CN101664844B - 七轴数控管道相贯线切割机 - Google Patents

Abstract

一种数控切割技术领域的七轴数控管道相贯线切割机，包括：底座、割枪机体、摩擦轮装置、移动装置、转动装置、摆动装置、割矩座和椭圆度补偿机构，其中：摩擦轮装置与底座连接，割枪机体活动设置于底座上，移动装置、转动装置和摆动装置分别活动设置于割枪机体上，割矩座固定设置于割枪机体的输出末端，椭圆度补偿机构固定设置于割枪机体上。本发明可适应多种加工任务需求，确保切割质量和切割精度，提高效率，节省材料，具有良好的经济效益和社会效益。

Description

七轴数控管道相贯线切割机

技术领域

本发明涉及的是一种数控切割技术领域的装置，具体是一种用于各种复杂管道相贯线的七轴数控管道相贯线切割机。

背景技术

数控管道相贯线切割机主要应用于管道相贯线的切割。管道相贯线切割在电力、水利、供水、石油、化工、冶金、建筑等行业中具有广泛的应用，用于钢管管道和钢管网架中管道的相贯线切割。数控管道相贯线切割机可加工多种钢管管道相贯的样式，功能齐全，使用简便，实现了复杂相贯线高精度高效率的加工，可以保证钢管结合处的加工质量，能适应连续的大批量多种类生产，具有良好的发展前景和推广价值。

但是，现在大部分企业在切割加工钢管管道时仍使用传统的手工工艺，即工人通过相贯线模板手工划线，然后手持割炬进行切割，工艺过程相当的繁琐，生产效率低，加工精度也得不到保障。即使有一些相贯线切割的机械设备已经问世，但是技术并不成熟，使用不便。而且一旦设备设计完成，投入市场，其功能和结构往往不能再改变，面向的加工任务仅限于机床设计前期预设好的加工任务范围之内，对于超出加工范围的加工任务束手无策，其适应度比较差。

经对现有的检索发现，申请号200720024602.6的实用新型申请提出了一种便携式管道相贯线切割装置，该装置是一种二轴的相贯线切割机，功能单一，只能完成最简单形式的相贯线切割加工，不能满足要有剖口的切割加工要求，也不能满足偏心相交形式的相贯线切割。同时，该技术方案中，没有涉及到圆管圆度不理想时对椭圆度的管道相贯线切割方法；另外，此机械设备装置也不能切割加工方管管道相贯线。

经进一步检索，申请号200720093627.1的实用新型申请提出了一种相贯线切割机，采用六轴联动控制，切割结合部分型面开坡口的立体几何面自动切割面的相贯线切割机，机头部分的三轴行走是由左右行走的X轴电机、前后行走的Y轴电机控制的前后行走总成、上下行走的Z轴电机控制的上下行走总成、在上下行走总成上设置有旋转控制总成组成。该实用新型同样没有涉及到对于存在椭圆度圆管的切割加工方法。而且，该切割机床的夹具是三爪卡盘，对于管径比较大的管道相贯线切割加工，工件的设置比较繁琐。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种七轴数控管道相贯线切割机，根据不同的剖口要求，切割出有利于提高焊缝质量的剖口，使得焊接后的管道结构简洁流畅、节点受力性能好、承载能力高。该设备采用模块化设计，所以可根据不同的加工任务、加工工序和切割方式自动重构，完成模块配置和资源分配，通过对模块的调整以及各模块之间的协作顺序，灵活的应对生产任务的变化，是一种具有重构能力的新型数控相贯线切割机。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：底座、割枪机体、摩擦轮装置、移动装置、转动装置、摆动装置、割矩座和椭圆度补偿机构，其中：摩擦轮装置与底座连接，割枪机体活动设置于底座上，移动装置、转动装置和摆动装置分别活动设置于割枪机体上，割矩座固定设置于割枪机体的输出末端，椭圆度补偿机构固定设置于割枪机体上。

