基于切割头传感器实现圆寻中功能的开发与应用

2022-02-07费永云贾明明郑凯居术安李威江苏亚威机床股份有限公司

钣金与制作 2022年12期

文/费永云，贾明明，郑凯，居术安，李威·江苏亚威机床股份有限公司

对完整的板材进行切割，切割完成后一般会产生部分可以利用的圆盘切割余料，传统的方法是操作人员凭借肉眼和简单的测量手段，调整机床位置重新切割出可以被利用的板材，这样的处理方法比较繁琐、效率低，而且很多时候会出现判断错误，往往不能够对板材进行充分利用，所以迫切需要一种更自动化、更高效和更便捷的方法，来辅助圆盘余料的切割，提高圆盘余料的二次加工稳定性，减少圆盘余料的浪费。

圆寻中硬件及软件

激光切割机主要硬件平台

激光切割机硬件主要平台包括：数控系统、伺服驱动系统、机械平台及辅助设备、激光器及辅助设备、切割头及辅助设备、集成电气柜等。本次测试环境主要采用倍福数控系统，采用EtherCAT与切割头调高装置进行通讯，扫描周期为2ms，可实现实时通讯。硬件结构框图如图1所示，其中数控系统、伺服驱动、调高装置之间采用EtherCAT的通讯方式，调高装置与切割头传感器之间采用同轴电缆线获取切割头传感器的电容值。

图1 硬件结构框图

激光切割机软件方案

数控激光切割机软件系统主要包含三个部分：

⑴人机交互界面（HMI），采用高级语言开发，实现操作人员与数控系统的数据交互；

⑵PLC程序，实现机床各个零部件的控制，包含各种逻辑控制与流程控制；

⑶NC子程序，包含各种加工工艺流程，实现各种加工工艺功能；

⑷CAM软件，将CAD图纸转换为机床能够识别的加工程序代码。

圆寻中功能实现方案

采用切割头传感器寻找板材边缘点坐标（x，y），从而计算出圆盘中心点及圆盘半径。将计算后的半径与编程软件带出的理论半径进行比较，当计算后的实际数值与理论值相差太大，表示该圆盘不适合加工。实现圆寻中的方法有两种，分别是三点圆寻中和四点圆寻中。

三点圆寻中

如图2所示，切割头移动到板材上，假设为点P，沿Y轴正方向寻找边缘点A（x1，y1），沿Y轴负方向寻找边缘点B（x2，y2），沿X轴正方向寻找边缘点C（x3，y3）。作AB及AC线段的中垂线，其交点即为圆心，从而可得圆心坐标 O（x0，y0）。

图2 三点圆寻中示意图

AB直线：y=k1x+b1，由点A、B坐标可得出斜率：。

AC直线：y=k2x+b2，由点A、C坐标可得出斜率：。

四点圆寻中

如图3所示，切割头移动到板材上，假设为点P，沿Y轴正方向寻找边缘点A（x1，y1），沿Y轴负方向寻找边缘点B（x2，y2），沿X轴正方向寻找边缘点C（x3，y3），沿X轴正方向寻找边缘点D（x4，y4）。AB线段的中点可得到圆心纵坐标y0，CD线段的中点可得到圆心横坐标x0，从而可得圆心坐标O（x0，y0）。

图3 四点圆寻中示意图

寻找边缘点关键技术

切割头采用位移式电容传感器与喷嘴体复合，传感器由内外两个不同金属锥形壳套在一起组成，内外壳中间为绝缘介质陶瓷体，外壳层接地且与内层绝缘传感器工作时起屏蔽作用，锥形尖端一侧内壳层下部连接一环形金属片与外层绝缘，此环形金属片与金属工件即构成一个电容传感器的两个极板，从内壳层中引出传感器线缆与信号采集系统相连接，传感器工作时依次通过此通道，将割嘴到工件的电容值通过同轴电缆线发送给控制系统。具体结构如图4所示。

图4 切割头结构

寻找圆盘边缘点的精度决定了圆寻中的精度，而边缘点的寻找主要是通过切割头割嘴与板材之间的电容值来判断是否到达板材边缘，如图5所示，当切割头离板材距离为a时，切割头反馈的电容值比较小，当切割头移动到板材外后，与板材下面的距离为b，传感器反馈的电容值比较大，此时认为已找到边缘点，记录此时坐标。因此寻找边缘点坐标的精度决定了圆寻中的精度。