CN101823235B - 自动法向检测控制水切割弧形薄板喷嘴切割头的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的涉及一种自动法向检测控制喷嘴切割头的方法。利用A、B摆角头伺服电机，通过谐波减速器连接到机床的Z轴和切割头，通过FANUC数控系统控制调整切割头的法向运动；用四个轴线与水切割机床喷嘴轴线同时垂直于同一水平面上的测距激光传感器，组成一个面向工件上方，边长相等的检测矩阵，把四个传感器分成分别对应A摆伺服电机和B摆伺服电机两个组，测得的工件距离变化信号转化成电信号，并送至法向数据处理程序软件进行数据分析计算和逻辑判断，反馈给FANUC数控系统控制A摆伺服电机和B摆伺服电机旋转，调整切割头的法向运动，直到喷嘴位置到达四点的法向高度差允许范围，从而解决了人工视觉法向控制效率低下，设备昂贵的问题。

Description

自动法向检测控制水切割弧形薄板喷嘴切割头的方法

技术领域

本发明涉及一种数控切割弧形薄板过程中，自动法向检测控制喷嘴切割头的方法。

背景技术

在数控水切割切割弧形薄板过程中，切割点法线垂直度直接影响到弧形薄板工件的加工质量，所以必须保证加工点的法线与水切割喷嘴的轴线相平行或重合。一般而言普通数控机床上的刀具轴线是与水平面相垂直的，加工轨迹都是预先知道的有规则的几何轨迹，而复材弧形薄板的几何形状无法预知，所以必须进行实时的法线检测和控制，才能保证切割后的复材表面与截面的垂直(切割斜度)，由此就提出了法向检测控制这一概念。

法线是空间中与某一平面垂直的一条线，没有直接的方法进行检测，为此我们通过检测平面的方法来间接检测其法线，进而采用A、B摆角头装置通过调整平面的方法来控制其法线，达到法向检测和控制的目的。由于目前在国内还没有能够进行法向检测和自动进行法向调整控制的(带A、B摆角头的)设备，因此，通常在进行弧形薄板零件切割的加工时，都是采用效率低下的人工视觉来进行法向调整，时常导致加工尺寸质量不稳定，浪费的人力物力量大。虽然国外具有价值在300万美元左右/台的自动法向控制功能的切割机械，但该设备除价格昂贵外，法线垂直度误差≥0.5°，仍不能达到≤0.25°理想的误差要求。而国外相类似的设备大部分仍然采用人工视觉来进行手动法向调整，虽然目前国外已有五轴水切割技术专用产品，其解决切割斜度的方法是通过在原有三轴平台的基础上增加二个旋转轴，用可向任何方向摆动的倾斜切割头刀头，并利用预先在系统中设置的斜度模型，通过对规则的切割轨迹的实时预先计算，再根据被切工件的材料与厚度进行修正，在切割的过程中不断地摆动切割头切割出无斜度状态的工件，但是它无法满足形状不规则的复材实时的法向检测和控制的加工要求。并没有摆脱的人工视觉法向控制工件切割质量差和效率不高的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能提高弧形薄板切割效率，加工质量稳定可靠，成本低，法线垂直度误差小于上述理想的误差≤0.25°的自动法向检测控制切割弧形薄板喷嘴切割头的方法。用自动法向检测、调整控制弧形薄板喷嘴切割头，解决人工视觉法向控制效率低下，设备昂贵的问题。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种自动法向检测控制水切割弧形薄板喷嘴切割头的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)用A摆角头伺服电机和B摆角头伺服电机，通过谐波减速器连接到机床的Z轴和切割头，构成喷嘴运动部件，通过FANUC数控系统可编程机床控制器PMC控制调整切割头的法向运动；

(2)用四个轴线与水切割机床喷嘴轴线同时垂直于同一水平面上的激光测距传感器(Z1、Z2、Z3、Z4)，组成一个面向工件上方，边长相等的检测矩阵，且所述检测矩阵的对角线相交点与上述喷嘴的中心轴线基本重合；

