控制预测的割炬高度的方法和系统的制作方法

专利名称：控制预测的割炬高度的方法和系统的制作方法
技术领域：
本申请涉及零件切割技术领域，更具体地，涉及通过控制割炬的高度而从金属片 或金属板上切割下零件的领域。本申请可应用于切割平坦的金属板和金属片，还可应用于 控制斜切系统(beveling systems)，在斜切系统中，割炬与零件成一定角度进行切割而非 垂直切割。
背景技术：
参照图l，数控机床或NC机床是具有数字控制单元150的切割机床，数字控制单 元150在床身140上方引导切割工具(例如，割炬125)，通常平坦的片或板160搁置在床身 140上。通常，NC机床利用垂直割炬从片/板160上切割下一系列的成形零件。
通过NC机床进行的切割由驻留在NC控制单元150中的NC程序来控制。该NC 程序一般是采用字母A-Z和数字O-IO的坐标和指令的用户可读序列。附加的字符通常包 括句号(".")、正号("+ ")和/或负号("_")。 NC机床的直角平面坐标轴通常由字母 "X"和"Y"表示，但在某些NC语言中由控制文本行中的位置隐含地表示，即第一个数字表示 "X"，第二个数字表示"Y"。这种运动和动作的序列被称为NC程序。NC机床广泛用于制造 行业，并且一般符合被称为字地址的273版本的电子行业标准，或者被称为ESSI的相同欧 洲标准，该标准被国际标准化组织定义为IS06582，其仅采用数字0-9、" + "和"-"符号，并 通过如+100+200的表达式隐含地读取X和Y轴，其中，X轴运动为10mm， Y轴运动为20mm。
如在以下讨论的实施方式中的某些NC机床被称为"仿形"机床，这种机床通过割 炬125将平坦的片或板材料切割成形，割炬125可包括氧乙炔、等离子、激光和/或水射流。
通常采用安装在台架135上的由电机驱动的割炬高度控制(THC) 130垂直地移动 割炬125。 THC130通过相对于待切割的材料160縮回和降低割炬125来切割各种厚度的材 料。通常，当进行二维切割成形时，控制割炬125在材料160上的高度是重要的。
—般将如图1所示的机床制造为平坦且水平的。虽然床身140在使用一定时间后 可能会损坏，但是也希望其上搁置有板/工件的床身140是平坦的。板起初基本上接近"平 坦"，并且如果需要可以进一步整平。台架135在其上运行的轨道也被支撑为基本上平坦且 水平。因此原则上希望所有的表面从开始操作时就接近平坦、水平和平行。因此理论上带 有平坦的床身的干净的新机床可能在不采用高度控制反馈的情况下切割板。而实际上，只 有短距离切割才可能不采用高度控制反馈。在大型零件和长距离切割的情况下，切割头与 板碰撞的风险是极高的。
另一方面，当切割具有斜切边缘的零件时，保持切割头的高度比被切割零件的边 缘未被斜切时更加重要。例如图2示出了割炬高度210。虽然某些激光割炬用于切割厚达 50mm的钢材，但是激光割炬一般用于切割例如厚度范围为0-10mm的较薄的材料。在采用激 光割炬时，割炬高度210，或者割炬与板的切割距离一般不超过几毫米。另一方面，等离子割 炬一般用于切割厚度范围为0-50mm且有时厚度为160mm的较厚材料。氧乙炔割炬和水射 流一般用于切割厚度达400mm的材料，并且割炬与板的距离处于大约20mm的等级。
对于采用垂直割炬切割片或板的系统，将割炬高度210设置并保持在材料上方的 合适位置是重要的，这可通过割炬高度控制(THC)系统220与按需提升和放下割炬205的 电机(在图2中最佳示出)共同实现。 THC系统220的另一个用途是避免与板或者从可能已经与之移开或断开的材料切 割下的工件碰撞。有时废板骨架本身在移动经过材料时可能会回弹或弯曲并撞击割炬205。 因此可以采用高度控制防止损坏割炬并优化割炬的高度以及因而优化切割的质量。
割炬高度210由独立于NC控制(CNC) 260且独立于产生X坐标280和Y坐标290 的可编程逻辑控制器(PLC) 270的单独的反馈回路保持。THC系统220在切割板或材料的过 程中进行割炬高度210的测量。例如(如图2所示)，当进行等离子切割时，通过测量等离 子弧的电压保持切割时的割炬高度210，而等离子弧的电压与其弧长度直接相关。电压由电 源230供应至THC系统220，接着THC系统驱动电机200以便调整割炬205的高度以将电压 和割炬高度210均保持在希望的范围内。该反馈系统几乎通用于等离子割炬并且在运行过 程中独立于NC控制(CNC)260。这种技术通常被称为自动电压控制(AVC)，其消除了对独立 高度感应装置的需求。AVC系统对于等离子弧切割是便利的，因为在存在等离子弧的情况 下，用于不同的测量系统的传感器中的感应电子装置之间的接口可能会无效。