CN114700634A - 一种精密激光切管机及其切割轨迹控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光切割技术领域，尤其涉及一种精密激光切管机及其切割轨迹控制方法。精密激光切管机包括机架、激光切割头和旋转卡盘，旋转卡盘通过一位于其正下方的横向滑动机构安装在机架；激光切割头通过一二向滑动模组安装在机架；机架上还设置有对中卡盘和夹持机构，在横向方向上，对中卡盘和夹持机构均位于旋转卡盘与激光切割头之间；对中卡盘与旋转卡盘同轴设置且能够跟随旋转卡盘同步旋转，对中卡盘设置有用于对管材进行对中的对中机构，对中机构上设置有用于减少管材与对中机构之间的摩擦的助滑结构；夹持机构用于夹持管材。本发明所提供的精密激光切管机及其切割轨迹控制方法能够提供较高的切割精度，提高产品质量。

Description

一种精密激光切管机及其切割轨迹控制方法

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，尤其涉及一种精密激光切管机及其切割轨迹控制方法。

背景技术

随着现代工业的发展，激光切割技术逐渐普及。现有的激光切管机一般包括旋转卡盘和激光切割头，管材穿过旋转卡盘，切割时旋转卡盘夹紧管材，激光切割头对突出于旋转卡盘的一部分管材进行切割。在进行激光切割时，为了形成一定轨迹的切缝，需要使激光切割头相对于管材运动，这相对运动一般包括沿横向、纵向和竖向的平移和绕横向轴的旋转。

现有技术中，如中国实用新型专利ZL2020216765292所公开的激光切管机所示，激光切割头安装在一个三向轴支撑架上，三向轴支撑架负责提供沿横向、纵向和竖向的平移，并且，在三向轴支撑架上还连接有沿纵向向前伸出的夹爪，夹爪负责拉料，但这样的结构设置存在以下问题：当激光切割头完成一段切割后，三向轴支撑架在横向方向上回位，夹爪夹住管材后沿横向拉料，拉料后再继续切割。但由于夹爪是以向前伸出的方式安装在三向轴支撑架上的，夹爪相对于横向滑动副偏心，当三向轴支撑架来回高速移动时，伸出并悬空的夹爪容易发生晃动，此外，设备自身的震动也会导致夹爪发生晃动，晃动发生后夹爪所夹持的实际位置与理想位置存在偏差，这会影响拉料的精度，进而影响切割精度和产品质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精密激光切管机，旨在解决夹爪拉料所带来的切割精度下降的问题；本发明还提供了该种精密激光切管机的切割轨迹控制方法。

为了达到上述的目的，本发明提供了一种精密激光切管机，包括机架、激光切割头和旋转卡盘，所述旋转卡盘通过一位于其正下方的横向滑动机构安装在所述机架，所述横向滑动机构能够带动所述旋转卡盘沿横向滑动；所述激光切割头通过一二向滑动模组安装在所述机架，所述二向滑动模组能够带动所述激光切割头沿纵向和竖向滑动；所述机架上还设置有对中卡盘和夹持机构，在横向方向上，所述对中卡盘和夹持机构均位于所述旋转卡盘与所述激光切割头之间；所述对中卡盘与所述旋转卡盘同轴设置且能够跟随所述旋转卡盘同步旋转，所述对中卡盘设置有用于对管材进行对中的对中机构，所述对中机构上设置有用于减少管材与对中机构之间的摩擦的助滑结构；所述夹持机构用于夹持管材。

进一步地，当所述旋转卡盘夹持管材送料时，所述夹持机构处于松开状态；当所述旋转卡盘松开管材后退时，所述夹持机构处于夹紧状态。

进一步地，在横向方向上，所述横向滑动机构的滑动长度占所述机架的总长度的50％以上。

进一步地，所述对中卡盘包括转座，中空的转盘和多个对中块，所述转座固定在所述机架，所述转盘转动安装在所述转座，所述多个对中块均滑动连接在所述转盘且能伸进中空结构内，所述对中块的滑动方向均指向所述转盘的圆心。

进一步地，所述助滑结构包括转动连接所述对中块的靠近所述转盘的圆心的一端的滚轴。

进一步地，所述夹持机构包括固定在所述机架的底座、固定在所述底座的双向伸缩缸和分别安装在所述双向伸缩缸的两个活动端的两个夹爪。

进一步地，所述二向滑动模组包括固定在所述机架的纵向模组和固定在所述纵向模组的活动端的竖向模组，所述激光切割头安装在所述竖向模组的活动端。

进一步地，所述横向滑动机构包括滑动连接在所述机架的滑板、固定在所述机架的斜齿条和安装在所述滑板的电机，所述电机的输出端连接有斜齿轮，所述斜齿轮与所述斜齿条啮合，所述旋转卡盘安装在所述滑板。

