基于激光測距傳感器的鋼板邊緣掃描及切割控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于激光測距傳感器的鋼板邊緣掃描及切割控制系統，包括第一激光測距傳感器、第二激光測距傳感器、上位機工業控制計算機、多軸運動控制器、1#伺服驅動器、1#電機、3#伺服驅動器、3#電機、4#伺服驅動器和4#電機。第一激光測距傳感器和第二激光測距傳感器與多軸運動控制器連接。上位機工業控制計算機與多軸運動控制器通訊連接。1#電機與1#伺服驅動器連接，3#電機與3#伺服驅動器連接，4#電機與4#伺服驅動器連接，多軸運動控制器設有反饋控制模塊，1#伺服驅動器、3#伺服驅動器和4#伺服驅動器分別與反饋控制模塊連接。本發明的鋼板邊緣掃描及切割控制系統能對鋼板進行自動掃描和切割工作，不僅節省人力，而且切割鋼板的精度和質量高。
【專利說明】
基于激光測距傳感器的鋼板邊緣掃描及切割控制系統
技術領域
[0001]本發明屬于鋼材料加工行業的掃描及切割控制系統技術領域，涉及基于激光測距傳感器的鋼板邊緣掃描及切割控制系統。【背景技術】
[0002]由煉鋼廠的乳鋼機生產出的大尺寸(如長寬厚:33m*2m*15mm)鋼板通常不是規則的矩形，其前后左右邊緣呈一定程度的曲率，需要由龍門式火焰等離子切割機裁掉鋼板邊緣不規則部分并將鋼板分切成若干個呈“豆腐塊”形的小鋼板，該小鋼板供下游行業使用。 由于乳鋼機生產出的鋼板尺寸大，目前，無合適的自動檢測系統識別其輪廓，常規采用二維輪廓識別的方案可以識別鋼板的輪廓，該二維輪廓識別方案的結構中包括有線激光、二維相機拍照等，但都只能識別小尺寸的物體的輪廓，故在龍門式火焰等離子切割機對鋼板進行切割前，只能通過人工使用量具或目測的方式對鋼板邊緣進行定位，定位后再進行切割， 費時費力且切割精度較低。
[0003]為此，很有必要設計一種鋼板邊緣掃描及切割控制系統，以解決上述技術問題。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種鋼板邊緣掃描及切割控制系統，其能對鋼板邊緣的輪廓掃描識別，自動計算出待切割矩形的路徑，從而完成對鋼板的自動切割，節省人力，同時切割精度高和切割質量高。
[0005]為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是:一種基于激光測距傳感器的鋼板邊緣掃描及切割控制系統，包括第一激光測距傳感器、第二激光測距傳感器、上位機工業控制計算機、多軸運動控制器、1#伺服驅動器、1#電機、3#伺服驅動器、3#電機、4#伺服驅動器和4#電機；
[0006]所述第一激光測距傳感器固定于第一切割槍上，該第一激光測距傳感器與所述多軸運動控制器連接，所述第二激光測距傳感器固定于第二切割槍上，該第二激光測距傳感器與所述多軸運動控制器連接；
[0007]所述上位機工業控制計算機與所述多軸運動控制器通訊連接，所述多軸運動控制器設有反饋控制模塊；
[0008]所述1#電機用于驅動龍門大車沿Y軸移動，所述1#電機與所述1#伺服驅動器連接， 所述1#伺服驅動器與所述反饋控制模塊連接，所述3#電機用于驅動所述第一切割槍在所述龍門大車上沿X軸移動，所述3#電機與所述3#伺服驅動器連接，所述3#伺服驅動器與所述反饋控制模塊連接，所述4#電機用于驅動所述第二切割槍在所述龍門大車上沿X軸移動，所述 4#電機與所述4#伺服驅動器連接，所述4#伺服驅動器與所述反饋控制模塊連接。
[0009]進一步的，鋼板邊緣掃描及切割控制系統還包括2#伺服驅動器和2#電機，所述2# 電機與所述2#伺服驅動器連接，所述2#伺服驅動器與所述1#伺服驅動器連接。
[0010]進一步的，所述鋼板邊緣掃描及切割控制系統采用擬合套料算法計算出鋼板的擬合矩形的邊線。
[0011]進一步的，采用左右平均斜率平行最小距離取邊法獲得所述待切割矩形左右邊線，該左右平均斜率平行最小距離取邊法為:所述第一激光傳感器和所述第二激光傳感器掃描得到鋼板的左右兩側邊緣散列點序列，從左右兩側邊緣散列點中獲得兩條擬合直線， 取得這兩條擬合直線斜率的平均值，在以該平均值為斜率的直線群里找到分別經過左右散列點的平行距離最小的兩條直線作為所述擬合矩形的左右邊線。
