CN102655986A - 计算机辅助的梁制造机 - Google Patents

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CN102655986A CN2010800539318A CN201080053931A CN102655986A CN 102655986 A CN102655986 A CN 102655986A CN 2010800539318 A CN2010800539318 A CN 2010800539318A CN 201080053931 A CN201080053931 A CN 201080053931A CN 102655986 A CN102655986 A CN 102655986A
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凯文·弗朗西斯·菲次帕特里克
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Abstract

本发明公开了一种梁加工设备，包括：相对的轧钳组件，其用于保持梁并且使梁围绕梁的长轴转动；和多个台架，其设置成沿着所述梁平移移动。设置有至少一个工具头安装架，其与每个台架紧固，以使工具在所述梁上作业。设置有多个电机，以选择性地使所述轧钳组件转动并使所述台架移动，从而可以通过计算机化的控制系统来操作所述设备。

Description

计算机辅助的梁制造机
技术领域
本发明的具体实施方案涉及自动对钢梁进行切割和钻孔的CNC梁线机。
背景技术
对任何现有技术中的文献、技术、方法或设备的讨论不构成承认或者证实这些现有技术形成或曾经形成公知常识的一部分。
钢制造是劳动强度大的作业。在钢制造过程中，根据施工图对钢梁进行钻孔和切割，从而能够将它们装配成符合即将建造的相关工程要求。通常，制造的钢仅有大约三分之一的成本在于未加工的钢的价值。其余成本在于工作时间。
近几年来，已经采取了各种方法来降低钢制造的劳动强度。其中一种方法是使用CNC梁线机。这种机器通常包括工作台，待加工的梁沿着工作台的一侧放置。电动化工具安装架设置成沿着工作台的该侧移动并且根据需要上升和下降，从而对梁进行各种作业，例如钻孔。
虽然现有技术的CNC梁线提高了钢制造车间的生产量，然而这些梁线存在许多缺点。例如，可以对梁进行的作业种类和范围受到不希望的限制。
本发明的目的是提供一种改进或者至少有效替换目前已知的这些钢制造机的设备。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种梁加工设备，包括：
轧钳组件，其用于保持梁并且使梁围绕梁的长轴转动；
至少一个平移组件，其沿着所述梁移动；和
至少一个工具头安装架，其与所述平移组件紧固，以使工具在所述梁上作业。
优选的是，所述轧钳组件包括设置成相互配合地保持所述梁并使所述梁转动的一对相对轧钳。
优选的是，所述设备包括用于牵引所述各轧钳合拢和分开的至少一个电机。
优选的是，所述轧钳包括用于支撑所述梁的可转动托架。
所述装置还可以包括用于使所述托架转动的至少一个电机。
在优选实施方案中，所述的用于牵引所述各轧钳合拢和分开的至少一个电机与齿条-小齿轮结构联接。
所述各轧钳可以在轮子上运行，并且其中，所述齿条-小齿轮结构包括装配有齿条的第一轨道和与所述齿条啮合的小齿轮，所述小齿轮与所述的至少一个电机的心轴紧固，所述电机与所述各轧钳中的一个紧固。
在优选实施方案中，所述平移组件包括至少一个台架。
所述设备可以包括用于使所述台架相对于所述的一对轧钳运动的台架电机。
优选的是，所述工具头安装架包括一个或多个随动电机、倾斜电机和滚动电机。
优选的是，所述的至少一个台架沿着至少一个第二轨道架设。
所述的至少一个台架可以沿着一对第一轨道架设，所述轧钳可以沿着一对第二轨道架设。优选的是，所述的一对第一轨道位于所述的一对第二轨道的外侧。
