CN110595339B - 一种测量圆弧对称型金属管材中心的方法 - Google Patents

一种测量圆弧对称型金属管材中心的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光切割技术领域，具体地说是一种测量圆弧对称型金属管材中心的方法。一种测量圆弧对称型金属管材中心的方法，包括电容式调高器，其特征在于：具体方法如下：矫正水平；机械中心；寻找表面；计算中心；寻找顶点；寻找表面及计算中心；寻找顶点；旋转‑180°调整偏差。同现有技术相比，提供一种测量圆弧对称型金属管材中心的方法，该方法依靠激光切割系统中的切割头喷嘴作为电容式调高器的感应头，节约成本。

Description

一种测量圆弧对称型金属管材中心的方法
技术领域
本发明涉及激光切割技术领域，具体地说是一种测量圆弧对称型金属管材中心的方法。
背景技术
管材在切割前被卡盘等夹持工具夹紧后，由于圆形和椭圆形管材形状和卡盘的等夹持工具的性能问题，无法保证圆形和椭圆形金属管材中心正好处于切割系统旋转轴中心，所以必须引入参数管材中心与旋转中心的偏差。管材中心与旋转中心的偏差是三维数控系统刀路计算过程中需要设置的重要参数，是加工精度的重要保证。规则的正方形或者矩形管材中心与旋转中心的偏差的测定一般采用简单的人工测量手动输入方式或是采用昂贵的对刀仪测定实现。圆形和椭圆形管材没有直角边，都是采用手动对刀的办法，并对机床要求精度较高。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提供一种测量圆弧对称型金属管材中心的方法，该方法依靠激光切割系统中的切割头喷嘴作为电容式调高器的感应头，节约成本。
为实现上述目的，设计一种测量圆弧对称型金属管材中心的方法，包括电容式调高器，其特征在于：具体方法如下：
(1)矫正水平：利用夹具夹持好金属管材，激光切割系统带动切割头先向X轴正向移动ΔX，通过控制电容式调高器测量管材表面1的Z轴坐标zp1；再控制切割头向负方向平移2ΔX，然后再次通过控制电容式调高器测量管材表面1的Z坐标zp2，得出管材的表面1的倾斜角为arctan[(zp1-zp2)/(2ΔX)]，根据倾斜角度控制旋转轴转动-arctan[(zp1-zp2)/(2ΔX)]；
(2)机械中心：将电容式调高器移动到金属管材的上方，水平方向上位于旋转轴机械中心的X中；
(3)寻找表面：对金属管材进行寻找表面的操作，记录对应的x，z坐标点(x1，z1)，(x2，z2)，……，(xn，zn)，其中n≥4；
(4)计算中心：根据步骤(3)采集的坐标点，利用公式(x-x0)2+(a2/b2)(z-z0)2＝a2可以计算出金属管材中心所在的位置(x0，z0)，其中a和b分别为金属管材截面的长轴及短轴长度，其中，若金属管材是圆形管材，那么a＝b，若金属管材是腰形管材，那么其圆弧半径r＝a＝b，直线边长为L，则计算出圆弧的圆心(x0，z0)后，腰形管的管中心是(x0，z0-L/2)；
(5)寻找顶点：将电容式调高器水平移动到x0位置，通过控制电容式调高器测量金属管材上表面的Z轴坐标，记为z1，记录坐标(x0，z1)；
(6)寻找表面及计算中心：将金属管材沿水平方向Y轴旋转180°后，重复步骤(3)、(4)、(5)，第二次计算的中心坐标为(x0’，z0’)；
(7)寻找顶点：将电容式调高器水平移动到x0’位置，通过控制电容式调高器测量金属管材上表面的Z轴坐标，记为z1’，记录坐标(x0’，z1’)；
(8)旋转-180°调整偏差：将金属管材沿水平方向Y轴旋转-180°，获得此时旋转轴机械中心的xz方向的坐标分别为((x0+x0’)/2，(z1+z1’)/2-a或者(z1+z1’)/2-b/2)，因此，获得金属管材中心与旋转轴机械中心的xz方向的偏差分别为((x0-x0’)/2，(z1-z1’)/2)，根据偏差值调整即可。
