CN111872574A - 一种用于细长管材自动化激光切割方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明申请公开一种细长管材自动化激光切割方法与装置，属于激光加工领域。针对目前常规激光管材切割加工方式中出现的切口挂渣、严重热影响区以及热变形等加工缺陷，该方法将以一定间隔上料的多根管材聚拢，再利用连续/脉冲激光以多次扫描刻蚀的方法进行单面切割，完成后对管材实施并行翻转，并再次进行切割作业，最后重复上述步骤直到切割完成。实现该方法的装置包含管材上/下料系统、管材对齐系统、激光扫描切割系统、一个或多个管材并行分离、聚拢、翻转单元，以及相关控制系统。本发明装置和方法可利用激光扫描刻蚀或短脉冲激光“冷切割”的方式实现细长管材的自动化、高效、无挂渣、免吹气、低/无热影响区、高精度切割。

Description

一种用于细长管材自动化激光切割方法与装置

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及到细长管材自动化高效率激光切割加工方法与装置。

背景技术

细长管材如铝合金、镍基合金和不锈钢等细长管，在石油、化工、医疗、航天等领域有着较为广泛的应用。在上述细长管材的制造过程中均会涉及到切割加工，当前应用较多的切割方式有机械切割加工和激光切割加工等。

目前，应用最为广泛的是机械加工，如专利文献CN110340422A中提出的一种钢管切割装置，包括工作台和切割刀片，待切割钢管固定在工作台上，切割刀片由转动电机驱动对管材进行切割。这种机械加工属于接触式加工，利用相互作用力对材料进行切割加工。但在这种加工方式中，由于刀具与工件之间存在相互作用力，会导致材料的切割精度和质量较差，尤其是对薄壁管材的切割，机械刀具的接触力会引起材料严重变形，并且易于磨损和折断刀具的刃口。为了获得较好的切割质量，激光切割技术在管材切割领域得到广泛应用。这主要是由于激光切割属于非接触式加工，不存在机械切割加工的问题。但目前的激光切割方法大都针对单管切割，如公开的专利文献CN109304548A中提出的一种激光切管设备，单根管材由夹持盘带动旋转，配合激光切割头来完成切割。这种切割方法只支持单管切割，即每次只能切割加工一根管材，且切割速度低，不但导致切割效率低，而且只能切割加工截面尺寸较大的管材。并且该专利文献中采用了高功率激光器，虽然可以切割较厚的材料，但是切割加工产生的热效应很严重，会对材料切割断面造成重铸层、挂渣和较大的热影响区等缺陷，严重影响切割精度和质量，尤其是对薄壁细长管材，还会因输入热量过多而产生严重热变形。因此，这种激光切割方法难以实现截面较小的细长薄壁型管材的精密切割加工。

综上所述，目前细长管材切割方法中存在的问题有：1、机械切割加工易影响材料本身切割精度和质量，且切割工具易磨损，无法获得高精度质量的切割断面；2、目前激光切割管材加工只能对截面尺寸较大的单管进行单根切割，切割速度慢，效率低；3、由于激光切割头切割速度低且输入热量大，不但导致切割精度质量较差，切割时会对材料切割断面造成重铸层、挂渣和较大的热影响区等缺陷，而且会使细长型管材产生严重变形。

因此，需要开发一种新型的适合细长管材的加工方法和加工系统，要求其切割精度、切割质量以及切割效率均较高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和改进需求，本发明申请提供一种细长管材自动化高效率激光切割方法与装置。通过激光三维扫描切割头对多根聚拢排布的细长管材的同时扫描刻蚀切割，以及多根管材的并行旋转，可实现细长管材的自动化高效率切割功能，并能获得无挂渣、无重铸层、无变形和极小热影响区的高精度和高质量切割效果。

按照本发明的一个方面，提供一种细长管材自动化高效率激光切割方法，将以设定间隔上料的多根管材聚拢，再利用激光以多次扫描刻蚀的方式切割管材圆周上的一个弧段，完成一次切割后对管材实施并行翻转，转动设定角度后，再次进行切割，重复上述切割过程，依此方式，切割沿着管材圆周方向逐弧段发生，直至切割覆盖管材的整个圆周，管材被切割断。

进一步的，所述细长管材的长度为100mm～10000mm，所述细长管材的横截面形状为矩形、圆形或各种其他异形，所述细长管材的横截面形状落于设定尺寸的正方形中，该设定尺寸的正方形为0.01mm×0.01mm到100mm×100mm之间，所述细长管材同时加工的数量在1-100之间。

进一步的，激光扫描路径为直线扫描、矩形扫描或矩形填充扫描，其中，所述直线扫描的扫描长度为0.01mm到1000mm之间，所述矩形扫描中矩形短边长度为0.01mm到5mm之间，长边长度为0.01到1000mm之间，所述矩形填充扫描中矩形短边长度为0.01mm到5mm之间，长边长度为0.01到1000mm之间，填充方式为平行于长边的直线填充、平行于短边的直线填充或长短边的交叉线填充，填充线间距为等距或变间距，距离为0.005mm到0.1mm之间，所述扫描次数为1到10000次之间，所述管材每次并行旋转的角度为0.1到180度之间，所述管材并行旋转次数为1到3600次之间。

进一步的，所述激光扫描切割方式可以采用一套单激光扫描装置在管材的一端单面切割，所述激光扫描切割方式也可以采用双激光扫描装置面对面放置在管材的同一端，实现上下两面同时切割，所述激光扫描切割方式也可以采用两套单激光扫描装置分别放置在管材的两端，实现两端同时单面切割，所述激光扫描切割方式也可以在管材的两端各放置一套带有面对面放置的双激光扫描装置，实现两端上下两面同时切割；所述激光扫描切割方式也可以采用两个或多个加工工位，其中上述切割装置可以在不同工位之间切换，当一个工位在进行加工时，其他工位可以进行上/下料，进一步提高加工效率。