所述的摩擦轮装置包括：若干个摩擦轮组件、左支架和右支架，其中：左、右支架分别连接在底座以支撑摩擦轮组件，摩擦轮组件通过轴套连接设置于左支架和右支架上，相邻两个摩擦轮组件之间的传动轴由联轴器连。

所述的底座上设有平行直线导轨，所述的割枪机体活动设置于平行直线导轨上。

所述的移动装置包括：第一轴移动装置、第二轴移动装置、第三轴移动装置和第四轴移动装置，其中：第一轴移动装置设置于底座，第二轴移动装置设置于割枪机体，第三轴移动装置设置于第二轴移动装置，第四轴移动装置设置于割矩座。

所述的第一轴移动装置沿底座的左右两端的水平方向运动，该第一轴移动装置包括：第一移动伺服电机、第一移动减速器、第一齿轮、第一齿条和第一直线导轨，其中：第一移动伺服电机固定设置于割枪机体底部且第一移动伺服电机的输出端与设置于割枪机体的第一移动减速器的输入端连接，减速器的输出端连接第一齿轮并与设置于底座上的齿条啮合，第一直线导轨固定设置于底座上，割枪机体可沿第一直线导轨左右移动。

所述的第二轴移动装置沿割枪机体上下两端的垂直方向运动，该第二轴移动装置包括：第二移动伺服电机、第二丝杠、第二丝杠螺母、第二直线导轨和滑板，其中：在所述的割枪机体顶部，第二移动伺服电机的输出端与第二丝杠相连，第二丝杠与第二丝杠螺母配合，第二丝杠螺母与滑板固连，第二直线导轨垂直固定设置于割枪机体一侧，滑板可沿第二直线导轨上下移动。

所述的第三轴移动装置沿相对第二轴移动装置的前后方向运动，该第三轴移动装置包括：第三移动伺服电机、第三移动减速器、第三齿轮、第三齿条、第三直线导轨和横梁，其中：第三移动伺服电机的输出端与设置于上述滑板的第三移动减速器的输入端连接，减速器的输出端连接第三齿轮并与设置于横梁上的齿条啮合，第三直线导轨固定设置于横梁上，横梁可沿第三直线导轨方向前后移动。

所述的第四轴移动装置沿割矩座的上下两端的垂直方向运动，该第四轴移动装置包括：第四移动伺服电机、第四丝杠和第四丝杠螺母，其中：设置于割矩座的第四移动伺服电机的输出端与第四丝杠相连，丝杠与丝杠螺母配合，第四丝杠螺母与割枪固连，割枪可沿上下方向移动。

所述的摆动装置包括：轴向摆动装置和径向摆动装置，其中：轴向摆动装置设置于支架机构，径向摆动装置设置于第三轴移动装置的横梁。

所述的轴向摆动装置绕加工管件轴向平面的摆动方向运动，该轴向摆动装置包括：第一摆动伺服电机、第一摆动减速器、支架、连杆机构、第一摆动齿轮和第二摆动齿轮，其中：支架与回转头相连，设置于支架的第一摆动伺服电机的输出端与第一摆动减速器的输入端连接，减速器的输出端连接第一摆动齿轮并与设置于连杆机构的第二摆动齿轮啮合。

所述的径向摆动装置绕加工管件径向平面的摆动方向运动，该径向摆动装置包括：第二摆动伺服电机、第二摆动减速器、回转头、第一摆动齿轮和第二摆动齿轮，其中：设置于第三轴移动装置横梁的第一摆动伺服电机的输出端与第一摆动减速器的输入端连接，减速器的输出端连接第一摆动齿轮并与设置于回转头的第二摆动齿轮啮合。

所述的转动装置包括：第五轴移动装置，其中：第五轴移动装置设置于底座。

所述的第五轴移动装置驱动管件绕切割机中心轴回转运动，该第五轴移动装置包括：转动伺服电机和摩擦轮装置，其中：伺服电机固定设置于底座上并通过皮带轮与所述的摩擦轮装置的传动轴相连。

