CN111526963B - 制造管式框架的方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的方法允许在仅采粗糙容差的管件(R)上产生实际切割轮廓，其他管件(R)可以附接并焊接于其上，其中，通过修改该实际切割轮廓，管件(R)的粗糙形状容差不会并入容差链或仅略微并入容差链就能将管件(R)完全焊接成管式框架。该方法还允许通过抓取臂自动拾取预先定向的管件(R)并将其进给到激光切割装置。

Description

制造管式框架的方法

技术领域

管式框架代表一种由大量单根管件组成的金属结构，这些管件例如通过焊接而相互连接。相较于由具有相同抗拉强度的实心型材制成的框架，管式框架的特征在于质量与强度之比更佳，因此特别适用于仅要求轻重承重结构的情况。

背景技术

为了建立期望的结构，需将管件在预定的相对位置彼此焊接。这样在接口处建立连接，这些接口均由管件上的两个接合面形成。这两个接合面一般分别表示为此在一根管件上制成的切割轮廓和另一根管件的配合管壳面，或者为此在另一根管件上制成的另一切割轮廓。切割轮廓可以通过冲切或切割管件制成。

由具有圆形横截面且部分弯曲的管件制造管式框架的缺陷在于，相同管件的弯曲半径因生产条件而波动较大，这导致各个管件在其管轴方向上的尺寸精度相对较低。

现有技术中公知两种不同的方法来修剪弯曲的管件或管状部件(下文统称为管件)。这两种方法可以使用激光作为切割工具来自动进行。

在实践中公知的第一种方法中，在切割工序之前，在管件中引入基准孔，经由这些基准孔将管件容纳在工件容纳部中，以使管件相对于切割工具定位。这样以基准孔相对于工件容纳部的预定位置保持管件。在自动化切割中，切割管件所沿的切割轮廓基于这些切割轮廓相对于基准孔位置的空间位置来界定，而这与管件弯曲部相对于额定值的可能容差偏差无关。基准孔的位置选取为使得可插到容纳部中的管件也处于管件弯曲部的预定容差范围内。这样就能通过插接性标准断定管件是含在容差之内还是超出容差之外。由于管件的几何容差，不可能通过抓具进行定义的自动化拾取并经由基准孔插到工件容纳部中。

在实践中公知的第二种方法中，将管件置入到工件容纳部中，其中管件在接触区域内停定。这里，由于管件的几何容差，也必须手动置入管件。无法置入指定范围的管件以其弯曲半径偏离额定值达某种程度，以至于管件弯曲部不再处于指定的弯曲容差内。一方面，这种情况的缺陷在于，管件在工件容纳部中的固定位置导致切割工具(例如激光束)只能在有限的范围内接近管件。只有将管件移到另一个工件容纳部中，才能触及管件上被工件容纳部隐藏的区域来进行加工。这会导致增加时间成本和设备开销。另一方面，未能界定容纳部的接触区域之外的管件形状偏差，因此可能在管件上切割出超出容差的切割轮廓，并无意中将有缺陷的管件供给到进一步处理。

特别是在制造复杂的焊接组件(例如管式框架)时，其缺陷尤其在于，直到管件的后续焊接工序才会发觉管件未能在全部接口处相互连接，因为单个管件上的切割轮廓偏离预定的额定位置过远，最终导致管件彼此之间的空间位置偏差在容差链中累积。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制造管式框架的方法，该方法的自动化程度相对更高并能有利地缩短生产中观察到的容差链。

本发明达成上述目的的解决方案为一种制造管式框架的方法，该管式框架由数个管件组成，这些管件在多个实际接口处均经由两个接合面彼此焊接。每两个接合面中的至少一个接合面表示实际切割轮廓，沿该实际切割轮廓用激光束冲切或切割两个待焊接管件中的一个管件之后进行焊接。针对各个管件分别计算容差包络，并参考有关进给装置的坐标系存储该容差包络。针对管式框架确定具有额定切割轮廓的额定切割轮廓图案，这些额定切割轮廓各与实际切割轮廓之一相关联，并将这些额定切割轮廓与各个管件的容差包络相关地存储。

