本實(shí)用新型屬于鋼材料加工行業(yè)的掃描及切割控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及基于激光測(cè)距傳感器的鋼板邊緣掃描及切割控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

由煉鋼廠的軋鋼機(jī)生產(chǎn)出的大尺寸(如長(zhǎng)寬厚：33m*2m*15mm)鋼板通常不是規(guī)則的矩形，其前后左右邊緣呈一定程度的曲率，需要由龍門式火焰等離子切割機(jī)裁掉鋼板邊緣不規(guī)則部分并將鋼板分切成若干個(gè)呈“豆腐塊”形的小鋼板，該小鋼板供下游行業(yè)使用。由于軋鋼機(jī)生產(chǎn)出的鋼板尺寸大，目前，無合適的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)識(shí)別其輪廓，常規(guī)采用二維輪廓識(shí)別的方案可以識(shí)別鋼板的輪廓，該二維輪廓識(shí)別方案的結(jié)構(gòu)中包括有線激光、二維相機(jī)拍照等，但都只能識(shí)別小尺寸的物體的輪廓，故在龍門式火焰等離子切割機(jī)對(duì)鋼板進(jìn)行切割前，只能通過人工使用量具或目測(cè)的方式對(duì)鋼板邊緣進(jìn)行定位，定位后再進(jìn)行切割，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且切割精度較低。

為此，很有必要設(shè)計(jì)一種鋼板邊緣掃描及切割控制系統(tǒng)，以解決上述技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種鋼板邊緣掃描及切割控制系統(tǒng)，其能對(duì)鋼板邊緣的輪廓掃描識(shí)別，自動(dòng)計(jì)算出待切割矩形的路徑，從而完成對(duì)鋼板的自動(dòng)切割，節(jié)省人力，同時(shí)切割精度高和切割質(zhì)量高。

為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：一種基于激光測(cè)距傳感器的鋼板邊緣掃描及切割控制系統(tǒng)，包括第一激光測(cè)距傳感器、第二激光測(cè)距傳感器、上位機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、多軸運(yùn)動(dòng)控制器、1#伺服驅(qū)動(dòng)器、1#電機(jī)、3#伺服驅(qū)動(dòng)器、3#電機(jī)、4#伺服驅(qū)動(dòng)器和4#電機(jī)；

所述第一激光測(cè)距傳感器固定于第一切割槍上，該第一激光測(cè)距傳感器與所述多軸運(yùn)動(dòng)控制器連接，所述第二激光測(cè)距傳感器固定于第二切割槍上，該第二激光測(cè)距傳感器與所述多軸運(yùn)動(dòng)控制器連接；

所述上位機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與所述多軸運(yùn)動(dòng)控制器通訊連接，所述多軸運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)有反饋控制模塊；

所述1#電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)龍門大車沿Y軸移動(dòng)，所述1#電機(jī)與所述1#伺服驅(qū)動(dòng)器連接，所述1#伺服驅(qū)動(dòng)器與所述反饋控制模塊連接，所述3#電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)所述第一切割槍在所述龍門大車上沿X軸移動(dòng)，所述3#電機(jī)與所述3#伺服驅(qū)動(dòng)器連接，所述3#伺服驅(qū)動(dòng)器與所述反饋控制模塊連接，所述4#電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)所述第二切割槍在所述龍門大車上沿X軸移動(dòng)，所述4#電機(jī)與所述4#伺服驅(qū)動(dòng)器連接，所述4#伺服驅(qū)動(dòng)器與所述反饋控制模塊連接。

進(jìn)一步的，鋼板邊緣掃描及切割控制系統(tǒng)還包括2#伺服驅(qū)動(dòng)器和2#電機(jī)，所述2#電機(jī)與所述2#伺服驅(qū)動(dòng)器連接，所述2#伺服驅(qū)動(dòng)器與所述1#伺服驅(qū)動(dòng)器連接。

進(jìn)一步的，所述鋼板邊緣掃描及切割控制系統(tǒng)采用擬合套料算法計(jì)算出鋼板的擬合矩形的邊線。

進(jìn)一步的，采用左右平均斜率平行最小距離取邊法獲得所述待切割矩形左右邊線，該左右平均斜率平行最小距離取邊法為：所述第一激光傳感器和所述第二激光傳感器掃描得到鋼板的左右兩側(cè)邊緣散列點(diǎn)序列，從左右兩側(cè)邊緣散列點(diǎn)中獲得兩條擬合直線，取得這兩條擬合直線斜率的平均值，在以該平均值為斜率的直線群里找到分別經(jīng)過左右散列點(diǎn)的平行距離最小的兩條直線作為所述擬合矩形的左右邊線。