所述的割矩座用于放置割枪枪头，该设备既可采用火焰切割，也可采用等离子切割，割矩座用来设置火焰割枪枪头或等离子割枪枪头。

所述的椭圆度补偿机构，用来对存在椭圆度的管道切割进行调整。当开启椭圆度检测，系统开始采集钢管外径的离散数据，通过高度传感器，直接采样实际钢管外径的离散数据，这些数据同时送入DSP运算，将运算后的结果作为补偿量输出到第二轴移动装置中以调整剖口机构中心的高度，使剖口机构中心的位置修正至钢管管道的外壁，从而修正椭圆度对管道切割加工带来的影响。

本发明具体工作时，将工件置于摩擦轮上，伺服电机通过皮带轮和传动轴驱动摩擦轮转动，从而实现工件绕工件的轴线转动。伺服电机驱动力矩大，驱动精度高，可确保工件的转动。伺服电机通过齿轮齿条啮合驱动割枪机架沿直线导轨移动，使割枪枪头做沿底座的左右两端的水平方向的左右水平移动。伺服电机通过螺母丝杠驱动设置于割枪机体的滑板沿直线导轨上线垂直移动，调整割枪枪头与管道中心线的高度。伺服电机通过齿轮齿条驱动横梁沿直线导轨移动，使割枪枪头做沿相对第二轴移动装置的前后水平移动。轴向摆动装置和径向摆动装置组成一个连杆机构，实现前后左右的双摆功能。伺服电机通过齿轮齿条驱动第四轴移动装置，调整割枪枪头与工件外壁之间的距离。该设备有多根伺服轴组成，分别实现回转、左右、上下、前后、左右摆动、前后摆动、上下调高的自由度，对于圆度不理想的圆管，可进行椭圆度补偿进行修正。切割轨迹由着7各轴共同完成，用户可根据需要选择自动或者手动单独操作各轴运动。根据机床模块化设计的特点，用户还可以根据不同加工的需求，实现3轴到7轴的控制轴选择和配置。由于摩擦轮组件由联轴器连接，所以用户可根据工件的长短配置摩擦件的联结数，对于比较短的工件，拆除不需要的摩擦轮组件也减小浪费，对于比较长的工件，增加摩擦轮组件。通过增减摩擦轮数量，以适应不用加工任务的要求。

七轴数控管道相贯线切割机可实现的功能：切割各种管道相交类型的相贯线，可满足相交管道的轴线偏心的情况；能切割圆管与方管相贯的相贯线；能切割圆管与平面相贯形成的斜截端面；能切割圆管与弯管相交的相贯线；能切割“虾米节”相贯线；能在圆管上切割矩形孔和椭圆孔；能在方管上切割圆孔和开槽；能进行方管和圆管的截断；能切割“竹节管”相贯线；能切割空间管道相交的相贯线；能切割三重支管相贯线；能根据用户需要设置定剖口和变剖口。

与现有技术相比，本发明利用各个模块化的结构，通过增加、删减或者是置换模块的方法，实现设备部件的重构，改变设备的结构，从而调整设备的功能和生产能力以适应产品品种的变化或市场需求量的变化。使得用户用最经济的方案满足所需的生产能力和功能，大大减少了开发周期、降低了开发成本。该设备利用椭圆度检测装置，矫正椭圆度对相贯线切割轨迹带来的影响。利用本设备切割管道相贯线，可适应多种加工任务需求，确保切割质量和切割精度，提高效率，节省材料，具有良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的左视图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本实施例包括：底座1、割枪机体16、摩擦轮装置2、移动装置、转动装置53、摆动装置54、割矩座45和椭圆度补偿机构19，其中：摩擦轮装置2与底座1连接，割枪机体16活动设置于底座1上，移动装置、转动装置53和摆动装置54分别固定设置于割枪机体16上，割矩座7固定设置于割枪机体16的输出末端，椭圆度补偿机构19固定设置于割枪机体16上。

所述的摩擦轮装置2包括：若干个摩擦轮组件3、左支架7和右支架9，其中：左支架7和右支架9分别连接在底座1以支撑摩擦轮组件3，摩擦轮组件3通过轴套5连接设置于左支架7和右支架9上，相邻两个摩擦轮组件3之间的传动轴6由联轴器8连，伺服电机22固定设置于底座1上并通过皮带轮与摩擦轮组件3的传动轴相连带动摩擦轮组件3转动。