其它的连续 高度传感器包括激光、声学装置、电容环形传感器和/或在板的表面上缓行或滚动的各种 板的附件。 传感器与THC220之间的单独和独立的高度控制回路允许NC控制260将处理能力 集中在具有更高优先级的其它功能上，这在处理能力有限时是有意义的。原则上只因为板 是弯曲的或者板与机床均非水平且并非完全彼此平行，割炬205才进行移动以保持割炬高 度210。因此，割炬高度210独立于常规的NC程序，常规的NC程序仅与垂直割炬205的XY 运动有关，且与垂直方向或Z方向上的运动完全无关。从而，NC控制260与THC220之间的 通讯通常被限制于如"升高"、"降低"、"高度控制启动"以及"高度控制关闭"的一般功能。 在最常见的仿形机床中，NC控制260在切割过程中并不直接控制精确高度Z。
尽管割炬相对于工件的高度可能在极大地距离范围内变化，但是对于简单的垂直 切割(即，其中割炬被对准为垂直于工件)，常规的高度控制系统往往就足够了。对于等离 子切割，一般变化可能是+/_3 mm。对于垂直的割炬切割，变化仅会对切割的质量产生影响， 而对被切割的零件的形状几乎没有影响。 大体上，物理地接触板以用于切割的机械装置比AVC装置精确，但是当机械装置 的切割头运行在之前的切割路径上，或落入工件中的孔中时，机械装置会遇到问题。要 克服这些困难，NC程序需要非常复杂以消除有效切割的这些障碍。例如，球轴承机械足 (mechanicalfeet)可能被来自表面的灰尘或金属或者来自工件的废料所充塞。
对于等离子切割的弧电压(例如，感应到弧电压240)与各自的弧高度之间的常规关系仅是大体的范围，而不是具体的数值，因为AVC弧在切割开始时不稳定，甚至当弧"稳 定"时，由于并非因割炬高度210的变化而导致的弧的连续变化，AVC所需的电压仍旧必须 是平均的。而且，AVC对于切割小孔和小拐角不太起作用，因为弧的状态的一般波动可能产 生不合适的割炬高度改变，从而导致较低质量的切割。 采用如图2所示的常规反馈THC系统的一个重要缺点是，当割炬205穿过材料中 的孔时，割炬可能"下潜"(即，落入孔中)。不能分辨THC系统产生的这种下潜是由于孔还 是由于工件的材料的高度简单变化。常规的系统通过在编程的切割路径中的不同点处关闭 NC程序中的高度控制来处理这些问题，这些不同点比如是当割炬205移动到接近之前切割 的孔或路径时，或者当可能已经倾斜或掉落的工件被切割成废料时。割炬下潜可能导致低 质量的切割，以及割炬与工件材料之间的破坏性碰撞。 由于零件的切割路径总是至少在切割路径的出口附近遇到孔，从而使被切割的零 件从工件材料上落下，因而割炬下潜是难以避免的。类似地，当一件相邻的废料可能已经因 之前的切割而从工件上落下时，在切割路径中还可能遇到工件中的空隙。因此，很多NC程 序通过复杂的机床路径避免穿过之前切割的孔，或者每切割一个零件或孔后，程序强迫割 炬完全提升。由于割炬的提升会显著地减慢切割过程，每个零件或孔的完全提升可能会极 大地增加切割和加工一组孔或者穿过一个零件中的一组某种布局的孔所需的时间。由于在 切割之前板的形状的变化是未知的，因此甚至当工件出于所有目的而相当地平坦，并且当 THC的变化与垂直切割极为不相关时，还是会产生这种常规性的过程减慢。
现在参照图3，当切割不只是垂直的时，某些更复杂的机床允许割炬305(例如，分 别为图1和图2中的割炬125,205)在程序的控制下倾斜以便使切割的零件形成斜切的边 缘。如图4所示的其中每一个与割炬成不同角度的工件上的多重切割通道可以为零件的边 缘形成多重斜切。斜切具有极大的商业利益，因为大多数切割的材料最终必须焊接至其它 的零件，而这在现有技术中一般是缓慢、艰难、杂乱且昂贵的手工过程。然而，如图4最佳示 出的，通过在切割过程中首先在零件上进行斜切操作可以使焊接过程简化和更加有效。
然而，在边缘的斜切操作过程中，最大的问题是伴随独立的THC系统而产生的，该 THC系统基于来自高度传感器在切割时的连续反馈。再次参照图3，本发明人发现，为了保 持弧长度310，常规的高度控制系统仅在垂直方向300上而不是沿着割炬305的轴线340移 动割炬。因此，在不发生相关的板/工件的同时移动的情况下，垂直方向300上的任何移动 会将用于切割的理想插入点改变至板的表面上的不同的且错误的点330上(即，在插入点 320处)。当发生这种改变时，割炬305的角度仍是正确的，但是在板/工件上的切割的角 度会不正确。例如，在与割炬305成45度倾斜的情况下，在方向300上的lmm的垂直位移 (以保持弧长度310)会导致工件上在点320与330之间的lmm的水平位移。
