CN106541033A - 一种水火弯板机及其水枪头跟踪冷却方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于水火弯板机的水枪头跟踪冷却方法，包括：对工件表面建立坐标系，并获取火枪头的预设焰道轨迹曲线；将预设焰道轨迹曲线沿运动方向通过n条折线向量拟合，并测量第k条与第k+1条折线向量间的夹角为θk；当火枪头运动至第k+1条折线向量的起点时，将水枪头围绕火枪头公转θk角，并使水枪头与火枪头的连线与第k+1条折线向量共线；其中，n和k均为正整数，且kmax+1＝n。如此，水枪头的运动轨迹将无限趋近于火枪头的运动轨迹，使得焰道加工轨迹与冷却液着点轨迹几乎重合，大幅提高了水枪头的冷却位置精确度和冷却效果，同时也提高了板材表面加工质量。本发明还公开一种水枪头跟踪冷却系统和水火弯板机，其有益效果均如上所述。

Description

一种水火弯板机及其水枪头跟踪冷却方法和系统
技术领域
本发明涉及表面加工处理技术领域，特别涉及一种基于水火弯板机的水枪头跟踪冷却方法。本发明还涉及一种基于水火弯板机的水枪头跟踪冷却系统以及一种水火弯板机。
背景技术
随着船舶行业的迅猛发展，船体外板的加工质量和加工效率要求越来越高，同时为了适应我国船舶行业走向国际市场和特种船舶的需要，当前的加工工艺和手段已不能适应发展的需要，应对加工过程中的关键技术进行自动化改革，提高板材成型质量、加工效率、减少成本和改善作业环境，推广应用新工艺，提高加工自动化、机械化和数字化水平。
目前，船体外板的加工自动化程度普遍较低，基本上属于工人手工操作，加工过程中全凭工人经验。存在标准化程度低、板材成型率低等诸多问题。水火弯板机目前是国内首个针对船体外板的全自动化装置，依靠先进的计算机图形技术和运动控制技术实现对整块钢板的加工。水火弯板加工工艺是指通过火枪头沿预定的加热线用氧-乙炔烘炬对板材进行局部线状加热，并在之后通过水枪头将加热部位冷却，使板材产生局部塑性变形，从而将板材弯成所要求的曲面形状的一种弯板方法。水火弯板机依靠热胀冷缩原理使得钢板发生形变，其焰道加工轨迹和冷却液着点轨迹尤为重要。
在现有技术中，水火弯板机对于火枪头的焰道加工轨迹的计算、推理和规划已经比较成熟和实用，但是对于水枪头的冷却液着点轨迹却往往通过人工冲洗控制或通过束状风机进行风冷，其控制精度较粗糙，对于火枪头的焰道加工轨迹冷却位置不精确，冷却效果不佳，加工出的板材表面质量偏低。
因此，如何使水火弯板机的水枪头能够精确地对火枪头的焰道加工轨迹进行冷却，提高板材表面加工质量，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于水火弯板机的水枪头跟踪冷却方法，能够精确地对火枪头的焰道加工轨迹进行冷却，提高板材表面加工质量。本发明的另一目的是提供一种基于水火弯板机的水枪头跟踪冷却系统，以及一种水火弯板机。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于水火弯板机的水枪头跟踪冷却方法，包括：
对工件表面建立坐标系，并获取火枪头的预设焰道轨迹曲线；
将所述预设焰道轨迹曲线沿运动方向通过n条折线向量拟合，并测量第k条与第k+1条折线向量间的夹角为θk；
当所述火枪头运动至第k+1条折线向量的起点时，将水枪头围绕所述火枪头公转θk角，并使所述水枪头与火枪头的连线与第k+1条折线向量共线；
其中，n和k均为正整数，且kmax+1＝n。