所述的底座1上设有平行直线导轨25，所述的割枪机体16活动设置于平行直线导轨25上。

所述的移动装置包括：第一轴移动装置、第二轴移动装置、第三轴移动装置和第四轴移动装置，其中：第一轴移动装置设置于底座1，第二轴移动装置设置于割枪机体16，第三轴移动装置设置于第二轴移动装置，第四轴移动装置设置于割矩座45。

所述的第一轴移动装置沿底座的左右两端的水平方向运动，该第一轴移动装置包括：第一移动伺服电机30、第一移动减速器29，第一齿轮27、第一齿条28和第一直线导轨25，其中：在所述的割枪机体底部，第一移动伺服电机30的输出端与设置于割枪机体的第一移动减速器29的输入端连接，减速器的输出端连接第一齿轮28并与设置于底座上的齿条28啮合，第一直线导轨25固定设置于底座上，割枪机体可沿第一直线导轨左右移动。

所述的第二轴移动装置沿割枪机体上下两端的垂直方向运动，该第二轴移动装置包括：第二移动伺服电机15、第二丝杠35、第二丝杠螺母36、第二直线导轨48和滑板37，其中：在所述的割枪机体16顶部，第二移动伺服电机15的输出端与丝杠35相连，丝杠35与丝杠螺母36配合，丝杠螺母36与滑板37固连，直线导轨48垂直固定设置于割枪机体一侧，滑板37可沿直线导轨48上下移动。

所述的第三轴移动装置沿相对第二轴移动装置的前后方向运动，该第三轴移动装置包括：第三移动伺服电机34、第三移动减速器33、第三齿轮47、第三齿条46、第三直线导轨32和横梁31，其中：第三移动伺服电机34的输出端与设置于上述滑板的第三移动减速器33的输入端连接，减速器33的输出端连接第三齿轮47并与设置于横梁上的齿条47啮合，第三直线导轨32固定设置于横梁32上，横梁可沿第三直线导轨方向前后移动。

所述的第四轴移动装置16沿割矩座的上下两端的垂直方向运动，该第四轴移动装置包括：第四移动伺服电机11、第四移动减速器10、支架机构42、第四丝杠43和第四丝杠螺母44，其中：设置于割矩座45的第四移动伺服电机11的输出端与第四丝杠43相连，丝杠与丝杠螺母配合，第四丝杠螺母44与割枪固连，割枪可沿上下方向移动。

所述的摆动装置包括：轴向摆动装置54和径向摆动装置53，其中：轴向摆动装置54设置于支架机构41，径向摆动装置53设置于横梁31。

所述的轴向摆动装置54绕加工管件轴向平面的摆动方向运动，该轴向摆动装置包括：第一摆动伺服电机18、第一摆动减速器17、支架41、连杆机构42、第一摆动齿轮49和第二摆动齿轮50，其中：支架41与回转头40相连，设置于支架的伺服电机18的输出端与减速器17的输入端连接，减速器的输出端连接第一摆动齿轮49并与设置于连杆机构的第二摆动齿轮50啮合。

所述的径向摆动装置53绕加工管件径向平面的摆动方向运动，该径向摆动装置包括：第二摆动伺服电机38、第二摆动减速器39、回转头40、第一摆动齿轮51和第二摆动齿轮52，其中：设置于第三轴移动装置横梁31的第一摆动伺服电机38的输出端与第一摆动减速器39的输入端连接，减速器的输出端连接第一摆动齿轮51并与设置于回转头40的第二摆动齿轮52啮合。

所述的转动装置包括：第五轴移动装置，其中：第五轴移动装置设置于底座1。

所述的第五轴移动装置驱动管件绕切割机中心轴回转运动，该第五轴移动装置包括：转动伺服电机22和摩擦轮装置2，其中：转动伺服电机22和摩擦轮装置2，其中：伺服电机22固定设置于底座1上并通过皮带轮24与所述的摩擦轮装置2的传动轴6相连。