因此，常规的斜切机床会遇到割炬的意外垂直移动，S卩，并非因割炬与板的距离 210(见图2)而产生，这会导致各自的零件的不正确的切割轮廓。例如，在AVC系统中，大致 与割炬高度一起变化的弧的长度/电压310并非割炬高度的精确的绝对度量。而且，弧的 长度/电压310受到许多其它因素的影响，包括之前去除的材料的失去、接近之前的切割， 或者与正常变化的弧的状况有关的其它因素，正常变化的弧的状况与弧高度无关。并不认 为这些因素会对垂直切割应用产生问题，但是当点330并非理想的点320时，这些因素肯定 会在斜面切割中产生显著的精确度问题。
再次参照图4，为焊接准备的斜面切割可以包括一个、两个、三个或更多的割炬通 道。三通道斜切的示例由下部切割400、中心切割410和顶部切割420表示，这些切割均 以该相应的顺序进行。示出了 "K"字形斜面准备，并且这种"K"字形斜切准备可用于由板 切割出的零件的后续的焊接。对于可用的切割出的零件，尺寸公差430、440和450应当在 +/_lmm内。然而，如上所述，如果THC在一般的+/_3mm内变化，那么不可能得到这种公差。
由于获得斜切的零件的理想尺寸公差存在这些困难，为准备立即焊接零件而采用 NC火焰、水射流和等离子机床在过去是无法接受的。因此这类机床占所有销售的机床的不 到1%。本发明人发现，用于多通道斜切操作的等离子机床极少，甚至对于单通道斜切操作 而言就更罕有能令人满意工作的。通常不会尝试用这种机床进行除垂直切割以外的任何其 它切割。这些机床的最大的制造商已经尝试生产多通道斜切机床多年，但是大多数因无法 工作而放弃了基于AVC的系统。 如上面所讨论的，对于理论上平坦的机床床身和板，可以在无需高度控制反馈的 情况下进行适度的短距离切割。然而，在实践中，将切割限制在仅对于短距离和/或小工件 是不实际或者经济上不可行的。 已经尝试的另一种方法是在装载板后且在切割板之前测量板的轮廓。例如，已知 Messer Greisham公司已经施行了这样的理念，即在切割工件前在工件上进行具体XYZ点 的预先测量。在Messer Greisham的方法中，在进行实际的切割之前，在NC程序中插入将 割炬的头部沿着待切割的精确路径移动至预定点的指令。在工件上的具体XY点中的每一 个点处测量电压，并对每个测量的XY点将该电压存储在NC控制150的存储器中。当机器 在切割过程中再次到达这些相同的点XY时，在NC程序中调用之前测量的AVC电压以便从 调用的电压值近似高度值。在NC程序的编制过程中，这些XY点由NC程序员选择。
根据Messer Greisham的方法，XY必须在切割之前由NC程序的编制者选择，并接 着嵌入NC程序中。然后必须在切割过程中且在相同的对应位置明确地调用这些点。这种 方法需要程序员根据一般原则进行熟练判断，而无需对板形工件的形状的先验知识。在多 通道的情况下，路径近似平行但略微不同，这要求程序员的技巧有本质的提高。 一般不认为 典型的程序员能够对NC机床进行编程而使其在所需的公差范围内工作。而且在嵌套开始 前必须完成程序的编制，而该因素是对嵌套过程本身的一个重要阻碍。对NC控制必须进行 基本的改变以作为程序的一部分而容许单独斜面的几何变形。该方法采用在特定点上测量 的弧的电压的样本，如上所述，弧的电压的测量并非割炬高度的直接度量。
虽然Messer Greisham的方法在斜切操作中可能优于动态反馈方法，但是由于Z
高度在每次机床运动开始时理论上是"正确的"，因此当割炬的接近是基于这样的假设时， 仍会出现问题，在该假设中，在切割操作之前，Z在实际测量的点之间线性地变化。如上所 讨论的，许多因素可以极度地减小这种假设的现实性。当工件板在理想的公差内基本上是 平坦的，并且平面度在切割过程中不会显著改变时，MesserGreisham的假设可能是充分的。 然而，本发明人发现，在实践中，当进行长距离或弯曲的切割时，对应的板、床身和机床的平 面度和平行度在运行仅几米后会在10mm的量级上变化。因此，Messer Greisham的方法可 对机床的零件产生危险的风险，因为例如工件与切割头部之间的距离在整个切割行程上并 非直线，从而产生了板与割炬之间的极大碰撞风险。 Messer Greisham的方法还需要在NC程序中使用特殊的编码，这使得编程是非标
7准的，从而需要额外扩展至大多数标准的NC语言，尤其是扩展至上述的ESSI编码，还需要 额外的成本与资源以有效地执行这种方法。看起来Messer Greisham的方法不使用直接可 编程的Z轴(见下面进一步讨论的图7中的元素745)，相反仅利用之前从NC程序(见图2 的元素260)到传统的THC(见图2的元素220)所记录的弧的电压。Messer Greisham的方 法不采用任何预测的元素；相反，其测量并记忆待切割路径周围的具体电压。

发明内容
