非接觸式金屬縫隙及表面的數控跟蹤器和跟蹤方法
【專利摘要】一種非接觸式金屬縫隙及表面的數控跟蹤器，由兩個微小型環狀金屬探測器、兩組特種同軸電纜、一個雙通道微弱信號電子激勵和解調器、一臺具有雙通道高速信號處理能力的工控機組成，兩個環形金屬探測器呈同心套環方式構筑，兩個探測器處于同一平面，兩個金屬探測器相互之間電氣絕緣和電容場隔離，內環傳感器中心孔與加工刀具外徑配合。一種數控跟蹤方法，利用雙通道微弱信號電子激勵和解調器同時激勵和接受來自兩個環狀金屬探測器的電容信號，并進行高頻數字濾波、鎖相環精確信號同步、數字信號轉換處理。雙通道高速信號處理的工控機讀入兩路電容變化信號后進行信號處理并判斷當前被測表面的變化及其幅度。本發明實現了智能的高度和縫隙同時跟蹤。
【專利說明】非接觸式金屬縫隙及表面的數控跟蹤器和跟蹤方法
[0001]【技術領域】:
本發明涉及電學領域，尤其涉及自動化設備中的工件輪廓仿形跟蹤技術，特別是一種非接觸式金屬縫隙及表面的數控跟蹤器。
[0002]【背景技術】:
在自動化加工設備中，存在大量需要按照工件不規則輪廓進行自動加工的需求，比較常見的包括依照模版的仿形加工和示教加工、實時檢測材料表面的切割高度跟蹤、實時掃描拼縫并跟蹤的自動焊縫跟蹤等等。現有技術中，這些廣為采用的方法和手段存在很多弊端，仿形和示教費時長效率低，激光焊縫跟蹤價格昂貴，電容高度跟蹤無法同時進行焊縫跟蹤等。尤其在焊割行業，無法實現無需預處理的、高度和焊縫可以同時跟蹤的技術。
[0003]
【發明內容】
:
本發明的目的在于提供一種非接觸式金屬縫隙及表面的數控跟蹤器，所述的這種非接觸式金屬縫隙及表面的數控跟蹤器要解決現有技術中焊割加工預處理仿形效率低、實時仿形傳感技術男友普及、無法兼顧高度和縫隙的同時跟蹤的技術問題。
[0004]本發明的這種非接觸式金屬縫隙及表面的數控跟蹤器，包括一個第一環狀金屬探測器、一個第二環狀金屬探測器、一個雙通道微弱信號電子激勵和解調器和一個工控機，其中，所述的第一環狀金屬探測器的內徑大于所述的第二環狀金屬探測器的外徑，第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器呈同心套環方式布置，第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器之間電氣絕緣，第一環狀金屬探測器的電容場與第二環狀金屬探測器的電容場相互隔離，第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器位于同一平面內，第一環狀金屬探測器通過一根第一低容性特種同軸電纜與所述的雙通道微弱信號電子激勵和解調器的信號輸入端連接，第二環狀金屬探測器通過一根第二低容性特種同軸電纜也與雙通道微弱信號電子激勵和解調器的信號輸入端連接，雙通道微弱信號電子激勵和解調器的輸出端通過數據線與所述的工控機連接，工控機中設置有雙通道信號處理數控模塊。
[0005]進一步的，工控機與加工刀具的控制機構連接。
[0006]進一步的，第一低容性特種同軸電纜和第二低容性特種同軸電纜的長度均接近零。
[0007]進一步的，第二環狀金屬探測器的內徑與加工刀具的外徑配合。
[0008]進一步的，第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器均為微小型金屬探測器。
[0009]本發明還提供了一種利用上述數控跟蹤器實現的數控跟蹤方法，其中，將第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器放置在待加工工件的上方或者下方，第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器與待加工工件的表面之間設置有電容間隙，利用第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器與待加工工件的表面各自構成一對電容正負極板，利用雙通道微弱信號電子激勵和解調器激勵第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器各自產生電容信號，利用雙通道微弱信號電子激勵和解調器同時接受來自第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器的電容信號，利用雙通道微弱信號電子激勵和解調器對接受的電容信號進行高頻數字濾波、鎖相環精確信號同步和數字信號轉換處理，然后將數字信號轉換處理后的信號輸入工控機，利用工控機中的雙通道信號處理數控模塊對信號進行處理，并根據兩路電容變化信號判斷當前待加工工件表面的變化及其幅度，待加工工件表面的變化包括起伏、縫隙和邊緣。
