CN106001847B - 基于激光测距传感器的钢板边缘扫描及切割控制系统 - Google Patents

基于激光测距传感器的钢板边缘扫描及切割控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光测距传感器的钢板边缘扫描及切割控制系统，包括第一激光测距传感器、第二激光测距传感器、上位机工业控制计算机、多轴运动控制器、1#伺服驱动器、1#电机、3#伺服驱动器、3#电机、4#伺服驱动器和4#电机。第一激光测距传感器和第二激光测距传感器与多轴运动控制器连接。上位机工业控制计算机与多轴运动控制器通讯连接。1#电机与1#伺服驱动器连接，3#电机与3#伺服驱动器连接，4#电机与4#伺服驱动器连接，多轴运动控制器设有反馈控制模块，1#伺服驱动器、3#伺服驱动器和4#伺服驱动器分别与反馈控制模块连接。本发明的钢板边缘扫描及切割控制系统能对钢板进行自动扫描和切割工作，不仅节省人力，而且切割钢板的精度和质量高。

Description

基于激光测距传感器的钢板边缘扫描及切割控制系统
技术领域
本发明属于钢材料加工行业的扫描及切割控制系统技术领域，涉及基于激光测距传感器的钢板边缘扫描及切割控制系统。
背景技术
由炼钢厂的轧钢机生产出的大尺寸(如长宽厚：33m*2m*15mm)钢板通常不是规则的矩形，其前后左右边缘呈一定程度的曲率，需要由龙门式火焰等离子切割机裁掉钢板边缘不规则部分并将钢板分切成若干个呈“豆腐块”形的小钢板，该小钢板供下游行业使用。由于轧钢机生产出的钢板尺寸大，目前，无合适的自动检测系统识别其轮廓，常规采用二维轮廓识别的方案可以识别钢板的轮廓，该二维轮廓识别方案的结构中包括有线激光、二维相机拍照等，但都只能识别小尺寸的物体的轮廓，故在龙门式火焰等离子切割机对钢板进行切割前，只能通过人工使用量具或目测的方式对钢板边缘进行定位，定位后再进行切割，费时费力且切割精度较低。
为此，很有必要设计一种钢板边缘扫描及切割控制系统，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种钢板边缘扫描及切割控制系统，其能对钢板边缘的轮廓扫描识别，自动计算出待切割矩形的路径，从而完成对钢板的自动切割，节省人力，同时切割精度高和切割质量高。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于激光测距传感器的钢板边缘扫描及切割控制系统，包括第一激光测距传感器、第二激光测距传感器、上位机工业控制计算机、多轴运动控制器、1#伺服驱动器、1#电机、3#伺服驱动器、3#电机、4#伺服驱动器和4#电机；
所述第一激光测距传感器固定于第一切割枪上，该第一激光测距传感器与所述多轴运动控制器连接，所述第二激光测距传感器固定于第二切割枪上，该第二激光测距传感器与所述多轴运动控制器连接；
所述上位机工业控制计算机与所述多轴运动控制器通讯连接，所述多轴运动控制器设有反馈控制模块；
所述1#电机用于驱动龙门大车沿Y轴移动，所述1#电机与所述1#伺服驱动器连接，所述1#伺服驱动器与所述反馈控制模块连接，所述3#电机用于驱动所述第一切割枪在所述龙门大车上沿X轴移动，所述3#电机与所述3#伺服驱动器连接，所述3#伺服驱动器与所述反馈控制模块连接，所述4#电机用于驱动所述第二切割枪在所述龙门大车上沿X轴移动，所述4#电机与所述4#伺服驱动器连接，所述4#伺服驱动器与所述反馈控制模块连接。
进一步的，钢板边缘扫描及切割控制系统还包括2#伺服驱动器和2#电机，所述2#电机与所述2#伺服驱动器连接，所述2#伺服驱动器与所述1#伺服驱动器连接。
进一步的，所述钢板边缘扫描及切割控制系统采用拟合套料算法计算出钢板的拟合矩形的边线。
进一步的，采用左右平均斜率平行最小距离取边法获得所述待切割矩形左右边线，该左右平均斜率平行最小距离取边法为：所述第一激光传感器和所述第二激光传感器扫描得到钢板的左右两侧边缘散列点序列，从左右两侧边缘散列点中获得两条拟合直线，取得这两条拟合直线斜率的平均值，在以该平均值为斜率的直线群里找到分别经过左右散列点的平行距离最小的两条直线作为所述拟合矩形的左右边线。
