CN103547404B - 用于扫描待在激光切割机上进行加工的管的方法 - Google Patents

Abstract

该方法包括以下步骤：a）通过激光切割机的切割头（50）以使得不能对管（T）的材料产生切割或者刻蚀的方式发射聚焦激光束；b）使切割头（50）沿着给定的扫描方向（x）移动；以及c）在使切割头（50）沿着扫描方向（x）移动的同时，通过合适的传感器（56）检测由管（T）反射或发射的辐射并且基于由这些传感器（56）提供的信号逐点地确定管（T）的材料的存在或不存在。

Description

用于扫描待在激光切割机上进行加工的管的方法

技术领域

本发明大体上涉及用于管的激光切割的方法，并且更特别地涉及如本发明所要求保护的用于扫描激光切割机上的管的方法。

背景技术

上述类型的方法从JP 2010 125517是已知的。

在以下描述中，术语“管(tube)”用以表示任何细长的三维本体，即，沿主方向(下文中称为纵向轴线)延伸并且具有沿着纵向轴线的一致的横截面(其可以是无偏向地为开放的或闭合的)的任何本体。

管的激光切割是众所周知的工业应用，但是特别地由于需要加工的管的横截面的性质以及标称加工位置与管在其移动结束时实际到达的位置之间的差异的原因，管的激光切割会受到一些困难。

就管的横截面的性质而言，管的实际横截面由于几何误差而与标称横截面不同。可通过激光来加工各种类型的管横截面，并且最常见的管横截面是在附图的图1中示出的那些。特别地，可出现以下类型的横截面：

-圆形横截面(图1a)，

-方形横截面(图1b)，

-矩形横截面(图1c)，其具有圆角的或尖锐的边缘，

-椭圆形扁平横截面(图1d)，

-椭圆形半扁平横截面(图1e)，

-椭圆形横截面或者呈挤压圆的形状的横截面(图1f)，

-U形或C形横截面(图1g)，其通过弯折或者通过挤压得到，并且因此具有呈圆角边缘的外或内边缘或者具有呈尖锐边缘的外或内边缘，

-L形横截面(图1h)，其通过弯折或者通过挤压得到，并且因此具有圆角边缘侧或者具有尖锐边缘侧，

-平板横截面(图1i)，具有尖锐边缘或者斜切边缘，以及

-H形(图1j)或者I形(图1k)横截面。

除了其中横截面并非明显地具有至少一个平面的情况(其为圆形横截面或者椭圆形横截面的情况)，可限定边缘或者参考面、连接角(fillet)半径或者斜切面以及工作面。换言之，当例如正在管的面(工作面)上执行切割操作时，可通过使用(作为参考)通过连接角连接至工作面的另一个面(典型地为垂直于工作面的面)来限定该面在何处开始或者终止。

上文中参考各种类型的横截面所描述的连接角可呈尖锐边缘、四分之一圆或者斜切面的形式，如在图2中所示。

图2a示出了管的矩形横截面的边角部分，其中工作面2与参考面4通过呈四分之一圆的形式的连接角6a而相互连接。由激光加工设备用作用于确定连接角以及因此参考面的位置的参考的检查点以8a表示。图2b示出了具有尖锐边缘连接角6b和两个相关联的检查点8b的管的矩形横截面的角部分。图2c示出了具有第一斜切的连接角6c和检查点8c的管的矩形横截面的边角部分，而图2d示出了具有第二斜切面的连接角6d(包括两个弧形段6d’和直线段6d”)并且具有检查点8d的管的矩形横截面的边角部分。图2e示出了呈四分之一圆的形状的两个连接角6e’和6e”(其在中间区域9中相互连接)以及两个检查点8e’和8e”。

为了执行测量(例如位置测量)而要求连接角的形状与期望的形状相同的每个过程注定会失败或者至少是不精确的。

另一个问题在于，管的实际横截面的尺寸与标称尺寸不同。已知的激光切割机设置有允许补偿略微尺寸变化的自适应机械系统，但是在试图确定待加工的管的位置时这样的改变可造成一些问题。目前典型地用以确定管的工作面的位置的方法中的一个例如在于使管旋转90度角并且接触相关的参考面。测得的尺寸与标称尺寸之间的差异在这种情况下可解释为所讨论的面的刚性位移，但是也可由于横截面的尺寸与标称尺寸不同的事实所造成的。

