CN113369716A - 一种数控激光切管机及其环切方法 - Google Patents

一种数控激光切管机及其环切方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种数控激光切管机以及一种数控激光切管机的环切方法。包括定位环、切割环、控制模块、输入模块以及夹持、平移气缸结构。通过设置激光定位、激光测距传感器，对切管机切割环的角度进行定位，并对刀座的初始位置进行校正，保证了刀具在环切坡口角度时，刀具始终与管道接触，由此提高切割精度。同时，通过数控控制模块，在仅输入切口角度和管道直径的条件下，智能生成对应的轨迹修正数控模型，通过旋转驱动结构旋转驱动模型、径向进给电机进给驱动模型以及高频直线往复电机轨迹修正模型自动对环切过程进行自动化控制。

Description

一种数控激光切管机及其环切方法
技术领域
本发明涉及一种管道切割设备，尤其涉及一种数控激光切管机及其使用方法。
背景技术
现有切管机大多是采用锯片方式由上至下对管体进行多角度切除，但针对大直径大壁厚的大型管道，无法放置于传统的切管机进行切除。现有技术中，采用环切的方式，将可绕管道旋转的框架式切管设备固定于管道上，通过刀架绕管道的旋转以及刀具沿管道径向的逐渐进给，最终将管道环切。
在采用环切式切管机进行呈一定角度的管道坡口切割时，由于切管机框架的限制，对于某些大角度的坡口切除，必须对框架进行绝对空间坐标系内的X轴和Y轴的转动。而在进行该模式的转动后，最终管道切割的截面是一个椭圆截面，并且该椭圆截面的正交轴所建立的相对原切管机激光定位的绝对空间坐标系进行了偏离，而刀具环切的轨迹又是以绝对空间坐标系为基础的圆形。由此导致刀具在进行环切时，刀具对管道的切割是不均匀的，每环切一圈至少发生两次刀具的切割和脱离，此种工况导致刀具始终处于应力交替中，降低了刀具的使用寿命。由于刀具的反复脱离和接触管道，也使得切割轨迹不连续，更降低了环切的切割精度。
基于以上技术问题，需要设计一种可以对刀具轨迹进行修正的数控激光切管机，并基于该数控激光切管机，建立切管机环切参数模型，以保证刀具在环切坡口角度时，刀具始终与管道接触，由此提高切割精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以对刀具轨迹进行修正的数控激光切管机，并基于该数控激光切管机，建立切管机环切参数模型，以保证刀具在环切坡口角度时，刀具始终与管道接触，由此提高切割精度。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：。
一种数控激光切管机，包括：
定位环、切割环、控制模块以及输入模块；
在定位环一侧的端面上，沿圆周方向均布固定有三个伸缩夹持气缸，通过三个三个伸缩夹持气缸，将管定位环固定在不同外径尺寸的管道的外周上；
在定位环的另一侧的端面上，沿圆周方向均布有三个伸缩平移气缸，在三个伸缩平移气缸的伸缩杆部的自由端，设置有球头连接结构，切割环通过所述三个球头连接结构与伸缩平移气缸连接，从而将定位环与切割环连接；
在切割环上设置有刀座，刀座安装有朝向切割环径向内部的刀具；
刀座上设置有旋转驱动结构以及径向进给电机，其特征在于：