本发明有益效果：本发明的钢板边缘扫描及切割控制系统，巧妙地使用激光测距传感器结合现有的龙门式火焰等离子切割机结构实现了钢板边缘的轮廓扫描识别，以自动套料的方式计算出待切割矩形的路径，以完成钢板的自动切割。因此该钢板边缘扫描及切割控制系统采用价格比较低廉的硬件系统即实现了钢板的自动扫描和切割工作，不仅节省了人力，而且切割钢板的精度和质量高，进而提高了钢厂的钢板的出厂质量。
附图说明
图1是本发明实施例的钢板边缘扫描及切割控制系统的原理图。
图2是龙门式火焰等离子切割机切割钢板的结构示意图。
图3是钢板扫描示意图。
图4是扫描后得到的钢板边缘散列点序列的示意图。
图5是待切割矩形的左右边线的生成过程示意图。
图6是待切割矩形的上下边线的生成过程示意图。
附图标记说明：
第一激光测距传感器11、第二激光测距传感器12、上位机工业控制计算机13、多轴运动控制器14、1#伺服驱动器15、2#伺服驱动器16、3#伺服驱动器17、4#伺服驱动器18；
1#电机19、2#电机20、3#电机21、4#电机22；
龙门大车31、钢板32、放料台33。
第一切割枪X1、第二切割枪X2；
第一导向轨Y1、第二导向轨Y2。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，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作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。
如图1所示，本实施例的基于激光测距传感器的钢板边缘扫描及切割控制系统。该钢板边缘扫描及切割控制系统包括第一激光测距传感器11、第二激光测距传感器12、上位机工业控制计算机13、多轴运动控制器14、1#伺服驱动器15、1#电机19、2#伺服驱动器16、2#电机20、3#伺服驱动器17、3#电机21、4#伺服驱动器18和4#电机22。
第一激光测距传感器11与多轴运动控制器14连接，第二激光测距传感器12与多轴运动控制器14连接。上位机工业控制计算机13与多轴运动控制器14通过Ethernet通讯连接。多轴运动控制器14设有反馈控制模块。1#电机19用于驱动龙门大车31沿Y轴移动，1#电机19与1#伺服驱动器15连接，1#伺服驱动器15与反馈控制模块连接，2#电机20与2#伺服驱动器16连接，2#伺服驱动器16与1#伺服驱动器15连接。3#电机21用于驱动第一切割枪X1在龙门大车31上沿X轴移动，3#电机21与3#伺服驱动器17连接，3#伺服驱动器17与反馈控制模块连接。4#电机22用于驱动第二切割枪X2在龙门大车31上沿X轴移动，4#电机22与4#伺服驱动器18连接，4#伺服驱动器18与反馈控制模块连接。
如图2所示，龙门式火焰等离子切割机切割钢板的结构示意图。龙门式火焰等离子切割机包括龙门大车31、第一导向轨Y1和第二导向轨Y2，龙门大车31的两端分别安装于第一导向轨Y1和第二导向轨Y2，1#电机19和2#电机20驱动龙门大车31沿第一导向轨Y1和第二导向轨Y2移动，即沿Y轴移动。龙门大车31上安装有第一切割枪X1、第二切割枪X2，第一切割枪X1、第二切割枪X2上分别固定有第一激光测距传感器11、第二激光测距传感器12，3#电机21和4#电机22分别驱动第一切割枪X1、第二切割枪X2在龙门大车31上移动，即沿X轴移动。龙门大车31下方安装有由三角形支柱阵列组成的放料台33，放料台33的台面与地面的高度约为300-200mm，该放料台33上放置有一块钢板32。
下面对本发明的钢板边缘扫描及切割控制系统的工作原理作进一步的详细说明。