在优选实施方案中，所述的至少一个台架包括三个台架，所述的至少一个工具头安装架包括与所述各台架联接的三个相应的工具头安装架。
优选的是，焊接工具安装在所述各工具头安装架中的一个上。
优选的是，激光定位探测器安装在所述各工具头安装架中的一个上。
优选的是，切割工具安装在所述各工具头安装架中的一个上。
电磁体可以安装在所述各工具头安装架中的一个上，用于选择性地保持将要焊接在所述梁上的部件。
所述设备可以包括位于预定位置的保持器，用于存放所述部件。
例如，这些部件可以包括将要用焊接工具焊接在所述梁上的夹板。
所述设备可以包括适于遥控操作的计算机化的控制系统。
优选的是，所述计算机化的控制系统包括被设置成读取制图文件的计算机，所述制图文件包含进行钢梁作业的信息。
所述计算机化的控制系统还可以包括一个或多个控制器板，所述控制器板被设置成作为计算机与一个或多个台架、工具安装架组件和轧钳的各电机之间的接口，从而移动与工具安装架组件联接的工具来进行钢梁作业。
优选的是，所述控制器板根据所述各电机的位置编码器作出响应。
根据本发明的另一方面，提供了一种加工梁的方法，包括以下步骤：
将所述梁沿着其长轴转动所需角度以便工具头接近；
用激光测量装置检查所述梁的位置；
将所述工具头移动到所述梁附近的预定位置；和
使所述工具头在所述梁上作业；
其中，所述方法的每一步骤都由电子控制系统控制。
所述方法可以包括以下步骤：通过用电磁体夹紧将要连接在所述梁上的部件，将所述部件从存放位置重新定位到预定位置。
所述方法可以包括用所述激光测量装置检查所述部件的正确取向。
所述工具头可以包括焊接头。所述部件可以包括夹板。
所述方法可以包括相互配合地操作所述电磁体和所述焊接头，从而将所述部件焊接在所述梁上。
优选的是，通过平移组件将所述工具头沿着所述梁移动到所述预定位置。
可选择地，所述工具头可以包括用于在所述梁中形成孔的切割头。
在其他实施方案中，所述工具头可以包括用于在所述梁上涂布油漆的喷漆头。
附图说明
从下面的详细描述中可以清楚本发明的优选特征、实施方案和变化形式，这些详细描述为本领域技术人员提供了实现本发明的充足信息。这些描述不应当视为以任何方式限制前述发明内容的范围。详细描述将参考以下各附图：
图1是根据本发明优选实施方案的装载有工件的钢梁制造设备的立体的略微程式化视图。
图2是该设备的轧钳的特写视图。
图3是该设备的轧钳的另一视图。
图4是用于移动轧钳的滑板的电机的视图。
图5是该设备的电机的端部视图，示出了旋转编码器组件。
图6是该设备的台架的上部视图。
图7是该设备的工具安装架的视图。
图8是该设备的控制系统的方块图。
图9是控制系统的操纵室内部的视图。
图10是该设备在作业的另一阶段期间的视图。
图11是该设备在作业的再一阶段期间的视图。
具体实施方式
现在参考图1，示出了根据本发明优选实施方案的梁制造机1的略微程式化的视图。所示的梁制造机1装载有钢梁31形式的工件。
制造机1包括一对内轨2和一对外轨4。沿着这对内轨2架设有两个可转动轧钳9和6。图2、图3和图4更详细地示出了轧钳9。
轧钳6的排列方式与将要参考图2和图3描述的轧钳9的排列方式相对应。轧钳9包括由轴承滚柱16相互连接的一对相对板7和8形式的架子，其中轴承滚柱16布置成围绕穿过各板形成的相应中央弓形切口的弧形。该轴承滚柱支撑弓形托架18，弓形托架位于切口内并且弯折有相对的弓形凸缘22和24，弓形凸缘在各个切口的边缘周围伸出到板7和8的外侧。凸缘24的外周带有齿并且与减速嵌齿26A和26B的齿啮合。每个减速嵌齿26A和26B安装在伺服电机30A和30B(不可见)的相应心轴28A和28B上。伺服电机30A装配有位置编码器44(在图5中可见)，从而稍后将要描述的控制系统能够监控心轴的位置，由此监控托架18的角度。
横跨托架内部安装的是支撑台34，在支撑台上安装有相对的可滑动夹紧装置11(在图1中可见)。可滑动夹紧装置11设置成相互配合以保持工件，工件通常是细长的金属件，例如钢梁31。