按照本发明的第二个方面，还提供一种实现细长管材自动化高效率激光切割方法的装置，其包括管材上/下料系统、管材对齐系统、激光扫描切割系统、一个或多个实现管材并行分离、聚拢、翻转的管材控制系统，以及相关控制系统。激光扫描切割系统包含上下两个面对面放置的两套激光扫描装置，两套装置分别固定在沿z方向上可往返移动两个移动机构上，以实现激光焦平面的调节，两个z轴移动机构分别或通过转接件同时固定在y轴移动机构上，以能实现精确调节切割长度的功能，对于多工位切割装置，用于安装两套激光扫描装置的两个z方向移动机构分别固定在可沿x方向移动的两个移动机构上，以能使激光扫描装置沿x方向移动，以完成不同工位之间的切换，实现多工位激光切割切换功能，沿x方向的两个移动机构分别或通过转接件同时固定在y轴移动机构上，以能实现精确调节切割长度的功能。细长管材切割装置中可以包含一套激光扫描切割系统，放置在管材的一端，完成管材的单端切割，也可以包含两套激光扫描切割系统，分别放置在管材的两端，完成管材两端的同时切割。管材控制系统包括多个管槽单元、管槽松紧动力机构、管槽顶板单元、导轨、第一底板、第二底板和支柱，管材控制系统用于固定细长管材，管槽松紧动力机构用于控制管槽单元进行聚拢和分离，第一底板和第二底板相隔间距布局，用于起到支撑作用，支柱设置在第一底板和第二底板之间，用于支撑第一底板和第二底板之间，导轨设置在第一底板上，用于供管槽单元来往滑动，管槽顶板单元用于使管槽单元转动从而实现细长管材90°翻身。加工时，激光扫描切割系统中的两套面对面放置的激光扫描系统同时对聚拢对齐排布好的多根管材上下两个方向的材料进行扫描去除，第一次加工完成后，管材控制系统带动所有管材并行分离、90°翻转以及再聚拢，激光扫描切割系统再次对多根管材上下两个方向的材料进行扫描去除，第二次加工完成后，管材一端的切割加工即完成。管材控制系统可以单独使用，使用一套管材控制系统对所有管材进行控制；管材控制系统还可以多个纵向排列使用，每个管材控制系统负责控制管材的一小段，通过所有管材控制系统的协同运动，实现较长管材的并行分离、聚拢和翻转运动；管材控制系统还可以多个横向排列使用，每个管材控制系统负责控制一组管材，组成多工位加工系统，激光扫描切割系统可以在不同工位之间切换，当一个工位在进行切割加工的同时，其他工位可以进行管材的上/下料，进一步提高切割效率；多个纵向排列使用的管材控制系统组还可以多组横向排列使用，每组纵向排列的管材控制系统负责控制一组较长管材，组成长管材多工位加工系统，激光扫描切割系统可以在不同工位之间切换，当一个工位在进行切割加工的同时，其他工位可以进行管材的上/下料，进一步提高切割效率，实现较长管材的高效切割。

进一步的，本发明申请还提供一种应用于细长管材双端双工位自动化高效率激光切割的装置，包括两套激光切割装置、双工位装置以及控制激光切割和双工位管材协调对应工作的控制装置。双工位装置包括第一、第二两个具有相同自动松紧和相同90°翻转功能的工位装置，即为第一工位装置、第二工作装置，两个工位装置均由多个管材控制系统纵向排列组成，第一工位装置上提供能加持、切割细长管材的第一工位，第二工作装置提供能加持、切割细长管材的第二工位。本发明的激光切割系统的工作原理是：将两套激光切割装置分别放置在第一工位上并排聚拢放置的多根细长管材的两端处的待切割位置上。每套激光切割装置由两个激光三维扫描加工模块组成，两个激光三维扫描加工模块分别面对面放在多根并排聚拢细长管材一端的上下位置处，并将激光焦点对准待切割处，从上下两面同时对多根并排聚拢细长管材上下表面进行扫描切割加工。利用激光具有高峰值功率和较短的作用时间以及逐层扫描刻蚀方式，迅速将多根细长管材两端切割处的上下两面管壁材料气化去除。然后，通过第一工位上的自动松紧模块将多根细长管材同时拉开一定距离，并通过第一工位上的90°翻转功能模块，将多根细长管材同时进行90°翻转，其中多根管材可以同向翻转也可以交叉反向翻转，使细长管材未切割的两个侧面转变为新的上下两面。再通过自动松紧模块将多根细长管材并排聚拢在一起，并调节激光三维扫描加工模块的激光焦点位置，将四束激光焦点分别对准多根并排聚拢的细长管材两端上下表面待切割处，从上下两面同时进行扫描切割加工。利用激光逐层扫描刻蚀的方式，迅速将多根细长管材的上下两面管壁材料气化去除。当细长管材切割处的管材四周材料均以快速气化方式去除后，细长管材被切割分离，从而实现多根细长管材双端同时自动化高效率、高精度、高质量切割功能。在第一工位的多根细长管材切割过程中的同时，第二工位进行多根细管材上料工作，并等待激光切割加工。当第一工位的多根细长管材切割完毕后，激光切割装置将迅速移动到第二工位处，重复第一工位的激光切割过程，对第二工位上并排聚拢放置多根细长管材进行同时切割加工。同时，第一工位上切割完毕的多根细长管材将松开一定距离，通过机械臂自动或人工手动完成下料和再上料功能，并等待激光切割加工，通过两端的激光切割装置在两个工位之间转换，实现一个工位在加工的同时，另一个工位可以进行上下料的工作，两个工位互不影响，从而节省上下料时间，进一步提高加工效率。