(3)将四个激光测距传感器通过A/D模数转换模块连接到外置可编程控制器PLC上，PLC的输出连接到机床的FANUC数控系统PMC中，PMC通过伺服驱动模块连接到A、B伺服电机上；

(4)把四个上述传感器分成分别对应A摆角头伺服电机和B摆角头伺服电机两个组，并通过激光传感器的示教方式设置上述四个传感器的测量窗口，使测量窗口与效验平台表面距离一致；

(5)编制法向控制PLC梯形图，把测得的数据通过运算处理后，反馈给FANUC数控系统进行处理，然后由数控系统再来控制喷嘴运动部件，对相应点进行高度调整，直到传感器测量四点的法向高度差在允许的范围内为止。

本发明具有如下有益效果。

相比于现有技术同类设备，本发明提供的水切割机床切割喷嘴法向控制系统成本低，效率高，可靠性好，加工质量稳定可靠。

(1)成本低。本发明依据较大半径弧形薄板工件，比如飞机蒙皮弧度变化较小的特点，在蒙皮较小范围内空间，在四个轴线垂直同一水平面上安装四个测距激光传感器，组成一个边长相等的正方形检测矩阵，并且检测矩阵的对角线中心与水切割机床喷嘴的轴线相重合，通过间接的检测方法来进行测量加工点的法线与喷嘴的轴线相平行或重合。解决了法线空间直线不能直接进行位置检测技术难题，用较少的设备检测某一点的法线是否垂直的方法，相比于国外具有自动法向控制功能，价值在300万美元左右/台的切割设备，不仅具有国外机床的全部功能，而且成本不到国外的1/70，不足300万元人民币。解决了人工视觉法向控制效率低下，设备昂贵的问题。

(2)效率高。相比于国外相类似设备采用人工视觉来进行手动法向调整方法，其效率可提高30％以上。

(3)利用应用广泛的数控系统和传感器，可靠性高，加工工件质量好，误差小。相比于法线垂直度误差≥0.5°的国外设备和≤0.25°的理想误差要求大幅减少。根据实测的测量数据计算，所有测量点的法线垂直度误差都≤0.25°。

附图说明

图1是本发明水切割机床喷嘴法向控制系统的组成示意图。

图2是本发明工件与测量系统的位置关系示意图。

图3是本发明法向数据处理程序软件的法向检测流程图。

本发明根据几何学定律——如果两平面平行，垂直于其中一个平面的直线必定垂直于另一平面。基于此定律将不规则的弧形薄板微分成无数个依次相连的小类正方形平面，把以切割点为中心的类正方形平面作为检测对象，在预先调好的与切割头垂直固定的基准方块上安装传感器，通过检测基准方块与类正方形平面的平行度，来确定切割头与类正方形平面的垂直度，通过调整基准方块来保证与类正方形平面平行度，进而来保证切割头与类正方形平面的垂直度，实现自动法向检测控制垂直切割不规则弧形薄板的目的。

用A、B摆角头伺服电机，通过谐波减速器连接到机床的Z轴和切割头，构成喷嘴运动部件，通过通过FANUC数控系统专用可编程机床控制器控制调整切割头的法向运动；在切割头上方调整固定好一个与效验平台垂直的40×40mm正方形基准块，且保证切割头在其中心点上、正方形基准块的任意两邻边分别与A、B两轴线相平行，将四个激光测距传感器分别安装在基准块下边面的四条边的交点上。用四个轴线与水切割机床喷嘴轴线同时垂直于同一水平面上的测距激光传感器(Z1、Z2、Z3、Z4)，组成一个面向工件上方，边长相等的检测矩阵，且所述检测矩阵的对角线相交点与上述喷嘴的中心轴线基本重合；将四个激光测距传感器通过A/D模数转换模块连接到外置三菱可编程控制器PLC上，PLC的输出连接到机床的数控系统PMC中，PMC通过伺服驱动模块连接到A、B伺服电机上；把四个传感器分成分别对应A摆角头伺服电机和B摆角头伺服电机两个组，并通过激光传感器的示教方式设置上述四个传感器的测量窗口；编制法向控制PLC梯形图，把四个激光传感器测得的工件距离变化信号转化成电信号，并送至外置三菱PLC的法向数据处理程序软件进行数据分析计算和逻辑判断的法向数据处理，把测得的数据通过运算处理后，反馈给控制系统进行处理，然后由数控系统再来控制喷嘴运动，对相应点进行高度调整，直到喷嘴位置到达四点的法向高度差在允许的范围内为止。主要步骤包括：