在切割环内圈表面上，对应三个伸缩平移气缸的位置处，分别设置有激光传感器，所述激光传感器可以实现对切割环平面位置的检测与标定，在刀座朝向管道侧的表面上，还设置有激光测距传感器，所述激光测距传感器一方面可以检测刀座与管道表面的径向距离，一方面可以检测刀座的空间位置，在刀具与刀座之间，还安装有高频直线电机，所述高频直线电机可以驱动刀具沿切割环径向方向高频往复运动，进而修正刀具的环切轨迹；
控制模块与激光传感器、激光测距传感器、高频直线电机、径向进给电机以及旋转驱动结构电性连接。
所述环切方法用于刀具轨迹修正，具体包括如下步骤：
步骤一：切割环角度定位；
步骤二：刀座在切割环上进行初始位置校正；
步骤三：生成环切参数模型。
所述切割环角度定位具体包括以下步骤：
步骤一：控制三个伸缩夹持气缸具有同样的伸出率，并保证对管道的夹持；
步骤二：控制三个伸缩平移气缸具有同样的伸缩率；
步骤三：控制模块测量三个激光传感器的空间位置，建立空间直角坐标系，定义此时切割环所处平面位置为基准平面；
步骤四：通过输入模块输入管道切割角度θ、管道P的半径R；
步骤五：控制模块通过切割角度θ、半径R计算三个伸缩平移气缸的伸缩率，进而控制伸缩平移气缸运动，最终调节切割环转动至与基准平面呈角度θ的位置；控制模块记录此时切割环上三个激光传感器的空间位置，定义此时三个激光传感器所建立的平面为切割平面；
步骤六：旋转驱动结构驱动刀座转动至初始位置。
所述切割环角度定位步骤三种所述空间直角坐标系以三个激光传感器所定位的切割环平面为XOY 平面，以穿过其中一个激光传感器的切割环径向方向为X轴，以垂直于基准平面方向为Z轴，以切割环中心点为原点O点。
所述切割环角度定位步骤六中旋转驱动结构驱动刀座转动至初始位置具体的控制方式为实时监测刀座上的激光测距传感器的在所建立的空间直角坐标系中的实时坐标位置，直至其Y轴坐标Y＝0，即为刀座到达初始位置。
所述初始位置校正具体包括以下步骤：
步骤一：通过旋转驱动结构驱动刀座旋转一周，通过激光测距传感器，测量刀座与管道外周的间距ΔS，得到扫描轨迹曲线ΔS(t)；
步骤二：控制模块记录扫描轨迹曲线ΔS(t)第一个波谷值ΔSL以及该波谷值ΔSL对应的时刻tL。
步骤三：控制模块计算刀座位置校正角度；
步骤四：通过旋转驱动结构驱动刀座旋转角度θ校至校正后初始位置；
步骤五：建立刀具轨迹修正坐标系。
所述初始位置校正步骤一中刀座旋转的角速度ω为定值，为扫描速度，且所述扫描轨迹曲线为一条具有两个波谷ΔSL和两个波峰ΔST的波形曲线。
所述初始位置校正步骤三中刀座位置校正角度计算公式为θ校＝ωtL。
所述初始位置校正步骤五中以椭圆轨迹的长轴为Y′轴，短轴为X′轴，建立刀具轨迹修正坐标系X ′OY′，校正后初始位置位于Y′轴上。
所述环切参数模型具体包括：
旋转驱动结构旋转驱动模型、径向进给电机进给驱动模型以及高频直线往复电机轨迹修正模型；
其中高频直线往复电机轨迹修正模型：
Figure RE-GDA0003180693440000031
其中：ΔU(θ)表示高频直线电机的位移量，是关于刀座旋转角度θ的函数；a表示椭圆轨迹的长轴， b表示椭圆轨迹的短轴；
椭圆轨迹的长轴a＝R+ΔST-ΔSL，椭圆轨迹的短轴b＝R。
本发明的有益效果是:
1、在刀座与刀具之间设置高频直线往复电机，用于对呈角度的管道坡口截面的刀具轨迹进行修正；
2、刀具轨迹的修正首先完成切割环角度的定位，然后完成刀座在切割环上的初始位置校正，最后生成环切参数模型，切管机的旋转驱动结构、径向进给电机以及高频直线往复电机根据环切参数模型生成的参数运行，以控制刀具完成对管道的环切；
