CN113857616B - 火焰切割装置的切割控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种火焰切割装置的切割控制方法，包括对目标零部件建模，建立统一的世界坐标系，并在建立的世界坐标系下计算目标零部件的边界方程构成切割路线；计算每条边界沿着各个坐标轴的极值点，在每个极值点处将边界拆分；计算边界交点的n阶参数连续性，从而自适应的计算交点的切割速度；同时根据曲线凸凹性和零部件的位置关系，对边界分类并给与不同的初始切割速度；控制机器人组件带动火焰切割枪按照预设的切割路线对零部件进行切割，获取火焰切割枪的位置坐标；计算火焰切割枪与零部件的位置关系，当火焰切割枪在零部件内部时停机报警。本发明能够对往零件内部偏移切割路线的情况快速报警在保证零部件切割精度的同时避免原材料浪费。

Description

火焰切割装置的切割控制方法

技术领域

本发明涉及火焰切割技术领域，尤其涉及一种火焰切割装置的切割控制方法。

背景技术

火焰切割是钢板粗加工的一种常用方式。重工企业下料线火焰切割是通过火焰切割装置采用局部加热的方式，对钢板进行局部加热直至超过熔点，随着火焰切割机火焰切割枪与钢板的相对线性移动，使钢板形成宽度非常窄的切缝，实现将钢板切割成形状各异的目标零部件。

在实际生产中，火焰切割装置在进行切割时，经常出现因为设备故障或外力导致火焰切割枪偏离既定切割路线，造成钢板的破损和资源浪费的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种火焰切割装置的切割控制方法，以解决现有火焰切割装置在进行切割时因设备故障或外力导致火焰切割枪偏离既定切割路线，造成钢板的破损和资源浪费的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

一种火焰切割装置的切割控制方法，包括：

对目标零部件建模，建立统一的世界坐标系，并在建立的世界坐标系下计算目标零部件的边界方程构成切割路线；

计算每条边界沿着各个坐标轴的极值点，在每个极值点处将边界拆分成两条；

计算边界拆分后的各个边界交点的n阶参数连续性，基于n阶参数连续性计算每一交点处的切割速度；

根据边界拆分后各个子边界的曲线凸凹性和零部件模型区域的位置关系，对边界分类并根据分类不同确定不同的初始切割速度；

控制机器人组件带动火焰切割枪按照所述切割路线以对应的切割速度对零部件进行切割，并实时获取火焰切割枪的位置坐标；

根据火焰切割枪的位置坐标计算当前火焰切割枪与零部件模型区域的位置关系，当火焰切割枪的位置坐标在零部件模型区域内部时，控制机器人组件和火焰切割枪停止执行切割操作并进行偏差报警。

当火焰切割枪的位置坐标在零部件模型区域外部时，获取火焰切割枪的位置坐标与切割路线的y方向的直线距离，当火焰切割枪的实时位置与切割路线的y方向的直线距离大于预设距离阈值时，将火焰切割枪回退到与切割路线的y方向的直线距离小于预设距离阈值的位置，以重新进行切割。

进一步地，基于火焰切割枪的历史位置坐标预测火焰切割枪在下一时刻的预测位置坐标；

计算预测位置坐标与该时刻对应的切割路线的目标位置坐标的y方向的偏移量；

若所述偏移量小于预设偏移阈值，则对火焰切割枪的当前切割方向进行调整。

若所述偏移量大于预设偏移阈值，则根据预设调速策略降低火焰切割枪的切割速度。

与现有技术相比，本发明提供的火焰切割装置的切割控制方法能够对偏移切割路线的往零件内部切割操作进行及时报警，往零件外部切割的位置回退和方向调整，以及基于切割偏移风险自适应调整切割速度，在保证零部件完整的同时实现对零部件的精确切割，从而避免原材料的浪费，实现方法简单高效，可以在不影响生产效率的前提下实现对切割路线的纠正和及时止损。

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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例中的火焰切割装置的切割控制方法的流程图；

图2为本发明一个具体示例中建模得到的目标零部件模型区域示意图；

图3为本发明另一个实施例中的火焰切割装置的切割控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，图1为本发明一个实施例中的火焰切割装置的切割控制方法的流程图。本发明实施例提供的火焰切割装置的切割控制方法，具体包括以下步骤：

S11、对目标零部件建模，建立统一的世界坐标系，并在建立的世界坐标系下计算目标零部件的边界方程，将各个边界方程对应边界构成切割路线。

本实施例中，通过对所需的各个目标零部件建模，建立统一的世界坐标系，并在该坐标系下计算每个目标零部件的边界方程和切线方程。如图2所示，图2为一个具体示例中建模得到的目标零部件模型区域示意图，其中, 目标零部件为需要切割加工生产的零部件。