另一个问题(如上所述)是正在加工的管的标称位置与管在其移动结束时实际到达的位置之间的差异。

现在参照图3，将描述用以使管在用于管的切割的激光切割机中移动的结构的多个实例。

图3a示意性地示出了心轴(spindle)-轴承结构。布置成使管T沿其自身的轴移动并绕其自身的轴旋转的心轴以10表示。另一方面，管T穿过其并且因此保持在水平位置中的轴承以12表示。激光切割机还包括(以自身已知的方式)可直接在轴承12的上游(区域14a)或者下游(区域14b)工作的切割头(未示出)。该切割头可借助于特定的驱动机构或者由于轴承12的平移运动而在区域14a与14b之间移动。可替换地，切割头的移动可通过由其自身的驱动机构引起的移动与由轴承12引起的移动的组合而产生。

图3b示意性示出了三轴承结构。图3a中示出的类型的心轴以10表示。在管具有大于25kg/m的线重量的情况下，心轴10除了具有在加工过程的期间支撑和操纵管的作用之外还具有在加工过程结束时装载(upload)管的作用。制成为贯通心轴的两个另外的心轴以16和18表示。切割头(未示出)设置有特定的驱动机构，以便能够在两个贯通心轴的上游(区域14a)、在两个贯通心轴的下游(区域14b)或者在两个贯通心轴之间(区域14c)工作。

图3c示意性示出了四轴承结构，该与图3b的结构不同，在于该结构还包括第四心轴20，该第四心轴制成非贯通心轴并且具有抽取、旋转以及支撑管的作用。在这种情况下，切割头(未示出)也设置有特定的驱动机构，以便能够在两个贯通心轴的上游(区域14a)、在两个贯通心轴的下游(区域14b)或者在两个贯通心轴之间(区域14c)工作。

图3d示意性示出了仅具有两个贯通心轴10和20的结构，这两个贯通心轴和二者均具有移动、旋转以及抽取管的作用。在这种情况下，切割头(未示出)也设置有特定的驱动机构，以便能够在两个心轴的上游(区域14a)、在两个心轴的下游(区域14b)或者在两个心轴之间(区域14c)工作。

上述所有结构均要求已知正在加工的管相对于由心轴形成的管驱动系统所限定的参考轴线的位置。如果激光切割机的管驱动系统能够由于其自身的对称性而使正在加工的管居中(即能够施加足以减小管的偏离或扭转的力)，则适用这样的要求。然而，由于管经受的压力，这样的要求通常仅在靠近心轴与管之间的接触点处满足。当与这些接触点的距离增大时，管相对于参考线越来越不居中。切割头越靠近管与心轴的接触点工作，管越是居中的，并且通常当切割头在包含在两个心轴之间的区域(在图3b至3d中以14c表示的区域)中工作时，管会更精确地居中。在任何情况下，当加工特别薄且柔的管或者加工具有大的线重量(例如，大于20kg/m的值)的管时，保证管正确地居中是困难的。

与管的激光加工相关的另一个问题在于确定正在加工的管的端部或末端的位置，该位置对于为待在管上执行的加工的位置提供正确的参考是必要的。在这种情况下，还有必要用于正在加工的管的位置相对于执行加工的工具的实际工作位置(在当前情况下是切割头的实际位置)而非相对于空间中的理想点的参照。

在一些情况下，重要的是将面的点或区域而非管的旨在为表面或轮廓线(line)的端部当作待在管上执行的加工的参考来寻找。这种情况例如在管的端部是成角度的(图4a)或者具有复杂的轮廓(图4b)时发生。

在其他情况下，管已经受预先的加工(例如钻孔操作)并且因此必须经受激光切割或者修整操作。图5示出了预先经受了钻孔的管的两个实例(a)和(b)。在这些情况下，激光切割机必须使将执行的激光加工操作参考先前的加工，并且因此必须寻找这些先前加工的位置。