以第一切割枪X1为例：放料台33上的钢板32的边缘和地面有一定高度差，如果第一切割枪X1沿X轴方向来回移动，可以使得第一切割枪X1上的第一激光测距传感器11发射出的光束在地面和钢板32上面交替运动，同时使得第一激光测距传感器11可以在钢板32的边缘读取到不同的距离返回值。显然，当第一激光测距传感器11在钢板32正上方时读取的距离值要比在地面正上方时读取的值小，如此可以知道第一激光测距传感器11在钢板32边缘处会检测到一个距离突变值。如果龙门大车31也在Y轴方向行走，容易知道第一切割枪X1的合速度轨迹即是沿着钢板32边缘的锯齿形，每当第一切割枪X1走到钢板32边缘时，第一激光测距传感器11可以检测到一次距离突变，记录下该时刻龙门大车31和第一切割枪X1的坐标，待龙门大车31从钢板32一头走到另一头完毕后，可以得到一系列在距离突变时刻记录下的若干点的坐标，形成XY方向坐标值序列。如图3所示，如果两把切割枪同时沿钢板32边缘来回行走，便可以得到钢板32左右两边在距离突变时刻记录下的点坐标序列。
多轴运动控制器14可以采集由驱动器反馈回来的编码器位置值，多轴运动控制器14特有的硬件位置注册功能可以在激光传感器检测到距离突变时，触发多轴运动控制器14的位置记录功能，实时读取龙门大车31及第一切割枪X1和第二切割枪X2的位置。
钢板边缘扫描及切割控制系统的工作原理：
第一激光测距传感器11、第二激光测距传感器12分别扫描钢板32的左右边缘，当扫描到钢板32的左右边缘时，触发多轴运动控制器14的硬件位置注册功能，多轴运动控制器14的反馈控制模块即刻从1#伺服驱动器15、3#伺服驱动器17和4#伺服驱动器18读取此刻1#电机19、3#电机21、4#电机22三个电机的编码器位置，由于多轴运动控制器14的实时性强，硬件位置注册功能不存在软件处理的过程，因此保证了边缘点记录坐标值的精度。扫描结束后得到钢板32左右边缘点的坐标序列，上位机工业控制计算机13获取左右边缘点的坐标序列，通过上位机工业控制计算机13的软件的拟合套料算法，迅速生成拟合矩形的边线的路径点坐标即待切割矩形的边线的路径点坐标，并反馈给多轴运动控制器14，随即开始切割工艺。
拟合套料算法采用符合钢板32切割工艺的最大内接矩形算法，简洁且处理迅速。最大内接矩形算法举例如下：
参照图4，由轧钢机生产出来的钢板32一般为类椭圆形或者类矩形，外形比较规则。先由第一激光测距传感器11、第二激光测距传感器12扫描得到钢板32的左右边缘散列点序列。参照图5，以左侧散列点的起始点P2以及末尾点P1作一条直线L1，同样以右侧散列点的起始点P3以及末尾点P4作一条直线L2，可以看到左右两侧的直线斜率并不相同，L1的斜率为α1＝85°，L2的斜率为α2＝89°。取L1和L2斜率的平均值α3＝87°，并以此平均斜率沿坐标系原点做一条直线L3。计算出左侧边缘散列点离直线L3距离最远的点P1以及右侧边缘散列点离直线L3距离最近的点P3，并以斜率α3分别过点P1和P3做直线L1＂以及L2＂，由此得到拟合矩形的左右边线L1＂和L2＂，上述L1＂和L2＂也可以由查找以α3＝87°为斜率的直线群中两条分别过左、右侧散列点且平行距离最小的直线获得。这样拟合出的矩形的左右边线可以保证拟合出的最终矩形不会将左右边缘散列点包括在拟合矩形内，即使最终沿该拟合矩形边缘切割时也能得到一个完整的矩形钢板。
图6给出了待切割矩形的上下边线的生成过程示意图。生成过程为：作一条正交于L1＂及L2＂的直线，使得该直线经过左右两侧散列点中Y坐标最大的点，即P1点，随后平移该条直线，直至该直线经过P1点所在侧的另一侧散列点序列中Y坐标最大的点，即P3点，从而得到直线L3，该直线L3即为拟合矩形的上边。类似的，再作一条正交于L1＂及L2＂的直线，使得该直线经过左右两侧散列点中Y坐标最小的点，即P4点，随后平移该条直线，直至该直线经过P4所在侧的另一侧散列点序列中Y坐标最小的点，即P2点，从而得到直线L4，该直线即为拟合矩形的下边。这样拟合矩形的上下边可以保证拟合出的最终矩形不会将左右边缘散列点包括在拟合矩形内，即即使最终沿该拟合矩形边缘切割时也能得到一个完整的矩形钢板。
