一種測定金屬管材切割系統旋轉軸機械中心位置的方法與流程
2023-10-18 15:46:39 8
本發明涉及金屬管材的雷射切割運動控制領域，具體地說是一種測定金屬管材切割系統旋轉軸機械中心位置的方法。
背景技術：
金屬管材切割系統旋轉軸中心坐標，是三維數控系統刀路計算過程中需要設置的重要參數。金屬管材切割系統旋轉軸中心的測定一般採用簡單的人工測量手動輸入方式或是採用昂貴的對刀儀測定實現。採用簡單的人工測量手動輸入方式容易引入人為測量誤差，導致測定不夠準確，而且測量時間很長。利用對刀儀的測量方法，需要添加額外的測量傳感器，成本較高，而且測量步驟較為複雜。
技術實現要素：
為克服現有測量方法的不足，現提供一種測定金屬管材切割系統旋轉軸機械中心位置的方法，該方法依靠雷射切割系統中的切割頭噴嘴作為電容式調高器的感應頭，節約成本。該方法利用有效的測量方法，使測量結果較為準確。這種用於雷射切割系統的旋轉軸中心位置測定方法，是一種自動化控制的測量方法，具有重複精度較高，成本較低，使用便捷、安全性可靠等優良特點。
為實現上述目的，設計一種測定金屬管材切割系統旋轉軸機械中心位置的方法，包括電容式調高器，其特徵在於：具體方法如下：
（1）通過卡尺測量金屬管材的寬度W和高度H，然後觀察電容式調高器的感應頭是否在金屬管材的上方，若不在金屬管材的上方，調整切割噴嘴的位置；
（2）粗矯平操作：系統控制切割頭先向X軸正向移△X，通過控制電容式調高器測量金屬管材上表面的Z軸坐標zp1；再控制切割頭向X軸負方向平移2*△X，然後再次通過控制電容式調高器測量金屬管材上表面的Z軸坐標zp2；
（3）得出金屬管材的上表面的傾斜角大約為arctan[(zp1-zp2)/(2*△X)]，根據傾斜角度控制旋轉軸轉動-arctan[(zp1-zp2)/ (2*△X)]；
（4）粗尋中操作：系統控制切割頭以較快速度分別向金屬管材的X方向正邊界和X方向負邊界運動，並捕捉切割頭噴嘴出邊時的X軸的正邊界坐標xp1和X軸的負邊界坐標xp2；
（5）得出機械中心x軸坐標在(xp1+xp2)/2附近，控制切割噴嘴平移到X軸(xp1+xp2)/2位置；
（6）精矯平操作：經過粗矯平和粗尋中操作後，估計出金屬管材的X軸正邊界和負邊界位置，通過系統控制切割頭先向X軸正向移W/4距離，再通過控制電容式調高器測量金屬管材上表面的Z軸坐標Zq1，然後再控制切割頭向X軸負方向移W/4，再次通過控制電容式調高器測量金屬管材上表面的Z軸坐標Zq2；
（7）得出金屬管材的傾斜角為arctan[(Zq1-Zq2)*2/ W)]，控制旋轉軸轉動-arctan[(Zq1-Zq2) *2/ W)]；
（8）精尋中操作：對金屬管材的上表面及下表面分別進行精尋中操作，得出X軸的正邊界坐標X1、X軸的負邊界坐標X2、金屬管材上表面的Z1坐標及旋轉軸旋轉180°後的X軸的正邊界坐標X3、X軸的負邊界坐標X4、金屬管材上表面的Z2坐標；
（9）得到機械的旋轉軸中心坐標R（Xr, Zr），Xr=（X1+X2+X3+X4）/4；Zr=（Z1+Z2）/2-H/2-△F，H為金屬管材高度，△F為電容式調高器的跟隨距離參數。
對金屬管材的上表面精尋中操作如下：
（1）首先設定電容式調高器為低速尋邊模式，然後控制切割頭以較慢的速度分別向方管的X方向正邊界運動；
（2）當電容式調高器捕捉到切割頭噴嘴出邊時，記錄X軸的正邊界坐標X1；
（3）同樣的，再次設定電容式調高器為低速尋邊模式，然後控制切割頭以較慢的速度分別向方管的X方向負邊界運動；
（4）當電容式調高器捕捉到切割頭噴嘴出邊時，記錄X軸的負邊界坐標X2；
（5）最後控制切割頭噴嘴移動到（X1+X2）/2位置，然後再控制電容式調高器測量金屬管材上表面的Z1坐標。
對金屬管材的下表面精尋中操作如下：
（1）控制旋轉軸旋轉180度，將電容式調高器設定為低速尋邊模式，然後控制切割頭以較慢的速度分別向方管的X方向正邊界運動；
（2）當電容式調高器捕捉到切割頭噴嘴出邊時，記錄X軸的正邊界坐標X3；
（3）同樣的，將電容式調高器設定為低速尋邊模式，然後控制切割頭以較慢的速度分別向方管的X方向負邊界運動；
（4）當電容式調高器捕捉到切割頭噴嘴出邊時，記錄X軸的負邊界坐標X4；