优选地，对工件表面建立坐标系，具体包括：
以工件表面某相邻两边的交点为圆点在水平面内建立直角坐标系。
优选地，获取火枪头的预设焰道轨迹曲线，具体包括：
从工控机中查询已经规划完成并用于当前工件的火枪头的运动轨迹，再将所述运动轨迹投影到所述坐标系中形成所述预设焰道轨迹曲线。
优选地，在将所述预设焰道轨迹曲线沿运动方向通过n条折线向量拟合时，使第k条与第k+1条折线向量间的夹角θk均处于预设角度范围内。
优选地，所述预设角度范围为1°～5°。
本发明还提供一种基于水火弯板机的水枪头跟踪冷却系统，包括：
坐标模块，用于对工件表面建立坐标系；
路径模块，用于获取火枪头的预设焰道轨迹曲线；
拟合模块，用于对所述预设焰道轨迹曲线沿运动方向通过n条折线向量进行拟合；
测量模块，用于测量第k条与第k+1条折线向量间的夹角为θk；
驱动模块，用于当所述火枪头运动至第k+1条折线向量的起点时，将水枪头围绕所述火枪头公转θk角，并使所述水枪头与火枪头的连线与第k+1条折线向量共线。
优选地，所述坐标模块具体为用于以工件表面某相邻两边的交点为圆点在水平面内建立直角坐标系的直角坐标模块。
优选地，所述路径模块具体包括用于从工控机中查询已经规划完成并用于当前工件的火枪头的运动轨迹的查询模块，以及用于将所述运动轨迹投影到所述坐标系中形成所述预设焰道轨迹曲线的投影模块。
优选地，还包括与所述拟合模块信号连接、用于在将所述预设焰道轨迹曲线沿运动方向通过n条折线向量拟合时，使第k条与第k+1条折线向量间的夹角θk均处于预设角度范围内的转角控制模块。
本发明还提供一种水火弯板机，包括用于对工件表面进行加热且可水平移动的火枪头、与所述火枪头同步移动并可同时绕其公转、用于对工件表面进行冷却的水枪头，以及如上述四项中任一项所述的水枪头跟踪冷却系统。
本发明所提供的基于水火弯板机的水枪头跟踪冷却方法，主要包括三个步骤，分别为：对工件表面建立坐标系，并获取火枪头的预设焰道轨迹曲线；将所述预设焰道轨迹曲线沿运动方向通过n条折线向量拟合，并测量第k条与第k+1条折线向量间的夹角为θk；当所述火枪头运动至第k+1条折线向量的起点时，将水枪头围绕所述火枪头公转θk角，并使所述水枪头与火枪头的连线与第k+1条折线向量共线；其中，n和k均为正整数，且kmax+1＝n。本发明所提供的水枪头跟踪冷却方法，基于微积分的思想，将预设焰道轨迹曲线沿运动方向通过n条折线向量拟合后，可以认为火枪头的焰道轨迹即为由若干个首尾相连的线段组成的折线。测量出第k条与第k+1条折线向量间的夹角为θk后，即可获知相邻两条折线向量的位置关系以及火枪头的运动趋势。而当火枪头运动至第k+1条折线向量的起点时，火枪头的运动轨迹发生变化，此时水枪头如果再按照之前的轨迹运动则不再适应火枪头新的运动轨迹，因此，在此时将水枪头围绕火枪头公转θk角，使得水枪头转动到火枪头运动轨迹的正后方位置，或者说水枪头公转结束后处于火枪头当前所处折线向量的反向延长线上。如此，每当火枪头移动到下一个折线向量的起点时，水枪头就进行相应角度的公转，始终保持水枪头在火枪头的运动轨迹的正后方，即保持跟随状态，如此水枪头的运动轨迹也将无限趋近于火枪头的运动轨迹，使得焰道加工轨迹与冷却液着点轨迹几乎重合，大幅提高了水枪头的冷却位置精确度和冷却效果，同时也提高了板材表面加工质量。
本发明所提供的水枪头跟踪冷却系统和水火弯板机，其有益效果均如上所述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种具体实施方式中水枪头跟踪冷却方法的流程图；