3、在调整切割环至对应角度位置后，旋转驱动结构驱动刀座转动至初始位置。其具体的控制方式为实时监测刀座的激光测距传感器的在所建立的空间直角坐标系中的实时坐标位置，直至其Y轴坐标 Y＝0，即为刀座到达初始位置，并且到达初始位置后，对刀座的初始位置进行校正，使其初始位置准确位于椭圆轨迹的长短轴端点上，由此保证刀具从最小切削深度处开始切削，延长了刀具的使用寿命，同时提高了管道的切削精度；
4、为了保证对椭圆切割轨迹的准确拟合，采用直接测量的方式实现初始位置的校正。在刀座上设置激光距离传感器，通过旋转驱动结构驱动刀座旋转一周，通过激光测距传感器测量刀座与管道外周的间距，通过测量的距离波形曲线，以及旋转扫描的角速度，共同确定了校正的目标角度值，提高了校正的精度和校正的适应性；
5、为了保证刀具能够随着刀座的圆周运动同步贴合椭圆形的切割轨迹，建立了高频直线往复电机轨迹修正模型，该模型是关于刀座旋转角度θ的函数，由此可以通过刀座在切割环上旋转，同步通过高频直线往复电机拟合椭圆形的轨迹，保证了刀具在环切坡口角度时，刀具始终与管道接触，由此提高切割精度；
6、通过数控控制模块，在仅输入切口角度和管道直径的条件下，智能生成对应的轨迹修正数控模型，通过旋转驱动结构旋转驱动模型、径向进给电机进给驱动模型以及高频直线往复电机轨迹修正模型自动对环切过程进行自动化控制。
附图说明
图1是本发明切管机结构示意图；
图2是图1中的A-A剖视图；
图3是图1中的B-B剖视图；
图4是图1中的C-C剖视图；
图5是本发明刀具轨迹修正流程图；
图6是切割环角度定位的具体步骤流程图；
图7是切割环角度定位后结构示意图；
图8是初始位置校正的流程图；
图9是扫描轨迹曲线ΔS(t)示意图；
图10是切割平面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-4所示，为本发明实施例数控激光切管机结构示意图。其包括：定位环1与切割环3，定位环1与切割环3均呈环形框架结构。
在定位环1一侧的端面上，沿圆周方向均布固定有三个伸缩夹持气缸2，三个伸缩夹持气缸2具有缸体部以及伸缩杆部，其中缸体部沿定位环1的径向方向固定安装于定位环1的端面上，该安装方式包括但不限于螺栓、焊接等固定方式。在伸缩夹持气缸2的伸缩杆部的自由端，设置有夹板。三个均布的伸缩夹持气缸2通过伸缩杆部的移动，最终使夹板与管道P的外周接触压紧，通过三个夹板，将管定位环1固定在不同外径尺寸的管道P的外周上。
在定位环1的另一侧的端面上，沿圆周方向均布有三个伸缩平移气缸4，三个伸缩平移气缸4具有缸体部以及伸缩杆部，其中伸缩平移气缸4的缸体部沿定位环1端面的垂直方向铰接固定安装于定位环 1的端面上。在三个伸缩平移气缸4的伸缩杆部的自由端，设置有球头连接结构。切割环3通过该三个球头连接结构与伸缩平移气缸4连接，从而将定位环1与切割环3连接。通过三个伸缩平移气缸4的移动，可调节切割环3与管道P的角度，实现不同坡口角度的切割。
