CN101954558A - 五轴钢管相贯线切割机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种五轴钢管相贯线切割机，包括位于切割机一端的主轴箱，主轴箱输出端连接回转卡盘；切割机底座上设置有两路平行轨道，一路轨道位于被加工管料下部，在此轨道上设置有若干钢管支撑架；切割头运动组件可移动的设置在另一路轨道上，通过管线与切割机的动力部分和控制部分连接；所述切割头运动组件包括切割头纵向移动部件、切割头升降部件、切割头左右摆动部件与切割头前后连杆摆动部件。本发明结构合理，操作方便，可以高效精确的切割复杂钢管相贯线，而且能在切割同时一次性的加工出焊接坡口。

Description

五轴钢管相贯线切割机             

技术领域

本发明涉及钢管加工设备领域，尤其是五轴钢管相贯线切割机。

背景技术

目前对圆管的切割多采用三轴钢管切割机，这种设备通常只能满足简单的钢管定长切割与简单相贯线切割，不能满足复杂管路中多道管路相贯连通产生的复杂的相贯线的切割要求，更不能实现相贯线坡口的切割要求。 

发明内容

本申请人针对上述现有钢管切割机难以切割复杂钢管相贯线，且不能切割坡口等缺陷，提供一种结构合理，操作方便的五轴钢管相贯线切割机，从而可以高效精确的切割复杂钢管相贯线，而且能在切割的同时一次性加工出焊接坡口。

本发明所采用的技术方案如下：

一种五轴钢管相贯线切割机，包括位于切割机一端的主轴箱，主轴箱输出端连接回转卡盘；切割机底座上设置有两路平行轨道，一路轨道位于被加工管料下部，在此轨道上设置有若干钢管支撑架；切割头运动组件可移动的设置在另一路轨道上，通过管线与切割机的动力部分和控制部分连接；所述切割头运动组件包括切割头纵向移动部件、切割头升降部件、切割头左右摆动部件与切割头前后连杆摆动部件。其进一步特征在于：

所述切割头纵向移动部件的移动小车两侧安装有滚轮，滚轮与切割机底座上的轨道接触；在移动小车底部两侧安装有限位轮，每组限位轮跨越在轨道两侧并与轨道的竖直面接触；伺服电机、减速机与齿轮顺序连接并竖直安装在移动小车的中部，所述齿轮与轨道齿条啮合。

所述切割头升降部件的立柱安装在所述切割头纵向移动部件上，立柱正面固定设置丝杆前轴座和丝杆后轴座，固定电机、减速机与丝杆；立柱与升降板之间采用直线导轨副与限位装置进行连接，升降板背面设置丝母与所述丝杆相啮合。

所述切割头左右摆动部件通过安装板安装在所述切割头升降部件上，减速机安装于安装板上，所述减速机输入端连接伺服电机，所述减速机输出端连接摆动臂。

所述切割头前后连杆摆动部件由左侧板、右侧板构成的基座安装在所述切割头左右摆动部件上，在基座上通过枢轴连接横向的上连接板、下连接板与竖向的前摆臂、后摆臂所构成的平行四边形连杆机构，在所述连杆机构前端安装切割头夹持部件，在所述基座外侧固定安装电机，其输出轴通过传动轴与后摆臂连接。

所述切割头夹持部件包括夹持安装板和夹持座，所述夹持安装板通过短轴枢接在上连接板与下连接板前端；上连接板和下连接板通过从动轴和隔套与前摆臂和后摆臂枢接，前摆臂和后摆臂通过从动轴和隔套与左侧板和右侧板枢接。

在所述切割头前后连杆摆动部件上设置有摆动消隙机构，所述摆动消隙机构的气弹簧一端通过球副连接在所述切割头前后连杆摆动部件的基座上，另一端通过轴承和连接板与下连接板和前摆臂相交轴可转动的连接。

在所述切割头前后连杆摆动部件上设置有限位转换机构，所述限位转换机构在所述传动轴的末端固定有齿轮，与齿轮啮合的齿条一侧安装有导向轴，另一侧安装有原点感应片，导向轴在基座侧板的导向槽内水平滑动，原点限位开关安装在侧板上，在导向槽两端设置有左右限位开关。