具体的，基于对零部件的设计，将要切割的每一条边界用参数曲线来表示，得到边界方程r(t):

r(t)=(x(t),y(t))

这样，基于t _i 可以计算出零部件每个边界点的位置信息(x _i ,y _i )，其中，i为边界曲线的第i个边界点。

S12、计算每条边界沿着各个坐标轴的极值点，在每个极值点处将当前边界拆分成两条子边界。

本实施例中，基于参数方程计算边界方程y对x的一阶导数dy/dx和二阶导数d²y/dx²和x对y的一阶导数dx/dy和二阶导数d²x/dy²，求解边界方程沿y和x方向的极值点，如图2中点N、I、O、H所示，基于极值点将边界方程r(t) 构成的切割路线分成n+1段，其中n指的是极值点的个数。

最后，将参数曲线转换成非参数曲线。具体的，分割后每个x对应唯一的y值，将t用x表示，带入y式即可实现转换。将t用x表示，带入y式即可实现转换。

y=f(x)

S13、计算边界拆分后的各个边界交点的n阶参数连续性，基于n阶参数连续性计算每一交点处的切割速度。其中，边界交点包括各个边界方程对应边界的相交点、极值点。此外，边界交点还可以包括用户在边界上自定义添加的点，如图2中的点A、C、E、D。

具体的，可基于n阶参数连续性计算切割偏移的风险，从而自适应的计算交点的切割速度。

本实施例中，由于边界拆分使得曲线数量增加，交点个数也随之增加。计算每条曲线两个端点的一阶导数和二阶导数，从而判断每个交点的n阶参数连续性。第i个交点处的切割速度v_i为：

其中，V_i-1表示上一时刻的切割速度，c的取值用于标识n阶参数连续性，范围为0,1,2。其中：c为0时，交点不连续；c为1时，交点一阶连续，c为2时，交点二阶连续。 a为控制参数，其作用是当交点二阶连续时，可以保持速度切割，当交点一阶连续时降速切割，当交点不连续时，停止切割。本实施例中， a=2。可理解的是，a的取值可以根据实际情况进行调整。

S14、根据边界拆分后的曲线凸凹性和零部件的位置关系，对子边界分类并根据分类不同确定不同的初始切割速度。

本实施例中，先对边界线进行分类将曲线分成凸，凹曲线和直线三类。图2中，边界 线HA、AN、NC、CI等都是凸曲线，即任意两点x₁, x₂恒有

，边界线HD、DO、OE、EI 都是凹曲线，即任意两点x₁, x₂恒有

。

基于边界线与零部件的位置关系分为单内侧，单外侧和双侧三类。这样，整体上可分成9类曲线。例如，边界线HA为凸-内边界线，即在曲线的最小矩形包围和内，x值相同时，恒有y_内<y_外；HD为凹-内边界线，即在曲线的最小矩形包围和内，x值相同时，恒有y_内>y_外；ML为凸-外边界线, 即在曲线的最小矩形包围和内，x值相同时，恒有y_内>y_外；MK为凹-外边界线，即在曲线的最小矩形包围和内，x值相同时，恒有y_内<y_外。y_内是位于零部件区域内部的y坐标取值，y_外是位于零部件区域外部的y坐标取值，参见图2。

具体的，可通过查找预先设置的对应关系表确定与不同类别的曲线匹配的初始切割速度。所述的对应关系表中包括有曲线类别与初始切割速度之间的匹配关系。

当沿着曲线切割时，会产生离心力，速度越大，离心力越大，切割路线偏移的概率越大。当偏移向零件内部时，会导致零件破损材料浪费；当偏移向零件外部时会导致零件不合格，但是还能挽回重新进行切割。两个方向的偏移导致的结果不同，因此对其处理的方案也存在差异。

S15、控制机器人组件带动火焰切割枪按照预设的切割路线以对应的切割速度对零部件进行切割，并实时获取火焰切割枪的位置坐标。

本实施例中，机器人组件包括机器人底座、机器人；机器人通过机器人底座安装于地面，火焰切割枪安装于机器人的机械手上，机器人组件带动火焰切割枪运动，以调整火焰切割枪的姿态及行走轨迹实现对零部件的切割。