[0012]本發明有益效果:本發明的鋼板邊緣掃描及切割控制系統，巧妙地使用激光測距傳感器結合現有的龍門式火焰等離子切割機結構實現了鋼板邊緣的輪廓掃描識別，以自動套料的方式計算出待切割矩形的路徑，以完成鋼板的自動切割。因此該鋼板邊緣掃描及切割控制系統采用價格比較低廉的硬件系統即實現了鋼板的自動掃描和切割工作，不僅節省了人力，而且切割鋼板的精度和質量高，進而提高了鋼廠的鋼板的出廠質量。【附圖說明】
[0013]圖1是本發明實施例的鋼板邊緣掃描及切割控制系統的原理圖。[〇〇14]圖2是龍門式火焰等離子切割機切割鋼板的結構示意圖。
[0015]圖3是鋼板掃描示意圖。
[0016]圖4是掃描后得到的鋼板邊緣散列點序列的示意圖。
[0017]圖5是待切割矩形的左右邊線的生成過程示意圖。
[0018]圖6是待切割矩形的上下邊線的生成過程示意圖。
[0019] 附圖標記說明:
[0020]第一激光測距傳感器11、第二激光測距傳感器12、上位機工業控制計算機13、多軸運動控制器14、1#伺服驅動器15、2#伺服驅動器16、3#伺服驅動器17、4#伺服驅動器18;
[0021]1# 電機 19、2# 電機 20、3# 電機 21、4# 電機 22;[〇〇22]龍門大車31、鋼板32、放料臺33。
[0023] 第一切割槍X1、第二切割槍X2;[〇〇24] 第一導向軌Y1、第二導向軌Y2。【具體實施方式】
[0025]下面將結合本發明的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述， 顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0026]如圖1所示，本實施例的基于激光測距傳感器的鋼板邊緣掃描及切割控制系統。該鋼板邊緣掃描及切割控制系統包括第一激光測距傳感器11、第二激光測距傳感器12、上位機工業控制計算機13、多軸運動控制器14、1#伺服驅動器15、1#電機19、2#伺服驅動器16、2# 電機20、3#伺服驅動器17、3#電機21、4#伺服驅動器18和4#電機22。[〇〇27] 第一激光測距傳感器11與多軸運動控制器14連接，第二激光測距傳感器12與多軸運動控制器14連接。上位機工業控制計算機13與多軸運動控制器14通過Ethernet通訊連接。多軸運動控制器14設有反饋控制模塊。1#電機19用于驅動龍門大車31沿Y軸移動，1#電機19與1#伺服驅動器15連接，1#伺服驅動器15與反饋控制模塊連接，2#電機20與2#伺服驅動器16連接，2#伺服驅動器16與1#伺服驅動器15連接。3#電機21用于驅動第一切割槍XI在龍門大車31上沿X軸移動，3#電機21與3#伺服驅動器17連接，3#伺服驅動器17與反饋控制模塊連接。4#電機22用于驅動第二切割槍X2在龍門大車31上沿X軸移動，4#電機22與4#伺服驅動器18連接，4#伺服驅動器18與反饋控制模塊連接。
[0028]如圖2所示，龍門式火焰等離子切割機切割鋼板的結構示意圖。龍門式火焰等離子切割機包括龍門大車31、第一導向軌Y1和第二導向軌Y2,龍門大車31的兩端分別安裝于第一導向軌Y1和第二導向軌Y2，l#電機19和2#電機20驅動龍門大車31沿第一導向軌Y1和第二導向軌Y2移動，即沿Y軸移動。龍門大車31上安裝有第一切割槍X1、第二切割槍X2,第一切割槍X1、第二切割槍X2上分別固定有第一激光測距傳感器11、第二激光測距傳感器12，3#電機 21和4#電機22分別驅動第一切割槍X1、第二切割槍X2在龍門大車31上移動，即沿X軸移動。 龍門大車31下方安裝有由三角形支柱陣列組成的放料臺33，放料臺33的臺面與地面的高度約為300-200mm，該放料臺33上放置有一塊鋼板32。
[0029]下面對本發明的鋼板邊緣掃描及切割控制系統的工作原理作進一步的詳細說明。
