一种激光切割机坡口切割补偿方法、系统及计算终端

技术领域

本发明涉及金属管材的激光切割控制领域，尤其涉及一种激光切割机坡口切割补偿方法、系统及计算终端。

背景技术

金属管材切割系统的旋转轴中心坐标是进行切割操作的重要参数。金属管材的夹持中心在装配和测定过程中，会存在一定的误差，并且由于卡盘夹持的工艺条件，可能会存在卡盘中心与旋转中心不重合的情况，进而影响切割精度，因此要对管材进行寻中补偿，找到管材的旋转中心，提高切割精度。在坡口切割中，摆头的角度又是数控系统中的重要参数，若由于重力和材料原因，管材出现形变，则在切割过程中会造成切割头摆动相反的角度，使切割精度降低，因此要根据不同的管材修正切割轨迹，提高切割精度。

若采用人工测量，同样会产生一定的误差，而且测量时间较长；若采用专用传感器进行测量，成本较高，测量步骤较为复杂，影响切割效率，而且不能实时进行监控，去验证寻找的旋转中心和摆头中心是否正确。

发明内容

本发明为了克服采用人工测量而产生一定误差，并且无法实现实时监控的问题，特此提供如下三方面内容。

其中第一方面内容涉及一种激光切割机坡口切割补偿方法，方法利用高效的测量方法，使测量结果比较准确，并且在切割坡口时可以实时进行检测。

激光切割机坡口切割补偿方法包括：

步骤1：控制切割头沿着第一定义方向移动到卡盘中心处；

步骤2：对管材的四个面进行随动标定；

其中，控制旋转轴依次旋转到0度、90度、180度以及270度执行四点寻中进程，检测四个点在第二定义方向的随动高度；

步骤3：根据四点寻中测得的随动高度以及旋转轴旋转的角度，计算管材实际旋转中心的补偿量；

步骤4：依次检测切割头摆头摆动到正向最大角度时的正向随动高度以及摆动到负向最大角度时的负向随动高度，计算管材倾斜角度，并获得切割头摆动时产生的Z轴补偿高度差；

步骤5：通过总Z轴补偿高度差修正补偿切割头的切割轨迹，并根据补偿后的随动高度与实际进行切割时的随动高度的差值来检测补偿值，判断所述补偿值是否在误差范围内。

进一步需要说明的是，切割头上安装有高度传感器，检测切割头与管材表面的距离。

进一步需要说明的是，步骤3中，设置0度状态为管材第一面，90度状态为管材第二面，180度状态为管材第二面，270度状态为管材第四面；

通过第一面和第三面的随动高度差以及第二面和第四面的随动高度差，得出管材旋转中心相对于卡盘中心的偏移量；

根据四个面测量出的随动高度，计算出第一定义方向的补偿值

进一步需要说明的是，根据第一定义方向的补偿值

α为管材旋转角度，k为常量，取值范围为55-60。

进一步需要说明的是，步骤4中，基于切割头摆头摆动两次角度得到的随动高度差来计算切割头摆动时产生的补偿量。

进一步需要说明的是，根据切割头摆头可摆动的最大角度B

根据切割头旋转点到切割头的距离L3、切割头摆动的角度B

进一步需要说明的是，步骤5中，

通过下述公式计算总Z轴补偿高度差

将总Z轴补偿高度差

如果比较差值在误差范围内，则激光切割坡口补偿满足要求；

如果比较差值超出误差范围，则重新执行步骤1至5，直到比较差值在误差范围内。

第二方面内容涉及一种激光切割机坡口切割补偿系统，系统包括：坐标系设定模块、标定模块、切割头控制模块、卡盘控制模块以及数据处理模块；

坐标系设定模块，用于获取用户设定的切割坐标系，并在切割坐标系中设定第一定义方向和第二定义方向；

切割头控制模块，用于接收用户输入的控制指令，控制切割头沿着第一定义方向移动到卡盘中心处；

标定模块，用于根据用户的控制指令，对管材的四个面进行随动标定；

卡盘控制模块用于控制旋转轴旋转，并由标定模块设置0度状态为管材第一面，90度状态为管材第二面，180度状态为管材第二面， 270度状态为管材第四面；

数据处理模块基于0度、90度、180度以及270度执行四点寻中进程，检测四个点在第二定义方向的随动高度；

数据处理模块根据四个点测得的随动高度以及旋转轴旋转的角度，计算管材实际旋转中心的补偿量；

依次检测切割头摆头摆动到正向最大角度时的正向随动高度以及摆动到负向最大角度时的负向随动高度，计算管材倾斜角度，并以预设补偿量修正补偿切割头的切割轨迹；

根据补偿后的随动高度与实际进行切割时的随动高度的差值来检测补偿值，判断所述补偿值是否在误差范围内。