本发明中，待切割管材的截面形状不局限于矩形，圆形或者其他异形截面的多根管材也可以在本发明申请的切割设备上同时完成双端自动化高效率、高精度、高质量切割功能。

与现有技术相比，本发明申请的具有如下有益效果：

1、采用激光对管材的四周进行三维逐层扫描刻蚀加工，待加工管材的截面形状自由度高，适合各种尺寸形状的管材切割，以气化去除材料方法实现切割分离加工，在无需吹气的情况下，可获得无挂渣、无重铸层、无变形和极小热影响区的高质量切割效果。

2、设置了多工位装置，配合多套激光切割装置，可实现多根细长管材双端同时切割加工，加工效率高，适用于在线流水线工作。

附图说明

图1本发明实施例中多根细长管材双端双工位自动化高效激光切割系统整体结构示意图；

图2本发明实施例中激光切割机结构示意图；

图3本发明实施例中激光切割扫描路径示意图；

图4本发明实施例中单工位管槽控制机构结构示意图；

图5本发明实施例中管槽组件结构示意图；

图6本发明实施例中柔性连接带连接示意图；

图7本发明实施例中管槽松紧动力机构结构示意图；

图8本发明实施例中管槽顶板结构示意图；

图9本发明实施例中管槽顶板工作状态示意图；

图10本发明实施例中双工位共用导轨结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明

图1给出多根细长管材双端双工位自动化高效激光切割系统1的示意图，其包括两台结构功能相同的激光切割装置(分别为第一激光切割装置2-1和第二激光切割装置2-2)、两套结构功能相同的工位装置(分别为第一工位装置6-1和第二工作装置6-2)以及第一基座3-1、第二基座3-2和中间基座4。第一工位装置6-1和第二工位装置6-2结构类似，均能调节多根细长管材5之间距离，以使多根细长管材之间能实现松紧调节，还能对多根细长管材同步执行90°翻转(本说明以10根细长管材为例)，其中第一工位装置6-1包含五套相同结构和功能的管槽控制机构7-1至7-5，第二工位6-2装置也包含五套相同结构和功能的管槽控制机构7-6至7-10，可分别自动调节10根细长管材5之间的间距和实现90°翻身功能。

图2为本发明实施例中激光切割机结构示意图，如图2所示，激光切割装置2-1包含上下两个面对面放置的第一激光扫描模块8-1和第二激光扫描模块8-2、分别固定在沿z方向的第一、第二移动机构9-1和9-2表面上。当10根细长管材5并排聚拢在两套激光扫描模块8-1和8-2之间后，激光切割装置2-1可沿z方向调节激光扫描模块8-1、8-2的激光焦点，使焦点分别位于待切10根细长管材5上下侧。沿z方向的第一、第二移动机构9-1和9-2分别固定在沿x方向的第一、第二移动机构10-1和10-2上，可使激光扫描模块8-1和8-2沿x方向移动，完成第一、第二工位装置6-1和6-2之间的切换，实现双工位激光切割转换功能。沿x方向的第一、第二移动机构10-1和10-2固定在“工”字型转接件11上，“工”字型转接件11安装在固定于第一基座3-1上的第一、第二基座导轨12-1和12-2上，可沿y方向移动，实现精确调节切割长度的功能。第一激光扫描模块8-1和第二激光扫描模块8-2均是包括激光源、二维激光扫描振镜和聚焦场镜组成，配合z方向的第一移动机构9-1和第一移动机构9-2，可实现三维激光扫描加工功能。第二激光切割装置2-2的结构与功能与第一激光切割装置2-1的结构和功能相同，位于10根细长管材5的另一端，与第一激光切割装置2-1一起同时进行高精度、高质量扫描切割，从而实现10根细长管材5的双端自动化高效激光切割功能。

第一激光切割装置2-1和第二激光切割装置2-2的激光扫描路径如图3所示，待加工的10根管材5并排聚拢放置，上下激光扫描装置都按照第一路径13-1和第二路径13-2分别对10根管材5两端的上下两侧同时进行逐层扫描刻蚀加工，迅速将10根细长管材5两端的上下两侧管壁材料气化去除。

第一工位装置6-1包含的五套管槽控制机构(分别是第一、第二、第三、第四以及第五管槽控制结构7-1、7-2、7-3、7-4和7-5)和第二工位装置6-2包含的五套管槽控制机构(分别是第六、第七、第八、第九以及第十管槽控制结构7-6、7-7、7-8、7-9和7-10)的结构和功能均相同。因此，只需描述其中一套管槽控制机构比如7-2的结构组成和功能即可。

图4给出一个管槽控制机构的结构示意图，由图可知，其包括10个管槽单元(分别为第一、第二、第三、第四、第五······第十管槽单元14-1、14-2、14-3、14-4、14-5······14-10)、管槽松紧动力机构15、管槽顶板单元16、导轨(分别为第一、第二、第三以及第四导轨17-1、17-2、17-3以及17-4，四根导轨两两成对设置)、支柱(支柱包括第一、第二、第三以及第四支柱20-1、20-2、20-3以及20-4)以及第一底板18和第二底板19。每个管槽单元用于固定一根细长管材。