一旦已执行激光切割(例如已形成圆形孔或者方形或矩形狭槽)，则测量这种加工产物的特征尺寸可能是必要的。这种情况例如在将由激光切割产生的切口的实际宽度考虑在内来估计加工产物的尺寸时发生。

发明内容

本发明的目的是提供用于扫描旨在通过激光切割机加工的管的方法，该方法允许独立于管在激光切割机中的位置以及管的形状来测量管的面上的点的位置。

本发明提供了一种用于扫描待在激光切割机上进行加工的管的方法，其中，所述激光切割机包括切割头和传感器装置，所述切割头布置成使由激光源产生的激光束聚焦在待加工的所述管上，所述传感器装置布置成在所述管受到通过所述切割头聚焦的所述激光束射击时检测由所述管反射或发射的辐射并且布置成提供指示这种辐射的信号，所述方法包括以下步骤：a)沿着采样方向在采样位置中执行位置采样，所述采样方向垂直于所述管的轴线，在所述采样位置中所述切割头的喷嘴确定地面向所述管，b)通过所述切割头以使得不能对所述管的材料产生切割或刻蚀的方式发射聚焦激光束，c)使所述切割头沿着给定的扫描方向移动，以及d)在使所述切割头沿着所述扫描方向移动的同时，通过所述传感器装置检测由所述管反射或发射的辐射，并且基于由所述传感器装置提供的信号逐点地确定所述管的材料的存在或不存在。

进一步地，通过使所述切割头沿着所述采样方向移动来执行所述位置采样，直到所述喷嘴接触所述管。

进一步地，通过使用电容传感器并且通过使所述切割头沿着所述采样方向移动来执行所述位置采样，直到所述喷嘴到达与所述管相距一给定距离。

进一步地，由所述传感器装置检测到的光学信号具有包含在从180nm到2000nm范围内的波长。

进一步地，在步骤c)中所述切割头移动所沿着的所述扫描方向定向成平行于或者垂直于所述管的轴线。

附图说明

通过参照附图仅以非限制性的实例的方式给出的以下详细描述，本发明的特征和优点将呈现出来，附图中：

图1a至图1h示出了可经受激光切割操作的管的横截面的实例；

图2a至图2e示出了管的两个相邻平面之间的连接角区域的实例；

图3a至图3d为可用于在管激光切割机中使管移动的一些结构的示意性侧视图；

图4a和图4b为示出了管端部的形状的两个实例的立体图；

图5a和图5b为示出了待加工的管的两个实例的立体图，其中加工(特别是钻孔)在激光加工之前已执行；

图6为根据本发明的扫描方法可在其上实现的管激光切割机的示意图；

图7为根据本发明的扫描方法的框图；以及

图8a和图8b示意性示出了在管具有带圆角边角的矩形横截面的情况下根据本发明的扫描方法的初步位置采样阶段。

具体实施方式

参照图6，用于管的激光切割的激光切割机首先包括管驱动系统，该管驱动系统布置成使管T沿其自身的轴线(以x表示)移动并使管绕其自身的轴线旋转。在图6中示出的实例中，驱动系统仅包括一个心轴10。可替换地，可使用以上参考图3a至图3d描述的任何已知的结构。激光切割机还包括切割头50和激光源52。切割头50除了别的以外包括用于将来自激光源52的激光束聚焦在管T上的一组透镜以及用于输送辅助气体的喷嘴。切割头50是自身已知的类型，并且因此在此将不再详细描述。头驱动系统(未示出)(其也是自身已知的类型)关联至切割头50以使切割头50移动。激光源52布置成通过自身已知的类型的光束传输系统54(诸如例如镜系统或者光纤)将激光束发射至切割头50。激光切割机还包括传感器56，该传感器布置成在管T暴露于由切割头50聚焦的激光束时检测反射的(并且因此具有与所述激光束相同的波长)或者发射的(由于入射光束引起的激励(excitation)而产生的来自管的材料或者来自管浸入其中的气体环境的辐射)辐射。由传感器56检测到的光学信号(反射或者发射的辐射)具有包含在从180nm到2000nm范围内的波长。传感器56可固定至切割头50(如在图6中示出的实例中)或者固定至光束传输系统54。