[0030]以第一切割槍XI為例:放料臺33上的鋼板32的邊緣和地面有一定高度差，如果第一切割槍XI沿X軸方向來回移動，可以使得第一切割槍XI上的第一激光測距傳感器11發射出的光束在地面和鋼板32上面交替運動，同時使得第一激光測距傳感器11可以在鋼板32的邊緣讀取到不同的距離返回值。顯然，當第一激光測距傳感器11在鋼板32正上方時讀取的距離值要比在地面正上方時讀取的值小，如此可以知道第一激光測距傳感器11在鋼板32邊緣處會檢測到一個距離突變值。如果龍門大車31也在Y軸方向行走，容易知道第一切割槍XI 的合速度軌跡即是沿著鋼板32邊緣的鋸齒形，每當第一切割槍XI走到鋼板32邊緣時，第一激光測距傳感器11可以檢測到一次距離突變，記錄下該時刻龍門大車31和第一切割槍XI的坐標，待龍門大車31從鋼板32—頭走到另一頭完畢后，可以得到一系列在距離突變時刻記錄下的若干點的坐標，形成XY方向坐標值序列。如圖3所示，如果兩把切割槍同時沿鋼板32 邊緣來回行走，便可以得到鋼板32左右兩邊在距離突變時刻記錄下的點坐標序列。
[0031]多軸運動控制器14可以采集由驅動器反饋回來的編碼器位置值，多軸運動控制器 14特有的硬件位置注冊功能可以在激光傳感器檢測到距離突變時，觸發多軸運動控制器14 的位置記錄功能，實時讀取龍門大車31及第一切割槍XI和第二切割槍X2的位置。[〇〇32]鋼板邊緣掃描及切割控制系統的工作原理:[〇〇33] 第一激光測距傳感器11、第二激光測距傳感器12分別掃描鋼板32的左右邊緣，當掃描到鋼板32的左右邊緣時，觸發多軸運動控制器14的硬件位置注冊功能，多軸運動控制器14的反饋控制模塊即刻從1#伺服驅動器15、3#伺服驅動器17和4#伺服驅動器18讀取此刻 1#電機19、3#電機21、4#電機22三個電機的編碼器位置，由于多軸運動控制器14的實時性強，硬件位置注冊功能不存在軟件處理的過程，因此保證了邊緣點記錄坐標值的精度。掃描結束后得到鋼板32左右邊緣點的坐標序列，上位機工業控制計算機13獲取左右邊緣點的坐標序列，通過上位機工業控制計算機13的軟件的擬合套料算法，迅速生成擬合矩形的邊線的路徑點坐標即待切割矩形的邊線的路徑點坐標，并反饋給多軸運動控制器14,隨即開始切割工藝。[〇〇34]擬合套料算法采用符合鋼板32切割工藝的最大內接矩形算法，簡潔且處理迅速。最大內接矩形算法舉例如下:
[0035]參照圖4,由乳鋼機生產出來的鋼板32—般為類橢圓形或者類矩形，外形比較規貝1J。先由第一激光測距傳感器11、第二激光測距傳感器12掃描得到鋼板32的左右邊緣散列點序列。參照圖5，以左側散列點的起始點P2以及末尾點P1作一條直線L1，同樣以右側散列點的起始點P3以及末尾點P4作一條直線L2,可以看到左右兩側的直線斜率并不相同，L1的斜率為al = 85°，L2的斜率為a2 = 89°。取L1和L2斜率的平均值a3 = 87°，并以此平均斜率沿坐標系原點做一條直線L3。計算出左側邊緣散列點離直線L3距離最遠的點P1以及右側邊緣散列點離直線L3距離最近的點P3,并以斜率a3分別過點P1和P3做直線L1"以及L2"，由此得到擬合矩形的左右邊線L1"和L2"，上述L1"和L2"也可以由查找以a3 = 87°為斜率的直線群中兩條分別過左、右側散列點且平行距離最小的直線獲得。這樣擬合出的矩形的左右邊線可以保證擬合出的最終矩形不會將左右邊緣散列點包括在擬合矩形內，即使最終沿該擬合矩形邊緣切割時也能得到一個完整的矩形鋼板。[〇〇36]圖6給出了待切割矩形的上下邊線的生成過程示意圖。生成過程為:作一條正交于 L1"及L2"的直線，使得該直線經過左右兩側散列點中Y坐標最大的點，即P1點，隨后平移該條直線，直至該直線經過P1點所在側的另一側散列點序列中Y坐標最大的點，S卩P3點，從而得到直線L3,該直線L3即為擬合矩形的上邊。類似的，再作一條正交于L1"及L2"的直線，使得該直線經過左右兩側散列點中Y坐標最小的點，S卩P4點，隨后平移該條直線，直至該直線經過P4所在側的另一側散列點序列中Y坐標最小的點，即P2點，從而得到直線L4,該直線即為擬合矩形的下邊。這樣擬合矩形的上下邊可以保證擬合出的最終矩形不會將左右邊緣散列點包括在擬合矩形內，即即使最終沿該擬合矩形邊緣切割時也能得到一個完整的矩形鋼板。
