基于切割头传感器实现圆寻中功能的开发与应用
时间：2023-03-10 15:00:07 来源：千叶帆 本文已影响人
文/费永云，贾明明，郑凯，居术安，李威·江苏亚威机床股份有限公司
对完整的板材进行切割，切割完成后一般会产生部分可以利用的圆盘切割余料，传统的方法是操作人员凭借肉眼和简单的测量手段，调整机床位置重新切割出可以被利用的板材，这样的处理方法比较繁琐、效率低，而且很多时候会出现判断错误，往往不能够对板材进行充分利用，所以迫切需要一种更自动化、更高效和更便捷的方法，来辅助圆盘余料的切割，提高圆盘余料的二次加工稳定性，减少圆盘余料的浪费。
激光切割机主要硬件平台
激光切割机硬件主要平台包括：数控系统、伺服驱动系统、机械平台及辅助设备、激光器及辅助设备、切割头及辅助设备、集成电气柜等。本次测试环境主要采用倍福数控系统，采用EtherCAT与切割头调高装置进行通讯，扫描周期为2ms，可实现实时通讯。硬件结构框图如图1所示，其中数控系统、伺服驱动、调高装置之间采用EtherCAT的通讯方式，调高装置与切割头传感器之间采用同轴电缆线获取切割头传感器的电容值。
图1 硬件结构框图
激光切割机软件方案
数控激光切割机软件系统主要包含三个部分：
⑴人机交互界面（HMI），采用高级语言开发，实现操作人员与数控系统的数据交互；
⑵PLC程序，实现机床各个零部件的控制，包含各种逻辑控制与流程控制；
⑶NC子程序，包含各种加工工艺流程，实现各种加工工艺功能；
⑷CAM软件，将CAD图纸转换为机床能够识别的加工程序代码。
采用切割头传感器寻找板材边缘点坐标（x，y），从而计算出圆盘中心点及圆盘半径。将计算后的半径与编程软件带出的理论半径进行比较，当计算后的实际数值与理论值相差太大，表示该圆盘不适合加工。实现圆寻中的方法有两种，分别是三点圆寻中和四点圆寻中。
三点圆寻中
如图2所示，切割头移动到板材上，假设为点P，沿Y轴正方向寻找边缘点A（x1，y1），沿Y轴负方向寻找边缘点B（x2，y2），沿X轴正方向寻找边缘点C（x3，y3）。作AB及AC线段的中垂线，其交点即为圆心，从而可得圆心坐标 O（x0，y0）。
图2 三点圆寻中示意图
AB直线：y=k1x+b1，由点A、B坐标可得出斜率：。
AC直线：y=k2x+b2，由点A、C坐标可得出斜率：。
四点圆寻中
如图3所示，切割头移动到板材上，假设为点P，沿Y轴正方向寻找边缘点A（x1，y1），沿Y轴负方向寻找边缘点B（x2，y2），沿X轴正方向寻找边缘点C（x3，y3），沿X轴正方向寻找边缘点D（x4，y4）。AB线段的中点可得到圆心纵坐标y0，CD线段的中点可得到圆心横坐标x0，从而可得圆心坐标O（x0，y0）。
图3 四点圆寻中示意图
切割头采用位移式电容传感器与喷嘴体复合，传感器由内外两个不同金属锥形壳套在一起组成，内外壳中间为绝缘介质陶瓷体，外壳层接地且与内层绝缘传感器工作时起屏蔽作用，锥形尖端一侧内壳层下部连接一环形金属片与外层绝缘，此环形金属片与金属工件即构成一个电容传感器的两个极板，从内壳层中引出传感器线缆与信号采集系统相连接，传感器工作时依次通过此通道，将割嘴到工件的电容值通过同轴电缆线发送给控制系统。具体结构如图4所示。
图4 切割头结构
寻找圆盘边缘点的精度决定了圆寻中的精度，而边缘点的寻找主要是通过切割头割嘴与板材之间的电容值来判断是否到达板材边缘，如图5所示，当切割头离板材距离为a时，切割头反馈的电容值比较小，当切割头移动到板材外后，与板材下面的距离为b，传感器反馈的电容值比较大，此时认为已找到边缘点，记录此时坐标。因此寻找边缘点坐标的精度决定了圆寻中的精度。
图5 寻边缘点示意图
圆盘自身的精度对计算后的圆心坐标也有很大的影响，若圆盘自身就不是一个标准圆，寻找出的圆心坐标也不会准确，因此需要将计算后的半径与编程软件带出的理论半径进行比较，当计算后的实际数值与理论值相差太大，表示该圆盘不适合加工。这样可以有效避免加工到一半后才发现此圆盘不够加工，造成不必要的浪费。
如图6所示，图中外圆为切割的标准圆，半径为100mm，内圆半径为80mm，分别采用三点和四点寻边功能的效果图。通过测量内圆和外圆之间的间隙可计算出寻边精度。试验数据见表1，表中X，Y为测试计算出的圆心坐标。
表1 试验数据
图6 效果图
根据试验数据得出的曲线图如图7所示，四点圆寻中得出的圆心坐标比较分散，稳定性不好，三点圆寻中得出的圆心坐标比较聚集，稳定性较好。四点圆寻中，若其中一个点精度差会导致整个圆心精度变差；
三点圆寻中比四点圆寻中寻找的边缘点少，对应的误差也会对应减小，从而相对比较稳定。
图7 曲线分析图
通过圆寻中功能的实现，可以有效拓宽平面激光切割的应用场景。其利用切割头电容传感器在圆盘材料上进行三点或四点圆寻中，从而找到圆盘中心，常用于法兰加工，可以有效地解决圆盘余料二次加工稳定性，节省成本的同时还能变废为宝。
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