[0010]進一步的，利用工控機中的處理器對兩路電容變化信號進行高速信號處理，并選擇按一個表面起伏跟蹤模式、或者一個縫隙跟蹤模式、或者一個邊緣跟蹤模式進行處理，在所述的表面起伏跟蹤模式中，根據第一環狀金屬探測器信號的變化判斷待加工工件的表面起伏幅度，利用第二環狀金屬探測器信號的變化識別越過的縫隙，利用第二環狀金屬探測器的信號來修正待加工工件的表面起伏幅度的調節量，在所述的縫隙跟蹤模式中，根據第一環狀金屬探測器信號的變化判斷待加工工件的表面起伏幅度，同時根據縫隙偏移引起的第一環狀金屬探測器信號微量緩變輔助判斷縫隙的走向，根據第二環狀金屬探測器在同一時序上的微量信號動態偏差派來決定縫隙跟蹤調節量和方向，在所述的邊緣跟蹤模式中，在第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器跌出邊緣然后回到邊緣的兩個時刻上，建立穩定的信號差值參照以及邊緣方位特征，在隨后的邊緣跟蹤中按邊緣方位特征維持兩路信號差分值決定了邊緣跟蹤的調節量和方向，同時根據第一環狀金屬探測器信號的變化判斷待加工工件的表面起伏幅度。
[0011]本發明的工作原理是:第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器圍繞加工刀具且相互隔離，由于第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器尺寸和位置不同，因此可以對應工件表面特征的不同區域產生不同幅度和變化率的電容信號，利用工控機中的處理器采用數字技術分析兩個信號在同一時間刻的這種復雜和細微的差別，從而判斷并且跟蹤工件特征中的表面起伏、縫隙位置以及邊緣位置。
[0012]具體的，當在表面起伏跟蹤時，第一環狀金屬探測器以較大面積獲得刀具周圍起伏變化的平均信號，作為調節起伏的基本依據，當越過以前加工的縫隙或隆起帶時，第一環狀金屬探測器可能會產生較為平緩的信號變化從而開始調整高度，但第二環狀金屬探測器面積較小，將會產生比較激烈的信號跳變，這個跳變信號結合外環的平緩變化，表明刀具正在越過一個縫隙或隆起帶，高度跟蹤不應該變化或少變化，這個跳變信號應該加權后修正外環信號的調節量。
[0013]進一步的，當縫隙跟蹤時，在刀具沿著編程的縫隙路徑運動中，實際拼縫的偏差可以同時被第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器感應到，這會造成第一環狀金屬探測器信號平緩變化，第二環狀金屬探測器較激烈變化。在一般情況下，在不少于連續兩步采樣內環信號變化可判斷偏移方向和偏移量，但為抗干擾，外環信號同時為作為補充的方向判斷條件。同時外環信號還作為表面起伏跟蹤調節用。
[0014]進一步的，當邊緣跟蹤時，第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器在手動或自動尋邊中，兩個探測器在邊緣建立了一個幅度迥異的信號對:第一環狀金屬探測器具有一半或以上面積在工件上方，信號較強，第二環狀金屬探測器基本懸空在工件外，信號很弱。在邊緣跟蹤中，偏離邊緣的運動導致外環信號平緩減弱，內環信號完全消失。接近邊緣的運動導致外環信號平緩增強，內環信號驟然增強。由此跟蹤信號處理系統產生相應幅度的靠近或離開邊緣信號，運動控制按照尋邊時獲得的邊緣特征決定對應的軸運動量和方向，實現邊緣跟隨。