本文描述了用于通过在先测量和动态预测将割炬高度精确保持在待切割材料上 方的方法和系统。利用高度传感器和机床的可编程性质，对贯穿待切割板的多个点处的一 系列高度进行初步精确测量。 在一个实施方式中，该方法调整安装在数控切割机的台架上的割炬相对于安装在 数控切割机的刀床上的板的高度。利用台架将割炬在XY平面内定位于板上的多个离散XY 点中的每个XY点处。在每个XY点处，测量安装在割炬上的检测装置和板的上表面之间的 距离，以形成一组XYZ轮廓点，测得的距离是沿着基本垂直于XY平面的Z轴的。在表面预 测模块内，基于一组XYZ轮廓点生成表面模型。对割炬的高度进行控制并基于表面模型切 割板，以使割炬在切割板的同时保持在上表面上方的期望高度处。 在另一实施方式中，数控切割机具有预测的割炬高度控制并且包括用于支撑待 切割的板的刀床；用于将所述刀床在基本平行于所述刀床的XY平面内平移的台架；安装在 所述台架上并在基本垂直于所述XY平面的Z轴具有垂直定位的割炬；用于控制所述台架将 所述割炬沿切割路径移动的控制器；以及用于基于所述板的上表面的表面模型预测所述上 表面的高度、并用于调整所述割炬相对于所述上表面的垂直位置以使所述割炬在切割所述 板的同时基本保持在所述上表面上方的期望高度的表面预测模块。


图1示出了传统的数控零件切割系统； 图2示出了使用自动电压控制驱动割炬高度的传统的高度控制系统； 图3示出了根据现有技术使用倾斜的割炬在待切割零件的几何形状上垂直移动
的效果； 图4示出了包含三次切割以形成期望的边缘形状的焊接准备； 图5a示出了待从工件上切割下的零件的样本切割路径； 图5b示出了在切割之前采集XYZ点的样本扫描路径； 图6示出了用于在任意点预测Z的、表面到XYZ点的集合的拟合； 图7示出了根据实施方式使用表面预测模块且结合直接Z轴割炬移动的示例性的
控制预测的割炬高度的系统； 图8是用于控制预测的割炬高度的一个示例性过程的流程图； 图9是用于控制预测的割炬高度的一个示例性方法的流程图。
具体实施例方式
图7示出了用于将板715切割成块的数控(NC)机床699的一个示例性的控制预测的割炬高度的系统。在下文中，板715也可称为工件。NC机床699包括计算机数字控制 器(CNC)760、可编程逻辑控制器(PLC) 770、 Z轴电机700以及由等离子体电源730供电的 等离子体割炬705 。尽管在本实施例中示出了等离子体割炬和电源，但割炬705和等离子体 电源730可代表本领域已知的任何类型的割炬。如图所示，CNC 760将X、 Y、 Z坐标发送至 PLC 770， PLC 770则输出X轴的值780和Y轴的值790以控制割炬705的水平位置(即， 控制承载割炬705的台架)，并将Z轴的值745输出至Z轴电机700以控制割炬705的垂直 移动707。 NC机床699还包括表面预测模块750，表面预测模块750与CNC760联接，以基于从 XYZ轮廓点(例如，下文参照图5b描述的XYZ轮廓点500)得到的板715的表面模型751 将给定XY位置762的高度信息Z 764提供给CNC 760。由于表面预测模块750对板715的 表面708建模，因此表面预测模块750可确定任何XY位置762的高度信息Z 764。更具体 地，表面预测模块750内的表面模型751与起刀点之间的简单线性内插相比更为接近板715 的表面拓扑。表面预测模块750可利用一种或多种方法(例如，Bezier曲面、非均匀有理 样条(NURBS) 、 Gorden曲面和Coon曲面)对板715的表面建模。 表面预测模块750可在基于个人计算机(PC)的控制器780内实现，如图中所示将 CNC 760托管于NC机床699内。 在实施方式中，当NC机床699不基于用户NC程序动态修改(即，CNC 760不用程 序控制)割炬705的高度时，可将割炬705预设为比NC机床699上的切割板715高出期望 的高度(例如10. Omm)。表面预测模块750对板715的表面建模，以使预测的高度信息Z 764表示割炬705的绝对高度值。也就是说，表面预测模块750基于XY位置762确定Z轴 的值745，以控制Z轴电机700将割炬705的高度保持在板715的表面上方基本恒定的距 离。换句话说，表面预测模块750对割炬705遵循的表面建模，以在板715的表面上方保持 基本恒定的高度。 考虑操作的实施例，在XY位置"1752"、" 1584"处，板715的表面708比板715的 参考点(存储为参考高度测量结果752)高3.7mm，其中割炬705的高度为10.0mm。尽管 CNC 760不改变割炬的高度，但是割炬705在位于XY位置"1752"、" 1584"时仅比表面708 高出6. 3mm。由于表面模型751预测表面708相对于割炬705的高度变化，因此表面预测模 块750可返回Z轴的值(例如，高度信息Z 764)，该值使CNC 760能够输出校正的Z轴的值 745，以将割炬705定位于对于XY位置762的正确高度。 在实施方式中，表面模型751对表面708与期望割炬高度处的平坦表面之间的差 异建模。因此，从表面模型751确定的高度信息Z 764直接表示Z轴的值745。在可选的实 施方式中，仅基于表面708的变化生成表面模型751，因而生成高度信息Z 764作为偏移量 而增加至期望的高度控制值，或者从期望的高度控制值中减去该偏移量。还可使用其它类 似方法从表面模型751和高度信息Z 764确定Z轴的值745，而不偏离本发明的范围。