在切割环3上，设置有刀座5，刀座5安装有朝向切割环3径向内部的刀具7。刀座5通过设置于切割环3内的旋转驱动结构(未示出)，可以沿切割环3旋转，绕着管道P的外周进行旋转运动。同时，刀座5上设置有径向进给电机，径向进给电机可以驱动刀座5在沿切割环3周向旋转的同时进行沿切割环3径向的进给。通过旋转驱动结构以及径向进给电机的运动，实现刀座5上刀具7对管道外周的环向切削，最终完成管道的切割工作。如图4所示，在切割环3内圈表面上，对应三个伸缩平移气缸4的位置处，分别设置有激光传感器9，三个激光传感器9可以实现对切割环3平面位置的检测与标定。如图 1、4所示，在刀座5朝向管道P侧的表面上，还设置有激光测距传感器8，该激光测距传感器8一方面可以检测刀座5与管道P表面的径向距离，一方面可以检测刀座5的空间位置，用于对刀座5的位置进行控制。
在刀具7与刀座5之间，还安装有高频直线电机6。该高频直线电机6可以驱动刀具7沿切割环3 径向方向高频往复运动，进而修正刀具7的环切轨迹。此外，还包括有用于与激光传感器9、激光测距传感器8、高频直线电机6、径向进给电机以及旋转驱动结构电性连接的控制模块、触控的参数输入模块等辅助模块。
下面，对刀具轨迹修正的方式进行阐述。
如图5所示为本发明的刀具轨迹修正流程图。刀具轨迹的修正首先完成切割环3角度的定位，然后完成刀座5在切割环3上的初始位置校正，最后生成环切参数模型，切管机的旋转驱动结构、径向进给电机以及高频直线往复电机根据环切参数模型生成的参数运行，以控制刀具7完成对管道P的环切。
如图6所示，为切割环角度定位的具体步骤。切割环角度定位的具体步骤如下：
步骤一：控制三个伸缩夹持气缸2具有同样的伸出率，并保证对管道的夹持。由此保证定位环1定位切管机的中轴线与管道P的中轴线重合，同时通过控制三个伸缩夹持气缸2的伸出率一致，也保证了定位环1所在平面与管道P中轴线垂直。
步骤二：控制三个伸缩平移气缸4具有同样的伸缩率。该步骤保证了切割环3与定位环1的平行，以及切割环3与管道P中轴线的垂直。
步骤三：控制模块测量三个激光传感器9的空间位置，建立空间直角坐标系，定义此时切割环3所处平面位置为基准平面。该空间直角坐标系以三个激光传感器9所定位的切割环平面为XOY平面，以穿过其中一个激光传感器9的切割环径向方向为X轴，以垂直于基准平面方向为Z轴，以切割环3中心点为原点O点。
步骤四：通过输入模块输入管道切割角度θ、管道P的半径R。
步骤五：控制模块通过切割角度θ、半径R计算三个伸缩平移气缸的伸缩率，进而控制伸缩平移气缸运动，最终调节切割环3转动至与基准平面呈角度θ的位置。控制模块记录此时切割环3上三个激光传感器9的空间位置，定义此时三个激光传感器9所建立的平面为切割平面。
步骤六：旋转驱动结构驱动刀座5转动至初始位置。其具体的控制方式为实时监测刀座5上的激光测距传感器8的在所建立的空间直角坐标系中的实时坐标位置，直至其Y轴坐标Y＝0，即为刀座5到达初始位置。
如图7所示，为经过切割环角度定位后的刀座5位于初始位置的示意图，显示了空间直角坐标系的位置、基准平面10、切割平面11、初始位置12、校正后初始位置13的相互关系。图10为图7中的切割平面俯视图，从中可以看出，经角度调节后，切割平面相对于管道P所形成的切割轮廓为一椭圆形。而由于切割环3相对于管道P的尺寸限制、相对位置限制以及安装切管机至管道上的位置随机性，并不能保证经角度调整后，该椭圆形的切割轮廓的椭圆长轴、短轴与X轴、Y轴重合，无法直接得到该椭圆形切割轮廓的模型，且刀座此时位于初始位置，并不位于椭圆轨迹的长短轴端，不方便高频直线往复电机对刀座5的控制。因此，需要对刀座5的初始位置进行校正，使其初始位置准确位于椭圆轨迹的长短轴端点上。