所述的金属管材进行寻表面的操作如下：
(1)将电容式调高器沿X轴移动到临界位置，临界位置大于X中-a或者X中-a/2，且小于X中+a或者X中+a/2，通过控制电容式调高器跟随测量金属管材上表面的Z轴坐标，坐标值z＝H-△F，H为调高器底部高度，△F为跟随高度，即电容式调高器底部与金属表面的间隙；
(2)按照设定距离向另一个临界位置步进x，每步进一次就进行一次测量，记录对应的x,z坐标点(x1，z1)，(x2，z2)，……，(xn，zn)；
(3)中心计算方法：(x-x0)2/a2+(y-y0)2/b2＝1，令m＝1/a2，n＝1/b2，因此，
m(x1-x0)2+n(y1-y0)2＝12
m(x2-x0)2+n(y2-y0)2＝12
Figure GDA0002932354930000021
对于多个点，令
Ai＝2(xi-x1)
Figure GDA0002932354930000022
Figure GDA0002932354930000023
最终结果为
Figure GDA0002932354930000024
所述的金属管材为椭圆形管材或者圆形管材或者腰型管材。
所述的金属管材的截面为上下两段圆弧组成的左右对称的图形结构。
本发明同现有技术相比，提供一种测量圆弧对称型金属管材中心的方法，该方法依靠激光切割系统中的切割头喷嘴作为电容式调高器的感应头，节约成本。
该方法利用有效的测量方法，使测量结果较为准确。这种用于激光切割系统的测量圆形或者椭圆形金属管材中心与旋转中心偏差的方法，是一种自动化控制的测量方法，具有重复精度较高，成本较低，使用便捷、安全性可靠等优良特点。
附图说明
图1为本发明软件流程示意图。
图2为椭圆形和圆形管材在数控系统坐标系的位置示意图。
图3为椭圆形和圆形管材在数控系统坐标系的截面示意图。
图4为椭圆形和圆形管材的寻上表面示意图。
图5为椭圆形和圆形管材的上表面寻顶点示意图。
图6为椭圆形和圆形管材的寻下表面示意图。
图7为椭圆形和圆形管材的下表面寻顶点示意图。
图8为腰形管材的截面示意图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，具体方法如下：
(1)矫正水平：利用夹具夹持好金属管材，激光切割系统带动切割头先向X轴正向移动ΔX，通过控制电容式调高器测量管材表面1的Z轴坐标zp1；再控制切割头向负方向平移2ΔX，然后再次通过控制电容式调高器测量管材表面1的Z坐标zp2，得出管材的表面1的倾斜角为arctan[(zp1-zp2)/(2ΔX)]，根据倾斜角度控制旋转轴转动-arctan[(zp1-zp2)/(2ΔX)]；
(2)机械中心：将电容式调高器移动到金属管材的上方，水平方向上位于旋转轴机械中心的X中；
(3)寻找表面：对金属管材进行寻找表面的操作，记录对应的x，z坐标点(x1，z1)，(x2，z2)，……，(xn，zn)，其中n≥4；
(4)计算中心：根据步骤(3)采集的坐标点，利用公式(x-x0)2+(a2/b2)(z-z0)2＝a2可以计算出金属管材中心所在的位置(x0，z0)，其中a和b分别为金属管材截面的长轴及短轴长度，其中，若金属管材是圆形管材，那么a＝b，若金属管材是腰形管材，如图8所示，那么其圆弧半径r＝a＝b，直线边长为L，则计算出圆弧的圆心(x0，z0)后，腰形管的管中心是(x0，z0-L/2)；
(5)寻找顶点：将电容式调高器水平移动到x0位置，通过控制电容式调高器测量金属管材上表面的Z轴坐标，记为z1，记录坐标(x0，z1)；