[0015]本發明和已有技術相對比，其效果是積極和明顯的。本發明提出了全新的傳感器結構，并提出了對應傳感器新結構的信號處理算法和策略，利用數字化的強大能力，實現了智能的、具有廣泛適用性的高度和縫隙同時跟蹤。在功能、精度、速度、穩定性、性價比等多個方面都取得了顯著成效。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明的非接觸式金屬縫隙及表面的數控跟蹤器的示意圖。
[0017]圖2是本發明的非接觸式金屬縫隙及表面的數控跟蹤器的信號處理機制示意圖。
[0018]【具體實施方式】:
實施例1:
如圖1所示，本發明的非接觸式金屬縫隙及表面的數控跟蹤器，包括一個第一環狀金屬探測器1、一個第二環狀金屬探測器2、一個雙通道微弱信號電子激勵和解調器5和一個工控機6，其中，所述的第一環狀金屬探測器I的內徑大于所述的第二環狀金屬探測器2的外徑，第一環狀金屬探測器I和第二環狀金屬探測器2呈同心套環方式布置，第一環狀金屬探測器I和第二環狀金屬探測器2之間電氣絕緣，第一環狀金屬探測器I的電容場與第二環狀金屬探測器2的電容場相互隔離，第一環狀金屬探測器I和第二環狀金屬探測器2位于同一平面內，第一環狀金屬探測器I通過一根第一低容性特種同軸電纜3與所述的雙通道微弱信號電子激勵和解調器5的信號輸入端連接，第二環狀金屬探測器2通過一根第二低容性特種同軸電纜4也與雙通道微弱信號電子激勵和解調器5的信號輸入端連接，雙通道微弱信號電子激勵和解調器5的輸出端通過數據線與所述的工控機6連接，工控機6中設置有雙通道信號處理數控模塊。
[0019]進一步的，工控機6與加工刀具的控制機構連接。
[0020]進一步的，第一低容性特種同軸電纜3和第二低容性特種同軸電纜4的長度均接近零。
[0021]進一步的，第二環狀金屬探測器2的內徑與加工刀具的外徑配合。
[0022]如圖2所示，本發明還提供了一種利用上述數控跟蹤器實現的數控跟蹤方法，其中，將第一環狀金屬探測器I和第二環狀金屬探測器2放置在待加工工件的上方或者下方，第一環狀金屬探測器I和第二環狀金屬探測器2與待加工工件的表面之間設置有電容間隙，利用第一環狀金屬探測器I和第二環狀金屬探測器2與待加工工件的表面各自構成一對電容正負極板，利用雙通道微弱信號電子激勵和解調器5激勵第一環狀金屬探測器I和第二環狀金屬探測器2各自產生電容信號，利用雙通道微弱信號電子激勵和解調器5同時接受來自第一環狀金屬探測器I和第二環狀金屬探測器2的電容信號，利用雙通道微弱信號電子激勵和解調器5對接受的電容信號進行高頻數字濾波、鎖相環精確信號同步和數字信號轉換處理，然后將數字信號轉換處理后的信號輸入工控機6，利用工控機6中的雙通道信號處理數控模塊對信號進行處理，并根據兩路電容變化信號判斷當前待加工工件表面的變化及其幅度，待加工工件表面的變化包括起伏、縫隙和邊緣。
[0023]進一步的，利用工控機6中的處理器對兩路電容變化信號進行高速信號處理，并選擇按一個表面起伏跟蹤模式、或者一個縫隙跟蹤模式、或者一個邊緣跟蹤模式進行處理，在所述的表面起伏跟蹤模式中，根據第一環狀金屬探測器I信號的變化判斷待加工工件的表面起伏幅度，利用第二環狀金屬探測器2信號的變化識別越過的縫隙，利用第二環狀金屬探測器2的信號來修正待加工工件的表面起伏幅度的調節量，在所述的縫隙跟蹤模式中，根據第一環狀金屬探測器I信號的變化判斷待加工工件的表面起伏幅度，同時根據縫隙偏移引起的第一環狀金屬探測器I信號微量緩變輔助判斷縫隙的走向，根據第二環狀金屬探測器2在同一時序上的微量信號動態偏差派來決定縫隙跟蹤調節量和方向，在所述的邊緣跟蹤模式中，在第一環狀金屬探測器I和第二環狀金屬探測器2跌出邊緣然后回到邊緣的兩個時刻上，建立穩定的信號差值參照以及邊緣方位特征，在隨后的邊緣跟蹤中按邊緣方位特征維持兩路信號差分值決定了邊緣跟蹤的調節量和方向，同時根據第一環狀金屬探測器I信號的變化判斷待加工工件的表面起伏幅度。
[0024]本實施例的工作原理是:第一環狀金屬探測器I和第二環狀金屬探測器2圍繞加工刀具且相互隔離，由于第一環狀金屬探測器I和第二環狀金屬探測器2尺寸和位置不同，因此可以對應工件表面特征的不同區域產生不同幅度和變化率的電容信號，利用工控機6中的處理器采用數字技術分析兩個信號在同一時間刻的這種復雜和細微的差別，從而判斷并且跟蹤工件特征中的表面起伏、縫隙位置以及邊緣位置。
