CN109765845A - 一种数控切割机工件自动校准精准控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种数控切割机工件自动校准精准控制系统，其特征在于，所述切割机自动送料系统包括工作台、铣刀、检测模块、控制台。其中，检测模块与控制台连接，可安装在工作台的任意固定位置。检测模块由三维激光扫描仪和点激光测距传感器串联组成。控制台由显示屏和校准按钮组成。本发明结合软料重复加工过程中产生的形变大、精度差的问题，以及人工校准的方式存在较大误差，效率较低的情况，设计一种工件坐标系自动校准系统，对工件坐标系进行误差补偿和自动校准，从而实现软料的精准加工，为企业带来更好的效益，具有市场应用价值。

Description

一种数控切割机工件自动校准精准控制系统
技术领域
本发明涉及切割机技术领域，具体涉及一种数控切割机工件自动校准系统。
背景技术
在数控切割机软料加工过程中，由于软料形变较大，为提高切割精度，需要对切割机关键工件，如铣刀定期进行位置校准。通过人工校准的方式存在较大误差，效率较低，因此需要设计一种自动校准系统，对切割机的工件坐标体系进行校准，从而提高企业加工质量。本发明通过设计一种工件自动校准系统，对工件坐标系进行误差补偿和自动校准，解决了切割机在软料重复加工过程中产生的形变大、精度差的问题，实现软料的精确切割，为企业带来更好的效益。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种数控切割机工件自动校准系统，其特征在于，包括工作台(1)、铣刀(2)、检测模块(3)、控制台(4)；所述检测模块(3)由三维激光扫描仪(31)和点激光测距传感器(32)串联组成；所述控制台(4)上由显示屏(41)和校准按钮(42)组成；所述检测模块(3)与所述控制台(4)连接，可以安装在所述工作台(1)的任意固定位置；按下所述校准按钮(42)后，启动所述三维激光扫描仪(31)和所述点激光测距传感器(32)，分别进行工序一和工序二操作；其中工序一是对切割机精度进行检测，用于评价工作台平面度；工序二是在工序一基础上对切割机工件进行自动校准操作；
工序一检测流程：所述铣刀(2)从起点位置以500mm/min的速度沿轴直线运动至最远端后返回至起点位置，运行过程中，所述三维激光扫描仪(31)扫描所述铣刀(2)的位姿点信息，用最小二乘法拟合出基线，计算测量点到基线的偏离值，若测量点在基线上方，偏离值为正，若测量点在基线下方，偏离值为负；平面度为最大偏离值与最小偏离值的差；若平面度大于切割机设计参数，所述显示屏(41)将显示“平面度不符合要求”提示，并终止工序二操作；若平面度满足要求，将启动工序二检测流程；
工序二自动校准流程：所述三维激光扫描仪(31)扫描所述铣刀(2)的局部特征，在选取的局部特征基础上，所述点激光测距传感器(32)测量所述铣刀(2)的位置信息，抓取NP个数据点，形成场景数据集{Pi}；所述检测模块(3)中的模型数据集{Xi}有NX个数据点；
定义刚体变换向量为其中为旋转矢量，为平移矢量；适用于场景数据集合P，对于P中估计的每一点pi，找到模型数据集中的最近点xi，那么场景数据集和模型数据集中的最近点的距离平方和为：
其中R是对的旋转矩阵R；
计算场景点集和模型点集的重心分别为：其中为场景点集的重心向量，为模型点集的重心向量；
场景点集和模型点集的互协方差矩阵由重心计算：
利用∑px的反对称阵构造列矢量Δ＝[A23A31A12]T，可以求得4×4的对称矩阵，其中3×3的恒等矩阵为：
单位特征向量可由矩阵的Q(∑px)的最大特征值得到，为单位4个元素表示的最优旋转，由可以计算旋转矩阵：