同样10个管槽单元14-1至14-10的结构和功能相同，故只需描述其中一个管槽单元的结构组成和功能即可。图5给出一个管槽单元结构示意图，由图可知，其包括管槽22、第一管卡23-1、第二管卡23-2、第一L型旋转连接件24-1、第一L型旋转连接件24-2、第一支柱25-1、第二支柱25-2、第一滑块连接件26-1、第二滑块连接件26-2以及第一滑块28-1和第二滑块28-2。一根长条形细管材5放入管槽22中，由位于管槽22端面的第一管卡23-1和第二管卡23-2将管材5固定于槽内，管槽22通过第一、第二L型旋转连接件24-1和24-2分别固定在第一、第二管槽支柱25-1和25-2上，可以带动管材5绕第一管槽支柱25-1和第二管槽支柱25-2进行旋转，实现长条形细管材5从0°到90°旋转功能。第一管槽支柱25-1和第二管槽支柱25-2分别通过第一滑块连接件26-1和第二滑块连接件26-2各自固定在第一滑块28-1和第二滑块28-2上。第四管槽单元14-4的底部第一、第二滑块28-1和28-2分别安放在第一导轨17-1和第三导轨17-3上。同样，另外4个管槽单元，即第二管槽单元14-2、第六管槽单元14-6、第八管槽单元14-8、第十管槽单元14-10的底部滑块也分别安放在第一导轨17-1和第三导轨17-3上；而另外5个管槽单元，即第一管槽单元14-1、第三管槽单元14-3、第五管槽单元14-5、第七管槽单元14-7、第九管槽单元14-9的底部滑块则分别安放在第二导轨17-2和第四导轨17-4上，形成偶数管槽单元的滑块与奇数管槽单元的滑块交错安放。除了第一管槽单元14-1固定在第二导轨17-2和第四导轨17-4上不移动外，其它管槽单元均可以在第一、第二、第三、第四导轨17-1、17-2、17-3以及17-4上沿x方向往返运动，如图4所示。这种10个相邻管槽单元的底部滑块交错安放在不同的导轨的方法可以使10根细长管材5的并排聚拢距离达到最小，有利于激光同时扫描切割加工更多的管材。

第四管槽单元14-4的第一、第二连接件26-1和26-2侧面各分别具有两个螺纹孔，分别是第一、第二、第三、第四螺纹孔27-1、27-2、27-3、27-4，四个螺纹孔分别固定柔性连接带的一端(柔性连接带可以弯曲和拉直，但拉直后不能进一步拉伸)。柔性连接带具有多根。

图6为柔性连接带连接示意图，如图6所示，图6为图4的细节放大图，以第八、第九以及第十管槽单元14-8、14-9和14-10同时与滑块推板32的连接为例，第八管槽单元14-8与第十管槽单元14-10通过固定在第三滑块28-3、第七滑块28-7和第四滑块28-4、第八滑块28-8之间的四个柔性连接带(四个柔性连接带分别为第一柔性连接带、第二柔性连接带、第三柔性连接带以及第四柔性连接带29-1、29-2、29-3和29-4)相互连接。同理，第九管槽单元14-9与滑块推板32通过设置在第五滑块28-5、第六滑块28-6和滑块推板32上的连接孔之间的四个柔性连接带(该四个柔性连接带分别为第五、第六、第七以及第八柔性连接带29-5、29-6、29-7和29-8)相互连接。第十管槽单元14-10与滑块推板32通过设置在第七滑块28-7、第八滑块28-8和滑块推板32上的连接孔之间的四个柔性连接带(该四个柔性连接带分别为第九柔性连接带、第十柔性连接带、第十一柔性连接带、第十二柔性连接带29-9、29-10、29-11和29-12)相互连接。其中，第九柔性连接带29-9的形状为长条形，第十、第十一以及第十二柔性连接带29-10、29-11和29-12的形状为L形，而且由于第十管槽单元14-10与滑块推板32之间的位置相对固定，所以第九、第十、第十一以及第十二柔性连接带29-9、29-10、29-11和29-12也可以换成刚性的连接件，如铝合金等材料。第一至第七管槽单元14-1至14-7使用与第九柔性连接带29-9的形状相同的长条形连接带，以同样的方式相互之间连接在一起，可由管槽松紧动力机构15带动一起沿x方向进行往返直线平移运动。

图7为管槽松紧动力机构结构示意图，如图7所示，其包括电机丝杆驱动直线运动机构30和滑块推板32。滑块推板32通过设置在第一底板18的槽口21与电机丝杆驱动直线运动机构30的滑块31连接，滑块推板32底部的第九至第十二滑块28-9至28-10放置于第一至第四导轨17-1至17-4上，如图6所示。滑块推板32上的第一至第四螺丝孔组33-1至33-4分别与第五至第十二柔性连接带29-5至29-12连接固定，如图6所示，其中每组螺丝孔组包含两个螺丝孔。当滑块推板32在电机丝杆驱动直线运动机构30的带动下沿x正方向移动时，滑块推板32将带动第五至第十二柔性连接带29-5至29-12使管槽14-9至14-10沿导轨移动。直到所有的柔性连接带都被拉直，从而实现10根细长管材之间被分开相同的一段距离。当滑块推板32在电机丝杆驱动直线运动机构30的带动下沿x负方向移动时，由于管槽单元14-1固定在导轨17-2和17-4上不移动，因此，滑块推板32将推动第二至第十管槽单元14-2至14-10沿导轨向管槽单元14-1方向移动聚拢，直至所有管槽单元14-1至14-10被紧挨在一起，从而实现10根细长管材被并排聚拢的功能。

图8为本发明实施例中管槽顶板单元结构示意图，由图可知，管槽顶板单元16包括顶板34、斜面推板36、第一、第二管槽旋转连接件35-1、35-2和直线运动动力组件37，其用于使十个管槽单元之间松开一定距离后，每个管槽单元的管槽22带动细长管材5实现90°的翻身功能。第一、第二管槽旋转连接件35-1、35-2的底部固定于第一底板18上(如图4所示)，第一、第二管槽旋转连接件35-1、35-2与顶板34相连接，其通过旋转铰链可从水平到竖直方向旋转，从而带动顶板34在z方向上下移动。顶板34的平面与所有管槽单元中的管槽22底部相接触，端头与斜面推板36相接触。斜面推板36由直线运动动力组件37驱动下沿x方向往返移动。当直线运动动力组件37推动斜面推板36沿x正方向移动时，顶板34被第一管槽旋转连接件35-1、第二管槽旋转连接件35-2共同顶起向上移动，促使管槽22绕着第一L型旋转连接件24-1、第二L型旋转连接件24-2铰链旋转90°。

