節(jié)邏輯如圖2 所示[2]。

圖2 閉環(huán)模糊控制調(diào)節(jié)邏輯示意圖

3 高度調(diào)控系統(tǒng)的電壓負(fù)反饋調(diào)速功能

依靠人工對高度變化速度調(diào)整的方式雖然靈活性高，但調(diào)節(jié)精度差，滯后性也大。因此本文提出了一種新的電壓負(fù)反饋調(diào)速控制系統(tǒng)[3]，該調(diào)速控制原理如圖3 所示，圖中Ui表示系統(tǒng)的電容電壓，Uu表示高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)螺桿轉(zhuǎn)速的對應(yīng)電壓信號，Ud表示電樞端電壓值。

該負(fù)反饋調(diào)速的核心在于以位置電壓信號作為系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)控制信號，為了保證系反饋調(diào)節(jié)信號的精確性，在信號中增加了一個電壓反饋系數(shù)r，Uu=rUd，通過該反饋調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)利用截割噴嘴和截割鋼板之間的實際距離來對高度調(diào)節(jié)速度進(jìn)行動態(tài)閉環(huán)調(diào)節(jié)，從而滿足了“大距離、高速度，小距離、低速度”的反饋調(diào)節(jié)模式，極大地提升了高度調(diào)節(jié)的靈敏性和精確性。

圖3 電壓負(fù)反饋調(diào)速邏輯示意圖

利用該智能調(diào)控裝置對火焰切割機(jī)的高度進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)實際驗證表明系統(tǒng)的高度調(diào)節(jié)精度由優(yōu)化前的±9 mm 提升到了優(yōu)化后的±1.26 mm，精度提升了86%。調(diào)節(jié)速度由優(yōu)化前的0.7 m/s 提高到了1.2 m/s，速度提升了72%，顯著提升了切割效率和質(zhì)量義。

4 結(jié)論

1）數(shù)控火焰切割機(jī)調(diào)高系統(tǒng)主要包括感應(yīng)裝置、控制中心、信號檢測電路、升降電機(jī)等，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)節(jié)溫度性好。

2）電容式閉環(huán)調(diào)節(jié)的核心是一個位置隨動系統(tǒng)，該系統(tǒng)以閉環(huán)模糊控制調(diào)節(jié)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對截割噴嘴和工件間距離的精確判斷；

3）電壓負(fù)反饋調(diào)節(jié)，利用截割噴嘴和截割鋼板之間的實際距離來對高度調(diào)節(jié)速度進(jìn)行動態(tài)閉環(huán)調(diào)節(jié)，從而滿足了“大距離、高速度，小距離、低速度”的反饋調(diào)節(jié)模式。

4）該系統(tǒng)能夠?qū)⑶懈顧C(jī)高度調(diào)節(jié)精度提升86%以上，將調(diào)節(jié)速度提升72%，對提升切割效率和質(zhì)量具有十分重要的意義。