利用公式计算出平移变换再反复迭代至距离平方和的最近点收敛至指定的阈值为止，该阈值可以设为所述铣刀(2)灰度与所述工作台(1)灰度的平均灰度；由于已知模型工件坐标系原点位姿信息，因此可以求得工件坐标系的实际位姿，达到校准的目的；校准后的配准误差数据传输至所述控制台(4)，若配准误差小于等于0.5mm，表示校准工作完成，且配准误差越小，校准精度越高；若配准误差大于0.5mm，表示校准工作未完成，需按下所述校准按钮(42)，再次进行校准，直至配准误差小于等于0.5mm；通过配准误差值判断校准工作的完成情况，在所述显示屏(41)上显示“已校准”或“请再次校准”。
本发明的有益成果为：本发明通过设计一种工件自动校准系统，对工件坐标系进行误差补偿和自动校准，解决了切割机在软料重复加工过程中产生的形变大、精度差的问题，实现软料的精确切割，为企业带来更好的效益。
说明书附图
图1是本发明的一种数控切割机工件自动校准系统的结构示意图；
图中，1-工作台；2-铣刀；3-检测模块；31-三维激光扫描仪；32-点激光测距传感器；33-精准控制器；4-控制台；41-显示屏；42-校准按钮。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术发明及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，能实现同样功能的产品属于等同替换和改进，均包含在本发明的保护范围之内。具体方法如下：
实施例1：
一种数控切割机工件自动校准系统，其特征在于，包括工作台、铣刀、检测模块、控制台。其中，检测模块与控制台连接，可安装在工作台的任意固定位置。检测模块由三维激光扫描仪和点激光测距传感器串联组成。控制台由显示屏和校准按钮组成。
具体的操作流程为：按下校准按钮后，启动所述三维激光扫描仪和点激光测距传感器，分别进行工序一和工序二操作，其中工序一是对切割机精度进行检测，用于评价工作台平面度；工序二是在工序一基础上对切割机工件进行自动校准操作。
工序一检测流程：程序启动后，铣刀从起点位置以500mm/min的速度沿轴直线运动至最远端后返回至起点位置，运行过程中，三维激光扫描仪扫描铣刀的位姿点信息，用最小二乘法拟合出基线，计算测量点到基线的偏离值。若测量点在基线上方，偏离值为正；若测量点在基线下方，偏离值为负。平面度为最大偏离值与最小偏离值的差，若平面度大于切割机设计参数，显示屏将显示“平面度不符合要求”提示，并终止工序二操作；若平面度满足要求，将启动工序二检测流程。
工序二自动校准流程：在工序一检测平面度满足要求后，三维激光扫描仪扫描铣刀的局部特征，在选取的局部特征基础上，点激光测距传感器测量铣刀的位置信息。通过自动校准系统的计算与位置调整，反复迭代至距离平方和的最近点收敛至指定的阈值，校准后的配准误差数据传输至所述控制台，显示在显示屏上，用于判断校准工作是否完成。若配准误差小于等于0.5mm，表示校准工作完成，且配准误差越小，校准精度越高；若配准误差大于0.5mm，表示校准工作未完成，需按下校准按钮，再次进行校准，直至配准误差小于等于0.5mm。
具体的工件坐标系位置校准和数据分析流程为：通过激光测距传感器测量铣刀的位置信息，抓取NP个数据点，形成场景数据集{Pi}；检测模块中的模型数据集{Xi}有NX个数据点。定义刚体变换向量为其中为旋转矢量，为平移矢量；适用于场景数据集合P，对于P中估计的每一点pi，找到模型数据集中的最近点xi，那么场景数据集和模型数据集中的最近点的距离平方和为：
计算场景点集和模型点集的重心分别为：
两个数据集的互协方差矩阵为：
利用∑px的反对称阵构造列矢量Δ＝[A23A31A12]T，可以求得4×4的对称矩阵，其中3×3的恒等矩阵为：
单位特征向量可由矩阵的Q(∑px)的最大特征值得到，为单位4个元素表示的最优旋转，由可以计算旋转矩阵：