至此，由上述算法可以容易的得到由L1＂、L2＂、L3及L4四条边组成的钢板边缘散列点的拟合矩形，即待切割矩形。该算法的核心在于从左右两侧散列点获得两条拟合直线，取得这两条拟合直线斜率的平均值，以该平均值为斜率的直线群中取得穿过左右两侧散列点的平行线里距离最近的两条直线作为拟合矩形的左右边线，简称为“左右平均斜率平行最小距离取边法”。
本发明的钢板边缘扫描及切割控制系统的特点是：
1.在不改变现有的龙门式火焰等离子切割机的机械结构的基础上，增加两路激光测距传感器完成钢板左右两边的边缘扫描工作；
2.利用多轴运动控制器的硬件位置注册功能实时记录伺服编码器的位置值，记录坐标值的精度高；
3.利用上位机工业控制计算机与多轴运动控制器进行数据交换，实现的功能：(1)对左右两组边缘坐标序列进行曲线拟合，计算出最大内接矩形的路径；(2)对计算出的最大内接矩形进行套料分割，生成需要分割的矩形的切割路径；(3)不间断或间断式的自动切割。
4.采用“左右平均斜率平行最小距离取边法”获取拟合矩形的左右边线。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于激光测距传感器的钢板边缘扫描及切割控制系统，其特征在于，包括第一激光测距传感器(11)、第二激光测距传感器(12)、上位机工业控制计算机(13)、多轴运动控制器(14)、1#伺服驱动器(15)、1#电机(19)、3#伺服驱动器(17)、3#电机(21)、4#伺服驱动器(18)和4#电机(22)；
所述第一激光测距传感器(11)固定于第一切割枪(X1)上，该第一激光测距传感器(11)与所述多轴运动控制器(14)连接，所述第二激光测距传感器(12)固定于第二切割枪(X2)上，该第二激光测距传感器(12)与所述多轴运动控制器(14)连接；
所述上位机工业控制计算机(13)与所述多轴运动控制器(14)通讯连接，所述多轴运动控制器(14)设有反馈控制模块；
所述1#电机(19)用于驱动龙门大车(31)沿Y轴移动，所述1#电机(19)与所述1#伺服驱动器(15)连接，所述1#伺服驱动器(15)与所述反馈控制模块连接，所述3#电机(21)用于驱动所述第一切割枪(X1)在所述龙门大车(31)上沿X轴移动，所述3#电机(21)与所述3#伺服驱动器(17)连接，所述3#伺服驱动器(17)与所述反馈控制模块连接，所述4#电机(22)用于驱动所述第二切割枪(X2)在所述龙门大车(31)上沿X轴移动，所述4#电机(22)与所述4#伺服驱动器(18)连接，所述4#伺服驱动器(18)与所述反馈控制模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光测距传感器的钢板边缘扫描及切割控制系统，其特征在于，钢板边缘扫描及切割控制系统还包括2#伺服驱动器(16)和2#电机(20)，所述2#电机(20)与所述2#伺服驱动器(16)连接，所述2#伺服驱动器(16)与所述1#伺服驱动器(15)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光测距传感器的钢板边缘扫描及切割控制系统，其特征在于，所述钢板边缘扫描及切割控制系统采用拟合套料算法计算出钢板(32)的拟合矩形的边线。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光测距传感器的钢板边缘扫描及切割控制系统，其特征在于，采用左右平均斜率平行最小距离取边法获得所述拟合矩形左右边线，该左右平均斜率平行最小距离取边法为：所述第一激光测距传感器(11)和第二激光测距传感器(12)扫描得到钢板(32)的左右两侧边缘散列点序列，从左右两侧边缘散列点中获得两条拟合直线，取得这两条拟合直线斜率的平均值，在以该平均值为斜率的直线群里找到分别经过左右散列点的平行距离最小的两条直线作为所述拟合矩形的左右边线。
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