上文讨论的Messer Greisham方法看似仅使用传统的AVC，通过在沿切割路径的 具体预定点调用先前测量的电压V，以控制割炬的高度，从而仅逼近高度测量。另一方面， 表面预测模块750使用精确的距离测量，并可生成用于板715上任何XY位置的高度控制值 (例如，高度信息Z 764)。尽管在理想条件下弧电压通常与割炬的高度相关，但是该方法并 不像使用高度变化的测量值那么可靠和精确。特别地，其它因素(例如，由先前的切割切除的材料)严重影响了使用电压测量控制割炬的高度的精度。相反，表面预测模块750和表面模型751允许NC机床699将割炬705控制为基本位于板715的表面708上方的期望高度。 图5a示出了待从板550 (工件)上切割下的示例性的嵌套件552、554、558、560、562、564、566和568。板550可代表图7的板715。这些嵌套件中的某些嵌套件(例如，嵌套件554)可包括一个或多个孔，例如孔556。在切割之前，将板550加载到图7的NC机床699上。在加载之后切割之前，如图5b所示，越过板5 50的上表面测量与嵌套件552、554、558、560、562、564、566和568的切割路径无关的多个XYZ轮廓点500。尽管在本实施例中示出了三十个XYZ轮廓点500(1)至500(30)，但是也可使用更多或更少的轮廓点而不偏离本发明的范围。 可自动测量XYZ轮廓点500，例如作为图7的NC机床699的初步功能。与MesserGreisham方法极不相同的是，如上所述，XYZ轮廓点500并不基于NC程序中嵌套件552、554、558、560、562、564、566和568的切割路径中的点，而是合理覆盖板550的表面的具有规则图样的采样点，如图5b所示。通过基于XYZ轮廓点500对板550的表面建模，可在数学上确定在板550上的任意点处板550的垂直高度Z的预测。此外，与Messer Greisham方法不同，无需改变用于切割嵌套件552、554、558、560、562、564、566和568的NC程序。
在优选的实施方式中，利用可验证精度为0.001英寸量级的高度测量装置对XYZ轮廓点500的高度信息进行测量，尽管也可使用其它装置和精度而不偏离本发明的范围。在操作的一个实施例中，在将板550加载至图7的NC机床699的切割床上之后，CNC 760控制NC机床699的台架沿一系列路径扫描板550，以生成如图所示覆盖板550的表面的XYZ轮廓点500。在每个轮廓测量点处，测量装置706(例如，激光、声学或机械传感器中的一个或多个)将板550的上表面到割炬705的尖端的距离测量为Z值，并将相应的XYZ轮廓点(板上具有测得的Z高度的XY位置)存储至CNC 760和/或表面预测模块750的存储器。在另一实施方式中，相对于板550的表面上的参考点，测量每个轮廓点500的Z高度。即使NC机床699在测量点之间快速移动，也可非常精确地执行这些测量。此外，由于这些测量是通过移动实际的NC机床测量割炬705的尖端与板550之间的距离而实现的，因此由NC机床699自身引起的割炬705的高度变化也被考虑在内。 图5b示出了三十个XYZ轮廓点500，为了清楚起见，未将其全部编号。然而，这些点无需输入用于嵌套件552、554、558、560、562、564、566和568的实际切割程序中。也就是说，测量程序、合成测量和轮廓点保持与用于切割嵌套件552、554、558、560、562、564、566和568的NC程序分离。 板550、715的表面越平坦，精确预测/建模表面拓扑所需的测量点就越少。这一过程也可在本领域已知的采用各种技术的大量高度测量装置中任意之一的帮助下自动执行。当通过切割使板清洁无损时，该测量过程进一步加速。通常，在现代NC机床上，可在一分钟至两分钟之间对三十个XYZ轮廓点进行测量。XYZ轮廓点500可存储在永久的和/或非易失的存储器中，以防止数据在NC机床断电时丢失。 —旦测量了 XYZ轮廓点500 (例如，至X3。Y3。Z3。)，便可在表面预测模块750内将其在数学上拟合于平滑表面。表面预测模块750可表示在CNC 760的环境下运行的程序或软件模块。通过基于XYZ轮廓点500对基本连续的、无破损的平滑表面(其在大多数情