计算出平移变换：再反复迭代至距离平方和的最近点收敛至指定的阈值为止，该阈值可以设为所述铣刀灰度与所述工作台灰度的平均灰度；由于已知模型工件坐标系原点位姿信息，因此可以求得工件坐标系的实际位姿，达到校准的目的。
本发明的有益成果为：本发明通过设计一种工件自动校准系统，对工件坐标15系进行误差补偿和自动校准，解决了切割机在软料重复加工过程中产生的形变大、精度差的问题，实现软料的精确切割，为企业带来更好的效益。

Claims (1)

1.一种数控切割机工件自动校准精准控制系统，其特征在于，包括工作台(1)、铣刀(2)、检测模块(3)、控制台(4)；所述检测模块(3)由三维激光扫描仪(31)和点激光测距传感器(32)以及精准控制器(33)串联组成；所述控制台(4)上由显示屏(41)和校准按钮(42)组成；所述检测模块(3)与所述控制台(4)连接，可以安装在所述工作台(1)的任意固定位置；按下所述校准按钮(42)后，所述精准控制器(33)启动所述三维激光扫描仪(31)和所述点激光测距传感器(32)，分别进行工序一和工序二操作；其中所述工序一是对切割机精度进行检测，用于评价工作台平面度；所述工序二是在所述工序一基础上对切割机工件进行自动校准操作；所述工序一的检测流程：所述铣刀(2)从起点位置以500mm/min的速度沿轴直线运动至最远端后返回至起点位置，运行过程中，所述三维激光扫描仪(31)扫描所述铣刀(2)的位姿点信息，用最小二乘法拟合出基线，计算测量点到基线的偏离值，若测量点在基线上方，偏离值为正，若测量点在基线下方，偏离值为负；平面度为最大偏离值与最小偏离值的差；若平面度大于切割机设计参数，所述显示屏(41)将显示“平面度不符合要求”提示，并终止所述工序二操作；若平面度满足要求，将启动所述工序二检测流程；所述工序二自动校准流程：所述三维激光扫描仪(31)扫描所述铣刀(2)的局部特征，在选取的局部特征基础上，所述点激光测距传感器(32)测量所述铣刀(2)的位置信息，抓取NP个数据点，形成场景数据集P＝{pi}；所述检测模块(3)中的模型数据集X＝{xi}有i个数据点,i的最大值为NX，如果检测范围扩大到场景数据集，则i的最大值为NP；定义刚体变换向量为其中表示为旋转矢量，表示为平移矢量；适用于场景数据集合P＝{pi}，对于P中估计的每一点pi，找到模型数据集中的最近点xi，将场景数据集和模型数据集中的最近点的距离平方和；然后开始计算场景点集和模型点集的重心向量，所述场景点集和所述模型点集的重心向量分别为：和其中为场景点集的重心向量，为模型点集的重心向量；
然后由重心计算场景点集和模型点集的互协方差矩阵：
其中T为矩阵的转置；
利用∑px的反对称阵构造列矢量Δ＝[A23A31A12]T，其中A23A31A12分别为对i和j的取值时的Aij，则可以求得4×4的对称矩阵，其中3×3的恒等矩阵为：
其中I为单位阵
单位特征向量可由矩阵的Q(∑px)的最大特征值得到，认为是单位4个元素q0 q1 q2 q3表示的最优旋转，由可以计算旋转矩阵R：
最后计算出平移变换再反复迭代至距离平方和的最近点收敛至指定的阈值为止，该阈值可以设为所述铣刀(2)灰度与所述工作台(1)灰度的平均灰度；由于已知模型工件坐标系原点位姿信息，因此可以求得工件坐标系的实际位姿，达到校准的目的；校准后的配准误差数据传输至所述控制台(4)，若配准误差小于等于0.5mm，表示校准工作完成，且配准误差越小，校准精度越高；若配准误差大于0.5mm，表示校准工作未完成，需按下所述校准按钮(42)，再次进行校准，直至配准误差小于等于0.5mm；通过配准误差值判断校准工作的完成情况，在所述显示屏(41)上显示“已校准”或“请再次校准”。
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