一種測定金屬管材中心位置的方法與流程

本發明涉及激光切割領域，具體的說是一種測定金屬管材中心位置的方法。

背景技術：

在金屬管材切割系統中，所切割的管材與系統旋轉軸的中心在空間坐標系里往往不是同一個坐標。當金屬管材靜止不動時，通過人工測量可以大致得到管材此時的中心位置。然而，人工測量的方式誤差大，準度低，耗時長；當金屬管材隨著切割系統開始轉動時，管材的中心也會繞切割系統的旋轉軸開始旋轉，通過人工測量得到實時的管材中點是徒勞且無意義的。

技術實現要素：

本發明為克服現有技術的不足，設計一種具有可重復、精度高、全自動控制的測定金屬管材中心位置的方法，充分利用激光切割系統中的已有的切割頭噴嘴，將其作為電容式調高器感應頭來采集金屬管材表面的數據。

為實現上述目的，設計一種測定金屬管材中心位置的方法，包括電容式調高器，其特征在于包括如下步驟：

1）步驟1，測量金屬管材高度h、寬度w和電容式調高器的跟隨距離參數△f，調整電容式調高器的感應頭至金屬管材的正上方；

2）步驟2，依次通過粗矯平、粗尋中、精矯平、精尋中四個步驟，實現金屬管材的矯平，同時獲得精確的機械旋轉中心位置r（xr，zr）；

3）步驟3，利用電容式調高器測量第一條邊的高度h1，旋轉180°，用同樣的方法獲得第三條邊的高度h3，通過高度差計算出第一條邊和第三條邊在z軸方向上元件中心的位置zc；

4）步驟4，將電容式調高器旋轉90°，利用電容式調高器測量第二條邊的高度h2，繼續旋轉180°，用同樣的方法獲得第四條邊的高度h4，通過高度差計算出在第二條邊和第四條邊在x軸方向上元件中心的位置xc；

5）步驟5，得到金屬管材的中心位置為（zc，xc）；

6）步驟6，對步驟5中獲得的金屬管材中心位置進行矯平，通過獲取在每一條邊上的同一截面不同位置的表面高度，獲得每一條邊的傾斜角度α1、α2、α3、α4，對這些角度進行平均后，可以通過旋轉一定的補償角度，對矩形金屬管進行角度矯正，其補償角度計算公式為αoffset=-(α1+α2+α3+α4)/4。

所述步驟2中粗矯平包括如下步驟：1）將切割頭向x軸正向移動δx的距離，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,；2）將切割頭向x軸負向移動2×δx的距離，再次通過電容式調高器測量金屬管材上表面的z軸坐標zp2；3）得出金屬管材上表面的傾角大約為arctan[(zp1-zp2)/(2×△x)]，根據傾斜角度控制旋轉軸轉動-arctan[(zp1-zp2)/(2×△x)]。

所述步驟2中粗尋中包括如下步驟：1）控制切割頭快速分別向金屬管材的x軸方向正邊界和x軸方向負邊界運動，并捕捉切割頭噴嘴出邊時的x軸正邊界坐標xp1和x軸負邊界坐標xp2；2）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。

所述步驟2中精矯平包括如下步驟：1）控制切割頭先向x軸正向移動w/4的距離，再控制電容式調高器測量金屬管材上表面的z軸坐標zq1；2）控制切割頭向x軸負向移動w/2的距離，再控制電容式調高器測量金屬管材上表面的z軸坐標zq2；3）得出金屬管材上表面的傾角大約為arctan[(zq1-zq2)*2/w)]，根據傾斜角度控制旋轉軸轉動-arctan[(zq1-zq2)*2/w)]。

所述步驟2中精尋中包括如下步驟：1）控制切割頭低速分別向金屬管材的x軸方向正邊界和x軸方向負邊界運動，并捕捉切割頭噴嘴出邊時的x軸正邊界坐標x1和x軸負邊界坐標x2；2）將切割頭移動到（x1+x2）/2位置，控制電容式調高器測量金屬管材上表面的z1坐標；3）控制旋轉軸旋轉180°，重復上述步驟得到金屬管材下表面的切割頭噴嘴出邊時的x軸正邊界坐標x3和x軸負邊界坐標x4；4）將切割頭移動到（x1+x2+x3+x4）/4位置，控制電容式調高器測量翻轉180°后金屬管材上表面的z2坐標；5）得到機械的旋轉中心坐標r（xr，zr），其中xr=x1+x2+x3+x4）/4，zr=（z1+z2）/2-h/2-△f。

