CN105598595A - 一种激光喷嘴与加工面垂直度的校核方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光喷嘴与加工面垂直度的校核方法，包括：将三个测距传感器均设置于激光喷嘴上的同一位置，并使第一测距传感器的测距方向与激光喷嘴的轴向平行，同时使第二和第三测距传感器均与激光喷嘴的轴向呈夹角α；第一测距传感器测量自身到加工面的距离为a，第二测距传感器为b，第三测距传感器为c；计算a与b的比值以及a与c的比值，并判断两比值是否均等于cosα，如果是，则激光喷嘴与加工面垂直，如果否，则不垂直。本发明通过三个测距传感器的测距功能，避免了现有技术中的肉眼观察和接触式的直尺测量方法，较快速且精确地识别激光喷嘴与加工面的关系。本发明还公开一种激光喷嘴与加工面垂直度的校核系统，其有益效果如上所述。

Description

一种激光喷嘴与加工面垂直度的校核方法与系统

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，特别涉及一种激光喷嘴与加工面垂直度的校核方法。本发明还涉及一种激光喷嘴与加工面垂直度的校核系统。

背景技术

随着中国机械工业的发展，机械设备的生产、制造及加工都具有了较高标准的工艺要求。

激光切割是一种高效、高水平的金属板材切割工艺，激光切割机利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，随着光束对材料的移动，孔洞连续形成宽度很窄(如0.1mm)的切缝，完成对材料的切割。由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能够获得较好的切割质量。

为了实现复杂形状或大切割行程的切割工艺，激光切割一般通过计算机化数字控制技术(CNC)装置实现，或称机器人激光切割。而在机器人进行平面激光切割加工过程中，为了达到加工材料边缘整齐、光滑度等切割工艺要求，往往需要在切割过程中确保激光喷嘴与加工面保持垂直。目前，工业上一般使用肉眼观察和接触式的直尺测量方法测量激光喷嘴与加工面之间的垂直度或倾斜角度，通过不断的调整和测量，使激光喷嘴与加工面逐渐保持垂直。然而，传统的垂直度校核方法效率低、误差大，不仅耽误生产制造流程，往往还是无法满足较高的切割工艺标准要求。

因此，如何较快速、精确地识别激光喷嘴与加工面是否垂直，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光喷嘴与加工面垂直度的校核方法，能够较快速、精确地识别激光喷嘴与加工面的夹角关系。本发明的另一目的是提供一种激光喷嘴与加工面垂直度的校核系统。

为解决上述技术问题，本发明提供一种激光喷嘴与加工面垂直度的校核方法，包括：

将第一测距传感器、第二测距传感器和第三测距传感器均设置于激光喷嘴上的同一位置，并使所述第一测距传感器的测距方向与激光喷嘴的轴向平行，同时使所述第二测距传感器和第三测距传感器的测距方向均与激光喷嘴的轴向呈夹角α；