根据本发明，为了测量正在加工的管T的面上的点的位置，切割头50以这样的方式适当地操作(就激光功率、与管的距离以及辅助气体的压力而言)以使激光束聚焦在管上，即，使得不能对管产生刻蚀或者切割，而是仅产生待由管的表面发射的辐射，该辐射旨在由传感器56检测。例如，用于扫描管T的表面的激光束通过以下方式获得：将激光源52的功率设定在从200W到3000W范围内、使用具有包含在从0.5bar到5bar范围内的压力的辅助气体以及将切割头50定位在与管相距包含在从0.5mm到4.5mm范围内的距离处。传感器56连接至控制单元58，该控制单元基于由传感器提供的信号而能够利用与管上的入射点中的激光束的半径相等并且因此典型地包含在25μm与80μm之间的横向空间分辨率来确定管T的存在或者不存在。这样的横向空间分辨率是由于仅仅具有最高功率密度的区域会产生不可忽略的信号的发射的事实而导致的。

现在将参照图7的框图并参照图8a和图8b来描述根据本发明的用于扫描激光切割机(诸如以上参照图6描述的机器)上的管的方法。

首先(图7的框图的步骤200)，基于由操作者给出的指示来选择待寻找/测量的几何特征。操作者可例如通过利用远程便携通信装置将无线信号发送至激光切割机的控制单元58或者通过直接作用于所述机器的连接至控制单元58的接口模块来给出其指示。例如，以下可为对于操作者可用的选择：

-寻找参考面，

-寻找两个参考面，

-寻找管的端部，

-寻找特定区域中的端部，

-寻找已存在于管中的孔或者腔体，以及

-测量孔或者腔体。

根据待执行的寻找或测量的类型，如将进一步描述的，扫描被限定在不包括管T的旋转并且因此以仅需要移动切割头50的方向(通常是平行于管T的轴x的方向或者垂直于这个轴的方向)上。然而，万一必须在圆形管上搜索腔体，则有必要绕其自身的轴线旋转管。

在图7的框图中以202表示的步骤中，位置初步采样以安全的方式(即以使得避免对管造成损害的方式)且以确定的方式(即在其中确定存在管材料的位置中)沿着垂直于管T的轴线x的方向z(见图6)执行。图8a示出了切割头50在其中喷嘴确定地面向管T的位置中的初始定位。更具体地，图8a示出了管T的两个横向位置容差域(其宽度以t表示)，并且示出了切割头50以喷嘴与最接近的域相距给定的最小距离l地布置于这两个域之间的方式定位，并且因此切割头定位在其中喷嘴确定地面向管T(在示出的实例中面向管T的顶部平面)的位置中。从该初始位置开始，切割头50沿轴线z移动以执行位置初步采样，如在图8b中所示。位置初步采样可通过使管T与切割头50的喷嘴接触来执行或者(如在图8b中所示)通过使用电容传感器系统(自身已知的类型)并且因此通过使切割头50的喷嘴朝向管T的表面移动至与管相距一基于喷嘴自身的直径d的距离来执行。沿轴线z的位置初步采样以及因此切割头50的喷嘴与管T之间的距离(即焦点的位置)的设定用于使焦点尽可能地定位在材料的表面上，以使测量的分辨率最大，确保射击在材料上的激光束的可能直径最小。

将通过在步骤202中执行的位置初步采样确定的位置用作参考，通过在图7的框图中以204表示的步骤中使切割头50移动远离管T或者(在任何情况下)远离待观察到的材料的边缘期望定位于其中的区域，控制单元58准备好进行扫描过程。在其中位置初步采样通过电容传感器执行的情况下，采样也在切割头50移动远离管T的过程中执行，因此允许切割头遵循管的轮廓。在切割头的移动过程中，无论如何均确保切割头50不会下降大于管T的半径的距离。出于该目的，为了方便起见而将管的半径的值设定为等于标称值，因为这不会负面地影响测量的品质，而是至多仅降低其精度。