10况下应该是接近平坦的)进行建模，可高精度地高速预测该表面上的任何点。尽管图6示出了这种拟合的象征性简图，但将平滑表面和/或曲线拟合为一系列点的过程是数学领域公知的，因而本文不再进一步解释。点640不是测量的XYZ轮廓点500中的一个点，但其是寻求预测的Z值的建模表面上的任意XY点(点640可为嵌套件的切割路径上的点)。根据表面模型75 1预测的点640的Z值可非常精确地表示板550、715的表面上的对应点的实际高度。基于PC的控制器780能够在几毫秒内实现这种计算。 对于长切割(例如，从单一的NC命令得到的长切割，例如两个远点之间)，可在执行切割期间有规律地计算和输出Z轴的值。例如，可使用内插获得两点之间的直线切割上的XY点，从而得到可在切割期间应用的Z值。在实施方式中，CNC 760可包括第一PC卡以控制XY移动，并包括第二 PC卡以控制Z或高度移动。 重要的是，要注意到用线性内插来确定远点之间的Z轴移动是不可靠的，这尤其是因为板的表面拓扑与NC程序无关。当切割由多组坐标和X2Y2，以及点、线和弧的预定义轮廓来定义时，Z轴变化是任意的，并且仅由床、板和/或NC机床缺乏平坦和平行而产生。在许多情况下，切割距离上的Z移动的线性内插可为有效的一阶近似，但在长切割移动中可能是不正确的，除非首先获得非常大量的点。 示出了整圈(未示出)切割时编程移动的起点和终点之间的Z高度的线性内插的错误的示例。整圈通常被编程为单块NC，并对应于单一移动。这样的圈可为非常大的圈，事实上可与整块板一样大。由于圈上的起点和终点实际是同一点，因此仅利用线性内插，两点之间Z高度的变化为零。因此，从起点到终点的内插(如果没有测量二者之间的点)将发现绕该圈"没有Z变化"，这明显是错误的结论，除非板是完全平坦的。因而，Messer Greisham方法仅仅是一种折中，其仍然仅使用AVC，但根据切割路径上先前确定的点处的先前的电压测量(不是实际高度)对电压偶尔复位。 相反，通过NC机床699，例如在点和点X2Y2之间执行具体的XY移动期间，以规则的时间和/或距离间隔从建模的板715的表面计算Z高度，以使CNC 760可基于测量的板715的拓扑调整割炬705的高度。例如，在切割路径上的每个XY点，都可精确预测各自的Z高度，甚至是在切割开始之前。 在实施方式中，在测量板715的表面拓扑期间，如果检测到板的弯曲，则可减小测量点之间的距离以更好地对该弯曲进行建模，B卩，当板内具有较大的拓扑变化时，可设置更多(更密集的)测量点以改善建模和高度预测。同样重要的是，期望点(例如图6中的点640)不必直接落在测量的XYZ轮廓点500 (图5b)上。如图6所示，表面预测模块750可从表面模型751连续预测Z轴高度值。 此外，通过利用安装在割炬708上的测量装置706测量表面708的拓扑，自动补偿了板715和/或NC机床(例如，床、台架等)中的变化。 如上所述，为了用大多数切割技术进行切割，NC机床699可使用公知的一个或多个测量装置706，例如市售的激光、声学、机械和/或其它的高度传感器，生成接近理想的Z测量，即，在+/-0. Olmm的范围内。进一步有利地，NC机床699利用现代的基于PC的数字控制器，其具有以大约2Ghz运行的处理器，并具有至少一个浮点处理器，浮点处理器可在几秒内快速执行将表面拟合于一系列XYZ轮廓点的初始的费力的任务。然后，本系统可基于测得的XYZ轮廓点和建模的表面在移动中使用数字控制器，并实时地在任何给定XY点执行Z高度的近瞬时查找预测，这对于早期的NC控制是不可能的。利用表面预测模块750，NC机床使割炬705的尖端和板715的表面之间的高度变化能够保持在+/-0. 1mm内，从而利用有斜面的多程切割移动实现高质量的焊接准备。 尽管本发明的系统和方法的各实施方式的主要有益效果是对板高度的精确预测和切割期间对割炬高度控制的改进，但是，其它的有益效果还包括自动确定板的形状以及有效消除与割炬的俯冲以及孔和拐角的切割质量相关的问题。本发明的系统和方法的各实施方式的进一步的有益效果是继续独立于NC程序本身，无需改变NC程序就能预测/获得板上的全部点处的非常精确的割炬的高度值。因此，由于替换了当前的割炬高度控制反馈系统，因此即使是对于传统的垂直切割，本发明的系统和方法也可得到更好的切割质量。并且，还无需在切割过程汇总打开和关闭高度控制，并且无需修改NC程序或对NC语言进行扩展。目前已知的程序语言，例如ESSI，可直接使用本发明的系统和方法，而无需额外的改变。