所述第一测距传感器测量自身到加工面的距离为a，所述第二测距传感器测量自身到加工面的距离为b，所述第三测距传感器测量自身到加工面的距离为c；

计算a与b的比值以及a与c的比值，并判断两比值是否均等于cosα，如果是，则激光喷嘴与加工面垂直，如果否，则不垂直。

优选地，在设置所述第二测距传感器和第三测距传感器时，还包括：

使所述第二测距传感器和第一测距传感器的测距方向共同所在平面，与所述第三测距传感器和第一测距传感器的测距方向共同所在平面垂直。

优选地，判断两所述比值是否均等于cosα时，具体包括：

判断a与b的比值是否等于cosα，如果否，则激光喷嘴与加工面不垂直，如果是，则继续进行下一步；

判断a与c的比值是否等于cosα，如果否，则激光喷嘴与加工面不垂直，如果是，则激光喷嘴与加工面垂直。

优选地，还包括：

当a与b的比值不等于cosα时，根据两者间的差值调整激光喷嘴在所述第二测距传感器和第一测距传感器的测距方向共同所在平面内的倾斜角度；

当a与c的比值不等于cosα时，根据两者间的差值调整激光喷嘴在所述第三测距传感器和第一测距传感器的测距方向共同所在平面内的倾斜角度。

优选地，调整激光喷嘴的倾斜角度具体包括：

根据a、b及α的值计算激光喷嘴与加工面的夹角为β，再根据β与90°之间的差值调整激光喷嘴的倾斜角度；

根据a、c及α的值计算激光喷嘴与加工面的夹角为γ，再根据γ与90°之间的差值调整激光喷嘴的倾斜角度。

优选地，在设置所述第二测距传感器和第三测距传感器时，使所述夹角α的角度范围为：30°≤α≤60°。

本发明还提供一种激光喷嘴与加工面垂直度的校核系统，包括设置于激光喷嘴上同一位置的第一测距传感器、第二测距传感器和第三测距传感器；所述第一测距传感器的测距方向与激光喷嘴的轴向平行，所述第二测距传感器和第三测距传感器的测距方向均与激光喷嘴的轴向呈等值夹角；还包括根据所述第一测距传感器、第二测距传感器及第三测距传感器采集的自身到加工面的距离数据判断激光喷嘴是否垂直于加工面的控制器。

优选地，所述第一测距传感器、第二测距传感器和第三测距传感器均为红外测距传感器。

优选地，所述第二测距传感器和第一测距传感器的测距方向共同所在平面，与所述第三测距传感器和第一测距传感器的测距方向共同所在平面垂直。

优选地，所述第二测距传感器和第三测距传感器的测距方向与激光喷嘴的轴向所呈的夹角均为30°～60°。

本发明所提供的激光喷嘴与加工面垂直度的校核方法，主要包括三个步骤，其中：

S1、将第一测距传感器、第二测距传感器和第三测距传感器均设置于激光喷嘴上的同一位置，并使第一测距传感器的测距方向与激光喷嘴的轴向平行，同时使第二测距传感器和第三测距传感器的测距方向均与激光喷嘴的轴向呈夹角α。在本步骤中，将三个测距传感器设置在激光喷嘴上，通过测距传感器的测距功能避免手工测量或接触式测量，避免对校核结果造成影响。三个测距传感器的设置方式不一，其中第一测距传感器的测距方向与激光喷嘴的轴向平行，而第二测距传感器和第三测距传感器的测距方向均与激光喷嘴的轴向具有一定夹角。如此设置，是为了利用几何学中的直线与平面垂直的判定定理，即“若一条直线同时垂直于平面内的两条相交直线，则该直线垂直于该平面”。其中第一测距传感器到加工面的距离线段即相当于其中的待判定直线，而第二测距传感器和第三测距传感器到加工面的距离线段在平面上的投影即为两条相交直线。

S2、第一测距传感器测量自身到加工面的距离为a，第二测距传感器测量自身到加工面的距离为b，第三测距传感器测量自身到加工面的距离为c。在本步骤中，启动三个测距传感器，并分别测量出自身到加工面的距离。

S3、计算a与b的比值以及a与c的比值，并判断两比值是否均等于cosα，如果是，则激光喷嘴与加工面垂直，如果否，则不垂直。在本步骤中，利用直线与平面的垂直判定定理，分别计算a与b的比值以及a与c的比值，如果a/b＝cosα且a/c＝cosα，那么说明第一测距传感器到加工面的距离线段垂直于第二测距传感器和第三测距传感器到加工面的距离线段在平面上的投影，即相当于待判定直线垂直于平面内的两条相交直线，那么待判定直线就垂直于平面，而第一测距传感器的测距方向平行于激光喷嘴的轴向，因此此时就可判断激光喷嘴垂直于加工面；如果a/b≠cosα或者a/c≠cosα，或者a/b及a/c均不等于cosα，那么自然激光喷嘴就不垂直于加工面。

综上，本发明所提供的激光喷嘴与加工面垂直度的校核方法，通过第一测距传感器、第二测距传感器和第三测距传感器的测距功能，避免了现有技术中的肉眼观察和接触式的直尺测量方法，较快速且精确地识别激光喷嘴与加工面的夹角关系，判断激光喷嘴与加工面是否垂直。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种具体实施方式的流程图；

图2为本发明所提供的另一种具体实施方式的流程图；

图3为本发明所提供的一种具体实施方式中激光喷嘴垂直于加工面时的状态示意图；

图4为本发明所提供的一种具体实施方式中激光喷嘴不垂直于加工面时的状态示意图。

其中，图1—图4中：

第一测距传感器—1，第二测距传感器—2，第三测距传感器—3。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明所提供的一种具体实施方式的流程图。

