一种快速寻边方法与流程

本申请涉及激光加工技术领域，更具体的说，特别涉及一种快速寻边方法。

背景技术：

在激光切割中，理论上工件放置位置需要固定，且方向需要保证工件边缘和x、y轴平行，而实际上，工件放置的位置和方向都无法保证。但是在cam(computeraidedmanufacturing，计算机辅助制造)软件编程过程中是默认工件与机床机械坐标平行的，如此就会造成工件利用率下降或者切到板外的情况发生。

在对类似板材等具有规则形状的工件进行加工时，面对该问题，当前通用做法是使用寻边功能。首先，在加工前对工件的边缘进行自动寻找；然后，计算工件相对于机械坐标的位置及旋转角度；最后，通过cnc(computernumericalcontroller，计算机数字控制系统)的坐标偏移及旋转功能进行补偿。从而避免这种情况的发生，减少工件放置时对人或者装置的依赖。

目前，激光切割机床大都使用plc(programmablelogiccontroller,可编程逻辑控制器)采样并控制工件边缘的寻找，但plc扫描周期太长，在保证寻边精度前提下速度很慢。并且在边缘判定时许多采用的是瞬时、单一变量作为条件，对于表面有熔渣或凸凹不平的工件，寻边稳定性和精度都比较差，因此实际生产中使用率不高。也有国外厂商采用图像处理技术，但是需要配备专业的摄像头和光源且技术要求较高，势必会增加整机的采购成本，这对于国内用户不太现实。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种快速寻边方法，可以快速、稳定、精准寻找工件实际边缘，并在检测到工件边缘之后同一插补周期内记录边缘位置坐标，取消未执行完的数控程序段，使运动轴以最快的方式停下来，防止撞伤切割头。

为了解决以上提出的问题，本发明实施例采用了如下所述的技术方案：

一种快速寻边方法，包括如下步骤：

切割头移动至工件上切割初始角点附近，启动寻边程序；

切割头移动至工件表面设定高度，切割头分别沿x轴、y轴方向在工件表面移动，寻找工件对应边的边缘；

当切割头沿x轴或者y轴方向在工件表面移动至工件对应边的边缘处时，触发边缘判定条件，将切割头当前位置机械坐标作为边缘坐标位置写入并传输至控制中心；

控制中心对输入的边缘坐标位置进行计算，得出工件相对于机械坐标系的旋转角度及切割初始角点的实际位置。

进一步地，所述当切割头沿x轴或者y轴方向在工件表面移动至工件对应边的边缘处时，触发边缘判定条件，将切割头当前位置机械坐标作为边缘坐标位置写入并传输至控制中心的步骤中，边缘判定条件为：切割头沿x轴或y轴在工件表面移动至工件边缘处，切割头沿z轴快速下降，z轴的反馈电压快速变化，当z轴下降速度和反馈电压值同时超过了设定值，边缘判定条件触发。

进一步地，所述当切割头沿x轴或者y轴方向在工件表面移动至工件对应边的边缘处时，触发边缘判定条件，将切割头当前位置机械坐标作为边缘坐标位置写入并传输至控制中心的步骤中，切割头沿x轴和y轴移动时触发边缘判定条件以获取边缘坐标位置均至少为1个，切割头沿x轴和y轴移动时触发边缘判定条件以获取边缘坐标位置总数至少为3个。

进一步地，所述当切割头沿x轴或者y轴方向在工件表面移动至工件对应边的边缘处时，触发边缘判定条件，将切割头当前位置机械坐标作为边缘坐标位置写入并传输至控制中心的步骤还包括：

当边缘判定条件触发时，写入边缘坐标位置的同时取消当前程序行未执行完的数控程序，切割头沿x轴或者y轴停止移动，然后z轴上抬。

进一步地，还包括如下步骤：在切割过程中，在插补程序中开启边缘检测功能，对切割头沿z轴下降速度和反馈电压值的变化进行同步监测并作出反馈，当边缘判定条件触发时，立即写入边缘坐标位置并取消当前程序行未执行完的数控程序，切割头沿x轴或y轴方向以最大加速度减速至停止状态。

进一步地，所述在插补程序中开启边缘检测功能，对切割头沿z轴下降速度和反馈电压值的变化进行同步监测并作出反馈，具体包括：在插补程序中采用m代码或者g代码开启边缘检测功能，在每一个插补周期中执行一次，在插补程序中自动检测m代码或者g代码，发现m代码或者g代码后，开启对切割头沿z轴下降速度和反馈电压值的检测并做出反馈。