图2为本发明所提供的一种具体实施方式中火枪头的焰道轨迹曲线拟合与水枪头绕火枪头公转位置示意图；
图3为本发明所提供的一种具体实施方式中水枪头跟踪冷却系统的模块图；
图4为本发明所提供的一种具体实施方式中水火弯板机的局部结构示意图。
其中，图4中：
火枪头—1，水枪头—2。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明所提供的一种具体实施方式中水枪头跟踪冷却方法的流程图。
在本发明所提供的一种具体实施方式中，基于水火弯板机的水枪头跟踪冷却方法主要包括三个步骤，分别为：对工件表面建立坐标系，并获取火枪头的预设焰道轨迹曲线；将所述预设焰道轨迹曲线沿运动方向通过n条折线向量拟合，并测量第k条与第k+1条折线向量间的夹角为θk；当所述火枪头运动至第k+1条折线向量的起点时，将水枪头围绕所述火枪头公转θk角，并使所述水枪头与火枪头的连线与第k+1条折线向量共线；其中，n和k均为正整数，且kmax+1＝n。
在第一步中，由于工件一般为板材，比如钢板等，而且对其加工的方式为火枪头1和水枪头2对其表面进行喷焰和喷水，因此为方便水火弯板机对工件加工过程的掌握，可首先对工件表面进行坐标系的建立。此处优选地，可通过建立简单的直角坐标系完成。具体的，首先可选择表面上某相邻两边的交点作为直角坐标系的原点，比如工件呈矩形时，可选择任意相邻两条边的交点为圆点，然后在水平面内，比如工件的表面等，建立直角坐标系。其中，x轴或y轴可选择工件的任意一条边。由于火枪头1和水枪头2在运行过程中，主要在工作面内进行水平移动，因此水平面内建立的直角坐标系足以实现分析目的。当然，还可以在水平面内建立极坐标系等，或者考虑到工件表面不平整、存在弯曲或凹陷时，火枪头1和水枪头2需要进行垂向移动，如此还可建立三维坐标系，同样可以达到本发明的目的。
对于一块已知的工件而言，水火弯板机对其表面加工的工序是可以被推理、规划的，或者对于某一类型工件而言，其加工工序是预设的。如此，在本步骤中还需要对火枪头1的加工工序进行获取，具体的，主要需要获取火枪头1的预设焰道轨迹曲线。该预设焰道轨迹曲线是火枪头1在执行工序时的运行轨迹，一般为水平面内的直线、曲线或部分带有垂直分量的空间曲线，但即使是空间曲线，其在XOY平面内的投影也跟垂直分量没有关系，因此只需关注水平面内的运行轨迹即可。
具体的，当工件与工装等安装完成后，工控机会根据该工件的形状和加工要求推理计算出一套火枪头1的运动轨迹，如此，在本步骤中只需从工控机中查询已经规划完成的运动轨迹即可，之后将结合以工件为基准建立的坐标系，将所获取的运动轨迹投影到坐标系中即可形成预设焰道轨迹曲线。当然，在本步骤中也可以直接从水火弯板机的主控中心处获取或临时通过外部数据等获取火枪头1的运动轨迹。
在第二步中，本实施例利用微积分思想，将火枪头1的预设焰道轨迹曲线无限分割成n条线段，如此预设焰道轨迹曲线即可看做是由n条线段首先相连所形成的折线。同时，考虑到火枪头1在运行时存在方向性，因此可将预设焰道轨迹曲线进一步看做是由n条首尾相接的向量组成的有向折线。总之，在本步骤中，通过n条折线向量将预设焰道轨迹曲线拟合出来，便于分析。之后，再测量第k条与第k+1条折线向量间的夹角，即对相邻的两条折线向量间的夹角进行测量，可设其为θk，比如第1条与第2条折线向量间的夹角即为θ1，第2条与第3条折线向量间的夹角即为θ2。显然，同平面内的两个向量间的夹角范围为0°～180°，因此θk的角度范围也为此。但是，考虑到对预设焰道轨迹曲线拟合的精确度需要较高，因此在对预设焰道轨迹曲线进行多条折线向量拟合时，需要使该θk角的角度范围处于预设角度范围内。一般的，该θk的角度可在1°～5°之间。当然，该角度范围也可以根据实际情况进行调整。显然，当n的取值越大时，拟合所用的折线向量数量越多，相邻两条折线向量间的夹角就越小，如此拟合出的曲线就越趋近于预设焰道轨迹曲线。
