CN113369691B - 一种智能激光切管机及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能激光切管机以及其定位方法。包括定位环、切割环、控制模块以及输入模块；在定位环一侧的端面上，沿圆周方向均布固定有三个伸缩夹持气缸，在定位环的另一侧的端面上，沿圆周方向均布有三个伸缩平移气缸，通过三个伸缩平移气缸的移动，可调节切割环与管道的角度，在转动切割环时，以刀具所形成的实际切割面的原点为转动原点调节角度，角度调节时，控制其中两个平移气缸伸出率一致，且不同于第三个伸缩平移气缸，完成切割平面的角度进行调节，同时，通过激光测距传感器以及位置关系模型实现了对不同管径的管道角度调节范围的提前预报，避免调节角度超过限制损坏切割机和管道。

Description

一种智能激光切管机及其定位方法

技术领域

本发明涉及一种管道切割设备，尤其涉及一种智能激光切管机及其定位方法。

背景技术

现有切管机大多是采用锯片方式由上至下对管体进行多角度切除，但针对大直径大壁厚的大型管道，无法放置于传统的切管机进行切除。现有技术中，采用环切的方式，将可绕管道旋转的框架式切管设备固定于管道上，通过刀架绕管道的旋转以及刀具沿管道径向的逐渐进给，最终将管道环切。

对于通常的垂直管道坡口，在切管机垂直定位后即可进行切割，但是对于坡口角度方位有特定要求的(如坡口呈一定角度且方向相对于管体上已开设的孔、槽等具有特殊位置)坡口角度切割，则需要对环切式切管机的切割环相对于管道的角度进行定位，此外，还需要考虑实际切割轨迹与切割环定位平面的偏离，才能实现对位置固定的角度坡口的精确定位切割。因此，为了提高呈角度切割时切割面的定位精度，需设计相应的切割面智能激光定位方法。

另一方面，在切割环角度定位过程中，需要自动智能提示操作人员角度的调节范围，避免调节角度超过限制损坏切割机和管道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能激光切管机及其定位方法，以提高切管机角度调节的精度，简化刀具环切轨迹修正的复杂程度。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种智能激光切管机，包括：

定位环、切割环、控制模块以及输入模块；

在定位环一侧的端面上，沿圆周方向均布固定有三个伸缩夹持气缸，三个伸缩夹持气缸具有缸体部以及伸缩杆部，其中缸体部沿定位环的径向方向铰接固定安装于定位环的端面上；在伸缩夹持气缸的伸缩杆部的自由端，设置有夹板；三个均布的伸缩夹持气缸通过伸缩杆部的移动，最终使夹板与管道的外周接触压紧，通过三个夹板，将管定位环固定在不同外径尺寸的管道的外周上；

在定位环的另一侧的端面上，沿圆周方向均布有三个伸缩平移气缸，三个伸缩平移气缸具有缸体部以及伸缩杆部，其中伸缩平移气缸的缸体部沿定位环端面的垂直方向铰接安装于定位环的端面上；在三个伸缩平移气缸的伸缩杆部的自由端，设置有球头连接结构；切割环通过该三个球头连接结构与伸缩平移气缸连接，从而将定位环与切割环连接；通过三个伸缩平移气缸的移动，可调节切割环与管道的角度，实现不同坡口角度的切割；

在转动切割环时，以刀具所形成的实际切割面的原点为转动原点调节角度；角度调节时，控制其中两个平移气缸伸出率一致，且不同于第三个伸缩平移气缸，完成切割平面的角度进行调节。