[0037] 至此，由上述算法可以容易的得到由L1"、L2"、L3及L4四條邊組成的鋼板邊緣散列點的擬合矩形，即待切割矩形。該算法的核心在于從左右兩側散列點獲得兩條擬合直線，取得這兩條擬合直線斜率的平均值，以該平均值為斜率的直線群中取得穿過左右兩側散列點的平行線里距離最近的兩條直線作為擬合矩形的左右邊線，簡稱為“左右平均斜率平行最小距離取邊法”。
[0038]本發明的鋼板邊緣掃描及切割控制系統的特點是:
[0039]1.在不改變現有的龍門式火焰等離子切割機的機械結構的基礎上，增加兩路激光測距傳感器完成鋼板左右兩邊的邊緣掃描工作；
[0040] 2.利用多軸運動控制器的硬件位置注冊功能實時記錄伺服編碼器的位置值，記錄坐標值的精度高；
[0041] 3.利用上位機工業控制計算機與多軸運動控制器進行數據交換，實現的功能:(1) 對左右兩組邊緣坐標序列進行曲線擬合，計算出最大內接矩形的路徑；(2)對計算出的最大內接矩形進行套料分割，生成需要分割的矩形的切割路徑；(3)不間斷或間斷式的自動切割。[〇〇42]4.采用“左右平均斜率平行最小距離取邊法”獲取擬合矩形的左右邊線。[〇〇43]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種基于激光測距傳感器的鋼板邊緣掃描及切割控制系統，其特征在于，包括第一 激光測距傳感器(11)、第二激光測距傳感器(12)、上位機工業控制計算機(13)、多軸運動控 制器(14)、1#伺服驅動器(15)、1#電機(19)、3#伺服驅動器(17)、3#電機(21)、4#伺服驅動器 (18)和 4# 電機(22);所述第一激光測距傳感器(11)固定于第一切割槍(XI)上，該第一激光測距傳感器(11) 與所述多軸運動控制器(14)連接，所述第二激光測距傳感器(12)固定于第二切割槍(X2) 上，該第二激光測距傳感器(12)與所述多軸運動控制器(14)連接；所述上位機工業控制計算機(13)與所述多軸運動控制器(14)通訊連接，所述多軸運動 控制器(14)設有反饋控制模塊；所述1#電機(19)用于驅動龍門大車(31)沿Y軸移動，所述1#電機(19)與所述1#伺服驅 動器(15)連接，所述1#伺服驅動器(15)與所述反饋控制模塊連接，所述3#電機(21)用于驅 動所述第一切割槍(XI)在所述龍門大車(31)上沿X軸移動，所述3#電機(21)與所述3#伺服 驅動器(17)連接，所述3#伺服驅動器(17)與所述反饋控制模塊連接，所述4#電機(22)用于 驅動所述第二切割槍(X2)在所述龍門大車(31)上沿X軸移動，所述4#電機(22)與所述4#伺 服驅動器(18)連接，所述4#伺服驅動器(18)與所述反饋控制模塊連接。2.根據權利要求1所述的一種基于激光測距傳感器的鋼板邊緣掃描及切割控制系統， 其特征在于，鋼板邊緣掃描及切割控制系統還包括2#伺服驅動器(16)和2#電機(20)，所述 2#電機(20)與所述2#伺服驅動器(16)連接，所述2#伺服驅動器(16)與所述1#伺服驅動器 (15)連接。3.根據權利要求1所述的一種基于激光測距傳感器的鋼板邊緣掃描及切割控制系統， 其特征在于，所述鋼板邊緣掃描及切割控制系統采用擬合套料算法計算出鋼板(32)的擬合 矩形的邊線。4.根據權利要求3所述的一種基于激光測距傳感器的鋼板邊緣掃描及切割控制系統， 其特征在于，采用左右平均斜率平行最小距離取邊法獲得所述擬合矩形左右邊線，該左右 平均斜率平行最小距離取邊法為:所述第一激光傳感器和所述第二激光傳感器掃描得到鋼 板(32)的左右兩側邊緣散列點序列，從左右兩側邊緣散列點中獲得兩條擬合直線，取得這 兩條擬合直線斜率的平均值，在以該平均值為斜率的直線群里找到分別經過左右散列點的 平行距離最小的兩條直線作為所述擬合矩形的左右邊線。
【文檔編號】B23K101/18GK106001847SQ201610411562
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月12日
【發明人】曾超, 陶穎, 郁苗成
【申請人】佛山市中菱智控科技有限公司