所述的椭圆度补偿机构19，用来对存在椭圆度的管道切割进行调整。当开启椭圆度检测，系统开始采集钢管外径的离散数据，通过高度传感器，直接采样实际钢管外径的离散数据，这些数据同时送入DSP运算，将运算后的结果作为补偿量输出到第二轴移动装置中以调整剖口割枪枪头的高度，使剖口割枪枪头的位置修正至钢管管道的外壁。

七轴数控管道相贯线切割机的主要技术参数和指标是：

切割钢管外径范围：50mm-500mm；

切割钢管壁厚范围：5mm-50mm以上；

切割钢管长度范围：12000mm；

切割钢管：圆管或者方管；

控制轴数目：7轴；

切割速度：100-2000mm/min；

切割方式：等离子切割以及火焰切割。

工件夹具：三爪卡盘、四爪卡盘或者摩擦轮。

本实施例的工作原理：将工件置于摩擦轮上，摩擦轮带动工件绕工件的轴线转动。伺服电机30通过齿轮齿条啮合驱动割枪机体16沿直线导轨移动，使割枪枪头做沿底座的左右两端的水平方向的左右水平移动。伺服电机15通过螺母丝杠驱动设置于割枪机体16的滑板沿直线导轨上线垂直移动，调整割枪枪头与管道中心线的高度。伺服电机34通过齿轮齿条驱动横梁沿直线导轨移动，使割枪枪头做绕切割机中心轴回转的前后水平移动。轴向摆动装置54和径向摆动装置53组成一个双摆机构，实现前后左右的双摆功能，两个控制轴的摆动可满足各种坡口要求的加工。伺服电机11通过丝杠和丝杠螺母驱动第四轴移动装置，调整割枪枪头与工件外壁之间的距离。

切割前由与本数控切割机相配套的CNC控制系统读取CNC相贯线切割机轨迹数据文件，并得到CNC相贯线轨迹数据，CNC控制系统将所得数据整理后变成PMAC运动控制卡可识别的数据，下载到PMAC运动控制卡中，以供加工过程的需要。根据被切割管子的厚度和半径，调整系统的各个切割轴的姿态，以切割出符合加工需要的切割轨迹。

加工的过程中，只需要将加工工件摆放到摩擦轮上，确定各轴的坐标以加工原点，选择切割方式，按照切割步骤完成切割。加工过程中各个阀门由系统根据加工时序的需要自动打开和关闭。如果要在当前加工工件上继续切割，只需要继续重新确定加工原点，选择切割方式，继续按照切割步骤继续切割。

该设备有多根伺服轴组成，分别实现回转、左右、上下、前后、左右摆动、前后摆动、上下调高的自由度。切割轨迹也由着各轴共同完成，用户可根据需要选择自动或者手动单独操作各轴运动。各轴运动精度互不干涉，可使割炬枪口始终保持在圆管管径外壁上面，控制精度大幅度提高，切割误差小，满足多种管道相交类型的相贯线切割。

本实施例采用椭圆度检测，与现有技术采用的位置传感器先测量后切割的方法相比较，更大程度上满足了对较大椭圆度管正常切割的要求，使得切割效率大大提高。

Claims (1)

1.一种七轴数控管道相贯线切割机，包括：底座、割枪机体、摩擦轮装置、移动装置、转动装置、摆动装置、割矩座和椭圆度补偿机构，其中：摩擦轮装置与底座连接，割枪机体活动设置于底座上，移动装置和摆动装置分别固定设置于割枪机体上，割矩座固定设置于割枪机体的输出末端，椭圆度补偿机构固定设置于割枪机体上，其特征在于：

所述的移动装置包括：第一轴移动装置、第二轴移动装置、第三轴移动装置和第四轴移动装置，其中：第一轴移动装置设置于底座，第二轴移动装置设置于割枪机体，第三轴移动装置设置于第二轴移动装置，第四轴移动装置设置于割矩座；