轧钳9还包括滑板40，该滑板支撑架子的相对板7和8并且包括用于在内轨2之间滚动的轮子(未示出)。参考图4，伺服电机42安装在滑板40底面的任一侧。伺服电机42具有心轴，心轴装配有相应的小齿轮(未示出)，各小齿轮分别与沿着内轨2内侧紧固的相应齿条43啮合。因此，在使用时，伺服电机42能够使轧钳9沿着内轨2精确地平移。此外，轧钳9的位置可以通过监控来自伺服电机42的旋转编码器的信号而确定。
再次参考图1并且还参考图6，包括三个台架13、21和23的平移组件沿着外轨4架设。各台架具有类似的构造，下面将结合台架13进行描述。台架13包括一对直立的柱子15和17，这些柱子分别从相应的底座44和46向上延伸。底座44和46装配有伺服电机27，该伺服电机通过类似于前面结合轧钳9描述的齿条-小齿轮结构的方式与外轨4联接。因此，台架13可以通过将适时描述的电子控制系统沿着外轨4精确地移动，即，平移。
平行的横轨48和50跨过柱子15和17的上端。滑架19与横杆48和50相交叉地安装并且设置成沿着横杆滑动。传动带安装在上横轨内并位于相对的链轮之间，并且传动带设置成通过安装在柱子17顶部的伺服电机52而旋转。传动带与滑架19连接，使得通过操作伺服电机52，滑架19可以根据需要而沿着横杆48和50精确地定位。
一对平行的竖轨54和56与滑架19可滑动地配合。通过操作伺服电机58，竖轨54和56可以相对于滑架19上升和下降。伺服电机58与传动带联接，传动带安装在竖轨56内并且与滑架19配合，从而使竖轨54和56相对于滑架上升和下降。
如图7所示，多轴工具安装架组件62安装在竖轨54和56的下端。工具安装架组件62包括水平支撑板60，该水平支撑板上安装有随动(panning)伺服电机64。随动伺服电机64的心轴穿过支撑板60中的孔并且与支撑滚动伺服电机68的竖向轴叉66连接。因此，工具(例如，安装在滚动伺服电机68的心轴上的等离子体切割器(未示出))可以围绕5个运动轴运动。除了等离子体切割器以外，可互换地安装在工具安装架上的其他工具包括熔接设备、划线器、喷漆头、电磁体、激光定位探测器和钻孔机。工具安装架可以同时安装有多于一个的工具。例如，在一些情况下可以安装有固定在相反方向上的两个工具，使得每一个工具都可以根据需要旋转到使用位置。
工具安装架组件的5个运动轴包括三个平动轴，即，借助伺服电机27沿着外轨平移的Y-平动轴、借助伺服电机52沿着横杆48和50平移的X-平动轴以及借助步进电机25沿着竖轨54相对于托架19平移的Z-平动轴。还包括两个旋转运动轴，即，围绕随动伺服电机64的心轴旋转的旋转运动轴和围绕滚动伺服电机68的心轴旋转的旋转运动轴。台架23的工具安装架按照与台架13相同的方式类似地是5度排列方式。然而，台架21包括以直角联接在随动伺服电机64与滚动伺服电机68之间的额外的倾斜伺服电机，从而为工具安装架提供6度移动。
图8示出了控制系统的方块图。该控制系统包括与每个台架相对应的3个操纵室70A、70B和70C。图9示出了操纵室70A的内部。
每个操纵室都包括Galil控制器板72A、72B和72C，控制器板与相应的PWM伺服放大器阵列74A、74B和74C连接，PWM伺服放大器阵列又驱动与台架、轧钳和工具安装架关联的伺服电机阵列82A、82B和82C。断路器阵列76A、76B和76C保护伺服放大器和伺服电机免于过电流浪涌。
每个控制器板72均接收来自它们所控制的伺服电机的编码器数据。每个控制器板在以太网74上均可单独寻址并且与主PC 78通信。主PC 78执行程序80，程序包含以下指令：处理钢制造施工图、提取相关数据、提示用户输入以及将提取的施工图数据和用户输入转换为向适当控制器板寻址的控制器板命令。
程序80存储在PC 78的辅助存储器(例如，磁盘或光盘)上。
根据来自PC 78的命令，控制器板操纵伺服电机以执行制造作业。控制器板还进行预处理并且将来自伺服电机编码器的编码器数据转送回PC 78。