本实施例中，每次切割结束后火焰切割枪都会复位到初始位置，即原点位置。当切割指令启动后，火焰切割枪会从此位置开始快速移动到第一条曲线的开始位置并开始切割，直到当前曲线切割完之后，移动到下一条曲线的初始位置。

通过工业互联网实时获取火焰切割枪的位置，将其转换到建立的统一的坐标系中，以供后续实时计算。

S16、根据火焰切割枪的位置坐标计算当前火焰切割枪与零部件模型区域的位置关系，当火焰切割枪的位置坐标在零部件模型区域内部时，控制机器人组件和火焰切割枪停止执行切割操作并进行偏差报警。

本实施例中，计算当前火焰切割枪与零部件的位置关系，可以转换成计算点和边界线的位置关系。获取当前火焰切割枪的坐标(x _t0 ,y _t0 ),计算当x=x _t0 时，边界方程的值y，比较y和y _t0 的大小，从而计算出当前火焰切割枪是否在零件内部。如果当前火焰切割枪在零件内部且大于预设距离阈值d时，停机报警。

进一步地，当火焰切割枪的位置坐标在零部件模型区域外部时，所述方法还包括步骤S17：

S17、获取火焰切割枪的位置坐标与切割路线的y方向的直线距离，当火焰切割枪的实时位置与切割路线的y方向的直线距离大于预设距离阈值d时，将火焰切割枪回退到与切割路线的y方向的直线距离小于预设距离阈值d的位置，并重新进行切割。

实施例中，基于S16计算出的当前火焰切割枪与零部件的位置关系，当火焰切割枪位于零部件外部时，计算y和y _t 的差，当其大于预设的距离阈值d时，回退到小于预设的距离阈值d的位置，并重新进行切割。

在本发明另一实施例中，火焰切割装置的切割控制方法还包括如下附图中为示出的步骤：

S18、基于火焰切割枪的历史位置预测火焰切割枪在下一时刻的位置坐标，计算预测位置坐标与该时刻对应的切割路线的目标位置坐标的y方向的偏移量。

S19、若所述偏移量小于预设偏移阈值，则对火焰切割枪的当前切割方向进行调整。

S20、若所述偏移量大于预设偏移阈值，则根据预设调速策略降低火焰切割枪的切割速度。

本实施例中，通过计算预测位置坐标与该时刻对应的切割路线的目标位置坐标的y方向的偏移量，计算偏离风险，当存在偏离既定切割路线的风险时，实时微调切割方向；当偏离既定切割路线的风险较大时适当调整切割速度。

本实施例中，首先构造三次多项式拟合曲线f(x)，对下一时刻位置的预测变成了对多项式系数的求解问题：

f(x)=a₁x³+ a₂x²+ a₃x+ a₄

基于最近的 4个点的位置坐标（x_t-0,y _t-0），（x_t-1,y _t-1），（x_t-2,y _t-2）,（x_t-3,y _t-3）可得关于4个未知系数的4个等式。

其中，i=0,-1,-2,-3。同时，对f(x)求导，可得

基于最近的3个点的导数（x_t-0,y^’ _t-0），（x_t-1, y^’ _t-1），（x_t-2, y^’ _t-2）可得关于3个未知系数的3个等式。

其中，j=0,-1,-2。综上，可得关于4个未知系数的7个等式，可通过带约束的最小二乘法求解,如下：

其中，w_i和w_j表示权值，其距离当前点越小，权值应该越大，因此其定义如下：

其中，a_i和a_j由火焰切割机的精度来确定。

因此，通过预测下一（t+1）时刻，火焰切割机的位置

。并计算t+1时刻， 火焰切割机按照切割线路应该在的位置(x_t+1, y_t+1) ，因此预测得t+1时刻的偏移量

。当

时根据偏移量对切割方向微调：

；其中， 为 t+1时刻的目标切割方向， 为t+1时刻火焰切割机的X坐标位置，为t时刻火焰切割机的X 坐标位置， 为 t时刻的切割方向，β为预设的调整步长，0<β<1，可通过实际情况预先确定， 从而尽可能避免切割偏移。当

时，表明火焰切割枪偏离既定路线的风险过大，应该 降低切割速度。

切割速度调整策略如下：

初始化降速标记D=‘n’,降速次数N=0。

当

时，t+1时刻切割速度降低为t时刻速度的一半，同时降速标记D=‘y’， 降速次数N=N+1；

当

时，t+1时刻切割速度等于t时刻速度，且降速标记D=‘n’；

当

时，t+1时刻切割速度等于t时刻速度；

当

，t+1时刻切割速度等于t时刻速度的2倍，且降速次数N=N- 1。

本发明提供的火焰切割装置的切割控制方法，能够对偏移切割路线的切割操作进行及时报警，在保证零部件切割精度的同时有效的避免原材料的浪费，实现方法简单高效，可以在不影响生产效率的前提下实现对切割路线的纠正和及时止损。