在本发明所提供的第一种具体实施方式中，激光喷嘴与加工面垂直度的校核方法主要包括三个步骤，其中：

S1、将第一测距传感器1、第二测距传感器2和第三测距传感器3均设置在激光喷嘴上的同一位置处，并使第一测距传感器1的测距方向与激光喷嘴的轴向平行，而第二测距传感器2和第三测距传感器3的测距方向均与激光喷嘴的轴向呈夹角α。

具体的，可将第一测距传感器1、第二测距传感器2和第三测距传感器3均设置在激光喷嘴的底部或侧壁，当然同时要避免遮挡激光喷嘴的出光口。第一测距传感器1、第二测距传感器2和第三测距传感器3设置在激光喷嘴上的同一位置，理论上可以认为三者处于同一点，如此设置，可以在后续的测量过程中提高测量结果的精确性。另外，第一测距传感器1、第二测距传感器2和第三测距传感器3的测距方向并不相同，而需要说明的是，第一测距传感器1、第二测距传感器2和第三测距传感器3所测量的距离均为自身到加工面的直线距离。其中第一测距传感器1的测距方向与激光喷嘴的轴向平行，即第一测距传感器1的测量距离为自身到沿着激光喷嘴的轴向与加工面的交点之间的线段长。而第二测距传感器2和第三测距传感器3的测距方向与激光喷嘴的轴向均呈夹角α，优选地，为了使第二测距传感器2和第三测距传感器3能够正常测距(当测距方向与加工面平行时，无法顺利获得测量距离值)，α的取值一般可为30°～60°，比如30°、45°、60°等。当然，α的取值是随意的，可以根据激光喷嘴自身的倾斜角度而定，只需保证第二测距传感器2和第三测距传感器3的测距方向不与加工面平行即可。

另外，在设置第二测距传感器2和第三测距传感器3时，还可使第二测距传感器2和第一测距传感器1的测距方向共同所在平面，与第三测距传感器3和第一测距传感器1的测距方向共同所在平面垂直。即在保证第二测距传感器2和第三测距传感器3的测距方向均与激光喷嘴的轴向呈夹角α的基础上，使第二测距传感器2的测距方向沿着激光喷嘴的x轴方向，而同时使第三测距传感器3的测距方向沿着激光喷嘴的y轴方向。其中，激光喷嘴的x轴方向和y轴方向均为人为规定的方向，而将第二测距传感器2和第三测距传感器3的测距方向分别设置为x和y轴方向是为了后续的计算及调整方便。需要说明的是，第二测距传感器2和第三测距传感器3的测距方向在激光喷嘴的周向上是随意的，并不仅限于垂直关系。

S2、第一测距传感器1测量自身到加工面的距离为a，第二测距传感器2测量自身到加工面的距离为b，第三测距传感器3测量自身到加工面的距离为c。

具体的，同时开启第一测距传感器1、第二测距传感器2和第三测距传感器3，第一测距传感器1沿着激光喷嘴的轴向测量自身到加工面的距离为a，而第二测距传感器2沿着与激光喷嘴的轴向呈α角的方向测量自身到加工面的距离为b，第三测距传感器3沿着与激光喷嘴的轴向呈α角的方向测量自身到加工面的距离为c(第二测距传感器2和第三测距传感器3的测距方向并不平行，优选地，第二测距传感器2和第三测距传感器3的测距方向在激光喷嘴的周向上互相垂直)。

S3、计算a与b的比值以及a与c的比值，并判断两比值是否均等于cosα，如果是，则激光喷嘴与加工面垂直，如果否，则不垂直。

具体的，可以先计算a与b的比值，并判断a与b的比值是否等于cosα，然后再计算a与c的比值，并判断a与c的比值是否等于cosα。当然，该顺序也可以完全相反，或者同时计算a与b的比值以及a与c的比值，并不影响判断结果。根据直线与平面垂直的判定定理，即“如果一条直线同时垂直于平面内两条相交直线，那么该直线垂直于该平面”。其中，由于第一测距传感器1的测距方向平行于激光喷嘴的轴向，因此第一测距传感器1到加工面的线段就相当于其中的待判定直线；同时由于第二测距传感器2和第三测距传感器3的测距方向与激光喷嘴的轴向具有一定夹角，因此第二测距传感器2和第三测距传感器3到加工面的距离线段在加工面上的投影即相当于两条相交直线。如果a比b的比值等于cosα，那么说明待判定直线垂直于平面上的其中一条直线；如果a与c的比值也同时等于cosα，那么说明待判定直线也同时垂直于平面上的另一条直线。而平面上的两条直线相交，因此满足直线与平面垂直的判定定理，此时可判断出激光喷嘴与加工面垂直。另外，如果a与b的比值及a与c的比值中有任意一个或两个均不满足等于cosα的条件，那么就不能满足直线与平面垂直的判定定理，此时可判断出激光喷嘴与加工面不垂直。