控制器板72A、72B和72C包括3个Galil控制器板。这些控制器板是以太网可寻址的板并且均可以用多达8个运动轴来控制系统。以太网运动控制器为极其成本敏感和空间敏感型应用而设计。这些控制器的设计消除了控制器与驱动器之间的配线和任何连通性问题。可以使用插入式放大器来驱动高达500瓦的步进式、电刷式和无刷式伺服电机。可选择地，控制器板可以与任何功率范围的外部驱动器连接。
可以从Galil Motion Control，270Technology Way，Rocklin，California95765，USA获得Galil控制器。
在使用时，中央平衡的轧钳9和6利用夹紧装置11夹持梁31，并且通过操作其伺服电机(例如，轧钳9的伺服电机30A和30B)来使弓形托架18转动，从而使梁围绕其长轴转动。结果，工具安装架(例如，台架13的工具安装架62)能够接近梁的各个面。此外，因为工具安装架以多个自由度作业，所以安装在工具安装架上的工具能够以基本上任意角度在梁的任意面上进行作业。
作为本发明设备的操作方法的实施方案的一个实例，假设需要将一个部件(例如，夹板)焊接在梁的预定位置上。夹板存放在位于设备上或设备附近的预定存放区(例如，盒子)中。
在把梁放置在相对的轧钳上之后，转动梁，使得焊接工具头可以到达梁上的将要连接夹板的位置。然后，激光测量工具头检查梁的正确位置并且使夹板在盒子中正确取向。最后一步可以包括检查夹板的不对称狭槽、其他孔、边缘或标记处于正确的方向。
如果夹板正确取向，那么电磁头将进行作业以保持夹板并将其移动到用于焊接的梁上的正确位置。然后，相互配合地操作焊接头与电磁头，从而将夹板焊接在梁上。应当认识到，在该方法中，上面安装有电磁头、激光头和焊接头的台架形式的平移组件在梁的长度上都上下移动，从而各工具头可以进行各种作业。在执行该方法的过程中，工具头安装架上的伺服电机以及各种台架和轧钳伺服电机全部经由图8所示的控制系统操作和监控(即，控制)。
图10和图11示出了在作业的各个阶段中的制造机1，其中台架和轧钳沿着轨道2和4滑动到各个位置。
该制造机还可以进行以下作业：
i)以方形、成角度、简单曲线或复杂曲线的切口来切割工件的长度。
ii)在工件的任一面上切出孔。
iii)将识别标记施加在工件上。
iv)将夹板保持在准备焊接的位置。
v)临时点焊夹板。
vi)完全焊接夹板。
vii)用喷漆头在完成的物品上喷漆。
在操作过程中，工具安装架与工件(例如，梁)之间的相对运动可以通过以下方式实现：保持轧钳静止而使工具移动，或者使工件和工具同时移动。控制系统可以编程以处理来自一个长形材料的多个小部分，其中加工区保持静止，而材料在上一部分处理完成之后被供给到加工区。
已经结合具体实施方案阐述了本发明，其中用于工具头安装架的平移组件包括在轨道上运行的多个台架。然而，可能存在其他平移组件。例如，在其他实施方案中，平移组件可以包括沿着安装在轧钳上方的顶板上的引导件滑动的轮子或滑道。
根据法规，本发明用基本清楚的语言描述了结构或方法特征。术语“包括”及其变型形式(例如，“包含”和“由……组成”)在全文中表示包括的含义而不排除任何附加特征。
应当理解，本发明不限于所示或所述的具体特征，因为本文所述的手段包括实施本发明的优选形式。因此，本发明要求保护在本领域技术人员适宜解释的所附权利要求书的适当范围内的任何形式或修改。

Claims (28)

1.一种梁加工设备，包括：
轧钳组件，其用于保持梁并且使梁围绕梁的长轴转动；
至少一个平移组件，其沿着所述梁移动；和
至少一个工具头安装架，其与所述平移组件紧固，以使工具在所述梁上作业。
2.根据权利要求1所述的梁加工设备，其中，所述轧钳组件包括设置成相互配合地保持所述梁并使所述梁转动的一对相对轧钳。
3.根据权利要求2所述的梁加工设备，包括用于牵引所述各轧钳合拢和分开的至少一个电机。
4.根据权利要求2或3所述的梁加工设备，其中，所述轧钳包括用于支撑所述梁的可转动托架。
5.根据权利要求4所述的梁加工设备，其中，所述轧钳包括用于使所述托架转动的至少一个电机。