图9是本发明实施例中管槽顶板单元工作状态示意图，如图9所示，所有管槽22的底面旋转到0°位置，而当电机丝杆驱动直线运动动力组件37带动斜面推板36沿反方向移动时，在管槽22的重力作用下，顶板34将沿第一管槽旋转连接件35-1、第二管槽旋转连接件35-2向下移动，管槽22绕着第一L型旋转连接件24-1、第二L型旋转连接件24-2铰链旋转，回到90°位置，从而实现细长管材在0°水平位置到90°垂直位置之间的转换功能。

管槽控制机构中的10根管槽的90°翻转方向可以是同向也可以是交叉反向，同向翻转即所有管槽单元14-1至14-10中的管槽22都向同一个方向翻转90°；交叉反向翻转即10套管槽两两一组，管槽14-1与14-2、14-3与14-4、14-5与14-6、14-7与14-8、14-9与14-10分别组成五个小组，每个小组中的管槽22对向翻转，即90°翻转完成后，每个小组中管槽22的空心一侧两两相对。交叉反向翻转后管槽再次合并，10根管材在x方向的总加工长度较同向翻转有所减小，可以提高加工效率。

第一工位装置6-1中其他四套管槽控制机构(分别是第一、第三、第四、第五管槽控制结构7-1、7-3、7-4和7-5)的结构装置和功能与第二管槽控制机构7-2的结构装置和功能相同，相互之间相隔一段距离，如图1所示。其相隔距离的大小主要取决于细长管材的刚度以及上下料的机械手个数和尺寸。如果细长管材的刚度弱和长度较长，可以增加管槽控制机构的数量并适当减小相隔距离。

第二工位装置6-2的结构和功能与第一工位装置6-1完全相同，两个工位装置并排设置，如图1所示。当第一工位装置6-1工位上的10根细长管材正在激光切割加工时，第二工位装置6-2可通过机械臂自动或人工手动进行上下料工作，实现一个工位装置在加工的同时，另一个工位装置可以进行上下料的功能，从而节省上下料时间，进一步提高加工效率。

第一工位装置6-1和第二工作装置6-2工位也可以采用共用第一导轨17-1、第二导轨17-2、第三导轨17-3、第四导轨17-4的方式形成双工位共用导轨装置以节约空间，双工位共用导轨结构如图10所示，图10为本发明实施例中双工位共用导轨装置结构示意图。其中第一工位装置6-1和第二工位装置6-2中均包含相互独立的管槽单元，其中，负责管槽分散和合并的管槽松紧动力机构15和管槽顶板单元16都如图4所示。当第一工位装置6-1处于并排聚拢切割加工状态时，第一导轨17-1、第二导轨17-2、第三导轨17-3以及第四导轨17-4中间的空间可供第二工位装置6-2的管槽松开进行上下料，实现双工位协同工作，从而节省上下料时间，也能进一步提高加工效率。

多根细长管材双端双工位自动化高效激光切割系统1的工作过程如下：

在10根细长管材5由机械手向第一工位装置6-1和第二工位装置6-2上料时，第一工位装置6-1和第二工位装置6-2中各自的10套管槽控制机构对应控制的10个管槽单元之间均相互松开。当第一工位装置6-1的10根细长管材5分别装入10个管槽22，并由位于管槽22端面的两个管卡固定于槽内后，机械手继续向第二工位装置上料。同时启动第一工位装置6-1的管槽松紧动力机构15，带动滑块推板32推动管槽单元(除第一管槽单元14-1的其他管槽单元)沿导轨向管槽单元14-1方向移动聚拢，使10根细长管材5并排聚拢。然后，沿y方向移动第一激光切割装置2-1和第二激光切割装置2-2中的激光三维扫描加工模块并调节激光焦点位置，将四束激光焦点分别对准10根细长管材5两端待切割上下表面处，启动激光器，从上下两面同时进行扫描切割加工。利用激光逐层扫描刻蚀的方式，迅速将10根细长管材5的上下两面管壁材料气化去除。当10根细长管材5的上下两面管壁材料气化去除后，关闭激光器，启动管槽松紧动力机构15，滑块推板32带动第二至第十管槽单元14-2至14-10沿导轨向x正方向移动，使10根细长管材5之间松开一定距离。然后，启动管槽顶板单元16，向下移动顶板34，使每个管槽单元的管槽带动细长管材5在自身重力的作用下翻转90°，使细长管材未切割的侧面转变为上下两面。再次启动管槽松紧动力机构15，滑块推板32推动第二至第十管槽单元14-2至14-10沿导轨向管槽单元14-1方向移动聚拢，再次使10根细长管材并排聚拢。然后沿z方向移动第一激光切割装置2-1和第二激光切割装置2-2中的激光三维扫描加工模块并调节激光焦点位置，将四束激光焦点分别对准10根细长管材5两端待切割上下表面处，启动激光器，从上下两面同时进行扫描切割加工。利用激光逐层扫描刻蚀的方式，迅速将10根细长管材5的上下两面管壁材料气化去除。当10根细长管材切割处的四周材料均以快速气化方式去除后，细长管材去除部分被分离。

接着，关闭激光器，并沿x方向移动第一激光切割装置2-1和第二激光切割装置2-2中的激光三维扫描加工模块到第二工位装置6-2中已并排聚拢等待切割，然后沿z方向移动第一激光切割装置2-1和第二激光切割装置2-2中的激光三维扫描加工模块并调节的激光焦点位置，将四束激光焦点分别对准10根细长管材5两端待切割上下表面处，启动激光器，从上下两面同时进行扫描切割加工。利用激光逐层扫描刻蚀的方式，迅速将10根细长管材5的上下两面管壁材料气化去除。同时，第一工位装置6-1的管槽松紧动力机构15动作，滑块推板32带动第二至第十管槽单元14-2至14-10沿导轨向x正方向移动，使10根细长管材5之间松开一定距离。然后，启动管槽顶板单元16，向上移动顶板34，使每个管槽单元的管槽带动细长管材5回到0°位置，机械手开始对第一工位装置6-1的每个管槽单元管槽中已切割完毕的细长管材5下料，并重新上料。同时，第二工位装置6-2上的10根细长管材重复第一工位装置6-1的激光切割过程，从而实现一个工位在激光切割加工的同时，另一个工位可以进行上下料的工作，两个工位互不影响，从而节省上下料时间，进一步提高加工效率效果。