(6)寻找表面及计算中心：将金属管材沿水平方向Y轴旋转180°后，重复步骤(3)、(4)、(5)，第二次计算的中心坐标为(x0’，z0’)；
(7)寻找顶点：将电容式调高器水平移动到x0’位置，通过控制电容式调高器测量金属管材上表面的Z轴坐标，记为z1’，记录坐标(x0’，z1’)；
(8)旋转-180°调整偏差：将金属管材沿水平方向Y轴旋转-180°，获得此时旋转轴机械中心的xz方向的坐标分别为((x0+x0’)/2，(z1+z1’)/2-a或者(z1+z1’)/2-b/2)，因此，获得金属管材中心与旋转轴机械中心的xz方向的偏差分别为((x0-x0’)/2，(z1-z1’)/2)，根据偏差值调整即可。
金属管材进行寻表面的操作如下：
(1)将电容式调高器沿X轴移动到临界位置，临界位置大于X中-a或者X中-a/2，且小于X中+a或者X中+a/2，通过控制电容式调高器跟随测量金属管材上表面的Z轴坐标，坐标值z＝H-△F，H为调高器底部高度，△F为跟随高度，即电容式调高器底部与金属表面的间隙；
(2)按照设定距离向另一个临界位置步进x，每步进一次就进行一次测量，记录对应的x,z坐标点(x1，z1)，(x2，z2)，……，(xn，zn)；
(3)中心计算方法：(x-x0)2/a2+(y-y0)2/b2＝1，令m＝1/a2，n＝1/b2，因此，
m(x1-x0)2+n(y1-y0)2＝12
m(x2-x0)2+n(y2-y0)2＝12
Figure GDA0002932354930000041
对于多个点，令
Ai＝2(xi-x1)
Figure GDA0002932354930000042
Figure GDA0002932354930000043
最终结果为
Figure GDA0002932354930000044
金属管材为椭圆形管材或者圆形管材或者腰型管材。
金属管材的截面为上下两段圆弧组成的左右对称的图形结构。
实施例：
如图1所示，测量金属管材中心与旋转中心偏差分为以下几个步骤：保持水平，寻表面，计算中心，寻顶点，旋转180°，寻表面，计算中心，寻顶点，旋转-180°。
如图2至图7所示，提供了圆形和椭圆形两个典型的情况，用夹具夹持好金属管材，如图2所示，在开始寻表面之前应保持金属管材水平状态，从正前方看金属管材的示意图如图3所示，其中机械中心位置只用作演示，实际中可以任何地方。
输入金属管材的长轴及短轴的长度，若是圆形管材的，则长轴的数据与短轴的数据一致，选取适当的寻表面范围(保证电容式调高器不会运动到管材之外)和步进距离(保证采集的点数适量)。开始寻表面后，电容式调高器从左往右(或者从右往左)，按图4黑色箭头依次进行跟随。记录每一对坐标(x1，z1)，(x2，z2)，……，(xn，zn)。使用上述金属管材中心计算方法获取中心的x0坐标。然后按图5所示电容式调高器水平运动到坐标x0，进行跟随，获取管材最高点的坐标为(x0，z1)。
然后将金属管材旋转180°，此时下表面朝上。对下表面进行寻表面，电容式调高器从左往右(或者从右往左)，按图6黑色箭头依次进行跟随。记录每一对坐标(x1，z1)，(x2，z2)，……，(xn，zn)。使用上述中心计算方法获取圆形或者椭圆形管材中心的x0’坐标。然后按图7所示电容式调高器水平运动到坐标x0’，进行跟随，获取管材最低点(即此时最高点)的坐标为(x0’，z1’)。
然后将金属管材旋转-180°，获得此时金属管材中心与旋转轴机械中心的xz方向的偏差分别为(x0-x0’)/2，(z1-z1’)/2。
本发明测量中心的方法，针对金属管材的结构只要金属管材的截面是上下两段圆弧组成的左右对称的图形就可以用。不管左右是什么样的结构，对称就可以根据本发明的方法测量并寻找出中心。

Claims (4)