[0025]具體的，當在表面起伏跟蹤時，第一環狀金屬探測器I以較大面積獲得刀具周圍起伏變化的平均信號，作為調節起伏的基本依據，當越過以前加工的縫隙或隆起帶時，第一環狀金屬探測器I可能會產生較為平緩的信號變化從而開始調整高度，但第二環狀金屬探測器2面積較小，將會產生比較激烈的信號跳變，這個跳變信號結合外環的平緩變化，表明刀具正在越過一個縫隙或隆起帶，高度跟蹤不應該變化或少變化，這個跳變信號應該加權后修正外環信號的調節量。
[0026]進一步的，當縫隙跟蹤時，在刀具沿著編程的縫隙路徑運動中，實際拼縫的偏差可以同時被第一環狀金屬探測器I和第二環狀金屬探測器2感應到，這會造成第一環狀金屬探測器I信號平緩變化，第二環狀金屬探測器2較激烈變化。在一般情況下，在不少于連續兩步采樣內環信號變化可判斷偏移方向和偏移量，但為抗干擾，外環信號同時為作為補充的方向判斷條件。同時外環信號還作為表面起伏跟蹤調節用。
[0027]進一步的，當邊緣跟蹤時，第一環狀金屬探測器I和第二環狀金屬探測器2在手動或自動尋邊中，兩個探測器在邊緣建立了一個幅度迥異的信號對:第一環狀金屬探測器I具有一半或以上面積在工件上方，信號較強，第二環狀金屬探測器2基本懸空在工件外，信號很弱。在邊緣跟蹤中，偏離邊緣的運動導致外環信號平緩減弱，內環信號完全消失。接近邊緣的運動導致外環信號平緩增強，內環信號驟然增強。由此跟蹤信號處理系統產生相應幅度的靠近或離開邊緣信號，運動控制按照尋邊時獲得的邊緣特征決定對應的軸運動量和方向，實現邊緣跟隨。
[0028]進一步的，工件表面的高低、縫隙或隆起等變化將影響與第一環狀金屬探測器I或者第二環狀金屬探測器2形成的電容空間，從而影響其電容量。第一環狀金屬探測器I和第二環狀金屬探測器2的電容量的變化幅度和速度被第一低容性特種同軸電纜3和第二低容性特種同軸電纜4分別傳送到雙通道電子激勵和解調線路5。由于電容量信號非常微弱，其傳輸必須保證不被線間電容淹沒和干擾，所以第一低容性特種同軸電纜3和第二低容性特種同軸電纜4必須采用很短的超低容性特種同軸電纜。電容信號被送到電子激勵和解調線路5的兩個通道，兩路電容信號分別進行高頻濾波、鎖相環精密同步處理，并被轉換成數字信號。然后兩路電容信號的數字量通過數據線7被送入工控機6中的雙通道信號處理數控系統，通過對兩路信號綜合對比、分析和處理，計算出工件表面起伏跟蹤的調節量和調節速率、縫隙和邊緣跟蹤的調節量和調節速率，這些數據被送到運動控制系統，實現跟蹤的實際動作。
進一步的，在工控機6中的雙通道信號處理數控系統中，兩路電容量變化的數字量分別進入各自的數據采集通道8，并作為原始數據保存在一個按時序隊列的內存緩沖區中。
[0029]進一步的，按照當前操作人員設定的跟蹤模式，讀入的信號分別進入高度跟蹤處理器9，或縫隙跟蹤處理器10，或邊緣跟蹤處理器11。在高度跟蹤處理器9中，外環探測器以較大面積獲得刀具周圍起伏變化的平均信號，作為調節起伏的基本依據，內環小面積探測器對縫隙或隆起產生的比較激烈的信號跳變，將會加權后修正外環信號的調節量。在縫隙跟蹤處理器10中，實際拼縫的偏差可以同時被外環內環探測器感應到，內環信號通過數步變化可判斷偏移方向和偏移量，外環信號同時為作為補充的方向判斷條件。同時外環信號還作為表面起伏跟蹤調節用。在邊緣跟蹤處理器11中，外環和內環兩個探測器在邊緣建立了一個幅度迥異的信號對，按照這對信號強弱變化幅度和速率，該處理器產生相應幅度的靠近或離開邊緣信號。
[0030]進一步的，在高度跟蹤處理器9，或縫隙跟蹤處理器10，或邊緣跟蹤處理器11經過對比、分析和處理產生調節量后，這些調節量被送入運動控制接口 12，結合運動控制系統的編程路徑或運動特征數據，刀具運動系統就可以控制運動機構做相應的精密跟蹤跟隨動作。
【權利要求】