在实际工程实践中，还设计了控制系统，控制系统控制激光切割机和各个管槽单元协同运作，实现管材的自动化切割。

具体实例

实例1：5000mm长不锈钢方管激光切割加工

不锈钢方管截面尺寸5x5mm，壁厚0.5mm，管长5000mm，需要将管两端各切除50mm的长度。采用的多根细长管材双端双工位自动化高效激光切割系统具有第一、第二工位；每个工位具有五组管槽松紧动力机构，相互之间距离为900mm；每五组管槽控制机构共同具有10个管槽单元，每个管槽单元的管槽长度为200mm。当管槽单元松开时，管槽之间间距为20mm；当管槽单元合并聚拢时，管槽外壁相互贴合。激光切割装置中的脉冲激光三维扫描加工模块输出波长为1064nm、脉宽20ns和峰值功率密度为400MW/cm²的聚焦激光，分别面对面放在第一工位装置的10根并排聚拢不锈钢管材两端的上下位置处，并将激光焦点对准待切割处，从上下两侧同时对10根并排聚拢不锈钢管材上下表面进行扫描切割加工。激光去除10根并排聚拢不锈钢管材上下表面管壁材料后，第一工位装置的管槽松紧动力机构将管槽单元松开，顶板单元下降，管槽带动管材在自身重力的作用下翻转90°后再并排聚拢，激光切割装置调整激光聚焦点对准待切割处，从上下两面同时对10根并排聚拢不锈钢管材翻转后的两个表面进行扫描切割加工，直至不锈钢方管管壁四周的材料全部去除，完成两端各切除50mm的长度要求，实现双端高效率、高精度和高质量切割加工功能。与此同时，第二工位进行另外10根上料和并排聚拢操作已完成，四个脉冲激光三维扫描加工装置移到第二工位，重复第一工位的激光切割过程，而第一工位则的管槽松紧动力机构开始松开，重复下料和再上料过程，实现双工位高效率切换切割加工功能。

实例2：4000mm长合金钢方管激光切割加工

合金钢方管截面尺寸4mm×4mm，壁厚0.3mm，管长4000mm，管两端各切除70mm长。采用的多根细长管材双端双工位自动化高效激光切割装置具有第一和第二工位；每个工位具有四组管槽控制机构，相互之间距离为900mm；四组管槽控制机构共同具有10个管槽单元，每个管槽单元的管槽长度为200mm。当管槽单元松开时，管槽之间间距为20mm；当管槽单元合并聚拢时，管槽外壁相互贴合。激光切割装置中的连续激光三维扫描加工模块输出波长为1064nm、平均输出功率100W的聚焦激光，分别面对面放在第一工位装置的10根并排聚拢合金钢管材两端的上下位置处，并将激光焦点对准待切割处，从上下两面同时对10根并排聚拢合金管材上下表面进行扫描切割加工。激光去除10根并排聚拢合金管材上下表面管壁材料后，第一工位装置的管槽松紧动力机构将管槽单元松开，顶板单元下降，管槽带动管材在自身重力的作用下翻转90°后再并排聚拢，激光切割装置调整激光聚焦点对准待切割处，从上下两面同时对10根并排聚拢合金管材另外两个表面进行扫描切割加工，直至合金方管四管壁材料全部去除，完成两端各切除70mm的长度要求，实现双端高效率、高精度和高质量切割加工功能。与此同时，第二工位装置进行另外10根上料和并排聚拢操作已完成，四个激光三维扫描加工装置移到第二工位装置，重复第一工位装置的激光切割过程，而第一工位装置的管槽松紧动力机构开始松开，重复下料和再上料过程，实现双工位高效率切换切割加工功能。

实例3：5000mm长不锈钢圆管激光切割加工

不锈钢圆管截面直径5mm，壁厚0.4mm，管长5000mm，管两端各切除60mm长。采用的多根细长管材双端双工位自动化高效激光切割系统具有第一和第二工位；每个工位具有五组管槽控制机构，相互之间距离为900mm；五组管槽控制机构共同具有10个管槽单元，每个管槽单元的管槽长度为200mm。当管槽单元松开时，管槽之间间距为20mm；当管槽单元合并聚拢时，管槽外壁相互贴合。激光切割装置中的脉冲激光三维扫描加工模块输出波长为1064nm、脉宽100ns和峰值功率密度为350MW/cm²的聚焦激光，分别面对面放在第一工位的10根并排聚拢不锈钢管材两端的上下位置处，并将激光焦点对准待切割处，从上下两面同时对10根并排聚拢不锈钢管材上下表面进行扫描切割加工。激光去除10根并排聚拢不锈钢管材上下表面管壁材料后，第一工位的管槽松紧动力机构将管槽单元松开，顶板单元下降，管槽带动管材在自身重力的作用下翻转90°后再并排聚拢，激光切割装置调整激光聚焦点对准待切割处，从上下两面同时对10根并排聚拢不锈钢管材另外两个表面进行扫描切割加工，直至不锈钢圆管四管壁材料全部去除，完成两端各切除60mm的长度要求，实现双端高效率、高精度和高质量切割加工功能。与此同时，第二工位进行另外10根上料和并排聚拢操作已完成，四个脉冲激光三维扫描加工系统移到第二工位，重复第一工位的激光切割过程，而第一工位则的管槽松紧动力机构开始松开下料和再上料过程，实现双工位高效率切换切割加工功能。