所述步驟3中在z軸方向上的高度計算包括如下步驟：1）首先控制切割頭移動到旋轉機械x軸方向上的中點xr；2）隨后向x軸負向移動一段距離△x，此時切割頭x軸坐標為xr-△x；3）系統控制調高器的感應頭跟隨到金屬方管上，得到在此處方管表面的高度h1；4）系統控制切割頭沿著x軸正向移動2*△x，到達xr+△x；5）系統控制調高器的感應頭跟隨到金屬方管上，得到在此處方管表面的高度h2；6）獲得第一條邊的平均高度h1=(h1+h2)/2；7）同理，旋轉180°后，得到第三條邊的平均高度h3；8）假設最高處的水平線為z軸零點，則得到zc=zr+（h3-h1）/2；所述步驟4中在x軸方向上的高度計算包括如下步驟：1）首先控制切割頭移動到旋轉機械z軸方向上的中點zr；2）隨后向z軸負向移動一段距離△z，此時切割頭z軸坐標為zr-△z；3）系統控制調高器的感應頭跟隨到金屬方管上，得到在此處方管表面的高度h3；4）系統控制切割頭沿著z軸正向移動2*△z，到達zr+△z；5）系統控制調高器的感應頭跟隨到金屬方管上，得到在此處方管表面的高度h4；6）獲得第二條邊的平均高度h2=(h3+h4)/2；7）同理，旋轉90°后，得到第四條邊的平均高度h4；8）假設最高處的水平線為z軸零點，則得到xc=xr+（h4-h2）/2。

所述步驟3中在z軸方向上的高度計算包括如下步驟：1）首先控制切割頭移動到旋轉機械x軸方向上的中點xr；2）控制x軸移動到機械旋轉中心右側w/4位置，隨后系統控制切割頭在x軸方向上運動，在切割頭x軸坐標xr+w/4時停止；3）調高器跟隨并測量當前高度：給調高器發送跟隨指令，在調高器跟隨到位后，記錄當前調高器高度z1；4）調高器上抬，控制x軸移動到機械旋轉中心左邊邊w/4位置：系統控制切割頭向x軸反向運動w/2，在切割頭x軸坐標為(xr+w/4)–w/2時停止；5）調高器跟隨并測量當前高度：給調高器發送跟隨指令，在調高器跟隨到位后，記錄當前調高器高度z2；6）調高器上抬：在記錄得到矩形方管該面的跟隨高度z1=(z1+z2)/2后，給調高器發送上抬指令，調高器回到停靠高度；7）旋轉180°后，調高器跟隨并直接測量第三條邊的跟隨高度z3；8）假設最高處的水平線為z軸零點，則得到zc=zr+（z3-z1）/2；所述步驟4中在x軸方向上的高度計算包括如下步驟：1）首先控制切割頭移動到旋轉機械z軸方向上的中點zr；2）調高器跟隨并直接測量第二條邊的跟隨高度z2；3）同理，旋轉180°后，調高器跟隨并直接測量第四條邊的跟隨高度z4；4）假設最高處的水平線為z軸零點，則得到xc=xr+（z4-z2）/2。

所述步驟3中在z軸方向上的高度計算包括如下步驟：1）首先控制切割頭移動到旋轉機械z軸方向上的中點xr；2）調高器跟隨并直接測量第一條邊的跟隨高度z1；3）同理，旋轉180°后，調高器跟隨并直接測量第三條邊的跟隨高度i3；4）假設最高處的水平線為z軸零點，則得到zc=zr+（i3-i1）/2；所述步驟4中在x軸方向上的高度計算包括如下步驟：1）首先控制切割頭移動到旋轉機械z軸方向上的中點zr；2）調高器跟隨并直接測量第二條邊的跟隨高度i2；3）同理，旋轉180°后，調高器跟隨并直接測量第四條邊的跟隨高度i4；4）假設最高處的水平線為z軸零點，則得到xc=xr+（i4-i2）/2。

所述金屬管材為矩形金屬管材。

本發明同現有技術相比，在已知金屬管材切割系統旋轉軸機械中心精確位置的前提下，通過在每條邊采樣若干點進行平均，減小了方管處于傾斜狀態下的誤差，同時，在測量結束后，綜合測量信息，對方管進行再次矯平，提高切割精確度；此外，通過對上下面進行采樣對比，能夠精確地計算出在該方位上金屬管材中心的精確位置。