在第三步中，测量出第k条与第k+1条折线向量间的夹角为θk后，即可获知相邻两条折线向量的位置关系以及火枪头的运动趋势。而当火枪头1运动至第k+1条折线向量的起点时，火枪头1的运动轨迹即发生变化，此时水枪头2如果再按照之前的轨迹运动则不再适应火枪头1新的运动轨迹。因此，在此时将水枪头2围绕火枪头1公转θk角，使得水枪头2转动到火枪头1运动轨迹的正后方位置，或者说水枪头2公转结束后处于火枪头1当前所处折线向量的反向延长线上。
如此，每当火枪头1移动到下一个折线向量的起点时，水枪头2就进行相应角度的公转，始终保持水枪头2在火枪头1的运动轨迹的正后方，即保持跟随状态，如此水枪头2的运动轨迹也将无限趋近于火枪头1的运动轨迹，使得焰道加工轨迹与冷却液着点轨迹几乎重合，大幅提高了水枪头2的冷却位置精确度和冷却效果，同时也提高了板材表面加工质量。
如图2所示，图2为本发明所提供的一种具体实施方式中火枪头的焰道轨迹曲线拟合与水枪头绕火枪头公转位置示意图。
显然，水枪头2绕火枪头1公转时是具有方向性的，即顺时针转动或逆时针转动。在图示中，当火枪头1从初始位置A点偏离并进入到A-B运动轨迹时，原本在其正后方位置的水枪头2需要在A点位置顺时针转动θk角，将自身“甩”到火枪头1在新运动轨迹上的正后方位置。而当火枪头1从运动点B位置偏离并进入到B-C运动轨迹时，原本在其正后方位置的水枪头2需要在B点位置逆时针转动θk+1角，从能再次将自身处于火枪头1在新运动轨迹上的正后方位置。总的来说，对于预设焰道轨迹曲线而言，当其运动轨迹所拟合的部分曲线，其曲率半径到曲率中心的方向即为火枪头1处于这些运动轨迹时，水枪头2的公转方向。
请参考图3，图3为本发明所提供的一种具体实施方式中水枪头跟踪冷却系统的模块图。
本发明还提供一种基于水火弯板机的水枪头跟踪冷却系统，主要包括坐标模块、路径模块、拟合模块、测量模块和驱动模块。其中，坐标模块主要用于对工件表面建立坐标系，路径模块主要用于获取火枪头的预设焰道轨迹曲线。拟合模块主要用于对所述预设焰道轨迹曲线沿运动方向通过n条折线向量进行拟合。测量模块主要用于用于测量第k条与第k+1条折线向量间的夹角为θk。驱动模块主要用于当所述火枪头运动至第k+1条折线向量的起点时，将水枪头围绕所述火枪头公转θk角，并使所述水枪头与火枪头的连线与第k+1条折线向量共线。
具体的，坐标模块可为直角坐标模块，主要用于以工件表面某相邻两边的交点为圆点在水平面内建立直角坐标系。当然，坐标模块还可以为极坐标模块或三维坐标模块等。
而路径模块具体可包括查询模块和投影模块。其中，查询模块主要用于从工控机中查询已经规划完成并用于当前工件的火枪头的运动轨迹，而投影模块主要用于将所述运动轨迹投影到所述坐标系中，以便形成所述预设焰道轨迹曲线。
另外，本实施例中还增设了转角控制模块。该转角控制模块与拟合模块信号连接，主要用于在将预设焰道轨迹曲线沿运动方向通过n条折线向量拟合时，使第k条与第k+1条折线向量间的夹角θk均处于预设角度范围内，比如1°～5°等。