激光切割装置在x方向、y方向和z方向行程范围在10mm到2000mm之间，管槽控制机构中管槽分散和合并动力来源于伺服电机加丝杠模组、直线电机加丝杠模组或者是直线运动气缸做直线运动的自动化模组，行程范围为10mm到1000mm之间，顶板单元中直线运动动力组件为伺服电机加丝杠模组、直线电机加丝杠模组或者是直线运动气缸做直线运动的自动化模组，行程范围为1mm到50mm之间。

本发明中，多根细长管材双端双工位高效激光切割自动化加工方法与装置，通过两端激光三维扫描切割头以及双工位多根细长管材自动松紧和翻转控制部件，可实现多根细长管材双端同时自动化高效率切割功能，多根细长管材的切割位置以及双端切割长度可精确调控，故切割尺寸精度高，并能获得无挂渣、无重铸层、无变形和极小热影响区的高精度和高质量效果。也即，本发明装置和方法可利用激光扫描刻蚀或短脉冲激光“冷切割”的方式实现细长管材的自动化、高效、无挂渣、免吹气、低/无热影响区、高精度切割。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种细长管材自动化激光切割方法，其特征在于，将以设定间隔上料的多根管材聚拢，再利用激光以多次扫描刻蚀的方式切割管材圆周上的一个弧段，完成一次切割后对管材实施并行翻转，转动设定角度后，再次进行切割，重复上述切割过程，依此方式，切割沿着管材圆周方向逐弧段发生，直至切割覆盖管材的整个圆周，管材被切割断。

2.如权利要求1所述的一种细长管材自动化激光切割方法，其特征在于，所述细长管材的长度为100mm～10000mm，所述细长管材的横截面形状为矩形、圆形或各种其他异形，所述细长管材的横截面形状落于设定尺寸的正方形中，该设定尺寸的正方形为0.01mm×0.01mm到100mm×100mm之间，

同时加工所述细长管材的数量在1～100之间。

3.如权利要求2所述的一种细长管材自动化激光切割方法，其特征在于，激光多次扫描刻蚀的加工方式采用连续或脉冲激光，

激光扫描路径为直线扫描、矩形扫描或矩形填充扫描，其中，

所述直线扫描的扫描长度为0.01mm到1000mm之间，

所述矩形扫描中矩形短边长度为0.01mm到5mm之间，长边长度为0.01到1000mm之间，

所述矩形填充扫描中矩形短边长度为0.01mm到5mm之间，长边长度为0.01到1000mm之间，填充方式为平行于长边的直线填充、平行于短边的直线填充或长短边的交叉线填充，填充线间距为等距或变间距，距离为0.005mm到0.1mm之间，

扫描次数为1到10000次之间，

管材每次并行旋转的角度为0.1到180度之间，

管材并行翻转次数为1到3600次之间。

4.如权利要求1-3之一所述的一种细长管材自动化激光切割方法，其特征在于，

激光扫描切割方式可以采用一套单激光扫描装置在管材的一端单面切割，或者激光扫描切割方式采用双激光扫描装置面对面放置在管材的同一端，实现上下两面同时切割，或者

激光扫描切割方式采用两套单激光扫描装置分别放置在管材的两端，实现两端同时单面切割，或者

激光扫描切割方式为在管材的两端各设置一套面对面放置的双激光扫描装置，实现两端上下两面同时切割，

激光扫描切割方式采用两个或多个加工工位，激光切割装置能在不同工位之间切换，当一个工位在进行加工时，其他工位可以进行上/下料，从而提高加工效率。

5.一种实现细长管材自动化激光切割方法的装置，其特征在于，其包括激光扫描切割系统、一个或多个实现管材并行分离、聚拢、翻转的管材控制系统，其中，

激光扫描切割系统中包含一套或者多套激光切割装置，当包括一套激光切割装置时，一套切割装置放置在管材的一端，完成管材的单端切割，当包括多套激光切割装置时，能够分别放置在管材的两端，完成管材两端的同时切割，

管材控制系统(7)包括多个管槽单元(14)、管槽松紧动力机构(15)、管槽顶板单元(16)、导轨(17)、第一底板(18)、第二底板(19)和支柱，管槽单元用于固定细长管材，管槽松紧动力机构(15)用于控制管槽单元进行聚拢和分离，第一底板(18)和第二底板(19)相隔间距布局，用于起到支撑作用，支柱设置在第一底板(18)和第二底板(19)之间，用于支撑第一底板(18)和第二底板(19)，导轨设置在第一底板(18)上，用于供管槽单元来往滑动，管槽顶板单元(16)用于使管槽单元转动从而实现细长管材翻身或者翻转；

加工时，激光扫描切割系统中的激光切割装置同时对聚拢对齐排布好的多根管材上下两个方向的材料进行扫描去除，第一次加工完成后，管材控制系统带动所有管材并行分离、按照设定角度翻转以及再聚拢，激光扫描切割系统再次对多根管材上下两个方向的材料进行扫描去除，沿着圆周方向切割多次，直到完成管材的切割。

6.如权利要求5所述的一种实现细长管材自动化激光切割方法的装置，其特征在于，

所述管材控制系统(7)中的管槽单元(14)包括管槽(22)、第一管卡(23-1)、第二管卡(23-2)、第一L型旋转连接件(24-1)、第一L型旋转连接件(24-2)、第一支柱(25-1)、第二支柱(25-2)、第一滑块连接件(26-1)、第二滑块连接件(26-2)、第一滑块(28-1)和第二滑块(28-2)，

位于管槽(22)端面的第一管卡(23-1)和第二管卡(23-2)用于将细长管材(5)固定于管槽内，管槽(22)通过第一、第二L型旋转连接件(24-1)和(24-2)分别固定在第一、第二管槽支柱(25-1)和(25-2)上，能带动管材(5)绕第一管槽支柱(25-1)和第二管槽支柱(25-2)进行旋转，实现长条形细管材(5)从0°到90°旋转功能，