1.一种测量圆弧对称型金属管材中心的方法，包括电容式调高器，其特征在于：具体方法如下：
(1)矫正水平：利用夹具夹持好金属管材，激光切割系统带动切割头先向X轴正向移动ΔX，通过控制电容式调高器测量管材表面1的Z轴坐标zp1；再控制切割头向负方向平移2ΔX，然后再次通过控制电容式调高器测量管材表面1的Z坐标zp2，得出管材的表面1的倾斜角为arctan[(zp1-zp2)/(2ΔX)]，根据倾斜角度控制旋转轴转动-arctan[(zp1-zp2)/(2ΔX)]；
(2)机械中心：将电容式调高器移动到金属管材的上方，水平方向上位于旋转轴机械中心的X中；
(3)寻找表面：对金属管材进行寻找表面的操作，记录对应的x，z坐标点(x1，z1)，(x2，z2)，……，(xn，zn)，其中n≥4；
(4)计算中心：根据步骤(3)采集的坐标点，利用公式(x-x0)2+(a2/b2)(z-z0)2＝a2可以计算出金属管材中心所在的位置(x0，z0)，其中a和b分别为金属管材截面的长轴及短轴长度，其中，若金属管材是圆形管材，那么a＝b，若金属管材是腰形管材，那么其圆弧半径r＝a＝b，直线边长为L，则计算出圆弧的圆心(x0，z0)后，腰形管的管中心是(x0，z0-L/2)；
(5)寻找顶点：将电容式调高器水平移动到x0位置，通过控制电容式调高器测量金属管材上表面的Z轴坐标，记为z1，记录坐标(x0，z1)；
(6)寻找表面及计算中心：将金属管材沿水平方向Y轴旋转180°后，重复步骤(3)、(4)、(5)，第二次计算的中心坐标为(x0’，z0’)；
(7)寻找顶点：将电容式调高器水平移动到x0’位置，通过控制电容式调高器测量金属管材上表面的Z轴坐标，记为z1’，记录坐标(x0’，z1’)；
(8)旋转-180°调整偏差：将金属管材沿水平方向Y轴旋转-180°，获得此时旋转轴机械中心的xz方向的坐标分别为((x0+x0’)/2，(z1+z1’)/2-a或者(z1+z1’)/2-b/2)，因此，获得金属管材中心与旋转轴机械中心的xz方向的偏差分别为((x0-x0’)/2，(z1-z1’)/2)，根据偏差值调整即可。
2.根据权利要求1所述的一种测量圆弧对称型金属管材中心的方法，其特征在于：所述的金属管材进行寻表面的操作如下：
(1)将电容式调高器沿X轴移动到临界位置，临界位置大于X中-a或者X中-a/2，且小于X中+a或者X中+a/2，通过控制电容式调高器跟随测量金属管材上表面的Z轴坐标，坐标值z＝H-△F，H为调高器底部高度，△F为跟随高度，即电容式调高器底部与金属表面的间隙；
(2)按照设定距离向另一个临界位置步进x，每步进一次就进行一次测量，记录对应的x,z坐标点(x1，z1)，(x2，z2)，……，(xn，zn)；
(3)中心计算方法：(x-x0)2/a2+(y-y0)2/b2＝1，令m＝1/a2，n＝1/b2，因此，
m(x1-x0)2+n(y1-y0)2＝12
m(x2-x0)2+n(y2-y0)2＝12
Figure FDA0002932354920000021
对于多个点，令
Ai＝2(xi-x1)
Figure FDA0002932354920000022
Figure FDA0002932354920000023
最终结果为
Figure FDA0002932354920000024
3.根据权利要求1所述的一种测量圆弧对称型金属管材中心的方法，其特征在于：所述的金属管材为椭圆形管材或者圆形管材或者腰型管材。
4.根据权利要求1所述的一种测量圆弧对称型金属管材中心的方法，其特征在于：所述的金属管材的截面为上下两段圆弧组成的左右对称的图形结构。
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