在此情形下，进给装置借助抓取臂拾取管件之一并相对于坐标系中占已知空间位置的光学测量装置传送该管件，在该光学测量装置处以光学方式记录和测量该管件。抓取臂在空间上移动管件，直到管件位于针对该管件所计算的容差包络之内。同时或此后，供给装置将管件相对供给到激光切割装置，使得针对该管件所计算的容差包络占居相对于激光切割装置的预定相对位置，从而该管件相对于激光切割装置占居由该容差包络的空间位置所定义的空间位置。

该激光切割装置的激光束描绘与容差包络相关的额定切割轮廓，并在管件上切割实际切割轮廓。实际切割轮廓对应于额定切割轮廓到管件上的投影。

实际切割轮廓呈冲切面或端面的形式。

实际切割轮廓呈一根管件的管壳中的冲切面形式，针对嵌入相同容差包络而具有不同容差偏差的管件，该冲切面对应于额定切割轮廓的不同修改映像，使得焊接到该实际切割轮廓的另一根管件相对于所嵌入管件的容差包络占居相同的相对位置，而这与所嵌入管件在容差包络中的位置无关。

实际切割轮廓呈一根管件的端面形式，针对嵌入相同容差包络而具有不同容差偏差的管件，该端面与该管件的管轴成不同角度，使得焊接到该实际切割轮廓的另一根管件相对于所嵌入管件的容差包络占居相同的相对位置，而这与所嵌入管件在容差包络中的位置无关。

有利地，如果管件无法嵌入到容差包络中，这是管件超出容差的标准，则不将管件进给到激光切割装置。

为了将管件按预期连接成管式框架，使它们在接口(下文称为实际接口)处彼此焊接。每个实际接口由真实切割轮廓(下文称为实际切割轮廓)的位置来定义，它通过冲切或切割一根管件来产生。所产生的实际切割轮廓呈管件的管壳上的冲切面或管件的端部上的端面的形式，该实际切割轮廓接合并焊接到另一根管件的管壳或切削端面。

本发明的必要技术特征在于，为了切割实际切割轮廓，并非关于相应的真实管件导引激光束，而是沿着与针对相关管件所计算的容差包络相关的额定切割轮廓导引激光束。额定切割轮廓优选位于容差包络内，优选在嵌入容差包络的管件上位于两个偏离最大的实际切割轮廓的位置中间。实际切割轮廓在此创建为额定切割轮廓到真实管件上的投影。根据激光束沿着额定切割轮廓在入射点相对于铅垂线的角位置，额定切割轮廓以缩小、放大或其他修改方式投影到管件的管壳上。理想地，以此方式进行投影，使得施加到所产生的实际切割轮廓的另一根管件的管壳面始终相对于所切割管件的容差包络占有相同的相对位置，而这与所切割的管件位于容差包络内的方式完全无关。因此，管件位于容差包络中的位置容差不会并入容差链中。

针对每个管件计算单独的容差包络，该容差包络决定各个管件的形状容差，并关于空间固定的坐标系连同额定接口模型中分别配属给容差包络的额定接口一起存储。然后将拾取来进行加工的管件进给到3D相机。对该管件进行三维测量，然后通过移动保持管件的抓取臂，将管件嵌入到所计算的容差包络中。如果无法嵌入，则管件超出容差之外。容差包络也只能包围管件的一个或多个单独部段。了解到容差包络在空间中的位置，管件具有已知的空间位置，并以该精度将管件相对地供给到激光切割装置。这意味着真实管件相对于激光切割装置并因此相对于通过割炬嘴导引的激光束不占可重现性空间位置。然而，容差包络占居可重现性空间位置。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明予以详细说明。