第三方面内容涉及一种具有切割补偿的计算终端，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现激光切割机坡口切割补偿方法的步骤。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明涉及的激光切割机坡口切割补偿方法例如可应用于激光切割坡口过程及工序，可以控制激光切割头对卡盘中心进行标定，将旋转轴进行四面旋转，检测激光切割头与切割管材表面的随动高度。根据四个面上两两对立面切割头与管材表面随动高度差，来计算管材实际旋转中心点的位置；根据切割头摆动的角度和切割头相对于管材表面的随动高度计算出管材实际的倾斜角度，对切割头的摆动角度进行补偿，在实际切割中通过切割角度来比较实际的随动高度，来验证所补偿值是否在误差范围内。这样，提高切割过程的精度，可以实时监控切割过程，并验证旋转中心和摆头中心的状态，保证切割过程的精度。

本发明对切割坡口进行补偿，并提高切割过程精度的同时，还可以实时监控切割过程，并验证旋转中心和摆头中心的状态，解决了若采用人工测量，会产生一定的误差，并导致测量时间较长的弊端。本发明不需要采用专用传感器进行测量，也不需要在测量过程中停止切割，，提升切割效率，避免现有技术中不能实时进行监控及验证旋转中心和摆头中心是否满足误差要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为激光切割机坡口切割补偿方法流程图；

图2为管材截面及坐标系示意图；

图3为四点标定示意图；

图4为管材旋转角度示意图；

图5为旋转中心与卡盘中心有Y和Z向偏差示意图；

图6为图5中A处放大示意图；

图7为图5中B处放大示意图；

图8为激光切割机坡口切割补偿系统示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的激光切割机坡口切割补偿方法中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供的激光切割机坡口切割补偿方法可以基于人工智能技术对关联的数据进行获取和处理。其中，人工智能(Artificial Intelligence，AI)是利用数字计算机或者数字计算机控制的机器模拟、延伸和扩展人的智能，感知环境、获取知识并使用知识获得最佳结果的理论、方法、技术及应用装置。

如图1示出了本发明的激光切割机坡口切割补偿方法的较佳实施例的流程图。激光切割机坡口切割补偿方法应用于一个或者多个计算终端中，所述计算终端是一种能够按照事先设定或存储的指令，自动进行数值计算和/或信息处理的设备，其硬件包括但不限于微处理器、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)、数字处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、嵌入式设备等。

计算终端可以是任何一种可与用户进行人机交互的电子产品，例如，个人计算机、平板电脑、智能手机、个人数字助理(Personal Digital Assistant， PDA)、交互式网络电视(Internet Protocol Television，IPTV)等。

计算终端还可以包括网络设备和/或用户设备。其中，所述网络设备包括，但不限于单个网络服务器、多个网络服务器组成的服务器组或基于云计算(Cloud Computing)的由大量主机或网络服务器构成的云。

计算终端所处的网络包括但不限于互联网、广域网、城域网、局域网、虚拟专用网络(Virtual Private Network，VPN)等。

下面将结合图1至7来详细阐述本发明的激光切割机坡口切割补偿方法包括：

S101：控制切割头沿着第一定义方向移动到卡盘中心处；

S102：对管材的四个面进行随动标定；本发明涉及的管材为金属管材有方管，或矩形管。

其中，控制旋转轴依次旋转到0度、90度、180度以及270度执行四点寻中进程，检测四个点在第二定义方向的随动高度；

S103：根据四点寻中测得的Z轴的随动高度以及旋转轴旋转的角度，计算管材实际旋转中心的补偿量Z

S104：依次检测切割头摆头摆动到正向最大角度时的正向随动高度以及摆动到负向最大角度时的负向随动高度，计算管材相对于X、Y轴组成的平面的管材倾斜角度，并获得切割头摆动时产生的Z轴补偿高度差Z