（5）最後控制切割頭噴嘴移動到（X1+X2+X3+X4）/4位置，然後再控制調高器測量金屬管材上表面的Z2坐標。
所述的金屬管材為金屬矩形管材。
本發明同現有方法相比，本發明提出的方法使用全新的測量步驟：通過粗矯平操作，防止管材過度傾斜，導致調高器意外撞管；通過粗尋中操作計算出管材中心大概位置，防止調高器扎到方管外面；粗矯平、粗尋中後，並調整參數後，通過精矯平操作提高矯平的精度，完成矯平；最後通過精尋中操作完成高精度的機械中心測量。
附圖說明
圖1為旋轉軸機械中心測量流程示意圖。
圖2為矩形管材在數控系統坐標系的位置示意圖。
圖3為矯平示意圖。
圖4 尋找旋轉軸機械中心坐標示意圖。
具體實施方式
下面根據附圖對本發明做進一步的說明。
如圖1所示，將測定旋轉軸機械中心方法分為四個步驟：粗矯平，粗尋中，精矯平，精尋中。
首先需要通過卡尺測量矩形金屬管材的寬度W和高度H。然後觀察確定電容式調高器的感應頭（即切割噴嘴），是否在矩形金屬管材的上方，如果不在矩形金屬管材的上方可以點動數控軟體調整切割噴嘴位置。如果切割噴嘴在矩形金屬管材的上方，那麼可以進行粗矯平操作。
粗矯平操作：系統控制切割頭先向X軸正向移△X (為安全起見，△X取較小的值)，再通過控制電容式調高器測量矩形金屬管材上表面的Z軸坐標zp1。然後在控制切割頭向X軸負方向平移2*△X，然後再次通過控制電容式調高器測量矩形金屬管材上表面的Z軸坐標zp2。那麼矩形金屬管材的上表面的傾斜角大約為arctan[(zp1-zp2)/ (2*△X)]，所以只需控制旋轉軸轉動-arctan[(zp1-zp2)/ (2*△X)]，就可以完成粗矯平。
粗尋中操作：控制切割頭以較快速度分別向方管的X方向正邊界和X方向負邊界運動，並捕捉切割頭噴嘴出邊時的X軸的正邊界坐標xp1和X軸的負邊界坐標xp2。得到機械中心x軸坐標應該(xp1+xp2)/2附近，最後控制切割噴嘴平移到X軸(xp1+xp2)/2位置。
精矯平操作：經過粗矯平和粗尋中操作後，可以粗略估計出管子的X軸正邊界和負邊界位置。精矯平和粗矯平動作相似。通過系統控制切割頭先向X軸正向移W/4距離（W為矩形管的寬度），再通過控制電容式調高器測量矩形金屬管材上表面的Z軸坐標Zq1。然後在控制切割頭向X軸負方向移W/4，然後再次再通過控制電容式調高器測量矩形金屬管材上表面的Z軸坐標Zq2。那麼方管的傾斜角為arctan[(Zq1-Zq2)*2/ W)]，所以只需控制旋轉軸轉動-arctan[(Zq1-Zq2) *2/ W)]，就可以完成精矯平。
精尋中操作：精尋中操作分為上表面尋中和下表面尋中兩個小步驟。如圖4，實線為測量上表面時的矩形金屬管材，虛線為旋轉180度後的矩形金屬管材，用於測量下表面的操作。
（1）上表面尋中。首先設定電容式調高器為低速尋邊模式，然後控制切割頭以較慢的速度分別向矩形金屬管材的X方向正邊界運動。當電容式調高器捕捉到切割頭噴嘴出邊時，記錄X軸的正邊界坐標X1。同樣的，再次設定調高器為低速尋邊模式，然後控制切割頭以較慢的速度分別向矩形金屬管材的X方向負邊界運動。當電容式調高器捕捉到切割頭噴嘴出邊時，記錄X軸的負邊界坐標X2，最後控制切割頭噴嘴移動到（X1+X2）/2位置，然後再控制電容式調高器測量矩形金屬管材上表面的Z1坐標。
（2）下表面尋中。此時旋轉軸旋轉180度，矩形金屬管材的位置變為圖4虛線位置，然後同樣的，將電容式調高器設定為低速尋邊模式，然後控制切割頭以較慢的速度分別向矩形金屬管材的X方向正邊界運動。當電容式調高器捕捉到切割頭噴嘴出邊時，記錄X軸的正邊界坐標X3。同樣的，將電容式調高器設定為低速尋邊模式，然後控制切割頭以較慢的速度分別向矩形金屬管材的X方向負邊界運動。當電容式調高器捕捉到切割頭噴嘴出邊時，記錄X軸的負邊界坐標X4，最後控制切割頭噴嘴移動到（X1+X2+X3+X4）/4位置，然後再控制電容式調高器測量矩形金屬管材上表面的Z2坐標。
最後計算得到機械的旋轉軸中心坐標R（Xr, Zr），Xr=（X1+X2+X3+X4）/4；Zr=（Z1+Z2）/2-H/2-△F。其中：H為矩形金屬管材高度。△F為調高器的跟隨距離參數。