在图7的框图中以206表示的步骤中，以使得不允许聚焦的激光束对管T的材料产生切割或者刻蚀的功率来开启激光源52，并且由切割头50的喷嘴以使得避免材料从管朝向切割头的内部飞溅的压力来供应辅助气体。

在图7的框图中以208表示的步骤中，切割头50开始扫描移动，从其中确定不存在材料的位置开始并且朝向材料T移动，以便在该方向上渐进地移过激光束聚焦的区域。来自源52的聚焦激光束在其射击管T的材料时反射，或者导致管的材料或者管在聚焦区域中浸入其中的气体产生发射。传感器56检测存在材料与不存在材料之间的信号阶跃(signalstep)，并且自动地使切割头50自身定位在诸如图2a至图2e中示出的检查点中的一个的检查点8a-8e中，无论连接角呈四分之一圆的形式、为尖锐边缘的连接角或者为斜切的连接角均是如此。可简单地通过给操作者提供将固定的偏移量(offset)增加至测量的可能性而将可能的系统定位偏移量考虑在内。

控制单元58在扫描过程期间继续监测由聚焦区域反射或发射的光学信号直至到达管T的端部。此时(图7的框图的步骤210)，控制单元58记录到达的位置并且停止扫描周期。

对于在由其他两个面限定的面上加工的情况，位置误差与尺寸误差之间的去卷积(deconvolution)的问题可通过在扫描过程期间保持管不动以及通过扫描两个参考面来解决。操作者将具有选择参考这样测得的面的中心或是参考两个采样边缘中的一个来进行加工的可能性。

根据本发明的扫描方法允许不仅扫描管的边缘和端部，而且在可对于扫描过程期间检测的位置给出的明确含义的情况下还允许扫描任何形状的预先存在的加工产物(诸如孔或腔体)。

最后，扫描过程还允许沿着扫描方向测量刚刚获得的激光加工产物的尺寸，例如出于品质检查的目的或者为了对后续加工提供参考。在后一种情况下，加工产物优选地在无用的区域中(例如会变成对后续加工而言为废料(scrap)的区域内)形成，以便对激光设备进行调谐(tune)。

如果必要，可重复进行扫描过程，以获得更好的分辨率。

自然地，在本发明的原理保持不变的情况下，实施例和结构细节可以从仅通过非限制性实例的方式描述和说明的实施例和结构细节而广泛地变化。

Claims (5)

1.用于扫描待在激光切割机上进行加工的管(T)的方法，其中，所述激光切割机包括切割头(50)和传感器装置(56)，所述切割头布置成使由激光源(52)产生的激光束聚焦在待加工的所述管(T)上，所述传感器装置布置成在所述管(T)受到通过所述切割头(50)聚焦的所述激光束射击时检测由所述管(T)反射或发射的辐射并且布置成提供指示这种辐射的信号，

所述方法包括以下步骤

a)沿着采样方向(z)在采样位置中执行位置采样，所述采样方向垂直于所述管(T)的轴线(x)，在所述采样位置中所述切割头(50)的喷嘴确定地面向所述管(T)，

b)通过所述切割头(50)以使得不能对所述管(T)的材料产生切割或刻蚀的方式发射聚焦激光束，

c)使所述切割头(50)沿着给定的扫描方向移动，以及

d)在使所述切割头(50)沿着所述扫描方向移动的同时，通过所述传感器装置(56)检测由所述管(T)反射或发射的辐射，并且基于由所述传感器装置(56)提供的信号逐点地确定所述管(T)的材料的存在或不存在。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过使所述切割头(50)沿着所述采样方向(z)移动来执行所述位置采样，直到所述喷嘴接触所述管(T)。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过使用电容传感器并且通过使所述切割头(50)沿着所述采样方向(z)移动来执行所述位置采样，直到所述喷嘴到达与所述管(T)相距一给定距离。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，由所述传感器装置(56)检测到的光学信号具有包含在从180nm到2000nm范围内的波长。

5.根据前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在步骤c)中所述切割头(50)移动所沿着的所述扫描方向定向成平行于或者垂直于所述管(T)的轴线(x)。