可以理解的是X、Y轴组成的平面，为本发明第一定义方向和第二定义方向组成的平面。

S105：通过总Z轴补偿高度差修正补偿切割头的切割轨迹Z

本发明涉及的激光切割机坡口切割补偿方法例如可应用于激光切割坡口过程及工序，可以控制激光切割头对卡盘中心进行标定，将旋转轴进行四面旋转，检测激光切割头与切割管材表面的随动高度。根据四个面上两两对立面切割头与管材表面随动高度差，来计算管材实际旋转中心点的位置；根据切割头摆动的角度和切割头相对于管材表面的随动高度计算出管材实际的倾斜角度，对切割头轨迹进行补偿，在实际切割中通过补偿后的随动高度与实际进行切割时的随动高度的差值来检测补偿值是否在误差范围内。这样，提高切割过程的精度，可以实时监控切割过程，并验证旋转中心和摆头中心的状态，保证切割过程的精度。

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，所描述的实施例仅仅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做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。

应理解，下述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

本发明提供的激光切割设备的坡口切割标定方法中是采用右手迪卡尔坐标系，上下为Z轴方向，前后为Y轴方向，左右为X轴方向。管材的类型与坐标系建立如图2所示，其中，第一定义方向在右手迪卡尔坐标系中可以定义为Y轴方向，第二定义方向在右手迪卡尔坐标系中可以定义为Z轴方向。根据卡尺可以测量出管材的长，宽，将管材的测量输出输入到控制系统中，方便后面的控制及计算。

本发明在执行过程中需要获取到切割头与管材表面的距离，本实施例可以使用电容式调高传感器来获取距离信息。切割头下降过程中，传感器可以实时感应距管材表面的距离，并达到预设距离时控制切割头停止下降，并可以显示距管材表面的距离；或者通过激光测距传感器进行对管材表面距离的测定，同样下降到一定距离控制切割头停止下降，并可以显示距管材表面的距离。

进一步的讲，如图3所示，本发明实施例涉及的四点寻中的进程具体方式为：

A1、设置T表示卡盘中心，t表示管材的实际旋转中心。如图4所示管材旋转的角度 是管材中心轴线与垂直方向的角度用α表示（0≤α≤45°），旋转轴旋转的角度为γ，以顺时 针为正方向。管材实际的旋转中心相比于卡盘中心会有偏移，以卡盘中心为原点，旋转中心 的偏移为：Y方向偏移为

本发明提供的实施例中，设置0度状态为管材第一面，90度状态为管材第二面，180度状态为管材第二面， 270度状态为管材第四面；

A2、将旋转轴旋转到0度，也就是管材在初始位置，未进行旋转。切割头移动到卡盘中心的Y轴位置，等待切割头进行下降。

A3、在旋转轴为0度时，为管材第一面，此时α=0°，切割头进行下降，进入随动状态后，距管材预设距离后停止下降，采集到第一数值，记录下Z轴随动高度为Z1。此处的Z轴随动高度理解为激光头的Z轴坐标值。

A4、旋转轴旋转到90度，为管材第二面，可以理解为管材进行了90度旋转，旋转过程可以采用顺时针旋转也可以采用逆时针旋转。具体旋转方向不做限定。

旋转后，此时α=90°，切割头进行下降，进入随动状态后，距管材一定距离后停止下降，采集到第二数值，记录下Z轴随动高度为Z2。

A5、旋转轴旋转到180度，为管材第三面，此时α=180°，切割头进行下降，进入随动状态后，距管材一定距离后停止下降，采集到第三数值，记录下Z轴随动高度为Z3。

A6、旋转轴旋转到270度，为管材第四面，此时α=270°，切割头进行下降，进入随动状态后，距管材一定距离后停止下降，采集到第四数值，记录下Z轴随动高度为Z4。

A7、根据所采集到的四个面的Z轴坐标，偏移带有方向，正即为正方向。根据管材第 一个面和管材第三个面的Z轴坐标差得出实际旋转中心相对于卡盘中心的Z方向偏差

Z轴方向偏移为

Y轴方向偏移为

A8、若管材在X轴方向没有倾斜角度时，此时管材垂直与Y和Z轴构成的平面，可以进行旋转中心偏移补偿后，对所述激光切割头的切割轨迹进行修正。

本实施例还根据测得的旋转中心偏移量和管材旋转角度对应Z轴高度的补偿量进行计算，如图5至7所示，具体包括：

坐标系中Z轴的补偿量包括：管材的旋转角度α，管材理论旋转与实际旋转后管材 表面距离为d，在管材倾斜的角度上卡盘中心与旋转中心的距离为m，根据管材旋转角度变 化而改变的第二旋转角度β，补偿前后切割点垂直方向的高度差即为补偿量