一种智能激光切管机的定位方法，其采用如前所述的数控激光切管机，其特征是：角度调节步骤如下：

第一步：控制三个伸缩夹持气缸具有同样的伸出率；

第二步：控制三个水平伸缩气缸具有同样的伸出率；

第三步：通过激光测距传感器测量管径R；

第四步：根据管径以及位置关系模型自动生成角度调节范围，输出显示控制设备，用于提醒操作人员；

第五部：操作人员通过显示控制设备输入待切割角度，切管机控制模块根据角度调节模型，输出三个伸缩平移气缸的伸出量，进而得到实际切割面的切割角度。

所述角度调节步骤中第二步控制三个水平伸缩气缸具有同样的伸出率是控制三个水平伸缩气缸的伸出率为最大伸出量与最小伸出量的中间值。

位置关系模型为：

β＝φ-α＝φ-arcsin(R/L)；

其中，β为切割角度最大值；

R为通过激光测距传感器测量管径；

L为实际切割面原点到切割环内圈靠定位环侧边缘的距和切割环中轴线的夹角；

基于该位置关系模型，得到切管机对于管径为R管道其切割角度范围为0°～β。

所述角度调节模型为：

当操作人员输入转角β是，其中一个伸缩平移气缸的移动量：

其中：L1为其中一个伸缩平移气缸的移动量；

b＝实际切割面原点O’至最顶部的伸缩平移气缸伸缩杆自由端M之间的距离；

c＝实际切割面原点O’至最顶部的伸缩平移气缸缸体部与定位环铰接点F之间的距离；

d＝伸缩平移气缸最大伸出量与最小伸出量之间的差值，也就是定位切割环为垂直平面时伸缩平移气缸伸缩杆自由端与缸体铰接点之间的距离；

ω＝定位切割环为垂直平面时，缸伸缩杆自由端与实际切割面原点之间连线与缸体铰接点与实际切割面原点之间连线的夹角；

同理，可以得到另外两个同步伸缩的伸缩平移气缸的移动量，并且该移动方向与第一个伸缩平移气缸的移动方向相反，该模型中的长度和角度均为在以其中一个伸缩平移气缸位于最顶部的纵向平面视图中的二维长度和角度进行计算。

本发明的有益效果是:

1、在转动切割环时，以刀具所形成的实际切割面的原点为转动原点调节角度，提高了切管机角度调节的精度，简化了刀具环切轨迹修正的复杂程度；

2、角度调节时，控制其中两个平移气缸伸出率一致，且不同于第三个伸缩平移气缸，完成切割平面的角度进行调节，简化了角度调节的控制方式，仅需要计算出两个移动量就可完成对平面的角度定位；

3、仅通过激光测距传感器测量传感器与管道外壁之间的距离，即智能化的生成了在该管径下的角度调节范围，减少了操作人员反复标定的过程，提高了切管机的使用效率与安全性；

4、通过位置关系模型以及角度调节模型均将三维的平面角度定位转化为二维的平面计算模型，简化了角度定位的过程，提高了定位精度，通过对切管机初始结构参数的计算即可得到确定角度下伸缩气缸的移动量，不需要额外的测量和定位装置，减小了系统误差的干扰，使得额外的角度传感器可以作为辅助的定位手段对模型进行双重修正，保证定位的准确度。

附图说明

图1a是本发明切管机结构示意图；

图1b是图1a中的A-A剖视图；

图1c是图1a中的B-B剖视图；

图1d是图1a中的C-C剖视图；

图2a是切割环垂直位置的定位示意图；

图2b是以切割环中心为原定进行角度转动定位的示意图；

图2c是以实际切割面中心为原定进行角度转动定位的示意图；

图3是位置关系模型示意图；

图4是角度调节模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

如图1a-1d所示，为本发明实施例数控激光切管机结构示意图。其包括：定位环1与切割环3，定位环1与切割环3均呈环形框架结构。

在定位环1一侧的端面上，沿圆周方向均布固定有三个伸缩夹持气缸2，三个伸缩夹持气缸2具有缸体部以及伸缩杆部，其中缸体部沿定位环1的径向方向铰接固定安装于定位环1的端面上。在伸缩夹持气缸2的伸缩杆部的自由端，设置有夹板。三个均布的伸缩夹持气缸2通过伸缩杆部的移动，最终使夹板与管道P的外周接触压紧，通过三个夹板，将管定位环1固定在不同外径尺寸的管道P的外周上。

在定位环1的另一侧的端面上，沿圆周方向均布有三个伸缩平移气缸4，三个伸缩平移气缸4具有缸体部以及伸缩杆部，其中伸缩平移气缸4的缸体部沿定位环1端面的垂直方向铰接安装于定位环1的端面上。在三个伸缩平移气缸4的伸缩杆部的自由端，设置有球头连接结构。切割环3通过该三个球头连接结构与伸缩平移气缸4连接，从而将定位环1与切割环3连接。通过三个伸缩平移气缸4的移动，可调节切割环3与管道P的角度，实现不同坡口角度的切割。

在切割环3上，设置有刀座5，刀座5安装有朝向切割环3径向内部的刀具7。刀座5通过设置于切割环3内的旋转驱动结构(未示出)，可以沿切割环3旋转，绕着管道P的外周进行旋转运动。同时，刀座5上设置有径向进给电机，径向进给电机可以驱动刀座5在沿切割环3周向旋转的同时进行沿切割环3径向的进给。通过旋转驱动结构以及径向进给电机的运动，实现刀座5上刀具7对管道外周的环向切削，最终完成管道的切割工作。如图1d所示，在切割环3内圈表面上，对应三个伸缩平移气缸4的位置处，分别设置有激光传感器9，三个激光传感器9可以实现对切割环3平面位置的检测与标定。如图1a、1d所示，在刀座5朝向管道P侧的表面上，还设置有激光测距传感器8，该激光测距传感器8一方面可以检测刀座5与管道P表面的径向距离，一方面可以检测刀座5的空间位置，用于对刀座5的位置进行控制。