图8是用于控制预测的割炬高度的一个示例性过程800的流程图。步骤802到814可在CNC 760内执行，步骤816到822可在表面预测模块750内执行。虚线轮廓840内示出的步骤804到816表示对加载到NC机床699上的每个板(例如板715)执行的初始化序列。针对在切割板715时用于控制割炬705的移动的多个XY位置中的每一个位置，重复执行虚线轮廓860内示出的步骤818到822割炬。 在步骤802，过程800将割炬定位在板的表面上方的期望高度处。在步骤802的一个实施例中，CNC 760将割炬705定位于表面708上方的期望高度处，并允许操作者将割炬705调整为位于表面708上方的期望高度处。在步骤804，过程800利用与割炬安装在一起的测量装置测量割炬高度。在步骤804的一个实施例中，CNC 760使用测量装置706来测量割炬705在表面708上方的高度距离710，以形成参考高度测量。 步骤806到814分别表示循环的起点和终点，其中"I"从1迭代至XYZ轮廓点的数量，步骤808到812对于I的每个值重复。例如，对于XYZ轮廓点500，步骤808到812重复三十次(1 = 1，…，30)。在步骤806到814内，割炬705的高度不由CNC 760改变。也就是说，一旦割炬被设置在期望高度，Z电机700在过程800的步骤806到814期间就不用来改变割炬705的高度。 在步骤808，过程800将割炬定位于由XYZ轮廓点中的第I个点定义的XY位置。在步骤808的一个实施例中，在循环的第一迭代中，"I"为l，且CNC 760将割炬705定位于由XYZ轮廓点500(1)定义的&、l处。在步骤810，过程800利用与割炬705安装在一起的测量装置测量割炬在板表面上方的高度。在步骤810的一个实施例中，与割炬705安装在一起的测量装置706测量表示割炬705在位置X工、Y工处位于表面708上方的高度的距离。在步骤812，过程800将测得的与XY位置关联的高度存储为XYZ轮廓点。在步骤812的一个实施例中，CNC 760将步骤810中测得的高度存储为XYZ轮廓点500(1)内的Z值。
—旦测得并存储了在XYZ轮廓点500的每个XY位置处的割炬705的高度，过程800则继续步骤816。在步骤816，过程800基于XYZ轮廓点生成板的表面的模型。在步骤816的一个实施例中，表面预测模块750基于XYZ轮廓点500生成表示板715的表面708的模型751。 在步骤818，过程800接收XY位置。在步骤818的一个实施例中，表面预测模块750从CNC 760接收X、Y 762。在步骤820，过程800根据建模的板的表面和步骤804的参
12考高度测量确定接收到的XY位置的Z值。在步骤820的一个实施例中，表面预测模型750 基于表面模型751和步骤804的参考高度测量确定Z值764。在步骤822，过程800将确定 的Z值输出至控制割炬的高度的电机。在步骤822的一个实施例中，表面预测模块750将 Z值764输出至CNC 760， CNC760将Z值与X、 Y值762 —起发送至PLC 770， PLC 770再将 其输出至Z电机700。 尽管公开的实施方式相对于现有技术提供了明显的有益效果，但应该理解，也可 并入现有的系统，例如图2的系统。不为了确定切割高度，而是作为"安全"或辅助系统。更 特别地，废弃板材可由于被切除而垂直运动，并且垂直运动的量是不可能预测的。如果操作 者未及时注意到，这可能会导致机器损坏。根据现有技术，通过监控电压，操作员管理的重 要性降低，电压的极端变化可使割炬移动(例如，向上移动)或关闭。例如，如果弧电压降 至某个定义的值以下，则可停止机床以防止对割炬造成损坏。实践中，在成斜角时废料运动 是小问题，这是由于成斜角的材料往往相对较厚。否则，为了保持精确的Z高度，可放弃传 统的传感器/高度控制反馈环，这在多路斜角切割中是重要的。 图9是相对于安装在数控切割机床的切割床上的板，自动调整安装在数控切割机 床的台架上的割炬的、控制预测的割炬高度的一个示例性方法900的流程图。步骤902和 904可在CNC 760内执行，步骤906和908可在表面预测模块750内执行。