图中：

图1a示出具有四个管件的管式框架的分解图；

图1b示出根据图1a组装的管式框架的图示；

图1c示出图1a和图1b所示的管式框架基于坐标系的额定接口模型；

图2示出根据图1的管式框架的分解图，其中包括关于管件的容差包络；

图3a示出理想的管件理想地位于容差包络内；

图3b示出缺陷的管件位于容差包络内；

图3c示出另一种缺陷的管件位于容差包络内；

图4a示出某一管件以其管壳面贴靠另一管件的切割轮廓的相对位置；

图4b示出理想的管件理想地位于容差包络内；

图4c示出管件倾斜位于容差包络内；

图4d示出另一管件倾斜位于容差包络内；以及

图5示出适合执行所述方法的设备原理图。

具体实施方式

图1a中示例性示出管式框架的分解图，该管式框架由多个管件R(这里为四个管件R₁至R₄)组成，这些管件R在实际接口S_IST(这里具体为五个实际接口S_IST1至S_IST5)处彼此焊接。实际接口S_IST1至S_IST5均由两个管件R上可焊接的接合面V形成，每个管件R形成一个焊接方。图1b中示出这四个管件R₁至R₄按预期彼此焊接。图1c示出管式框架中具有额定接口S_SOLL的额定接口模型。每个额定接口S_SOLL均配属于实际接口S_IST之一。

原则上存在三种不同类型的接口：

第一种类型的接口是通过两个管件R经由两个端面配对而成。图1a至图1b中参照实际接口S_IST1示出这种类型的实例，其中管件R₃的端面(作为接合面V_R31)与管件R₁的端面(作为接合面V_R11)焊接。

第二种类型的接口是通过两个管件R经由冲切面和管壳面配对而成。图1a至图1b中参照实际接口S_IST2示出这种类型的实例，其中管件R₁的冲切面(作为接合面V_R12)与管件R₂的管壳面(作为接合面V_R22)焊接。

第三种类型的接口是通过两个管件R经由端面和管壳面配对而成。图1中参照实际接口S_IST3示出这种类型的实例，其中管件R₄的端面(作为接合面V_R42)与管件R₃的管壳面(作为接合面V_R33)焊接。

每种类型的接口均具有至少一个接合面V，该接合面V代表额定切割轮廓K_SOLL。根据本发明，它们的额定位置既非基于理想管件R又非基于实际管件R而是基于所计算的容差包络H来确定。该容差包络H包围理想管件R。该容差包络H也包围外部尺寸在容差内的实际管件R。容差包络H也可以仅针对单个管件R的单个部段来界定。

在切割用于管式框架的管件R之前，至少针对应切割的管件R，计算相关管件R的形状尺寸精度的容差范围作为所谓的容差包络H，参见图2。假设管件R就其管横截面和管长应以足够的精度来制造，则可能的形状偏差主要涉及实际管轴曲线与额定管轴曲线的偏差(这是由于管件R的实际弯曲半径与额定弯曲半径的偏差)以及实际管轴在弯曲区域内的可能扭曲。

每个实际接口S_IST配属有与容差包络H相关的额定接口S_SOLL，参见图1b结合图1c。额定接口S_SOLL以彼此固定的相对位置存储成额定接口模型。这就表明，针对待通过切割产生的各接合面V，存储额定切割轮廓K_SOLL彼此之间的相对空间位置。

分别计算容差包络H，以便能够在拟合到容差包络H中的每根管件R上切割出实际切割轮廓K_IST，从而产生适合于焊接的的接合面V。图3a中示出理想的管件理想地位于容差包络H内。理想管件R的管轴与容差包络H的管轴重合。有利地，计算额定切割轮廓K_SOLL，使得它们在此情况下与实际切割轮廓K_IST重合。如果理想的管件R倾斜位于容差包络H中，则不再是这种情况。

图3b和图3c中示出两个管件R₁，这两个管件R₁均拟合到容差包络H中，但与理想管件R₁的形状偏差不同。额定切割轮廓K_R11SOLL、K_R12SOLL、K_R13SOLL相对于容差包络H₁具有相同的相对位置，但正如图中以夸大方式示出，实际管件R₁上切出的实际切割轮廓K_R11IST、K_R12IST、K_R13IST具有略有不同的空间位置以及不同的形状和/或大小。作为实际接口S_2IST的接合面V_R12的冲切面或多或少地深入延伸到管件R₁中。在沿管件R的管轴的不同部位并与该管轴成不同角度切割端面作为实际接口S_1IST的接合面V_R11。