还包括切割头跟踪机构，所述切割头跟踪机构的安装板通过弹性悬浮装置连接在所述切割头升降部件的升降板上，在安装板正面中部固定所述切割头左右摆动部件与前后连杆摆动部件，在安装板正面两侧对称安装有压杆，压杆的前端设置有万向球。

所述切割头跟踪机构的弹性悬浮装置包括在安装板与升降板之间靠近中部对称设置有两支直线导轨副与限位装置，安装板两侧通过拉伸弹簧和两端螺栓与升降板连接。

本发明通过数控控制系统对主轴箱的回转卡盘进行管料轴向的控制、切割头纵向移动部件进行纵向的控制、切割头升降部件进行高度方向的控制，这三轴的控制可以实现对不同管径的管料，不同直线、弧线、相贯线的切割要求；增加的切割头左右摆动部件与切割头前后连杆摆动部件可以将切割枪摆动至任何角度，从而可以切割出各个方向的坡口。本发明通过多处设置的精密导向与限位机构，以及安装的高精度伺服电机与减速机等零部件，通过五轴的联合精确控制与配合，可以满足管料的高精度切割要求。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为图1的左视图，已略去主轴箱部分；

图3为本发明的切割头纵向移动部件的主视图；

图4为图3的俯视图；

图5为本发明的切割头升降部件的主视图；

图6为图5的俯视图；

图7为本发明的切割头左右摆动部件的主视图；

图8为本发明的切割头前后连杆摆动部件的主视图；

图9为图8中A-A剖视图；

图10为图8中B-B剖视图；

图11为图8中C-C剖视图；

图12为图8的俯视图；

图13为本发明的切割头前后连杆摆动部件的消隙机构的主视图；

图14为图13中D-D剖视图；

图15为本发明的切割头前后连杆摆动部件的限位机构的主视图；

图16为图15中E-E剖视图；

图17为本发明的切割头前后连杆摆动部件的跟踪机构的主视图；

图18为图17的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2所示，本发明所述的五轴钢管相贯线切割机包括位于切割机一端的主轴箱1，主轴箱1输出端连接回转卡盘2，对钢管7端部进行夹持并提供回转主动力；切割机底座上平行的设置有两路轨道4与轨道5，轨道5位于被加工管料下部，在此轨道上设置有若干钢管支撑架6，用于对钢管7进行支撑，其头部轴承可以使钢管回转平稳阻力小；切割头运动组件3可移动的设置在轨道4上，通过管线与切割机的动力部分和控制部分连接。切割头运动组件3包括切割头纵向移动部件100、切割头升降部件200、切割头左右摆动部件300、切割头前后连杆摆动部件400，可以夹持火焰或等离子切割枪8，对钢管进行切割加工。工作时首先将钢管7水平放置在钢管支撑架6之上，将切割头升降部件200在高度方向升降，切割头纵向移动部件100沿着管料轴向运动至正确工作位置，由回转卡盘2夹紧钢管一端并旋转实现管料周向的控制，通过数控控制系统对主轴箱1的回转卡盘2、切割头纵向移动部件100、切割头升降部件200、切割头左右摆动部件300、切割头前后连杆摆动部件400这五轴的联合精确控制，实现对不同管径的管料，不同直线、弧线、相贯线及其坡口等切割要求的高精度切割。

如图3、图4所示，本发明的切割头纵向移动部件100的移动小车102两侧安装有四个滚轮101，滚轮101与切割机底座上的轨道4接触并在轨道4上行走；在移动小车102底部两侧、位于一条轨道4上，安装有两组限位轮107，每组限位轮107跨越在轨道4两侧，夹紧轨道4的竖直面，可以起到导向作用；伺服电机103、减速机104、齿轮105顺序连接并竖直安装在移动小车102的中部，通过齿轮105与轨道4内侧设置的齿条啮合进行驱动；在移动小车102的两侧安装有四片刮屑片106清扫导轨表面。实际生产装配时，首先将移动小车102安放在轨道4上面，调整好限轮107，使小车能平稳顺畅移动，再调整齿轮105与轨道齿条的啮合。实际工作时，驱动伺服电机103，在主动齿轮105的驱动下，移动小车102实现纵向移动；两侧的刮屑片106可以清扫轨道表面，防止加工废屑影响切割头纵向移动部件100的移动精度与可靠性。