在刀具7与刀座5之间，还安装有高频直线电机6。该高频直线电机6可以驱动刀具7沿切割环3径向方向高频往复运动，进而修正刀具7的环切轨迹。此外，还包括有用于与激光传感器9、激光测距传感器8、高频直线电机6、径向进给电机以及旋转驱动结构电性连接的控制模块、触控的参数输入模块等辅助模块。

下面，对切割面的角度定位原理进行阐述。

如图2a-2c为本申请切割面角度定位的原理图。如图2a所示，在未调节角度，也就是切割面与管道垂直时，切割环3中心平面S与管道中轴线C相交与O点。而实际刀具7进行切割时是以刀具7刀尖对应的平面S’进行切割的，为实际切割平面，该实际切割平面与管道中轴线交点为O’。在进行切割平面角度转动时，必须保证切割平面的中心点位于管道P的中轴线C上，这样才能保证刀具7运行轨迹的稳定，即便是切割轨迹为椭圆形，也方便高频直线电机6对其轨迹进行修正。现有技术中的切割环定位过程中，通常以切割环3中心面S的中心点O为原点，进行角度转动，如图2b所示，在实际切割面上，刀具7转动一圈相对于管道外周的间距是上下不对称的，这样在修正刀具7轨迹时，增加了拟合模型的难度。因此，需要在转动切割面时，直接考虑以实际切割面S’的原点O’为转动原点，调节角度，如图2c所示，这样必然保证的刀具运行轨迹相对于中轴线的对称。

而在调节实际切割面角度时，仅需要调整三个伸缩平移气缸4各自的伸出量，即可确定一个切割面角度。

以下详细阐述本发明角度调节模型的建立。根据本发明切割面的角度定位原理，本发明通过确定一个角度，只需调整特定的伸缩平移气缸的伸缩量即可。因此，角度调节模型是以输入的切割面角度θ为自变量，对应的三个伸缩平移气缸的伸缩量为输出量的函数。考虑到方便控制以及精度的需求，由于三个伸缩平移气缸是在切割环上周向均布的，因此，调节角度时，控制其中两个平移气缸伸出率一致，且不同于第三个伸缩平移气缸，即可对切割平面的角度进行调节。由于切管机本身的尺寸参数是确定的，在确定了待切割的管径后，即可根据位置关系模型，自动生成角度调节范围，用于提醒操作人员。

具体的切割面角度调节流程如图3所示。角度调节步骤如下：

第一步：控制三个伸缩夹持气缸具有同样的伸出率。通过控制三个伸缩夹持气缸具有同样的伸出率保证了定位环1相对于管道的垂直定位；

第二步：控制三个水平伸缩气缸具有同样的伸出率。优选的是控制三个水平伸缩气缸的伸出率为最大伸出量与最小伸出量的中间值。该步骤可以使切割环3与定位环1的平行，保证了切割环3相对管道的垂直；

第三步：通过激光测距传感器8测量管径R。由于激光测距传感器相对切割环3径向方向的半径是固定已知的，因此，通过测量激光测距传感器8至管道外周的距离，可以极端出管径R。

第四步：根据管径R以及位置关系模型自动生成角度调节范围，输出显示控制设备，用于提醒操作人员；

第五部：操作人员通过显示控制设备输入待切割角度，切管机控制模块根据角度调节模型，输出三个伸缩平移气缸的伸出量，进而得到实际切割面的切割角度。

如图2c所示，当以实际切割面中心点为转动原点调节角度时，由于刀具7刀头是可以径向移动的，因此，角度调节范围是以切割环3内壁与管道外周的干涉进行限位的。在图2a和图2c中，考虑G点与H点位于垂直面的位置和于管道外周接触时的极限位置G’和H’，生成位置关系模型，如图3所示。

对于确定的切管机结构，O’G的长度和相对中轴线的角度为确定的定值，设O’G＝L，∠GO’K＝φ，则实际切割平面的转角范围为β＝φ-α＝φ-arcsin(R/L)。基于该位置关系模型，得到切管机对于管径为R管道其切割角度范围为0°～β。

如图4所示为角度调节模型的建模示意图。如图所示，对于确定的切管机，在其如图所示，以其中一个伸缩平移气缸位于最顶部的纵向平面视图中，实际切割面原点O’至最顶部的伸缩平移气缸缸体部与定位环铰接点F之间的距离O’F为定值，同理，实际切割面原点O’至最顶部的伸缩平移气缸伸缩杆自由端M之间的距离O’M＝O’M’为定值，同理∠MO’F为定值ω，根据实际切割面的转动关系，∠M’O’M’＝实际切割面的转角β。则当操作人员输入转角β是，其中一个伸缩平移气缸的移动量：