1.一種非接觸式金屬縫隙及表面的數控跟蹤器，包括一個第一環狀金屬探測器、一個第二環狀金屬探測器、一個雙通道微弱信號電子激勵和解調器和一個工控機，其特征在于:所述的第一環狀金屬探測器的內徑大于所述的第二環狀金屬探測器的外徑，第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器呈同心套環方式布置，第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器之間電氣絕緣，第一環狀金屬探測器的電容場與第二環狀金屬探測器的電容場相互隔離，第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器位于同一平面內，第一環狀金屬探測器通過一根第一低容性特種同軸電纜與所述的雙通道微弱信號電子激勵和解調器的信號輸入端連接，第二環狀金屬探測器通過一根第二低容性特種同軸電纜也與雙通道微弱信號電子激勵和解調器的信號輸入端連接，雙通道微弱信號電子激勵和解調器的輸出端通過數據線與所述的工控機連接，工控機中設置有雙通道信號處理數控模塊。
2.如權利要求1所述的非接觸式金屬縫隙及表面的數控跟蹤器，其特征在于:工控機與加工刀具的控制機構連接。
3.如權利要求1所述的非接觸式金屬縫隙及表面的數控跟蹤器，其特征在于:第一低容性特種同軸電纜和第二低容性特種同軸電纜的長度均接近零。
4.如權利要求1所述的非接觸式金屬縫隙及表面的數控跟蹤器，其特征在于:第二環狀金屬探測器的內徑與加工刀具的外徑配合。
5.一種利用權利要求1所述的非接觸式金屬縫隙及表面的數控跟蹤器實現的數控跟蹤方法，其特征在于:將第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器放置在待加工工件的上方或者下方，第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器與待加工工件的表面之間設置有電容間隙，利用第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器與待加工工件的表面各自構成一對電容正負極板，利用雙通道微弱信號電子激勵和解調器激勵第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器各自產生電容信號，利用雙通道微弱信號電子激勵和解調器同時接受來自第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器的電容信號，利用雙通道微弱信號電子激勵和解調器對接受的電容信號進行高頻數字濾波、鎖相環精確信號同步和數字信號轉換處理，然后將數字信號轉換處理后的信號輸入工控機，利用工控機中的雙通道信號處理數控模塊對信號進行處理，并根據兩路電容變化信號判斷當前待加工工件表面的變化及其幅度，待加工工件表面的變化包括起伏、縫隙和邊緣。
6.如權利要求5所述的非接觸式金屬縫隙及表面的數控跟蹤方法，其特征在于:利用工控機中的處理器對兩路電容變化信號進行高速信號處理，并選擇按一個表面起伏跟蹤模式、或者一個縫隙跟蹤模式、或者一個邊緣跟蹤模式進行處理，在所述的表面起伏跟蹤模式中，根據第一環狀金屬探測器信號的變化判斷待加工工件的表面起伏幅度，利用第二環狀金屬探測器信號的變化識別越過的縫隙，利用第二環狀金屬探測器的信號來修正待加工工件的表面起伏幅度的調節量，在所述的縫隙跟蹤模式中，根據第一環狀金屬探測器信號的變化判斷待加工工件的表面起伏幅度，同時根據縫隙偏移引起的第一環狀金屬探測器信號微量緩變輔助判斷縫隙的走向，根據第二環狀金屬探測器在同一時序上的微量信號動態偏差派來決定縫隙跟蹤調節量和方向，在所述的邊緣跟蹤模式中，在第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器跌出邊緣然后回到邊緣的兩個時刻上，建立穩定的信號差值參照以及邊緣方位特征，在隨后的邊緣跟蹤中按邊緣方位特征維持兩路信號差分值決定了邊緣跟蹤的調節量和方向，同時根據第一環狀金屬探測器信號的變化判斷待加工工件的表面起伏幅度。
7.如權利要求1所述的非接觸式金屬縫隙及表面的數控跟蹤器，其特征在于:第一環狀金屬探測器和第二環狀金屬探測器均為微小型金屬探測器。
【文檔編號】G05B19/425GK104181907SQ201410407215
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月18日 優先權日:2014年8月18日
【發明者】王如岡 申請人:如岡自動化控制技術(上海)有限公司