如图5、图6所示，本发明的切割头升降部件200的立柱201安装在切割头纵向移动部件100的移动小车102上，在立柱201正面固定设置丝杆前轴座206和丝杆后轴座214，丝杆前轴座206上设置有电机连接座204，在电机连接座204上部设有减速机203，减速机203与驱动伺服电机202的输出轴连接，所述的减速机203的输出轴通过联轴器205连接向下的精密滚珠丝杆212，精密滚珠丝杆212上端由前轴座206内的轴承210支撑导向，其下端由后轴座214内的轴承215支撑导向，在立柱201的正面两侧各设有一支精密直线导轨副的导轨217-1，升降板221背侧面设置有精密直线导轨副的滑块217-2和丝母213，每支导轨217-1上有上下两个滑块217-2相配合，丝母213与丝杆212相啮合，在立柱201上下设有微动开关219，在升降板221上设有限位块220，限位块220与微动开关219相配合保证上下升降行程。精密直线导轨副和精密滚珠丝杆副外套上下设置有弹性的防尘罩216。实际工作时，伺服电机202通过减速机203驱动精密滚珠丝杆212旋转，与丝杆212啮合的丝母213带动升降板221沿着精密直线导轨副上下运动，限位块220与微动开关219相配合，可以确保上下升降行程达到300mm。

如图7所示，本发明的切割头左右摆动部件300通过安装板303安装在切割头升降部件200的升降板221正面，减速机302安装于安装板303之上，其输入端连接伺服电机301，输出端连接摆动臂304。实际工作时，伺服电机301通过减速机302直接带动摆动臂304旋转指定角度。减速机302采用低间隙法兰式减速机，配合高精度伺服电机301；减速机前端和摆动臂直接相连，结构紧凑，减少中间环节的零件结构带来的加工和装配带来的误差，达到摆动精度高的目的；本结构定位准确、操作简单、安全可靠。

如图8至图12所示，本发明的切割头前后连杆摆动部件400由左侧板411、右侧板412、安装板413构成的基座通过前支撑板409和后支撑板410安装在切割头左右摆动部件300的摆动臂304上，在基座上通过枢轴连接横向的上连接板406、下连接板407与竖向的前摆臂408、后摆臂405所构成的平行四边形连杆机构，在上连接板406、下连接板407的前端通过夹持安装板414安装夹持座415，用以夹持火焰或等离子切割枪8。如图9至图11所示，夹持安装板414通过短轴416枢接在上连接板406与下连接板407上；上连接板406和下连接板407通过从动轴417和隔套418与前摆臂408和后摆臂405枢接，前摆臂408和后摆臂405通过从动轴417和隔套418与左侧板411和右侧板412枢接，在右侧板412外侧固定安装直角减速电机401，其输出轴通过短键402与传动轴403连接，传动轴403通过长键404与后摆臂405连接。实际工作时，电机401的输出通过传动轴403转化为后摆臂405的旋转，从而带动整个平行四边形连杆机构的变形，使前端安装夹持座415夹持的切割枪8以割炬头为中心前后摆动一定角度。

作为本发明的优化实施例，本发明对切割头前后连杆摆动部件400增加了摆动消隙机构来消除连杆机构摆动时产生的间隙，这是由于电机、减速机正反转与连杆配合都存在一定的回程间隙，在摆动过程中因为各个间隙存在且叠加就会影响切割枪8的摆动精度，因此本发明利用气弹簧的恒定拉力使整套连杆机构的各个间隙紧靠在一侧，这样回程时就不会发生间隙误差。如图13、图14所示，气弹簧502的套筒端球头503通过球副连接在切割头前后连杆摆动部件400的安装板413上，其伸出连杆501的头部通过轴承504和连接板505与下连接板407和前摆臂408相交节点的从动轴417相连接。在气弹簧502的恒定拉力作用下，连杆机构的全部间隙误差被收紧并集中在一侧。当然，在不产生运动干涉的情况下，气弹簧的连杆也可以与其他节点相连接。同样，也可采用推力气弹簧，可以利用推力将连杆机构的全部间隙误差推紧在另一侧。