6.根据权利要求3所述的梁加工设备，其中，所述的用于牵引所述各轧钳合拢和分开的至少一个电机与齿条-小齿轮结构联接。
7.根据权利要求6所述的梁加工设备，其中，所述各轧钳在轮子上运行，并且其中，所述齿条-小齿轮结构包括装配有齿条的第一轨道和与所述齿条啮合的小齿轮，所述小齿轮与所述的至少一个电机的心轴紧固，所述电机与所述各轧钳中的一个紧固。
8.根据前述权利要求中任一项所述的梁加工设备，其中，所述平移组件包括至少一个台架。
9.根据权利要求8所述的梁加工设备，其中，所述设备包括用于使所述台架相对于所述轧钳组件运动的台架电机。
10.根据权利要求8或9所述的梁加工设备，其中，所述的至少一个台架沿着至少一个第二轨道架设。
11.根据权利要求10所述的梁加工设备，其中，所述的至少一个台架沿着一对第一轨道架设，所述轧钳沿着一对第二轨道架设。
12.根据权利要求11所述的梁加工设备，其中，所述的一对第一轨道位于所述的一对第二轨道的外侧。
13.根据权利要求8-12中任一项所述的梁加工设备，其中，所述的至少一个台架包括三个台架，所述的至少一个工具头安装架包括与所述各台架联接的三个相应的工具头安装架。
14.根据权利要求13所述的梁加工设备，其中，焊接工具安装在所述各工具头安装架中的一个上。
15.根据权利要求13所述的梁加工设备，其中，激光定位探测器安装在所述各工具头安装架中的一个上。
16.根据权利要求13所述的梁加工设备，其中，切割工具安装在所述各工具头安装架中的一个上。
17.根据权利要求13所述的梁加工设备，其中，电磁体安装在所述各工具头安装架中的一个上，用于选择性地保持将要焊接在所述梁上的部件。
18.根据权利要求17所述的梁加工设备，包括位于预定位置的保持器，用于存放所述部件。
19.根据前述权利要求中任一项所述的梁加工设备，其中，所述工具头安装架包括随动电机和倾斜电机。
20.根据权利要求19所述的梁加工设备，其中，所述工具头安装架还包括滚动电机。
21.根据前述权利要求中任一项所述的梁加工设备，包括被设置成读取电子文件的计算机化的控制系统，所述电子文件包含通过所述轧钳组件、所述平移组件和所述的至少一个工具头安装架进行钢梁作业的信息。
22.根据权利要求21所述的梁加工设备，其中，所述计算机化的控制系统包括一个或多个控制器板，所述控制器板被设置成作为用于读取所述电子文件的计算机与所述设备的各电机之间的接口。
23.根据权利要求22所述的梁加工设备，其中，所述控制器板根据所述各电机的位置编码器作出响应。
24.一种加工梁的方法，包括以下步骤：
将所述梁沿着其长轴转动所需角度以便工具头接近；
用激光测量装置检查所述梁的位置；
将所述工具头移动到所述梁附近的预定位置；和
使所述工具头在所述梁上作业；
其中，所述方法的每一步骤都由电子控制系统控制。
25.根据权利要求24所述的方法，包括以下步骤：通过用电磁体夹紧将要连接在所述梁上的部件，将所述部件从存放位置重新定位到预定位置。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述方法包括用所述激光测量装置检查所述部件的正确取向。
27.根据权利要求25-26中任一项所述的方法，还包括：相互配合地操作所述电磁体和焊接头，从而将所述部件焊接在所述梁上。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，通过平移组件将所述工具头沿着所述梁移动到所述预定位置。
CN2010800539318A 2009-10-27 2010-10-26 计算机辅助的梁制造机 Pending CN102655986A (zh)

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PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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