请参考图2，图2为本发明所提供的另一种具体实施方式的流程图。

在本实施例所提供的另一种具体实施方式中，当判断出a与b的比值不等于cosα时，此时可知在沿着第二测距传感器2的测距方向在加工面上的投影方向上激光喷嘴是倾斜的(即待直线并不垂直于平面上的其中一条直线)，根据前述优选实施例中，第二测距传感器2与第三测距传感器3的测距方向在激光喷嘴的周向上垂直的论述，可以认为激光喷嘴在自身的x轴(激光喷嘴的x轴与y轴的坐标系建立参考前述内容)方向上倾斜了一定角度。而具体的倾斜角度可以根据a与b的比值与cosα之间的差值计算得出，此时就可根据该倾斜角度值调整激光喷嘴在x轴上的倾斜角度，使得激光喷嘴往趋近于垂直的方向转动。同理，当判断出a与c的比值不等于cosα时，此时可知在沿着第三测距传感器3的测距方向在加工面上的投影方向上激光喷嘴是倾斜的，即认为激光喷嘴在自身的y轴方向上倾斜了一定角度。那么同样可根据a与c的比值与cosα之间的差值计算出倾斜角度差值，同时根据该倾斜角度值调整激光喷嘴在y轴上的倾斜角度，使得激光喷嘴往趋近于垂直的方向转动。

在关于调整激光喷嘴的倾斜角度的一种优选实施例中，可首先根据a、b及α的值计算激光喷嘴与加工面的夹角为β，再根据该β的角度值与90°之间的差值调整激光喷嘴的倾斜角度；根据a、c及α的值计算激光喷嘴与加工面的夹角为γ，再根据γ与90°之间的差值调整激光喷嘴的倾斜角度。

如图3和图4所示，图3为本发明所提供的一种具体实施方式中激光喷嘴垂直于加工面时的状态示意图；图4为本发明所提供的一种具体实施方式中激光喷嘴不垂直于加工面时的状态示意图。

具体的，首先考察△ABC，对于该三角形可知其边BC长度为a，边AC长度为b，∠ACB为α。此时可根据余弦定理计算出边AB的长度，再根据余弦定理计算出∠ABC。再考察图中的虚线三角形，该虚线三角形即为激光喷嘴垂直于加工面时的状态，显然，激光喷嘴当前状态下与垂直状态下的转角差值为β-90°。即只需将激光喷嘴往-x轴方向转动β-90°角即可使激光喷嘴垂直于平面内的其中一条直线。同理，还可根据a、c及α的值计算激光喷嘴与加工面的夹角γ，再将激光喷嘴往-y轴方向转动γ-90°角即可使激光喷嘴同时垂直于平面内的另一条相交直线。此时，经过两次调整之后的激光喷嘴理论上即与加工面垂直。

综上所述，本发明所提供的激光喷嘴与加工面垂直度的校核方法，通过第一测距传感器1、第二测距传感器2和第三测距传感器3的测距功能，利用直线与平面垂直的判定定理，避免了现有技术中的肉眼观察和接触式的直尺测量方法，较快速且精确地识别激光喷嘴与加工面的夹角关系，并判断激光喷嘴与加工面的垂直度关系。

本发明还提供一种激光喷嘴与加工面垂直度的校核系统，包括设置在激光喷嘴上同一位置的第一测距传感器1、第二测距传感器2和第三测距传感器3。并且第一测距传感器1的测距方向与激光喷嘴的轴向方向平行，而第二测距传感器2和第三测距传感器3的测距方向均与激光喷嘴的轴向呈等值夹角。该校核系统还包括控制器，该控制器主要用于根据第一测距传感器1、第二测距传感器2和第三测距传感器3采集的自身到加工面的距离数据判断激光喷嘴是否垂直于加工面。优选地，第一测距传感器1、第二测距传感器2和第三测距传感器3均为红外测距传感器。当然，第一测距传感器1、第二测距传感器2和第三测距传感器3还可以为超声波测距传感器或激光测距传感器等。