采用与管件R₁类似的方式加工管件R₃，其中将分别制造端面和冲切面作为实际接口S_1IST或S_5IST的接合面V_R31或V_R21。

在管件R₄上仅切割一个端面作为实际接口S_3IST的接合面V_R42。关于第二实际接口S_4IST的容差通过将管件R₄以其管壳面的迁移区域焊接到代表冲切面的接合面V_R13而得以补偿。

管件R₂不具有任何实际切割轮廓K_IST。其接合面V_R21、V_R22是在管件R的生产过程中建立彼此相对位置的管壳面区域。换而言之，这里必须接受一定容差偏差，而有别于在管件R上切割实际切割轮廓K_IST时因管件R在容差包络H中的位置不同而以不同方式产生接合面V来补偿容差。与之相应地，容差包络H应至少在连接点V_R21和V_R22的区域内保持足够窄，或者管件R构造成通过调整位置使其与其他管件R的接合面V相匹配。具体而言，这里将U形管件R构造成使其两个管腿互不平行，而是彼此成一小角度，从而可以通过管腿方向上的位移来进行位置调整。在将管件R₁和R₂在实际接口S_1IST处彼此焊接并焊接上管件R₄之后，将管件R₂上而下地嵌入管件R₁和R₃之间并在实际接口S_2IST和S_5IST处焊接成或多或少地向上突出。

图4b至图4d再度以直管R的简化形式示出如何将额定切割轮廓K_SOLL相对于容差包络H投影到位于容差包络H中的管件R上。投影到相应管件R的管壳上的实际切割轮廓K_IST相对于额定切割轮廓K_SOLL通过更改位置、尺寸和/或形状而得以修改，这取决于相应管件R的管壳相对于额定切割轮廓K_SOLL的空间位置。参照如图4b至图4d所示位于包络线H中不同位置的三个管件R，焊接到至少一个实际切割轮廓K_IST的另一根管件R具有与图4a所示相同的空间位置。

图5示出适合于执行所述方法的设备原理图。该设备包括进给面1、进给装置2(其具有抓取臂2.1)、光学测量装置3(例如3D相机)、激光切割装置4(其具有割炬嘴4.1)、存储与控制单元6以及有利地另外的光学测量装置5。该另外的光学测量装置5用来检查是否存在一个或多个管件R以及它们在进给面1上的二维对齐方式。基于这一认知，在可能因管件R的形状偏差而与额定位置发生位置偏差的情况下，可以制导抓取臂2.1，以便采用最佳方式抓取管件R。

为了加工管件R，即制成额定切割轮廓K_SOLL，分别用进给装置2的抓取臂2.1从进给面1拾取管件R。理想地，在进给面1上预先分选、预先定位并预先定向管件R，以使抓取臂2.1逼近预设的抓取位置时拾取相对于抓取臂2.1预先定向的管件R。不必在进给面1上精确地定位管件R，拾取时就能在相对于进给装置2的坐标系的可重现空间位置上拾取这些管件，这也适应于单个管件R的相对较大形状容差。

抓取臂2.1优选为多轴抓取臂2.1，其可以在有限的工作区域内自由移动所抓取的工件(这里为管件R)。该工作区域内布置有进给面1、光学测量装置3和激光切割装置4，它们均在坐标系内占有已知的空间位置。

借助抓取臂2.1将管件R传送到光学测量装置3，在此处以光学方式记录并测量管件R。随后，通过抓取臂2.1将管件R嵌入到容差包络H中，从而确认管件R处于容差内。因此，管件R在由进给装置2定义的坐标系内的空间位置是通过容差包络H在坐标系中的空间位置来确定。

此后或同时地，抓取臂2.1将管件R进给到激光切割装置4，使得容差包络H位于相对于激光切割装置4的预定相对位置。然后，激光切割装置4在管件R上切割实际切割轮廓K_IST，其中通过割炬嘴4.1沿着与容差包络H相关的额定切割轮廓K_SOLL导引激光束。所述方法可以使用激光束来执行，因为无需像机械加工那样切割刀具与工件之间的机械接触就能执行切割，因此无需限定加工面的位置。在激光切割中，加工面至少在聚焦区域内可以占居不同的空间位置。