作为本发明的优化实施例，本发明对切割头前后连杆摆动部件400增加了限位转换机构，用来对连杆机构进行精确的摆动限位控制。如图15与图16所示，在传动轴403的末端固定有齿轮601，与齿轮601啮合的齿条602一侧安装有导向轴603，另一侧安装有原点感应片605，导向槽604安装在基座的左侧板411上，导向轴603在导向槽604内水平滑动；原点方型限位开关606安装在左侧板411上，当原点感应片605与原点方型限位开关606接触时指示为连杆机构的工作原点；在导向槽604两端设置有左右圆柱行限位开关607，当齿条602与两端圆柱行限位开关607接触时，控制电动机401反向输出，实现连杆机构的反向摆动。采用罩壳608对上述机构进行防尘密封。

管类零件外圆未经过加工，因此并不是理想的整圆，而会不可避免的存在失圆现象，因此在回转过程中可能会远离或者碰撞切割枪，导致加工精度误差或者撞坏切割枪。本发明增加了切割头跟踪机构来避免此问题，达到更高的加工精度，也可以防止碰撞损坏切割枪。如图17、图18所示，本发明采用一块较大的切割头左右摆动部件300的安装板303将整套跟踪机构安装在切割头升降部件200的升降板221正面，在安装板303与升降板221之间靠近中部对称设置有两支直线滚动导轨副711，接近开关715与导轨副711的导轨安装在升降板221上，限位板714与导轨副711的滑块安装在安装板303的背面；安装板303的背面靠近两侧采用拉伸弹簧713与两端的活节螺栓712将安装板303弹性“悬挂”在升降板221上；如图18所示，安装板303正面中部固定切割头左右摆动部件300与前后连杆摆动部件400，安装板303正面两侧对称安装有两支后压杆706，后压杆706的前端通过压杆轴705与前压杆704枢接，前压杆704的前端连接有伸缩杆702，伸缩杆702前端设置有万向输送球701。后压杆706与前压杆704采用压杆轴705枢接，以压杆轴705为中心，圆周对称分布有四个弹性钢珠装置，如图18所示，后压杆706开设有孔，孔口有螺纹，紧定螺钉708旋入螺纹孔，通过压缩弹簧709将钢珠707抵紧在前压杆704的配合凹坑内。前压杆704的前端与伸缩杆702采用滑动键配合，伸缩杆702端部固定有导向键710，前压杆704内侧设置有滑动槽，导向键710可以在滑动槽内前后滑动，利用蝶形螺栓703进行紧固。在前后连杆摆动部件400前端安装固定板718，限位销716安装在固定板718上，夹持器719搁置在固定板718中间，固定板718四周设置有磁钢717，依靠夹持器与割炬的重力和磁钢的吸力将夹持器719吸附固定在固定板718上。

当本发明所述的五轴钢管相贯线切割机进行手动控制时，或者不需要进行跟踪工作时，可以松开蝶形螺栓703，将伸缩杆702缩回前压杆704内部；当切割机自动工作时，将伸缩杆702从前压杆704内部伸出，调节至正确位置后锁紧蝶形螺栓703，此时万向输送球701的球头与切割枪的割炬头位于同一纵向平面上，万向输送球701的球头接触被加工管料的外圈最高点，加工时被加工管料轴向回转，由于管料在出厂时外圆允许存在一定的圆度误差，因此在管料旋转时具有跳动，万向输送球1在管料外圆上受到大小不一的径向力，万向输送球701的球头跟随管料外圈的表面形状上下波动，由于安装板303两侧的拉伸弹簧713平衡了跟踪机构和中部连杆机构的大部分重量，因此当万向输送球701的球头受到外力作用时，安装板303可沿直线滚动导轨副711方向自动作上下直线运动，保持与管料的相对距离保持一致，因此中部连杆机构前端夹持的切割枪的割炬头也与管料的被切割点始终保持固定的相对距离，避免了过分靠近与远离管料。