本實(shí)用新型有益效果：本實(shí)用新型的鋼板邊緣掃描及切割控制系統(tǒng)，巧妙地使用激光測(cè)距傳感器結(jié)合現(xiàn)有的龍門式火焰等離子切割機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了鋼板邊緣的輪廓掃描識(shí)別，以自動(dòng)套料的方式計(jì)算出待切割矩形的路徑，以完成鋼板的自動(dòng)切割。因此該鋼板邊緣掃描及切割控制系統(tǒng)采用價(jià)格比較低廉的硬件系統(tǒng)即實(shí)現(xiàn)了鋼板的自動(dòng)掃描和切割工作，不僅節(jié)省了人力，而且切割鋼板的精度和質(zhì)量高，進(jìn)而提高了鋼廠的鋼板的出廠質(zhì)量。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的鋼板邊緣掃描及切割控制系統(tǒng)的原理圖。

圖2是龍門式火焰等離子切割機(jī)切割鋼板的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是鋼板掃描示意圖。

圖4是掃描后得到的鋼板邊緣散列點(diǎn)序列的示意圖。

圖5是待切割矩形的左右邊線的生成過程示意圖。

圖6是待切割矩形的上下邊線的生成過程示意圖。

附圖標(biāo)記說明：

第一激光測(cè)距傳感器11、第二激光測(cè)距傳感器12、上位機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)13、多軸運(yùn)動(dòng)控制器14、1#伺服驅(qū)動(dòng)器15、2#伺服驅(qū)動(dòng)器16、3#伺服驅(qū)動(dòng)器17、4#伺服驅(qū)動(dòng)器18；

1#電機(jī)19、2#電機(jī)20、3#電機(jī)21、4#電機(jī)22；

龍門大車31、鋼板32、放料臺(tái)33。

第一切割槍X1、第二切割槍X2；

第一導(dǎo)向軌Y1、第二導(dǎo)向軌Y2。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本實(shí)用新型的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

如圖1所示，本實(shí)施例的基于激光測(cè)距傳感器的鋼板邊緣掃描及切割控制系統(tǒng)。該鋼板邊緣掃描及切割控制系統(tǒng)包括第一激光測(cè)距傳感器11、第二激光測(cè)距傳感器12、上位機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)13、多軸運(yùn)動(dòng)控制器14、1#伺服驅(qū)動(dòng)器15、1#電機(jī)19、2#伺服驅(qū)動(dòng)器16、2#電機(jī)20、3#伺服驅(qū)動(dòng)器17、3#電機(jī)21、4#伺服驅(qū)動(dòng)器18和4#電機(jī)22。

第一激光測(cè)距傳感器11與多軸運(yùn)動(dòng)控制器14連接，第二激光測(cè)距傳感器12與多軸運(yùn)動(dòng)控制器14連接。上位機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)13與多軸運(yùn)動(dòng)控制器14通過Ethernet通訊連接。多軸運(yùn)動(dòng)控制器14設(shè)有反饋控制模塊。1#電機(jī)19用于驅(qū)動(dòng)龍門大車31沿Y軸移動(dòng)，1#電機(jī)19與1#伺服驅(qū)動(dòng)器15連接，1#伺服驅(qū)動(dòng)器15與反饋控制模塊連接，2#電機(jī)20與2#伺服驅(qū)動(dòng)器16連接，2#伺服驅(qū)動(dòng)器16與1#伺服驅(qū)動(dòng)器15連接。3#電機(jī)21用于驅(qū)動(dòng)第一切割槍X1在龍門大車31上沿X軸移動(dòng)，3#電機(jī)21與3#伺服驅(qū)動(dòng)器17連接，3#伺服驅(qū)動(dòng)器17與反饋控制模塊連接。4#電機(jī)22用于驅(qū)動(dòng)第二切割槍X2在龍門大車31上沿X軸移動(dòng)，4#電機(jī)22與4#伺服驅(qū)動(dòng)器18連接，4#伺服驅(qū)動(dòng)器18與反饋控制模塊連接。