根据本发明的方法允许在仅采粗糙容差的管件R上产生实际切割轮廓K_IST，其他管件R可以附接并焊接于其上，其中，通过修改实际切割轮廓K_IST，管件R的粗糙形状容差不会并入容差链或仅略微并入容差链就能将管件R完全焊接成管式框架。该方法还允许通过抓取臂2.1自动拾取仅预先定向的管件R并将其进给到激光切割装置4。

附图标记列表

R 管件

S 接口

S_IST 实际接口

S_SOLL 额定接口

K_IST 实际切割轮廓

K_SOLL 额定切割轮廓

V 接合面

H 容差包络

1 进给面

2 进给装置

2.1 抓取臂

3 光学测量装置

4 激光切割装置

4.1 割炬嘴

5 另外的光学测量装置

6 控制与存储单元

Claims (3)

1.一种制造管式框架的方法，所述管式框架由数个管件(R)组成，这些管件在多个实际接口(S_IST)处均经由两个接合面(V)相互焊接，其中，每两个接合面(V)中的至少一个接合面表示实际切割轮廓(K_IST)，沿所述实际切割轮廓用激光束冲切或切割两个待焊接管件(R)中的一个管件之后进行焊接，其特征在于，

针对各个管件(R)分别计算容差包络(H)，并参考有关进给装置(2)的坐标系存储所述容差包络；

针对所述管式框架确定具有额定切割轮廓(K_SOLL)的额定切割轮廓图案，所述额定切割轮廓各与所述实际切割轮廓(K_IST)中的一个实际切割轮廓相关联，并且将所述额定切割轮廓(K_SOLL)与各个管件(R)的容差包络(H)相关地存储；

所述进给装置(2)借助抓取臂(2.1)拾取所述管件(R)中的一个管件并相对于坐标系中占已知空间位置的光学测量装置(3)运送该管件，在所述光学测量装置处光学记录和测量该管件(R)；

所述抓取臂(2.1)在空间上移动所述管件(R)，直到所述管件(R)位于针对该管件(R)所计算的容差包络(H)之内；

所述进给装置(2)将所述管件(R)相对供给到激光切割装置(4)，使得针对所述管件(R)所计算的容差包络(H)占居相对于所述激光切割装置(4)的预定相对位置，从而所述管件(R)相对于所述激光切割装置(4)占居由所述容差包络(H)的空间位置所定义的空间位置；以及

所述激光切割装置(4)的激光束描绘与所述容差包络(H)相关的额定切割轮廓(K_SOLL)，并在所述管件(R)上切割实际切割轮廓(K_IST)，其中，所述实际切割轮廓(K_IST)对应于所述额定切割轮廓(K_SOLL)到所述管件(R)上的投影。

2.根据权利要求1所述的制造管式框架的方法，其特征在于，所述实际切割轮廓(K_IST)呈一根管件(R)的管壳中的冲切面形式，针对嵌入相同容差包络(H)而具有不同容差偏差的管件(R)，该冲切面对应于所述额定切割轮廓(K_SOLL)的不同修改映像，使得焊接到该实际切割轮廓(K_IST)的另一根管件(R)相对于所嵌入的管件(R)的容差包络(H)占居相同的相对位置，而这与所嵌入的管件(R)在所述容差包络(H)中的位置无关。

3.根据权利要求1所述的制造管式框架的方法，其特征在于，所述实际切割轮廓(K_IST)呈一根管件(R)的端面形式，针对嵌入相同容差包络(H)而具有不同容差偏差的管件(R)，该端面与所述管件(R)的管轴成不同角度，使得焊接到该实际切割轮廓(K_IST)的另一根管件(R)相对于所嵌入的管件(R)的容差包络(H)占居相同的相对位置，而这与所嵌入的管件(R)在所述容差包络(H)中的位置无关。

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