在步骤902，方法900利用台架将割炬定位于XY平面内的板上的多个离散的XY点 中的每一个。在步骤902的一个实施例中，将NC机床699的台架定位在图5的第一 XY点 500 (1)，并将图7的割炬705设置在表面708上方的期望高度710。 在步骤904，方法900利用与割炬安装在一起的检测装置在每个XY点测量割炬和 板的上表面之间的距离，以形成一组XYZ轮廓点，测量的距离是沿着基本垂直于XY平面的Z 轴的。在步骤904的一个实施例中，CNC 760将割炬705定位在XYZ轮廓点500的每个XY 点，并在每个XY点使用测量装置706沿着基本垂直于XY平面的Z轴测量从割炬705到表 面708的距离，从而确定高度710。 在步骤906，方法900在表面预测模块内基于一组XYZ轮廓点生成表面模型。在步 骤906的一个实施例中，表面预测模块750利用Bezier曲面算法基于XYZ轮廓点500生成 表面模型751。 在步骤908，方法900控制割炬的高度同时基于表面模型对板进行切割，以使割炬 保持在上表面上方的期望高度处。在步骤908的一个实施例中，对于从CNC 760接收的每 个XY位置762，表面预测模块750从表面模型751获得Z值764，并将Z值764发送至Z电 机700，以控制割炬705的垂直位置，从而使割炬705定位于板715的表面708上方的高度 710处。 可对本文描述的系统和方法进行某些改变，而不偏离其范围。应该注意到，以上的 说明书中包含的内容或附图所示的内容应该被解释为示意性的，而不作为限制。所附的权 利要求旨在覆盖本文描述的全部一般的和具体的特征，以及本发明的方法和系统的范围的 全部陈述，其在语言上可称为是落入本发明的范围。
1权利要求
一种控制预测的割炬高度的方法，用于调整安装在数控切割机的台架上的割炬相对于安装在所述数控切割机的刀床上的板的高度，包括以下步骤利用所述台架将所述割炬在XY平面内定位于所述板上的多个离散XY点中的每个XY点处；在所述每个XY点处，使用与所述割炬安装在一起的检测装置测量所述割炬和所述板的上表面之间的距离，以形成一组XYZ轮廓点，所测量的距离是沿着基本垂直于所述XY平面的Z轴的；在表面预测模块内，基于所述一组XYZ轮廓点生成表面模型；以及在基于所述表面模型切割所述板的同时控制所述割炬的高度，以将所述割炬保持在所述上表面上方的期望高度处。
2. 如权利要求1所述的方法，所述控制步骤包括基于从所述表面模型得到的、在所述割炬的切割路径上的多个XY位置中的每个XY位 置处的Z轴值，控制所述割炬的高度。
3. 如权利要求2所述的方法，所述多个XY位置是基于XY位置之间的距离确定的。
4. 如权利要求2所述的方法，所述多个XY位置是基于规则的时间间隔确定的。
5. 如权利要求2所述的方法，所述多个XY位置是基于所述表面模型中的变化确定的。
6. 如权利要求l所述的方法，其中对高度的所述控制自动补偿由所述台架和/或所述 刀床导致的高度变化。
7. 如权利要求1所述的方法，所述XY平面基本平行于所述刀床。
8. 如权利要求l所述的方法，其中所述生成步骤包括 利用所述XYZ轮廓点的非线性内插对所述表面模型进行数学建模。
9. 如权利要求1所述的方法，其中所述切割步骤在所述割炬与所述工件的大致平面成 角度的情况下执行。
10. —种具有预测的割炬高度控制的数控切割机，包括 刀床，用于支撑待切割的板；台架，用于将所述刀床在基本平行于所述刀床的XY平面中平移； 割炬，其安装在所述台架上，并在基本垂直于所述XY平面的Z轴上具有垂直定位； 控制器，用于控制所述台架将所述割炬沿切割路径移动；以及表面预测模块，用于基于所述板的上表面的表面模型预测所述上表面的高度，并用于 调整所述割炬相对于所述上表面的垂直位置，以使所述割炬在切割所述板的同时基本保持 在所述上表面上方的期望高度。
11. 如权利要求10所述的数控切割机，所述表面模型是基于在切割所述板之前在所述 板的所述表面上的多个XY位置中的每个XY位置处测量的、所述上表面和与所述割炬一起 安装在所述台架上的测量装置之间的Z轴距离。
12. 如权利要求11所述的数控切割机，所述XY位置在所述上表面上基本均匀地隔开。
13. 如权利要求ll所述的数控切割机，所述表面模型是基于所述XY位置之间的表面高 度的非线性内插生成的。
14. 如权利要求11所述的数控切割机，所述表面模型被按照数学方法生成为平滑表面。
15. 如权利要求10所述的数控切割机，其中所述割炬相对于所述Z轴成角度以产生斜面。
16. 如权利要求IO所述的数控切割机，进一步包括电压监控装置，其与所述控制器通 信以防止对所述割炬造成损坏。
全文摘要
一种用于控制割炬高度的方法，包括将工件加载到数控机床上；用扫描装置扫描工件上表面上的多个离散点；分别测量扫描的每个离散点的X、Y、Z坐标，其中X和Y限定基本平行于加载的工件的平面，Z表示在各离散点处上表面与扫描装置之间的距离；将从每个扫描的离散点测得的XYZ坐标存储到数据集中；将该数据集数学拟合为表示加载的工件的上表面的平滑表面；以及沿着编程到数控机床中的切割路径切割工件，同时控制割炬的高度对应于表示性的平滑表面。
文档编号G05B19/19GK101693320SQ20091014771
公开日2010年4月14日 申请日期2009年6月17日 优先权日2008年6月17日
发明者马修·法甘 申请人:马修·法甘;