基于切割頭傳感器實現(xiàn)圓尋中功能的開發(fā)與應(yīng)用

文/費永云，賈明明，鄭凱，居術(shù)安，李威·江蘇亞威機床股份有限公司

對完整的板材進行切割，切割完成后一般會產(chǎn)生部分可以利用的圓盤切割余料，傳統(tǒng)的方法是操作人員憑借肉眼和簡單的測量手段，調(diào)整機床位置重新切割出可以被利用的板材，這樣的處理方法比較繁瑣、效率低，而且很多時候會出現(xiàn)判斷錯誤，往往不能夠?qū)Π宀倪M行充分利用，所以迫切需要一種更自動化、更高效和更便捷的方法，來輔助圓盤余料的切割，提高圓盤余料的二次加工穩(wěn)定性，減少圓盤余料的浪費。

圓尋中硬件及軟件

激光切割機主要硬件平臺

激光切割機硬件主要平臺包括：數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、機械平臺及輔助設(shè)備、激光器及輔助設(shè)備、切割頭及輔助設(shè)備、集成電氣柜等。本次測試環(huán)境主要采用倍福數(shù)控系統(tǒng)，采用EtherCAT與切割頭調(diào)高裝置進行通訊，掃描周期為2ms，可實現(xiàn)實時通訊。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動、調(diào)高裝置之間采用EtherCAT的通訊方式，調(diào)高裝置與切割頭傳感器之間采用同軸電纜線獲取切割頭傳感器的電容值。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

激光切割機軟件方案

數(shù)控激光切割機軟件系統(tǒng)主要包含三個部分：

⑴人機交互界面（HMI），采用高級語言開發(fā)，實現(xiàn)操作人員與數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互；

⑵PLC程序，實現(xiàn)機床各個零部件的控制，包含各種邏輯控制與流程控制；

⑶NC子程序，包含各種加工工藝流程，實現(xiàn)各種加工工藝功能；

⑷CAM軟件，將CAD圖紙轉(zhuǎn)換為機床能夠識別的加工程序代碼。

圓尋中功能實現(xiàn)方案

采用切割頭傳感器尋找板材邊緣點坐標（x，y），從而計算出圓盤中心點及圓盤半徑。將計算后的半徑與編程軟件帶出的理論半徑進行比較，當(dāng)計算后的實際數(shù)值與理論值相差太大，表示該圓盤不適合加工。實現(xiàn)圓尋中的方法有兩種，分別是三點圓尋中和四點圓尋中。

三點圓尋中

如圖2所示，切割頭移動到板材上，假設(shè)為點P，沿Y軸正方向?qū)ふ疫吘夵cA（x1，y1），沿Y軸負方向?qū)ふ疫吘夵cB（x2，y2），沿X軸正方向?qū)ふ疫吘夵cC（x3，y3）。作AB及AC線段的中垂線，其交點即為圓心，從而可得圓心坐標 O（x0，y0）。

圖2 三點圓尋中示意圖

AB直線：y=k1x+b1，由點A、B坐標可得出斜率：。

AC直線：y=k2x+b2，由點A、C坐標可得出斜率：。

四點圓尋中

如圖3所示，切割頭移動到板材上，假設(shè)為點P，沿Y軸正方向?qū)ふ疫吘夵cA（x1，y1），沿Y軸負方向?qū)ふ疫吘夵cB（x2，y2），沿X軸正方向?qū)ふ疫吘夵cC（x3，y3），沿X軸正方向?qū)ふ疫吘夵cD（x4，y4）。AB線段的中點可得到圓心縱坐標y0，CD線段的中點可得到圓心橫坐標x0，從而可得圓心坐標O（x0，y0）。

圖3 四點圓尋中示意圖

尋找邊緣點關(guān)鍵技術(shù)

切割頭采用位移式電容傳感器與噴嘴體復(fù)合，傳感器由內(nèi)外兩個不同金屬錐形殼套在一起組成，內(nèi)外殼中間為絕緣介質(zhì)陶瓷體，外殼層接地且與內(nèi)層絕緣傳感器工作時起屏蔽作用，錐形尖端一側(cè)內(nèi)殼層下部連接一環(huán)形金屬片與外層絕緣，此環(huán)形金屬片與金屬工件即構(gòu)成一個電容傳感器的兩個極板，從內(nèi)殼層中引出傳感器線纜與信號采集系統(tǒng)相連接，傳感器工作時依次通過此通道，將割嘴到工件的電容值通過同軸電纜線發(fā)送給控制系統(tǒng)。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 切割頭結(jié)構(gòu)

尋找圓盤邊緣點的精度決定了圓尋中的精度，而邊緣點的尋找主要是通過切割頭割嘴與板材之間的電容值來判斷是否到達板材邊緣，如圖5所示，當(dāng)切割頭離板材距離為a時，切割頭反饋的電容值比較小，當(dāng)切割頭移動到板材外后，與板材下面的距離為b，傳感器反饋的電容值比較大，此時認為已找到邊緣點，記錄此時坐標。因此尋找邊緣點坐標的精度決定了圓尋中的精度。

圖5 尋邊緣點示意圖

圓盤自身的精度對計算后的圓心坐標也有很大的影響，若圓盤自身就不是一個標準圓，尋找出的圓心坐標也不會準確，因此需要將計算后的半徑與編程軟件帶出的理論半徑進行比較，當(dāng)計算后的實際數(shù)值與理論值相差太大，表示該圓盤不適合加工。這樣可以有效避免加工到一半后才發(fā)現(xiàn)此圓盤不夠加工，造成不必要的浪費。

圓尋中實例

如圖6所示，圖中外圓為切割的標準圓，半徑為100mm，內(nèi)圓半徑為80mm，分別采用三點和四點尋邊功能的效果圖。通過測量內(nèi)圓和外圓之間的間隙可計算出尋邊精度。試驗數(shù)據(jù)見表1，表中X，Y為測試計算出的圓心坐標。

表1 試驗數(shù)據(jù)

圖6 效果圖

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得出的曲線圖如圖7所示，四點圓尋中得出的圓心坐標比較分散，穩(wěn)定性不好，三點圓尋中得出的圓心坐標比較聚集，穩(wěn)定性較好。四點圓尋中，若其中一個點精度差會導(dǎo)致整個圓心精度變差；三點圓尋中比四點圓尋中尋找的邊緣點少，對應(yīng)的誤差也會對應(yīng)減小，從而相對比較穩(wěn)定。

圖7 曲線分析圖

結(jié) 束 語

通過圓尋中功能的實現(xiàn)，可以有效拓寬平面激光切割的應(yīng)用場景。其利用切割頭電容傳感器在圓盤材料上進行三點或四點圓尋中，從而找到圓盤中心，常用于法蘭加工，可以有效地解決圓盤余料二次加工穩(wěn)定性，節(jié)省成本的同時還能變廢為寶。