所述的摩擦轮装置包括：若干个摩擦轮组件、若干个左支架和右支架，其中：左、右支架分别连接在底座以支撑摩擦轮组件，摩擦轮组件通过轴套连接设置于左支架和右支架上，相邻两个摩擦轮组件之间的传动轴由联轴器连；

所述的第一轴移动装置沿底座的左右两端的水平方向运动，该第一轴移动装置包括：第一移动伺服电机、第一移动减速器、第一齿轮、第一齿条和第一直线导轨，其中：第一移动伺服电机固定设置于割枪机体底部且第一移动伺服电机的输出端与设置于割枪机体的第一移动减速器的输入端连接，减速器的输出端连接第一齿轮并与设置于底座上的第一齿条啮合，第一直线导轨固定设置于底座上，割枪机体可沿第一直线导轨左右移动；

所述的第二轴移动装置沿割枪机体上下两端的垂直方向运动，该第二轴移动装置包括：第二移动伺服电机、第二丝杠、第二丝杠螺母、第二直线导轨和滑板，其中：在所述的割枪机体顶部，第二移动伺服电机的输出端与第二丝杠相连，第二丝杠与第二丝杠螺母配合，第二丝杠螺母与滑板固连，第二直线导轨垂直固定设置于割枪机体一侧，滑板可沿第二直线导轨上下移动；

所述的第三轴移动装置沿相对第二轴移动装置的前后方向运动，该第三轴移动装置包括：第三移动伺服电机、第三移动减速器、第三齿轮、第三齿条、第三直线导轨和横梁，其中：第三移动伺服电机的输出端与设置于上述滑板的第三移动减速器的输入端连接，减速器的输出端连接第三齿轮并与设置于横梁上的第三齿条啮合，第三直线导轨固定设置于横梁上，横梁可沿第三直线导轨方向前后移 动；

所述的第四轴移动装置沿割矩座的上下两端的垂直方向运动，该第四轴移动装置包括：第四移动伺服电机、第四丝杠和第四丝杠螺母，其中：设置于割矩座的第四移动伺服电机的输出端与第四丝杠相连，第四丝杠与第四丝杠螺母配合，第四丝杠螺母与割枪固连，割枪可沿上下方向移动；

所述的摆动装置包括：轴向摆动装置和径向摆动装置，其中：轴向摆动装置设置于支架，径向摆动装置设置于第三轴移动装置的横梁；

所述的轴向摆动装置绕加工管件轴向平面的摆动方向运动，该轴向摆动装置包括：第一摆动伺服电机、第一摆动减速器、所述支架、连杆机构、第一摆动齿轮和第二摆动齿轮，其中：支架与回转头相连，设置于支架的第一摆动伺服电机的输出端与第一摆动减速器的输入端连接，减速器的输出端连接第一摆动齿轮并与设置于连杆机构的第二摆动齿轮啮合；

所述的径向摆动装置绕加工管件径向平面的摆动方向运动，该径向摆动装置包括：第二摆动伺服电机、第二摆动减速器、所述回转头、第一摆动齿轮和第二摆动齿轮，其中：设置于第三轴移动装置横梁的第二摆动伺服电机的输出端与第二摆动减速器的输入端连接，减速器的输出端连接第一摆动齿轮并与设置于回转头的第二摆动齿轮啮合；

所述的转动装置包括：第五轴移动装置，其中：第五轴移动装置设置于底座，该第五轴移动装置驱动管件绕切割机中心轴回转运动，包括：转动伺服电机和所述摩擦轮装置，其中：转动伺服电机固定设置于底座上并通过皮带轮与所述的摩擦轮装置的传动轴相连；

所述的椭圆度补偿机构，用来对存在椭圆度的管道切割进行调整，当开启椭圆度检测，系统开始采集钢管外径的离散数据，通过高度传感器，直接采样实际钢管外径的离散数据，这些数据同时送入DSP运算，将运算后的结果作为补偿量输出到第二轴移动装置中以调整剖口割枪枪头的高度，使剖口割枪枪头的位置修正至钢管管道的外壁，从而修正椭圆度对管道切割加工带来的影响。 

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