附圖說明

圖1為金屬管材中心測量流程示意圖。

圖2為本發明中實施例一的測量流程示意圖。

圖3為本發明中實施例一的矩形管材在數控系統坐標系的位置示意圖。

圖4為本發明中實施例一的矩形金屬管四條邊測量八個點的示意圖。

圖5為本發明中實施例一的金屬管材中心測量數據示意圖。

圖6為本發明中實施例一的矯平示意圖。

圖7為本發明中實施例二的測量流程示意圖。

圖8為本發明中實施例二的矩形管材在數控系統坐標系的位置示意圖。

圖9為本發明中實施例二的矩形金屬管四條邊測量四個點的示意圖。

圖10為本發明中實施例二的旋轉軸旋轉時調高器上抬到位示意圖。

圖11為本發明中實施例二的金屬管材中心測量數據示意圖。

圖12為本發明中實施例三的測量并矯平流程示意圖。

圖13為本發明中實施例三的矩形管材在數控系統坐標系的位置示意圖。

圖14為本發明中實施例三的矩形金屬管四條邊測量五個點的示意圖。

圖15為本發明中實施例三的旋轉軸旋轉時調高器上抬到位示意圖。

圖16為本發明中實施例三的金屬管材中心測量數據示意圖。

圖17為本發明中實施例三的矯平示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明首先需要通過卡尺測量矩形金屬管材的寬度w和高度h。然后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件調整切割噴嘴位置。如果切割噴嘴在矩形金屬管材的上方，那么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。然后在控制切割頭向x軸負方向平移2*△x，然后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。那么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，并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，最后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后，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。然后在控制切割頭向x軸負方向移w/4，然后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。那么方管的傾斜角為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度后的矩形金屬管材，用于測量下表面的操作。

（1）上表面尋中。首先設定電容式調高器為低速尋邊模式，然后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，然后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，最后控制切割頭噴嘴移動到（x1+x2）/2位置，然后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，然后同樣的，將電容式調高器設定為低速尋邊模式，然后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，然后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，最后控制切割頭噴嘴移動到（x1+x2+x3+x4）/4位置，然后再控制電容式調高器測量矩形金屬管材上表面的z2坐標。

最后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。

實施例一：

如圖2-6所示，本實施例在已知金屬管材切割系統旋轉軸機械中心精確位置的前提下，通過在每條邊采樣兩個點進行平均，減小了方管處于傾斜狀態下的誤差，同時，在八個點測量結束后，綜合測量信息，對方管進行再次矯平，提高切割精確度；此外，通過對上下面進行采樣對比，能夠精確地計算出在該方位上方管中心的精確位置。

隨后測量四條邊的八個點：

如圖3所示，系統首先控制切割頭移動到旋轉機械x軸方向上的中點xr，并向x軸負向移動一段距離△x（為了保證不脫離矩形金屬管范圍，△x一般取值較小），此時切割頭x軸坐標為xr-△x。之后，系統控制調高器的感應頭跟隨到金屬方管上，得到在此處方管表面的高度h1。接下來，系統控制切割頭沿著x軸正向移動2*△x，到達xr+△x，再次跟隨金屬方管，獲得此處金屬方管表面高度h2。

旋轉90°，用同樣的方法獲得第二條邊在xr-△x、xr+△x兩點處的高度；以此類推，可以獲得四條邊上的八個點的高度信息。在獲得需要的高度值后，系統控制旋轉軸回零，調高器上抬到指定高度。

計算中心偏差：

圖4給出了計算元件中心偏差所需要的所有數據。假設最高處的水平線為z軸零點，那么有如下公式：

公式1：h1+l1=h2+l2=-zr

公式2：zc=-h1–(l1+l2)/2

將公式1代入公式2可以計算得到

zc=-h1–[(-zr–h1)+(-zr–h2)]/2

=zr+(h2–h1)/2

這樣，旋轉180°之后，通過跟隨獲得上下兩條邊的高度，利用上面的計算公式，就能得到元件中心在z軸上的精確坐標。同理，通過測量側面兩條邊相對于調高器原點的高度，可以計算得到原件中心在x軸上的精確坐標為：

xc=zc+（h4–h3）

此時，h3、h4分別表示通過調高器測量得到的第二條邊和第四條邊的高度。

根據計算值矯正管材角度：

如圖5，當矩形金屬管材處于不平整狀態時，通過xr-△x、xr+△x兩點的高度可以計算獲得此時金屬管材的傾斜角度。假設在這兩個位置，方管表面坐標分別為z1和z2，那么根據圖中所示，計算偏角的公式為

α=arctan[(z1-z2)/(2*△x)]

通過對四條邊的測量，可以獲得四個傾斜角度α1、α2、α3、α4。最后，通過旋轉一定的角度補償，可以將矩形方管重新矯正。該角度補償的計算公式如下：

αoffset=-(α1+α2+α3+α4)/4

實施例二：

如圖7-11所示，本實施例在已知金屬管材切割系統旋轉軸機械中心精確位置的前提下，在每條邊采樣一個點，加快了測量的整體速度。同時，在不同邊的切換過程中，采用了蛙跳技術，在調高器上抬到最高點之前，旋轉軸已經開始轉動，在保證安全的前提下最大限度地縮減了尋中時間。此外，通過對旋轉180°相對應的兩個平面進行采樣取值并平均計算，能夠精確地計算出在這兩個平面垂直方向上方管中心的精確位置。