如图8所示，为初始位置校正的流程图。为了保证对椭圆切割轨迹的准确拟合，采用直接测量的方式实现初始位置的校正。具体包括以下步骤：
步骤一：通过旋转驱动结构驱动刀座5旋转一周，通过激光测距传感器8，测量刀座5与管道外周的间距ΔS，得到扫描轨迹曲线ΔS(t)。刀座5旋转的角速度ω为定值，为扫描速度。如图9、10为一组示例性的扫描轨迹曲线和刀座运动示意图。由于刀座5运动轨迹为切割环3所定义的圆形，由于切割环角度的调整，此时所形成的扫描轨迹曲线为一条具有两个波谷ΔSL和两个波峰ΔST的波形曲线。
步骤二：控制模块记录扫描轨迹曲线ΔS(t)第一个波谷值ΔSL以及该波谷值ΔSL对应的时刻tL。
步骤三：控制模块计算刀座位置校正角度。计算公式为θ校＝ωtL。
步骤四：通过旋转驱动结构驱动刀座5旋转角度θ校至校正后初始位置。
步骤五：建立刀具轨迹修正坐标系。如图10所示，以椭圆轨迹的长轴为Y′轴，短轴为X′轴，建立刀具轨迹修正坐标系X′OY′，校正后初始位置位于Y′上。完成刀座5初始位置的校正。
最后，阐述环切参数模型的建立。
环切参数模型包括旋转驱动结构旋转驱动模型、径向进给电机进给驱动模型以及高频直线往复电机轨迹修正模型。
其中，旋转驱动模型主要关注刀座5绕在切割环上的旋转角速度，进给驱动模型主要关注进给量以及进给速度，均属于现有技术。本申请主要关注高频直线往复电机轨迹修正模型的建立。
由于切割环3与管道呈角度，且刀座的初始位置被校正至椭圆切割轨迹的长轴端点位置。在刀座未径向进给的条件下，为了保证刀具7能够随着刀座5的圆周运动同步贴合椭圆形的切割轨迹，需要安装于刀座上的高频直线往复电机驱动刀具7相对刀座5进行径向的位移调整，建立高频直线往复电机轨迹修正模型：
Figure RE-GDA0003180693440000071
其中：ΔU(θ)表示高频直线电机的位移量，是关于刀座旋转角度θ的函数；a表示椭圆轨迹的长轴， b表示椭圆轨迹的短轴。
根据始位置校正的测量，椭圆轨迹的长轴a＝R+ΔST-ΔSL，椭圆轨迹的短轴b＝R。
由此，得到高频直线往复电机轨迹修正模型。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种数控激光切管机，包括：
定位环、切割环、控制模块以及输入模块；
在定位环一侧的端面上，沿圆周方向均布固定有三个伸缩夹持气缸，通过三个三个伸缩夹持气缸，将管定位环固定在不同外径尺寸的管道的外周上；
在定位环的另一侧的端面上，沿圆周方向均布有三个伸缩平移气缸，在三个伸缩平移气缸的伸缩杆部的自由端，设置有球头连接结构，切割环通过所述三个球头连接结构与伸缩平移气缸连接，从而将定位环与切割环连接；
在切割环上设置有刀座，刀座安装有朝向切割环径向内部的刀具；
刀座上设置有旋转驱动结构以及径向进给电机，其特征在于：
在切割环内圈表面上，对应三个伸缩平移气缸的位置处，分别设置有激光传感器，所述激光传感器可以实现对切割环平面位置的检测与标定，在刀座朝向管道侧的表面上，还设置有激光测距传感器，所述激光测距传感器一方面可以检测刀座与管道表面的径向距离，一方面可以检测刀座的空间位置，在刀具与刀座之间，还安装有高频直线电机，所述高频直线电机可以驱动刀具沿切割环径向方向高频往复运动，进而修正刀具的环切轨迹；
控制模块与激光传感器、激光测距传感器、高频直线电机、径向进给电机以及旋转驱动结构电性连接。
2.一种数控激光切管机的环切方法，其采用如权利要求1所述的数控激光切管机，其特征是：所述环切方法用于刀具轨迹修正，具体包括如下步骤：