如圖2所示，龍門式火焰等離子切割機(jī)切割鋼板的結(jié)構(gòu)示意圖。龍門式火焰等離子切割機(jī)包括龍門大車31、第一導(dǎo)向軌Y1和第二導(dǎo)向軌Y2，龍門大車31的兩端分別安裝于第一導(dǎo)向軌Y1和第二導(dǎo)向軌Y2，1#電機(jī)19和2#電機(jī)20驅(qū)動(dòng)龍門大車31沿第一導(dǎo)向軌Y1和第二導(dǎo)向軌Y2移動(dòng)，即沿Y軸移動(dòng)。龍門大車31上安裝有第一切割槍X1、第二切割槍X2，第一切割槍X1、第二切割槍X2上分別固定有第一激光測(cè)距傳感器11、第二激光測(cè)距傳感器12，3#電機(jī)21和4#電機(jī)22分別驅(qū)動(dòng)第一切割槍X1、第二切割槍X2在龍門大車31上移動(dòng)，即沿X軸移動(dòng)。龍門大車31下方安裝有由三角形支柱陣列組成的放料臺(tái)33，放料臺(tái)33的臺(tái)面與地面的高度約為300-200mm，該放料臺(tái)33上放置有一塊鋼板32。

下面對(duì)本實(shí)用新型的鋼板邊緣掃描及切割控制系統(tǒng)的工作原理作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

以第一切割槍X1為例：放料臺(tái)33上的鋼板32的邊緣和地面有一定高度差，如果第一切割槍X1沿X軸方向來回移動(dòng)，可以使得第一切割槍X1上的第一激光測(cè)距傳感器11發(fā)射出的光束在地面和鋼板32上面交替運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使得第一激光測(cè)距傳感器11可以在鋼板32的邊緣讀取到不同的距離返回值。顯然，當(dāng)?shù)谝患す鉁y(cè)距傳感器11在鋼板32正上方時(shí)讀取的距離值要比在地面正上方時(shí)讀取的值小，如此可以知道第一激光測(cè)距傳感器11在鋼板32邊緣處會(huì)檢測(cè)到一個(gè)距離突變值。如果龍門大車31也在Y軸方向行走，容易知道第一切割槍X1的合速度軌跡即是沿著鋼板32邊緣的鋸齒形，每當(dāng)?shù)谝磺懈顦孹1走到鋼板32邊緣時(shí)，第一激光測(cè)距傳感器11可以檢測(cè)到一次距離突變，記錄下該時(shí)刻龍門大車31和第一切割槍X1的坐標(biāo)，待龍門大車31從鋼板32一頭走到另一頭完畢后，可以得到一系列在距離突變時(shí)刻記錄下的若干點(diǎn)的坐標(biāo)，形成XY方向坐標(biāo)值序列。如圖3所示，如果兩把切割槍同時(shí)沿鋼板32邊緣來回行走，便可以得到鋼板32左右兩邊在距離突變時(shí)刻記錄下的點(diǎn)坐標(biāo)序列。

多軸運(yùn)動(dòng)控制器14可以采集由驅(qū)動(dòng)器反饋回來的編碼器位置值，多軸運(yùn)動(dòng)控制器14特有的硬件位置注冊(cè)功能可以在激光傳感器檢測(cè)到距離突變時(shí)，觸發(fā)多軸運(yùn)動(dòng)控制器14的位置記錄功能，實(shí)時(shí)讀取龍門大車31及第一切割槍X1和第二切割槍X2的位置。

鋼板邊緣掃描及切割控制系統(tǒng)的工作原理：

第一激光測(cè)距傳感器11、第二激光測(cè)距傳感器12分別掃描鋼板32的左右邊緣，當(dāng)掃描到鋼板32的左右邊緣時(shí)，觸發(fā)多軸運(yùn)動(dòng)控制器14的硬件位置注冊(cè)功能，多軸運(yùn)動(dòng)控制器14的反饋控制模塊即刻從1#伺服驅(qū)動(dòng)器15、3#伺服驅(qū)動(dòng)器17和4#伺服驅(qū)動(dòng)器18讀取此刻1#電機(jī)19、3#電機(jī)21、4#電機(jī)22三個(gè)電機(jī)的編碼器位置，由于多軸運(yùn)動(dòng)控制器14的實(shí)時(shí)性強(qiáng)，硬件位置注冊(cè)功能不存在軟件處理的過程，因此保證了邊緣點(diǎn)記錄坐標(biāo)值的精度。掃描結(jié)束后得到鋼板32左右邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)序列，上位機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)13獲取左右邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)序列，通過上位機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)13的軟件的擬合套料算法，迅速生成擬合矩形的邊線的路徑點(diǎn)坐標(biāo)即待切割矩形的邊線的路徑點(diǎn)坐標(biāo)，并反饋給多軸運(yùn)動(dòng)控制器14，隨即開始切割工藝。