測量四條邊的四個點：

如圖7所示，系統首先控制切割頭移動到旋轉機械x軸方向上的中點xr，之后，系統控制調高器的感應頭跟隨到金屬方管上，在調高器跟隨到位后，記錄此處方管的表面高度z1。

調高器上抬，在上抬到位時，旋轉軸朝正方向旋轉90°，旋轉軸移動停止后，調高器跟隨到金屬管材表面，在調高器跟隨到位后記錄此處方管表面高度z2。以此類推，可以獲得四條邊上的四個點的高度信息。

在獲得需要的高度值后，系統控制調高器上抬到指定高度，旋轉軸回到零點，也就是第一條邊朝上時的情形。

隨后計算中心偏差：

圖9給出了計算元件中心偏差所需要的所有數據。假設最高處的水平線為z軸零點，那么有如下公式：

z1+l1=z2+l2=-zr

zc=-z1–(l1+l2)/2

將公式1代入公式2可以計算得到

zc=-z1–[(-zr–z1)+(-zr–z2)]/2

=zr+(z2–z1)/2

這樣，旋轉180°之后，通過跟隨獲得上下兩條邊的高度，利用上面的計算公式，就能得到元件中心在z軸上的精確坐標。同理，通過測量側面兩條邊相對于調高器原點的高度，可以計算得到原件中心在x軸上的精確坐標為：

xc=zc+（z4–z3）

此時，z3、z4分別表示通過調高器測量得到的第二條邊和第四條邊的高度。

本實施例在實際應用過程中，調高器上抬到一定高度時，旋轉軸就可以開始運動。相對于調高器運動到最高點，旋轉軸才開始運動這種方式，節省了時間，提高了尋中效率。如圖11所示，當金屬矩形管水平時，調高器距離中心坐標高度為h1，當調高器上抬到h2的時候，旋轉軸就開始旋轉。h2計算公式如下：

h2=1+sqrt(w^2+h^2)/2–zr

其中多加了1mm，用來保證旋轉軸運動時不會撞上調高器。

在調高器上抬到h2時，系統判定調高器上抬到位，旋轉軸開始運動。

實施例三：

如圖12-17所示，本實施例在已知金屬管材切割系統旋轉軸機械中心精確位置的前提下，在第一條邊采樣兩個點，剩下下三條邊每條采樣一個點，加快了測量的整體速度。同時，在不同邊的切換過程中，采用了蛙跳技術，在調高器上抬到最高點之前，旋轉軸已經開始轉動，在保證安全的前提下最大限度地縮減了尋中時間。此外，通過對旋轉180°相對應的兩個平面進行采樣取值并平均計算，能夠精確地計算出在這兩個平面垂直方向上方管中心的精確位置。

將快速測定金屬管材中心的方法分為五個步驟：開始時在第一個面上(xr+w/4)和(xr-w/4)兩個位置測量兩個點，在剩下的三條邊上測量三個點；測量完畢后調高器上抬，x軸移動到計算得到的管材中心。

測量四條邊的五個點：

如圖12所示，系統首先控制切割頭移動到旋轉機械x軸方向上(xr+w/4)位置，之后，系統控制調高器的感應頭跟隨到金屬方管上，在調高器跟隨到位后，記錄此處方管的表面高度z1，之后控制切割頭移動到旋轉機械x軸方向上(xr-w/4)位置，記錄此處方管的表面高度z2，獲得該面上的跟隨高度z1=(z1+z2)/2。

調高器上抬，在上抬到位時，旋轉軸朝正方向旋轉90°，旋轉軸移動停止后，調高器跟隨到金屬管材表面，在調高器跟隨到位后記錄此處方管表面高度z2。以此類推，可以獲得四條邊上的四個點的高度信息。

在獲得需要的高度值后，系統控制調高器上抬到指定高度，旋轉軸回到零點，也就是第一條邊朝上時的情形。

如圖14所示給出了計算元件中心偏差所需要的所有數據。假設最高處的水平線為z軸零點，那么有如下公式：

公式1：i1+l1=i2+l2=-zr

公式2：zc=-i1–(l1+l2)/2

將公式1代入公式2可以計算得到

zc=-i1–[(-zr–i1)+(-zr–i2)]/2

=zr+(i2–i1)/2

這樣，旋轉180°之后，通過跟隨獲得上下兩條邊的高度，利用上面的計算公式，就能得到元件中心在z軸上的精確坐標。同理，通過測量側面兩條邊相對于調高器原點的高度，可以計算得到原件中心在x軸上的精確坐標為：

xc=zc+（i4–i3）

此時，i3、i4分別表示通過調高器測量得到的第二條邊和第四條邊的高度。