请参考图4，图4为本发明所提供的一种具体实施方式中水火弯板机的局部结构示意图。
本发明还提供一种水火弯板机，主要包括火枪头1、水枪头2和水枪头跟踪冷却系统，其中，水枪头跟踪冷却系统与上述相关内容相同，此处不再赘述。而火枪头1设置在水火弯板机上，其喷嘴一般朝下，主要用于对工件表面进行加热，并且可在水平面内进行移动。水枪头2的一端设置在火枪头1上，可与火枪头1进行同步移动，并且在移动过程中，水枪头2还能以火枪头1为中心进行公转，主要用于对工件表面进行冷却液喷涂，使其迅速冷却。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于水火弯板机的水枪头跟踪冷却方法，其特征在于，包括：
对工件表面建立坐标系，并获取火枪头的预设焰道轨迹曲线；
将所述预设焰道轨迹曲线沿运动方向通过n条折线向量拟合，并测量第k条与第k+1条折线向量间的夹角为θk；
当所述火枪头运动至第k+1条折线向量的起点时，将水枪头围绕所述火枪头公转θk角，并使所述水枪头与火枪头的连线与第k+1条折线向量共线；
其中，n和k均为正整数，且kmax+1＝n。
2.根据权利要求1所述的水枪头跟踪冷却方法，其特征在于，对工件表面建立坐标系，具体包括：
以工件表面某相邻两边的交点为圆点在水平面内建立直角坐标系。
3.根据权利要求2所述的水枪头跟踪冷却方法，其特征在于，获取火枪头的预设焰道轨迹曲线，具体包括：
从工控机中查询已经规划完成并用于当前工件的火枪头的运动轨迹，再将所述运动轨迹投影到所述坐标系中形成所述预设焰道轨迹曲线。
4.根据权利要求3所述的水枪头跟踪冷却方法，其特征在于，在将所述预设焰道轨迹曲线沿运动方向通过n条折线向量拟合时，使第k条与第k+1条折线向量间的夹角θk均处于预设角度范围内。
5.根据权利要求4所述的水枪头跟踪冷却方法，其特征在于，所述预设角度范围为1°～5°。
6.一种基于水火弯板机的水枪头跟踪冷却系统，其特征在于，包括：
坐标模块，用于对工件表面建立坐标系；
路径模块，用于获取火枪头的预设焰道轨迹曲线；
拟合模块，用于对所述预设焰道轨迹曲线沿运动方向通过n条折线向量进行拟合；
测量模块，用于测量第k条与第k+1条折线向量间的夹角为θk；
驱动模块，用于当所述火枪头运动至第k+1条折线向量的起点时，将水枪头围绕所述火枪头公转θk角，并使所述水枪头与火枪头的连线与第k+1条折线向量共线。
7.根据权利要求6所述的水枪头跟踪冷却系统，其特征在于，所述坐标模块具体为用于以工件表面某相邻两边的交点为圆点在水平面内建立直角坐标系的直角坐标模块。
8.根据权利要求7所述的水枪头跟踪冷却系统，其特征在于，所述路径模块具体包括用于从工控机中查询已经规划完成并用于当前工件的火枪头的运动轨迹的查询模块，以及用于将所述运动轨迹投影到所述坐标系中形成所述预设焰道轨迹曲线的投影模块。
9.根据权利要求8所述的水枪头跟踪冷却系统，其特征在于，还包括与所述拟合模块信号连接、用于在将所述预设焰道轨迹曲线沿运动方向通过n条折线向量拟合时，使第k条与第k+1条折线向量间的夹角θk均处于预设角度范围内的转角控制模块。
10.一种水火弯板机，其特征在于，包括用于对工件表面进行加热且可水平移动的火枪头(1)、与所述火枪头(1)同步移动并可同时绕其公转、用于对工件表面进行冷却的水枪头(2)，以及如权利要求6-9任一项所述的水枪头跟踪冷却系统。
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