擬合套料算法采用符合鋼板32切割工藝的最大內(nèi)接矩形算法，簡(jiǎn)潔且處理迅速。最大內(nèi)接矩形算法舉例如下：

參照?qǐng)D4，由軋鋼機(jī)生產(chǎn)出來的鋼板32一般為類橢圓形或者類矩形，外形比較規(guī)則。先由第一激光測(cè)距傳感器11、第二激光測(cè)距傳感器12掃描得到鋼板32的左右邊緣散列點(diǎn)序列。參照?qǐng)D5，以左側(cè)散列點(diǎn)的起始點(diǎn)P2以及末尾點(diǎn)P1作一條直線L1，同樣以右側(cè)散列點(diǎn)的起始點(diǎn)P3以及末尾點(diǎn)P4作一條直線L2，可以看到左右兩側(cè)的直線斜率并不相同，L1的斜率為α1＝85°，L2的斜率為α2＝89°。取L1和L2斜率的平均值α3＝87°，并以此平均斜率沿坐標(biāo)系原點(diǎn)做一條直線L3。計(jì)算出左側(cè)邊緣散列點(diǎn)離直線L3距離最遠(yuǎn)的點(diǎn)P1以及右側(cè)邊緣散列點(diǎn)離直線L3距離最近的點(diǎn)P3，并以斜率α3分別過點(diǎn)P1和P3做直線L1＂以及L2＂，由此得到擬合矩形的左右邊線L1＂和L2＂，上述L1＂和L2＂也可以由查找以α3＝87°為斜率的直線群中兩條分別過左、右側(cè)散列點(diǎn)且平行距離最小的直線獲得。這樣擬合出的矩形的左右邊線可以保證擬合出的最終矩形不會(huì)將左右邊緣散列點(diǎn)包括在擬合矩形內(nèi)，即使最終沿該擬合矩形邊緣切割時(shí)也能得到一個(gè)完整的矩形鋼板。

圖6給出了待切割矩形的上下邊線的生成過程示意圖。生成過程為：作一條正交于L1＂及L2＂的直線，使得該直線經(jīng)過左右兩側(cè)散列點(diǎn)中Y坐標(biāo)最大的點(diǎn)，即P1點(diǎn)，隨后平移該條直線，直至該直線經(jīng)過P1點(diǎn)所在側(cè)的另一側(cè)散列點(diǎn)序列中Y坐標(biāo)最大的點(diǎn)，即P3點(diǎn)，從而得到直線L3，該直線L3即為擬合矩形的上邊。類似的，再作一條正交于L1＂及L2＂的直線，使得該直線經(jīng)過左右兩側(cè)散列點(diǎn)中Y坐標(biāo)最小的點(diǎn)，即P4點(diǎn)，隨后平移該條直線，直至該直線經(jīng)過P4所在側(cè)的另一側(cè)散列點(diǎn)序列中Y坐標(biāo)最小的點(diǎn)，即P2點(diǎn)，從而得到直線L4，該直線即為擬合矩形的下邊。這樣擬合矩形的上下邊可以保證擬合出的最終矩形不會(huì)將左右邊緣散列點(diǎn)包括在擬合矩形內(nèi)，即即使最終沿該擬合矩形邊緣切割時(shí)也能得到一個(gè)完整的矩形鋼板。

至此，由上述算法可以容易的得到由L1＂、L2＂、L3及L4四條邊組成的鋼板邊緣散列點(diǎn)的擬合矩形，即待切割矩形。該算法的核心在于從左右兩側(cè)散列點(diǎn)獲得兩條擬合直線，取得這兩條擬合直線斜率的平均值，以該平均值為斜率的直線群中取得穿過左右兩側(cè)散列點(diǎn)的平行線里距離最近的兩條直線作為擬合矩形的左右邊線，簡(jiǎn)稱為“左右平均斜率平行最小距離取邊法”。

本實(shí)用新型的鋼板邊緣掃描及切割控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：

1.在不改變現(xiàn)有的龍門式火焰等離子切割機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加兩路激光測(cè)距傳感器完成鋼板左右兩邊的邊緣掃描工作；

2.利用多軸運(yùn)動(dòng)控制器的硬件位置注冊(cè)功能實(shí)時(shí)記錄伺服編碼器的位置值，記錄坐標(biāo)值的精度高；

3.利用上位機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與多軸運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)的功能：(1)對(duì)左右兩組邊緣坐標(biāo)序列進(jìn)行曲線擬合，計(jì)算出最大內(nèi)接矩形的路徑；(2)對(duì)計(jì)算出的最大內(nèi)接矩形進(jìn)行套料分割，生成需要分割的矩形的切割路徑；(3)不間斷或間斷式的自動(dòng)切割。

4.采用“左右平均斜率平行最小距離取邊法”獲取擬合矩形的左右邊線。

以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。