第一管槽支柱(25-1)和第二管槽支柱(25-2)分别通过第一滑块连接件(26-1)和第二滑块连接件(26-2)各自固定在第一滑块(28-1)和第二滑块(28-2)上，管槽单元底部第一、第二滑块(28-1)和(28-2)分别安放在导轨上，以能沿着导轨往返移动，

管槽单元的侧面连接柔性连接带，柔性连接带具有多根，柔性连接用于使管槽单元相互连接以同步移动，进而能由管槽松紧动力机构(15)带动一起沿x方向进行往返直线平移运动。

7.如权利要求5所述的一种实现细长管材自动化激光切割方法的装置，其特征在于，

所述管材控制系统(7)中的管槽松紧动力机构(15)包括电机丝杆驱动直线运动机构(30)和滑块推板(32)，滑块推板(32)通过设置在第一底板(18)的槽口(21)与电机丝杆驱动直线运动机构(30)的滑块(31)连接，滑块推板(32)底部的滑块放置于导轨上，滑块推板(32)上的与柔性连接带连接固定，

工作时，当滑块推板(32)在电机丝杆驱动直线运动机构(30)的带动下沿x正方向移动时，滑块推板(32)将带动柔性连接带使管槽沿导轨移动，直到所有的柔性连接带都被拉直，从而实现细长管材之间被分开相同的距离，当滑块推板(32)在电机丝杆驱动直线运动机构(30)的带动下沿x负方向移动时，滑块推板(32)将推动管槽单元沿导轨向同一方向移动聚拢；

管槽控制机构中管槽分散和合并动力来源于伺服电机加丝杠模组、直线电机加丝杠模组或者是直线运动气缸做直线运动的自动化模组，行程范围为10mm到1000mm之间。

8.如权利要求5所述的一种实现细长管材自动化激光切割方法的装置，其特征在于，

所述管材控制系统(7)中的管槽顶板单元(16)包括顶板(34)、斜面推板(36)、第一、第二管槽旋转连接件(35-1)、(35-2)和直线运动动力组件(37)，其用于使多个管槽单元之间松开一定距离后，每个管槽单元的管槽(22)带动细长管材实现90°的翻身功能，其中多根管材可以同向翻转也可以交叉反向翻转，

第一、第二管槽旋转连接件(35-1)、(35-2)的底部固定于第一底板(18)上，第一、第二管槽旋转连接件(35-1)、(35-2)与顶板(34)相连接，其通过旋转铰链可从水平到竖直方向旋转，从而带动顶板(34)在z方向上下移动，顶板(34)的平面与所有管槽单元中的管槽(22)底部相接触，端头与斜面推板(36)相接触，斜面推板(36)由直线运动动力组件(37)驱动下沿x方向往返移动，

工作时，当直线运动动力组件(37)推动斜面推板(36)沿x正方向移动时，顶板(34)被第一管槽旋转连接件(35-1)、第二管槽旋转连接件(35-2)共同顶起向上移动，促使管槽(22)绕着第一L型旋转连接件(24-1)、第二L型旋转连接件(24-)2铰链旋转90°，所有管槽(22)的底面旋转到0°位置，电机丝杆驱动直线运动动力组件(37)带动斜面推板(36)沿反方向移动时，在管槽(22)的重力作用下，顶板(34)将沿第一管槽旋转连接件(35-1)、第二管槽旋转连接件(35-2)向下移动，管槽(22)绕着第一L型旋转连接件(24-1)、第二L型旋转连接件(24-2)铰链旋转，回到90°位置，从而实现细长管材在0°水平位置到90°垂直位置之间的转换功能；

管槽顶板单元中直线运动动力组件为伺服电机加丝杠模组、直线电机加丝杠模组或者是直线运动气缸做直线运动的自动化模组，行程范围为1mm到50mm之间。

9.如权利要求5所述的一种实现细长管材自动化激光切割方法的装置，其特征在于，

所述激光扫描切割系统包含上下两个面对面放置的一共两套激光扫描装置，两套激光扫描装置分别固定在沿z方向上可往返移动的移动机构上，以实现激光焦平面的调节，两个能沿z轴往返移动的移动机构分别固定在y轴移动机构或通过转接件固定在y轴移动机构上，以能实现精确调节切割长度的功能，

对于多工位切割方式，用于安装两套激光扫描装置的两个z方向移动机构分别固定在可沿x方向移动的两个移动机构上，以能使激光扫描装置沿x方向移动，以完成不同工位之间的切换，实现多工位激光切割切换功能，沿x方向的两个移动机构分别直接固定在y轴移动机构上或通过转接件同时固定在y轴移动机构上，以能实现精确调节切割长度的功能，

x、y和z方向移动机构的动力来源于伺服电机加丝杠模组、直线电机加丝杠模组或者是直线运动气缸做直线运动的自动化模组，激光切割装置在x方向、y方向和z方向行程范围在10mm到2000mm之间。

10.如权利要求5所述的一种实现细长管材自动化激光切割方法的装置，其特征在于，管槽控制系统能够单独使用，使用一套管槽控制系统对所有管材进行控制，

管槽控制系统能够多个纵向排列使用，每个管槽控制系统负责控制管材的一段，通过所有管槽控制系统的协同运动，实现较长管材的并行分离、聚拢和翻转运动，

管槽控制系统可以多个横向排列使用，每个管材控制系统负责控制一组管材，形成多工位加工，激光切割装置可以在不同工位之间切换，当一个工位在进行切割加工的同时，其他工位可以进行管材的上/下料，进一步提高切割效率，

多个纵向排列使用的管槽控制系统可以多组横向排列使用，每组纵向排列的管槽控制系统负责控制一组较长管材，组成长管材多工位加工系统，激光切割装置可以在不同工位之间切换，当一个工位在进行切割加工的同时，其他工位能够进行管材的上/下料，进一步提高切割效率，实现较长管材的高效切割。

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