进一步地，对切割头沿z轴下降速度和反馈电压值采用滑动平均法进行计算。

进一步地，切割头沿z轴下降速度和反馈电压值所采样的平均值至少为两组，且相每组差2-10个循环周期。

进一步地，采用电容传感器感应切割头与工件之间的距离以检测z轴的反馈电压值。

进一步地，在所述控制中心对输入的边缘坐标位置进行计算，得出工件相对于机械坐标系的旋转角度及切割初始角点的实际位置的步骤之后，还包括：

在插补程序中将编程坐标系平移并旋转，使其和被切割工件实际位置和方向匹配。

与现有技术相比，本发明实施例主要有以有益下效果：

一种快速寻边方法,可以快速、稳定、精准寻找工件实际边缘，并在检测到工件边缘之后同一插补周期内记录边缘位置坐标，取消未执行完的数控程序段，使运动轴以最快的方式停下来，防止撞伤切割头，并且可以对表面质量状况不好的工件，比如有熔渣附着、有小坑、有严重的凸起和下凹的工件进行稳定寻边。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，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为本发明实施例中快速寻边方法的整体流程图；

图2为本发明实施例中寻边程序的具体流程图；

图3为本发明实施例中三点寻边示意图。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排它的包含。本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将参照相关附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本申请实施例提供一种快速寻边方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤s10：切割头移动至工件上切割初始角点附近，启动寻边程序；

步骤s20：切割头沿z轴移动至工件表面设定高度，切割头分别沿x轴、y轴方向在工件表面移动，寻找工件对应边的边缘；本申请根据不同的工件来确定设定高度。

步骤s30：当切割头沿x轴或者y轴方向在工件表面移动至工件对应边的边缘处时，触发边缘判定条件，将切割头当前位置机械坐标作为边缘坐标位置写入并传输至控制中心，边缘判定条件为：切割头沿x轴或y轴在工件表面移动至工件边缘处，切割头沿z轴快速下降，z轴的反馈电压快速变化，当z轴下降速度和反馈电压值变化同时超过了设定值，边缘判定条件触发。

步骤s40：控制中心对输入的边缘坐标位置进行计算，得出工件相对于机械坐标系的旋转角度及切割初始角点的实际位置。

本申请的快速寻边方法可以快速、稳定、精准寻找工件实际边缘，并在检测到工件边缘之后同一插补周期内记录边缘位置坐标，取消未执行完的nc程序段，nc(numericalcontrol,数字控制,简称数控)，使切割头所在的运动轴以最快的方式停下来，防止撞伤切割头。

本发明实施例中，工件为板材类工件，也可为其它具有规则外形的工件，控制中心为数控系统中的控制模块，在寻边开始前，切割头移动至工件上切割初始角点附近，在寻边过程中，随动系统会自动打开，随动系统(distanceadjustmentsystem，距离调节系统，也叫随动系统)，随动系统的主要输出量为机械位移和速度，对z轴下降速度做较为精准的跟踪和定位，使切割头沿着z轴移动至工件表面设定高度，在切割头的水平移动过程中，保证切割头其底部与工件之间保持一个恒定距离，在本发明实施例中，采用电容传感器来检测切割头与工件之间的距离，电容传感器安装在切割头底部，切割头与工件之间的距离越大，电容传感器电容变化所转换的电压越大，控制模块接收电容传感器所输出的电压值，当反馈电压值变化时，切割头沿z轴也做相应移动，具体的，当电压值增大时，控制模块控制切割头沿z轴下降，当电压值减小时，控制模块控制切割头沿z轴上升。

切割头沿x轴或y轴在工件表面移动，寻找工件对应边的边缘，当切割头移动至工件边缘时，电容传感器输出的电压迅速增大，控制模块接收电容传感器所输出的电压值，并控制切割头沿z轴快速下降，当z轴下降速度和反馈电压值变化的平均值均超过了设定值时，边缘判定条件触发。

切割头沿x轴和y轴移动时触发边缘判定条件以获取边缘坐标位置均至少为1个，切割头沿x轴和y轴移动时触发边缘判定条件以获取边缘坐标位置总数至少为3个，本发明实施例中，切割头沿x轴获取边缘坐标位置为1个，切割头沿y轴获取边缘坐标位置为2个，通过y方向2点边缘坐标位置计算出工件放置方向相对于机械坐标系的旋转角度，再联合x方向1点边缘坐标位置计算出工件切割初始角点的实际坐标值，实现对工件实际位置及方向的准确测量。

具体的，利用三点寻边方法来实现，如图3所示，切割初始角点的坐标为x0y0,即工件坐标原点，工件上切割初始角点附近一点为起始点，即位于工件表面上靠近工件坐标原点设定的任意一点，沿x轴方向对工件边缘位置取点时，切割头从起始点沿x轴负向在工件表面移动，寻找到工件的边缘点3，在cnc插补程序中直接记录当前边缘点3的坐标位置x3y3，切割头回复至起始点处，然后沿y轴方向对工件边缘位置取点，切割头从起始点沿y轴负向在工件表面移动，寻找到工件的边缘点1，在cnc插补程序中直接记录当前边缘点1的坐标位置x1y1，切割头回复至起始点处，然后切割头从起始点沿与y轴负向呈一定角度的方向在工件表面移动，寻找到工件的边缘点2，在cnc插补程序中直接记录当前边缘点2的坐标位置x2y2。