其中：L1为其中一个伸缩平移气缸的移动量；

b＝实际切割面原点O’至最顶部的伸缩平移气缸伸缩杆自由端M之间的距离；

c＝实际切割面原点O’至最顶部的伸缩平移气缸缸体部与定位环铰接点F之间的距离；

d＝伸缩平移气缸最大伸出量与最小伸出量之间的差值，也就是定位切割环为垂直平面时伸缩平移气缸伸缩杆自由端与缸体铰接点之间的距离；

ω＝定位切割环为垂直平面时，缸伸缩杆自由端与实际切割面原点之间连线与缸体铰接点与实际切割面原点之间连线的夹角。

同理，可以得到另外两个同步伸缩的伸缩平移气缸的移动量，并且该移动方向与第一个伸缩平移气缸的移动方向相反，该模型中的长度和角度均为在以其中一个伸缩平移气缸位于最顶部的纵向平面视图中的二维长度和角度进行计算。

由此，通过对切管机初始结构参数的计算即可得到确定角度下伸缩气缸的移动量，不需要额外的测量和定位装置，减小了系统误差的干扰，使得额外的角度传感器可以作为辅助的定位手段对模型进行双重修正，保证定位的准确度

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种智能激光切管机，包括：

定位环、切割环、控制模块以及输入模块；

在定位环一侧的端面上，沿圆周方向均布固定有三个伸缩夹持气缸，三个伸缩夹持气缸具有缸体部以及伸缩杆部，其中缸体部沿定位环的径向方向铰接固定安装于定位环的端面上；在伸缩夹持气缸的伸缩杆部的自由端，设置有夹板；三个均布的伸缩夹持气缸通过伸缩杆部的移动，最终使夹板与管道的外周接触压紧，通过三个夹板，将管定位环固定在不同外径尺寸的管道的外周上；

在定位环的另一侧的端面上，沿圆周方向均布有三个伸缩平移气缸，三个伸缩平移气缸具有缸体部以及伸缩杆部，其中伸缩平移气缸的缸体部沿定位环端面的垂直方向铰接安装于定位环的端面上；在三个伸缩平移气缸的伸缩杆部的自由端，设置有球头连接结构；切割环通过该三个球头连接结构与伸缩平移气缸连接，从而将定位环与切割环连接；通过三个伸缩平移气缸的移动，可调节切割环与管道的角度，实现不同坡口角度的切割；

在转动切割环时，以刀具所形成的实际切割面的原点为转动原点调节角度；角度调节时，控制其中两个伸缩平移气缸伸出率一致，且不同于第三个伸缩平移气缸，完成切割平面的角度进行调节。

2.一种智能激光切管机的定位方法，其采用如权利要求1所述的智能激光切管机，其特征是：角度调节步骤如下：

第一步：控制三个伸缩夹持气缸具有同样的伸出率；

第二步：控制三个伸缩平移气缸具有同样的伸出率；

第三步：通过激光测距传感器测量管径R；

第四步：根据管径以及位置关系模型自动生成角度调节范围，输出显示控制设备，用于提醒操作人员；

第五部：操作人员通过显示控制设备输入待切割角度，切管机控制模块根据角度调节模型，输出三个伸缩平移气缸的伸出量，进而得到实际切割面的切割角度。

3. 如权利要求 2 所述的一种智能激光切管机的定位方法，其特征在于：所述角度调节步骤中第二步控制三个伸缩平移气缸具有同样的伸出率是控制三个伸缩平移气缸的伸出率为最大伸出量与最小伸出量的中间值。

4.如权利要求3所述的一种智能激光切管机的定位方法，其特征在于：所述角度调节模型为：

当操作人员输入转角β时，其中一个伸缩平移气缸的移动量：

其中：L1为其中一个伸缩平移气缸的移动量；

b=实际切割面原点O’至最顶部的伸缩平移气缸伸缩杆自由端 M 之间的距离；

c=实际切割面原点O’至最顶部的伸缩平移气缸缸体部与定位环铰接点F之间的距离；

d=伸缩平移气缸最大伸出量与最小伸出量之间的差值，也就是定位切割环为垂直平面时伸缩平移气缸伸缩杆自由端与缸体铰接点之间的距离；

ω=定位切割环为垂直平面时，缸伸缩杆自由端与实际切割面原点之间连线与缸体铰接点与实际切割面原点之间连线的夹角；

同理，可以得到另外两个同步伸缩的伸缩平移气缸的移动量，并且该移动方向与第一个伸缩平移气缸的移动方向相反，该模型中的长度和角度均为在以其中一个伸缩平移气缸位于最顶部的纵向平面视图中的二维长度和角度进行计算。

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