(1)检测矩阵上的正方形基准块，尺寸大小为40×40mm。正方形基准块尺寸大小的选择，根据宏观微分学理论上是尺寸越小精度越高，但它对安装的精度要求就越高，安装困难就越大，控制的稳定性也较差，如果正方形基准块尺寸较大，它的检测精度必然会降低，因此我们根据飞机蒙皮弧形薄板工件在较小范围内弧度无突变的特点，经过多次试验论证，尺寸大小为40×40mm的正方形基准块是最理想的选择。

(2)在基准块下边面的四条边的交点上安装好四个激光测距传感器Z1、Z2、Z3、Z4(如图2所示)，必须先对其基准高度进行初始化，以保证在基准法向位置测得的数据都一致。通过激光传感器的示教方式设置四个上述传感器的测量窗口，使四个传感器的测量窗口相同，测量窗口与效验平台表面的距离一致。

(3)在法线检测控制的工作过程中，激光测距传感器可以将其测得到弧形薄板工件表面的距离数据转换为直流电流信号，通过三菱A/D模数转换模块，将此电流模拟信号转换成标准数字信号送到外置三菱PLC可编程控制器，通过PLC的法向数据处理程序进行数据分析计算和逻辑判断，把测得的数据通过运算处理后，反馈给数控系统，然后由数控系统再来控制喷嘴运动部件，对相应点进行高度调整，直到喷嘴位置到达四点的法向高度差在允许的范围内为止。

(4)编写外置三菱PLC法向数据处理程序软件。

当数控系统接收到PMC的启动法向控制信号时，数控系统的PMC首先检测数据处理和逻辑判断电路送来的运动控制信号(即三菱PLC送来的信号)，数控系统的PMC根据收到的上述控制信号，分别控制A摆和B摆角头伺服电机，驱动上述伺服电机转动，伺服电机带动水切割喷嘴A、B摆角运动。工件零件距离的变化被安装在喷嘴四周的测量系统检测到后，测量系统把距离的变化转化成电信号的变化送给外置的三菱PLC进行数据的分析计算和逻辑判断，通过数据处理软件逻辑判断得出2个伺服电机的运动方向和速度，然后把这些方向信号和速度信号传送给数控系统的PMC。数控系统的PMC根据这些信号调整发送给水切割喷嘴电机驱动器的控制信号控制水切割喷嘴A、B摆角的运动，直到喷嘴到达法向位置为止。整个控制的关键是数据处理和逻辑判断部分，这部分的功能是由软件实现的。

用测距激光传感器Z1、Z2、Z3、Z4与水切割机床喷嘴轴线相平行，并垂直在同一水平面上，组成一个面向工件上方，边长相等的检测矩阵，且所述检测矩阵的对角线中心与上述喷嘴的中心基本重合。四个测距激光传感器Z1、Z2、Z3、Z4组成的检测矩阵，可以选用一个边长为40mm×40mm的正方形安装在与喷嘴轴线同垂直于一个空间水平面上。正方形的对角线中心与喷嘴的中心重合。四个测距激光传感器通过连接螺钉固定在正方形的四个顶点上。