从边缘点3作边缘点1、边缘点2的连接线的垂线，垂足即为工件坐标原点x0y0，计算工件坐标原点x0y0与旋转角度θ,计算方法如下：

将检测的边缘点1、边缘点2、边缘点3的坐标代入公式：

由求出旋转角度θ，

通过与导出：

y0＝(x2-x0)×tgθ+y2

将所求出的旋转角度θ与边缘点1、边缘点2、边缘点3的坐标代入上述公式，即可求出x0y0。

在所述控制中心对输入的边缘坐标位置进行计算，得出工件相对于机械坐标系的旋转角度及切割初始角点的实际位置步骤之后，还包括：步骤s50：在插补程序中将编程坐标系平移并旋转，使其和被切割工件实际位置和方向匹配，实现工件的精准切割。

所述当切割头沿x轴或者y轴方向在工件表面移动至工件对应边的边缘处时，触发边缘判定条件，将切割头当前位置机械坐标作为边缘坐标位置写入并传输至控制模块的步骤还包括：

当边缘判定条件触发时，写入边缘坐标位置的同时取消当前程序行未执行完的数控程序，切割头沿x轴或者y轴停止移动，然后z轴上抬。

具体的，沿x轴方向对工件边缘位置取点时，切割头可沿x轴负向在工件表面移动，寻找到工件的边缘，在cnc插补程序中直接记录当前边缘坐标位置并取消当前程序行未执行完的数控程序，使切割头以一定加速度减速至停止状态，然后z轴上抬，沿y轴方向对工件边缘位置取点通过同样的方法实现。

本发明实施例还包括如下步骤：在切割过程中，在插补程序中开启边缘检测功能，对切割头沿z轴下降速度和反馈电压值的变化进行同步监测并作出反馈，当边缘判定条件触发时，立即写入边缘坐标位置并取消当前程序行未执行完的数控程序，切割头沿x轴或y轴方向以最大加速度减速至停止状态。

需要进行说明的是，在寻边功能中，速度的设置非常重要，一旦速度增加，如果不能及时在切割头到达工件边缘后取消当前运行的数控程序段，继续向x轴或y轴方向移动，势必造成切割头跑出工件所在区域，容易使切割头碰撞到支撑条造成撞伤，或者因边缘坐标位置记录不及时造成计算角度和位置不准确。通过对cnc的内核深层次开发，可以在插补程序中对z轴的下降速度和反馈电压值的变化进行同步监测并作出反馈，保持采样周期和插补周期完全同步，在触发边缘判定条件立即记录边缘坐标位置，立即取消当前程序行未执行完的数控程序，并使切割头以其最大加速度减速到停止，防止切割头撞伤或者位置坐标记录不及时造成寻边误差。

本发明实施例可以使用特定的m代码开启边缘检测功能，如下面几行数控程序段：

n90…

n100g01y1000f15000m500

n110…

表示在n100行执行期间开启边缘探测功能。

在cnc插补进程中自动检测m代码，一旦发现m500，即可开启对z轴位置或者反馈电压值的采样及计算，在每一个插补周期中执行一次，一旦触发边缘判断条件，cnc即刻记录该点的坐标值，并取消该行还没有运行完的程序，同时以x轴或y轴方向最大加速度减速至停止状态，检测关闭，接着执行n110行数控程序，插补周期时间设置较短，设置为2ms，从而短时间内，能够进行多次边缘探测，提高工件寻边的准确度。

在其他实施例中，还可替换不同的m代码或者g代码开启检缘探测功能，在插补程序中自动检测m代码或者g代码，发现m代码或者g代码后，开启对切割头沿z轴下降速度和反馈电压值的检测并做出反馈。

对切割头沿z轴下降速度和反馈电压值采用滑动平均法进行计算，能够防止在寻边的过程中由于板面不平整或者存在切割渣滓的情况干扰检测结果。

切割头沿z轴下降速度和反馈电压值所采样的平均值至少为两组，且相每组差2-10个循环周期，在本发明实施例中，切割头沿z轴下降速度和反馈电压值所采样的平均值设置为3组，相差7个循环周期。

结合图2所示，切割头沿z轴下降速度的平均值计算具体如下：

其中z11，z12，z13，……z1(n-1)，z1n为第1组第1,2,3,…(n-1),n周期z轴实际坐标值的平均值，z21，z22，z23，……z2(m-1)，z2m为第2组第1,2,3,…(m-1),m周期z轴实际坐标值的平均值，z31，z32，

z33，……z3(i-1)，z3i为第3组第1,2,3,…(i-1),i周期z轴实际坐标值的平均值，zact为当前周期实时采集到的z轴实际坐标值，通过z轴实际坐标值的变化即可对应得出切割头沿z轴下降速度。