当被加工管料存在大幅度的失圆时，即管料上某一点外径特别大，此时安装板303短时间内来不及做出补偿，为了保护设备的安全，当万向输送球701所受力大于压缩弹簧709的弹力时，钢珠707克服压缩弹簧709缩进孔内，前压杆704以压杆轴705为旋转中心向上方翘起；同时如果割炬头部接触到钢管，则装夹割炬的夹持器719则会以限位销716为导柱上升，脱离固定板718，从而避开局部失圆保护设备；而当球头经过失圆区域后，前压杆704在重力作用下落，钢珠707重新进入前压杆704的配合凹坑内并重新定位；同时装夹割炬的夹持器719在重力与磁钢717的吸力作用下，在限位销716的导向作用下回复到固定板718上。接近开关715与限位板714共同作用，起限位与回零作用。在上述过程中整套机构可以跟随管料外表面形状，配合并保护连杆机构和切割枪，提高定位精度，使设备更加稳定可靠，保证切割精度。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种五轴钢管相贯线切割机，其特征在于：包括位于切割机一端的主轴箱，主轴箱输出端连接回转卡盘；切割机底座上设置有两路平行轨道，一路轨道位于被加工管料下部，在此轨道上设置有若干钢管支撑架；切割头运动组件可移动的设置在另一路轨道上，通过管线与切割机的动力部分和控制部分连接；所述切割头运动组件包括切割头纵向移动部件、切割头升降部件、切割头左右摆动部件与切割头前后连杆摆动部件。

2.按照权利要求1所述的五轴钢管相贯线切割机，其特征在于：所述切割头纵向移动部件的移动小车两侧安装有滚轮，滚轮与切割机底座上的轨道接触；在移动小车底部两侧安装有限位轮，每组限位轮跨越在轨道两侧并与轨道的竖直面接触；伺服电机、减速机与齿轮顺序连接并竖直安装在移动小车的中部，所述齿轮与轨道齿条啮合。

3.按照权利要求1所述的五轴钢管相贯线切割机，其特征在于：所述切割头升降部件的立柱安装在所述切割头纵向移动部件上，立柱正面固定设置丝杆前轴座和丝杆后轴座，固定电机、减速机与丝杆；立柱与升降板之间采用直线导轨副与限位装置进行连接，升降板背面设置丝母与所述丝杆相啮合。

4.按照权利要求1所述的五轴钢管相贯线切割机，其特征在于：所述切割头左右摆动部件通过安装板安装在所述切割头升降部件上，减速机安装于安装板上，所述减速机输入端连接伺服电机，所述减速机输出端连接摆动臂。

5.按照权利要求1所述的五轴钢管相贯线切割机，其特征在于：所述切割头前后连杆摆动部件由左侧板、右侧板构成的基座安装在所述切割头左右摆动部件上，在基座上通过枢轴连接横向的上连接板、下连接板与竖向的前摆臂、后摆臂所构成的平行四边形连杆机构，在所述连杆机构前端安装切割头夹持部件，在所述基座外侧固定安装电机，其输出轴通过传动轴与后摆臂连接。

6.按照权利要求5所述的五轴钢管相贯线切割机，其特征在于：所述切割头夹持部件包括夹持安装板和夹持座，所述夹持安装板通过短轴枢接在上连接板与下连接板前端；上连接板和下连接板通过从动轴和隔套与前摆臂和后摆臂枢接，前摆臂和后摆臂通过从动轴和隔套与左侧板和右侧板枢接。

7.按照权利要求5所述的五轴钢管相贯线切割机，其特征在于：在所述切割头前后连杆摆动部件上设置有摆动消隙机构，所述摆动消隙机构的气弹簧一端通过球副连接在所述切割头前后连杆摆动部件的基座上，另一端通过轴承和连接板与下连接板和前摆臂相交轴可转动的连接。

8.按照权利要求5所述的五轴钢管相贯线切割机，其特征在于：在所述切割头前后连杆摆动部件上设置有限位转换机构，所述限位转换机构在所述传动轴的末端固定有齿轮，与齿轮啮合的齿条一侧安装有导向轴，另一侧安装有原点感应片，导向轴在基座侧板的导向槽内水平滑动，原点限位开关安装在侧板上，在导向槽两端设置有左右限位开关。

9.按照权利要求1所述的五轴钢管相贯线切割机，其特征在于：还包括切割头跟踪机构，所述切割头跟踪机构的安装板通过弹性悬浮装置连接在所述切割头升降部件的升降板上，在安装板正面中部固定所述切割头左右摆动部件与前后连杆摆动部件，在安装板正面两侧对称安装有压杆，压杆的前端设置有万向球。

10.按照权利要求9所述的五轴钢管相贯线切割机，其特征在于：所述切割头跟踪机构的弹性悬浮装置包括在安装板与升降板之间靠近中部对称设置有两支直线导轨副与限位装置，安装板两侧通过拉伸弹簧和两端螺栓与升降板连接。

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