另外，还可将第二测距传感器2和第一测距传感器1的测距方向共同所在平面，与第三测距传感器3和第一测距传感器1的测距方向共同所在平面垂直。如此设置，能够使第一测距传感器1、第二测距传感器2和第三测距传感器3的测距方向与激光喷嘴的x、y平行，便于控制器进行逻辑计算和判断。

此外，第二测距传感器2和第三测距传感器3的测距方向虽然与激光喷嘴的轴向具有一定夹角，但是为了计算的精确性，该夹角不宜过大也不宜偏小，优选地，可取夹角范围为30°～60°，比如30°、45°、60°等。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种激光喷嘴与加工面垂直度的校核方法，其特征在于，包括：

将第一测距传感器、第二测距传感器和第三测距传感器均设置于激光喷嘴上的同一位置，并使所述第一测距传感器的测距方向与激光喷嘴的轴向平行，同时使所述第二测距传感器和第三测距传感器的测距方向均与激光喷嘴的轴向呈夹角α；

所述第一测距传感器测量自身到加工面的距离为a，所述第二测距传感器测量自身到加工面的距离为b，所述第三测距传感器测量自身到加工面的距离为c；

计算a与b的比值以及a与c的比值，并判断两比值是否均等于cosα，如果是，则激光喷嘴与加工面垂直，如果否，则不垂直。

2.根据权利要求1所述的校核方法，其特征在于，在设置所述第二测距传感器和第三测距传感器时，还包括：

使所述第二测距传感器和第一测距传感器的测距方向共同所在平面，与所述第三测距传感器和第一测距传感器的测距方向共同所在平面垂直。

3.根据权利要求2所述的校核方法，其特征在于，判断两所述比值是否均等于cosα时，具体包括：

判断a与b的比值是否等于cosα，如果否，则激光喷嘴与加工面不垂直，如果是，则继续进行下一步；

判断a与c的比值是否等于cosα，如果否，则激光喷嘴与加工面不垂直，如果是，则激光喷嘴与加工面垂直。

4.根据权利要求3所述的校核方法，其特征在于，还包括：

当a与b的比值不等于cosα时，根据两者间的差值调整激光喷嘴在所述第二测距传感器和第一测距传感器的测距方向共同所在平面内的倾斜角度；

当a与c的比值不等于cosα时，根据两者间的差值调整激光喷嘴在所述第三测距传感器和第一测距传感器的测距方向共同所在平面内的倾斜角度。

5.根据权利要求4所述的校核方法，其特征在于，调整激光喷嘴的倾斜角度具体包括：

根据a、b及α的值计算激光喷嘴与加工面的夹角为β，再根据β与90°之间的差值调整激光喷嘴的倾斜角度；

根据a、c及α的值计算激光喷嘴与加工面的夹角为γ，再根据γ与90°之间的差值调整激光喷嘴的倾斜角度。

6.根据权利要求5所述的校核方法，其特征在于，在设置所述第二测距传感器和第三测距传感器时，使所述夹角α的角度范围为：30°≤α≤60°。

7.一种激光喷嘴与加工面垂直度的校核系统，其特征在于，包括设置于激光喷嘴上同一位置的第一测距传感器(1)、第二测距传感器(2)和第三测距传感器(3)；所述第一测距传感器(1)的测距方向与激光喷嘴的轴向平行，所述第二测距传感器(2)和第三测距传感器(3)的测距方向均与激光喷嘴的轴向呈等值夹角；还包括根据所述第一测距传感器(1)、第二测距传感器(2)及第三测距传感器(3)采集的自身到加工面的距离数据判断激光喷嘴是否垂直于加工面的控制器。

8.根据权利要求7所述的校核系统，其特征在于，所述第一测距传感器(1)、第二测距传感器(2)和第三测距传感器(3)均为红外测距传感器。

9.根据权利要求8所述的校核系统，其特征在于，所述第二测距传感器(2)和第一测距传感器(1)的测距方向共同所在平面，与所述第三测距传感器(3)和第一测距传感器(1)的测距方向共同所在平面垂直。

10.根据权利要求9所述的校核系统，其特征在于，所述第二测距传感器(2)和第三测距传感器(3)的测距方向与激光喷嘴的轴向所呈的夹角均为30°～60°。