下面通过一个具体实施例对发明提出的火焰切割装置的切割控制方法进行详细说明。

如图3所示，具体包括以下步骤：对目标零部件建模，建立统一的世界坐标系，并在建立的世界坐标系下计算目标零部件的边界方程构成预设的切割路线；计算每条边界沿着各个坐标轴的极值点，在每个极值点处将边界拆分成两条；计算边界交点的n阶参数连续性，从而自适应的计算交点的切割速度；同时根据曲线凸凹性和零部件的位置关系，对边界分类并给与不同的初始切割速度；控制机器人组件带动火焰切割枪按照预设的切割路线对零部件进行切割，并实时获取火焰切割枪的位置坐标；计算当前火焰切割枪与零部件的位置关系，当火焰切割枪的在零部件内部时，停机报警；否则，继续计算火焰切割枪的实时位置与切割路线的直线距离，当火焰切割枪的实时位置与切割路线的直线距离大于预设距离阈值时，回退到前一时刻的位置重新进行切割；同时基于火焰切割枪的历史位置预测下一时刻的位置坐标，计算偏离风险，当风险较大时适当调整切割速度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）通过对往零部件区域内部偏移路线的及时报警，在有效的避免原材料的浪费的同时节省时间，提高切割的效率；

（2）通过对往零件区域外部偏移路线的监控和及时回退重新切割，可以在保证切割效率的前提下提高零部件的切割精度；

（3）通过高精度预测下一时刻的位置坐标，并基于切割风险自动调整切割速度，从而降低切割偏移路线的风险；

（4）方法实现简单高效，可以在不影响生产效率的前提下实现对切割路线的纠正和及时止损。

本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种火焰切割装置的切割控制方法，其特征在于，包括：

对目标零部件建模，建立统一的世界坐标系，并在建立的世界坐标系下计算目标零部件的边界方程，各个边界方程对应边界构成切割路线；

计算每条边界沿着各个坐标轴的极值点，在每个极值点处将当前边界拆分成两条子边界；

计算边界拆分后的各个边界交点的n阶参数连续性，基于n阶参数连续性计算每一交点处的切割速度；

根据边界拆分后各个子边界的曲线凸凹性和零部件模型区域的位置关系对子边界分类并根据分类不同确定不同的初始切割速度；

控制机器人组件带动火焰切割枪按照所述切割路线以对应的切割速度对零部件进行切割，并实时获取火焰切割枪的位置坐标；

根据火焰切割枪的位置坐标计算当前火焰切割枪与零部件模型区域的位置关系，当火焰切割枪的位置坐标在零部件模型区域内部时，控制机器人组件和火焰切割枪停止执行切割操作并进行偏差报警。

2.根据权利要求1所述的火焰切割装置的切割控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

当火焰切割枪的位置坐标在零部件模型区域外部时，获取火焰切割枪的位置坐标与切割路线的y方向的直线距离，当火焰切割枪的实时位置与切割路线的y方向的直线距离大于预设距离阈值时，将火焰切割枪回退到与切割路线的y方向的直线距离小于预设距离阈值的位置，以重新进行切割。

3.根据权利要求2所述的火焰切割装置的切割控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于火焰切割枪的历史位置坐标预测火焰切割枪在下一时刻的预测位置坐标；

计算预测位置坐标与该时刻对应的切割路线的目标位置坐标的y方向的偏移量；

若所述偏移量小于预设偏移阈值，则对火焰切割枪的当前切割方向进行调整。

4.根据权利要求3所述的火焰切割装置的切割控制方法，其特征在于，所述对火焰切割枪的当前切割方向进行调整包括：

根据预测位置坐标与该时刻对应的切割路线的目标位置坐标的y方向的偏移量计算火焰切割枪的目标切割方向，具体计算方式如下：

其中，

为 t+1时刻的目标切割方向，x_t+1为t+1时刻火焰切割机的X坐标位置，x_t-0为 t时刻火焰切割机的X坐标位置，

为 t时刻的切割方向，β为预设的调整步长，0<β<1；

根据目标切割方向对火焰切割枪的当前切割方向进行调整。

5.根据权利要求3所述的火焰切割装置的切割控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

若所述偏移量大于预设偏移阈值，则根据预设调速策略降低火焰切割枪的切割速度。

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