将四个传感器分成二组，Z1和Z3、Z2和Z4为第一组对应连接喷嘴的B摆角头伺服电机，Z1和Z2、Z3和Z4为第二组对应连接喷嘴的A摆角头伺服电机。

S1＝(Z2+Z4)/2为B摆角头伺服电机第一测量点距离检测数据

S2＝(Z1+Z3)/2为B摆角头伺服电机第二测量点距离检测数据

S1与S2两点间的直线垂直于B摆角头电机旋转轴线

S3＝(Z3+Z4)/2为A摆角头伺服电机第一测量点距离检测数据

S4＝(Z1+Z2)/2为A摆角头伺服电机第二测量点距离检测数据

S3与S4两点间的直线垂直于A摆角头伺服电机旋转轴线

由S1、S2、S3、S4组成一个检测平面，用此平面水平去切喷嘴为中心，边距相等的零件表面的四个点，如果该四个点刚落在这个水平面上，那么这四个点的高度差为零。则认为这个被检测的点的法线处于垂直位置的法向位置。

在控制运动时，第一组发出的信号控制B摆角头伺服电机的正传或反转，第二组发出的信号控制A摆角头伺服电机的正传或反转。

三菱PLC的法向数据处理程序软件首先根据工件切割的实际情况，确定测量窗口与效验平台的理论法向位置时传感器的距离数值。然后根据系统法向检测要求的误差要求计算出对应于传感器测量数值的公差带。把理论值加上公差带后得出的数值范围，就是它的控制范围。在软件实际编制过程中，先采集第一组传感器测出的测量窗口与零件表面的距离数据。如果某一个传感器测出的数据大于了公差上、下限，那么就控制相应的B摆角头伺服电机运动。如果在公差带内，相应的伺服电机就保持不动。然后测量第二组传感器数据并处理控制A摆角头伺服电机运动，直到全部的测量数据都在公差范围内为止。系统就认为四点的高度差约等于零，喷嘴正下方那个点已经处于法向位置，系统停止调整并发出法向到达信号。此时，喷嘴中心线与零件切割点的法向基本垂直，从而达到间接测量曲面零件切割点法向检测的目的。

Claims (3)

1.一种自动法向检测控制水切割弧形薄板喷嘴切割头的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)用A摆角头伺服电机和B摆角头伺服电机，通过谐波减速器连接到机床的Z轴和切割头，构成喷嘴运动部件，通过FANUC数控系统可编程机床控制器PMC控制调整切割头的法向运动；

(2)用四个轴线与水切割机床喷嘴轴线同时垂直于同一水平面上的激光测距传感器(Z1、Z2、Z3、Z4)，组成一个面向工件上方，边长相等的检测矩阵，且所述检测矩阵的对角线相交点与上述喷嘴的中心轴线基本重合；

(3)将四个激光测距传感器通过A/D模数转换模块连接到外置可编程控制器PLC上，PLC的输出连接到机床的FANUC数控系统PMC中，PMC通过伺服驱动模块连接到A、B伺服电机上；

(4)把四个上述传感器分成分别对应A摆角头伺服电机和B摆角头伺服电机两个组，并通过激光传感器的示教方式设置上述四个传感器的测量窗口，使测量窗口与效验平台表面距离一致；

(5)编制法向控制PLC梯形图，把测得的数据通过运算处理后，反馈给FANUC数控系统进行处理，然后由数控系统再来控制喷嘴运动部件，对相应点进行高度调整，直到传感器测量四点的法向高度差在允许的范围内为止。

2.如权利要求1所述的自动法向检测控制水切割弧形薄板喷嘴切割头的方法，其特征在于，在控制运动时，将四个传感器分成二组，Z1和Z3、Z2和Z4为第一组对应连接喷嘴的B摆角头伺服电机，Z1和Z2、Z3和Z4为第二组对应连接喷嘴的A摆角头伺服电机，第一组发出的信号控制B摆角头伺服电机的正转或反转，第二组发出的信号控制A摆角头伺服电机的正转或反转。

3.如权利要求1所述的自动法向检测控制水切割弧形薄板喷嘴切割头的方法，其特征在于，在切割头上方调整固定好一个与效验平台垂直的40×40mm正方形基准块，且保证切割头在其中心点上、正方形基准块的任意两邻边分别与A摆角头伺服电机、B摆角头伺服电机两轴线相平行，将四个激光测距传感器分别安装在基准块下边面的四条边的交点上，检测矩阵上的正方形基准块，尺寸大小为40×40mm。

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