步骤一：切割环角度定位；
步骤二：刀座在切割环上进行初始位置校正；
步骤三：生成环切参数模型。
3.如权利要求2所述的一种数控激光切管机的环切方法，其特征在于：所述切割环角度定位具体包括以下步骤：
步骤一：控制三个伸缩夹持气缸具有同样的伸出率，并保证对管道的夹持；
步骤二：控制三个伸缩平移气缸具有同样的伸缩率；
步骤三：控制模块测量三个激光传感器的空间位置，建立空间直角坐标系，定义此时切割环所处平面位置为基准平面；
步骤四：通过输入模块输入管道切割角度θ、管道P的半径R；
步骤五：控制模块通过切割角度θ、半径R计算三个伸缩平移气缸的伸缩率，进而控制伸缩平移气缸运动，最终调节切割环转动至与基准平面呈角度θ的位置；控制模块记录此时切割环上三个激光传感器的空间位置，定义此时三个激光传感器所建立的平面为切割平面；
步骤六：旋转驱动结构驱动刀座转动至初始位置。
4.如权利要求3所述的一种数控激光切管机的环切方法，其特征在于：所述切割环角度定位步骤三种所述空间直角坐标系以三个激光传感器所定位的切割环平面为XOY平面，以穿过其中一个激光传感器的切割环径向方向为X轴，以垂直于基准平面方向为Z轴，以切割环中心点为原点O点。
5.如权利要求3所述的一种数控激光切管机的环切方法，其特征在于：所述切割环角度定位步骤六中旋转驱动结构驱动刀座转动至初始位置具体的控制方式为实时监测刀座上的激光测距传感器的在所建立的空间直角坐标系中的实时坐标位置，直至其Y轴坐标Y＝0，即为刀座到达初始位置。
6.如权利要求2所述的一种数控激光切管机的环切方法，其特征在于：所述初始位置校正具体包括以下步骤：
步骤一：通过旋转驱动结构驱动刀座旋转一周，通过激光测距传感器，测量刀座与管道外周的间距ΔS，得到扫描轨迹曲线ΔS(t)；
步骤二：控制模块记录扫描轨迹曲线ΔS(t)第一个波谷值ΔSL以及该波谷值ΔSL对应的时刻tL。
步骤三：控制模块计算刀座位置校正角度；
步骤四：通过旋转驱动结构驱动刀座5旋转角度θ校至校正后初始位置；
步骤五：建立刀具轨迹修正坐标系。
7.如权利要求6所述的一种数控激光切管机的环切方法，其特征在于：所述初始位置校正步骤一中刀座旋转的角速度ω为定值，为扫描速度，且所述扫描轨迹曲线为一条具有两个波谷ΔSL和两个波峰ΔST的波形曲线。
8.如权利要求6所述的一种数控激光切管机的环切方法，其特征在于：所述初始位置校正步骤三中刀座位置校正角度计算公式为θ校＝ωtL。
9.如权利要求6所述的一种数控激光切管机的环切方法，其特征在于：所述初始位置校正步骤五中以椭圆轨迹的长轴为Y′轴，短轴为X′轴，建立刀具轨迹修正坐标系X′OY′，校正后初始位置位于Y′轴上。
10.如权利要求2所述的一种数控激光切管机的环切方法，其特征在于：所述环切参数模型具体包括：
旋转驱动结构旋转驱动模型、径向进给电机进给驱动模型以及高频直线往复电机轨迹修正模型；
其中高频直线往复电机轨迹修正模型：
Figure FDA0003146199810000031
其中：ΔU(θ)表示高频直线电机的位移量，是关于刀座旋转角度θ的函数；a表示椭圆轨迹的长轴，b表示椭圆轨迹的短轴；
椭圆轨迹的长轴a＝R+ΔST-ΔSL，椭圆轨迹的短轴b＝R。
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