通过管材旋转的角度和测得的旋转中心偏移量求得管材理论旋转与实际旋转后管材表面距离为：

再通过管材旋转的角度和测得的旋转中心偏移量求得在管材倾斜的角度上卡盘中心与旋转中心的距离为：

这样，Z轴补偿高度差通过如下公式计算获取：

进一步的计算获得

其中，计算第二旋转角度

进一步的讲，本发明还涉及坡口切割过程中，摆头中心角度的识别方式，也就是依次检测切割头摆头摆动到正向最大角度时的正向随动高度以及摆动到负向最大角度时的负向随动高度，计算管材倾斜角度，并以预设补偿量修正补偿切割头的切割轨迹；

具体如下步骤：

B1、旋转轴旋转到0度，控制摆头摆动到正方向最大角度，摆头摆向X轴正方向，为B

B2、再升起切割头，将切割头摆动到负方向最大角度，摆头摆向X轴负方向，为 B

B3、升起切割头，将摆头摆动到0度，通过测得的两点随动高度差、摆头摆动的最大角度以及摆头摆动点到切割头的距离可以求出管材相对于X、Y轴组成的平面倾斜的角度，可以通过两点随动高度差和切割头摆头摆动的最大角度来获取。本发明的管材倾斜角度获取方式如下公式：

其中，

B4、线段201为补偿后切割的轨迹，根据L3、B

摆动Z轴补偿高度差

其中，

B5、通过总Z轴补偿高度差修正补偿切割头的切割轨迹。

在本发明的实施例中，总Z轴补偿高度差获取如下公式：

即

B6、根据补偿前后的总Z轴补偿高度差进行补偿修正，并以补偿量修正切割头的切 割轨迹。在坡口切割时，将随动高度变化值

如果比较差值在误差范围内，则激光切割坡口补偿满足要求；

如果比较差值超出误差范围，则可重复执行A2-A8和B1-B5，进行坡口切割补偿，直到比较差值在误差范围内。如果经过预设次数补偿后，仍然比较差值超出误差范围，则进行报警提示。

基于上述方法，本发明还提供一种激光切割机坡口切割补偿系统，如图8所示，系统包括：坐标系设定模块、标定模块、切割头控制模块、卡盘控制模块以及数据处理模块；

坐标系设定模块，用于获取用户设定的切割坐标系，并在切割坐标系中设定第一定义方向和第二定义方向；

切割头控制模块，用于接收用户输入的控制指令，控制切割头沿着第一定义方向移动到卡盘中心处；

标定模块，用于根据用户的控制指令，对管材的四个面进行随动标定；

卡盘控制模块用于控制旋转轴旋转，并由标定模块设置0度状态为管材第一面，90度状态为管材第二面，180度状态为管材第二面，270度状态为管材第四面；

数据处理模块基于0度、90度、180度以及270度执行四点寻中进程，检测四个点在第二定义方向的随动高度；

数据处理模块根据四个点测得的随动高度以及旋转轴旋转的角度，计算管材实际旋转中心的补偿量；

依次检测切割头摆头摆动到正向最大角度时的正向随动高度以及摆动到负向最大角度时的负向随动高度，计算管材倾斜角度，并以预设补偿量修正补偿切割头的切割轨迹；

根据补偿后的随动高度与实际进行切割时的随动高度的差值来检测补偿值，判断所述补偿值是否在误差范围内。

本发明涉及的对切割坡口时，进行补偿，提高切割过程的精度，可以实时监控切割过程，并验证旋转中心和摆头中心的状态，保证切割过程的精度。解决了若采用人工测量，会产生一定的误差，并导致测量时间较长的弊端。本发明的激光切割机坡口切割补偿方法可以在切割过程中进行实时检测，提高精度，本发明不需要采用专用传感器进行测量，也不需要在测量过程中停止切割，，提升切割效率，避免现有技术中不能实时进行监控及验证旋转中心和摆头中心是否满足误差要求。

本发明提供的激光切割机坡口切割补偿方法是结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属技术领域的技术人员能够理解，本发明提供的激光切割机坡口切割补偿方法的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本公开的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。

本发明提供的激光切割机坡口切割补偿方法可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本公开操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。