第一组平均值：

z11＝zact；

z12＝(z11*1+zact)/2；

z13＝(z12*2+zact)/3；

…

z1(n-1)＝[z1(n-2)*(n-2)+zact]/(n-1)；

z1n＝[z1(n-1)*(n-1)+zact]/n；

当n>20时，使n＝0,继续计算；

第二组平均值：

当第一组开始n＝7时，开始计算第二组平均值：

z21＝zact；

z22＝(z21*1+zact)/2；

z23＝(z22*2+zact)/3；

…

z2(m-1)＝[z2(m-2)*(m-2)+zact]/(m-1)；

z2m＝[z2(m-1)*(m-1)+zact]/m；

当m>20时，使m＝0,继续计算；

第三组均值：

当第一组开始n＝14(或者第二组m＝7)时，开始计算第三组平均值：

z31＝zact；

z32＝(z31*1+zact)/2；

z33＝(z32*2+zact)/3；

…

z3(i-1)＝[z3(i-2)*(i-2)+zact]/(i-1)；

z3i＝[z3(i-1)*(i-1)+zact]/i；

当i>20时，使i＝0,继续计算。

同理，在计算的z轴坐标平均值的同时计算3组切割头电压反馈平均值v1n,v2m,v3i，方法和计算z轴坐标的平均值相同。

其中v11，v12，v13，……v1(n-1)，v1n为第1组第1,2,3,…(n-1),n周期反馈电压值的平均值，v21，v22，v23，……v2(m-1)，v2m为第2组第1,2,3,…(m-1),m周期反馈电压值的平均值，v31，v32，v33，……v3(i-1)，v3i为第3组第1,2,3,…(i-1),i周期反馈电压值的平均值，vact为当前周期实时采集到的反馈电压值。

第一组平均值：

v11＝vact；

v12＝(v11*1+vact)/2；

v13＝(v12*2+vact)/3；

…

v1(n-1)＝[v1(n-2)*(n-2)+vact]/(n-1)；

v1n＝[v1(n-1)*(n-1)+vact]/n；

当n>20时，使n＝0,继续计算；

第二组平均值：

当第一组开始n＝7时，开始计算第二组平均值：

v21＝vact；

v22＝(v21*1+vact)/2；

v23＝(v22*2+vact)/3；

…

v2(m-1)＝[v2(m-2)*(m-2)+vact]/(m-1)；

v2m＝[v2(m-1)*(m-1)+vact]/m；

当m>20时，使m＝0,继续计算；

第三组均值：

当第一组开始n＝14(或者第二组m＝7)时，开始计算第三组平均值：

v31＝vact；

v32＝(v31*1+vact)/2；

v33＝(v32*2+vact)/3；

…

v3(i-1)＝[v3(i-2)*(i-2)+vact]/(i-1)；

v3i＝[v3(i-1)*(i-1)+vact]/i；

当i>20时，使i＝0,继续计算。

若z1n,z2m,z3i其中任何一个与zact的差值超过了预先设定的限定值，则认为z轴位置变化均值法探测到工件边缘,若v1n,v2m,v3i其中任何一个与vact的差值超过了预先设定的限定值，则认为反馈电压值通过均值法探测到工件边缘。

只有上述两种方法都满足条件才认为真正检测到工件边缘，对切割头沿z轴下降速度和反馈电压值采用滑动平均法进行计算，能够对z轴位置变化值和反馈电压变化量进行滤波处理，能够防止在寻边的过程中由于板面不平整或者存在切割渣滓的情况造成对探测结果的干涉，提高寻边稳定性。

检测到工件边缘之后，在cnc插补器中的插补位置计算中，以x或y轴的最大加速度对于其进行减速运算，直到速度减至0m/min，对于本行未执行的部分直接取消不再执行，接着跳转到下一行开始执行后面的数控程序。

在不增加整机成本的情况下，通过本发明实施例提供的快速寻边方法，可以快速、稳定、精准寻找工件实际边缘，可以将原来的3m/min左右的寻边速度，提升至15-20m/min左右，并在检测到工件边缘之后同一插补周期内记录边缘位置坐标，取消未执行完的数控程序段，使运动轴以最快的方式停下来，防止撞伤切割头，并且可以对表面质量状况不好的工件，比如有熔渣附着、有小坑、有严重的凸起和下凹的工件进行稳定寻边，重复寻边精度保持在±0.05°偏差之内。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给了本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围。本发明可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员而言，其依然可以对前述各具体实施方式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效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。