本发明还提供了一种切割轨迹控制方法，用于控制上述的精密激光切管机，其包括以下步骤：S1、输入轨迹，对轨迹利用前瞻算法进行处理，把轨迹拆分为可拼接的多段小线段；S2、对小线段进行速度衔接，相邻的小线段间进行速度平滑处理；S3、对小线段进行速度规划；S4、执行轨迹。

进一步地，在所述S2中，设定最大允许速度，计算相邻小线段间的转角速度，然后判断转角速度是否大于最大允许速度，若是，则把小线段间的最小转角速度作为运动规划速度并进行速度衔接，若否，则把相邻小线段直接拼接并进行速度衔接；在所述S3中，对小线段进行S型加减速规划。

本发明所提供的一种精密激光切管机，其负责横向运动的横向滑动机构转移至与旋转卡盘连接，因此旋转卡盘同时负责夹紧和送料，激光切割头仅进行纵向和竖向运动。其还增设了对中卡盘，对中卡盘设置有助滑结构，这样，对中卡盘能够为管材接近激光切割头的一段提供承托，避免被切割段发生明显下垂而影响精度，也减少了因设备震动所引起的管材晃动，而且由于对中卡盘设置有助滑结构，因此对中卡盘仅会提供对中和承托的功能，不会影响旋转卡盘的送料。相对于现有技术，该种精密激光切管机的送料通过旋转卡盘来进行，而横向滑动机构安装在旋转卡盘的正下方，这样，旋转卡盘具有较强的刚度，旋转卡盘不会出现较大的晃动情况，即使出现了也能较快恢复，夹持精准，管材的位置精度较高，切割精度高。本发明所提供的一种用于控制该种精密激光切管机的切割轨迹控制方法，其对切割轨迹进行小线段拼接处理，并且优化各小线段的速度，避免速度超过限制和出现突变，能够减少设备内部产生的冲击，减少设备的震动，结合该种精密激光切管机的机械结构，达到在硬件和软件上共同提高切割精度的目的。

附图说明

图1是本发明的精密激光切管机的立体结构示意图一；

图2是本发明的精密激光切管机的立体结构示意图二；

图3是对中卡盘的立体结构示意图；

图4是夹持机构的立体结构示意图；

图5是本发明的切割轨迹控制方法的流程图；

图6是本发明的切割轨迹控制方法的部分步骤进一步细化的流程图。

【附图标记说明】

1-机架；

2-激光切割头、21-二向滑动模组、211-纵向模组、212-竖向模组；

3-旋转卡盘、31-横向滑动机构、311-滑板、312-斜齿条、313-电机；

4-对中卡盘、41-转座、42-转盘、43-对中块、44-滚轴；

5-夹持机构、51-底座、52-双向伸缩缸、53-夹爪。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作详细说明。

在本发明中，当出现方位词时，对于方位词，是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

在本发明中，除另有明确规定和限定，当出现术语如“设置在”、“相连”、“连接”时，这些术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种精密激光切管机，如图1至图4所示，包括机架1、激光切割头2和旋转卡盘3，旋转卡盘3通过一位于其正下方的横向滑动机构31安装在机架1，横向滑动机构31能够带动旋转卡盘3沿横向滑动；激光切割头2通过一二向滑动模组21安装在机架1，二向滑动模组21能够带动激光切割头2沿纵向和竖向滑动；机架1上还设置有对中卡盘4和夹持机构5，在横向方向上，对中卡盘4和夹持机构5均位于旋转卡盘3与激光切割头2之间；对中卡盘4与旋转卡盘3同轴设置且能够跟随旋转卡盘3同步旋转，对中卡盘4设置有用于对管材进行对中的对中机构，对中机构上设置有用于减少管材与对中机构之间的摩擦的助滑结构；夹持机构5用于夹持管材。

采用该种精密激光切管机对管材进行切割时，旋转卡盘3夹持管材实现送料和旋转，对中卡盘4对管材进行托持，旋转卡盘3和对中卡盘4共同作用以避免管材发生下垂；当旋转卡盘3送料到前端极限位时，夹持机构5对管材进行夹持，对中卡盘4保持对管材的托持，夹持机构5与对中卡盘4共同作用以对管材进行定位，旋转卡盘3松开管材后退，退到后端极限位时重新夹持管材，继续送料。

本发明所提供的一种精密激光切管机，其负责横向运动的横向滑动机构31转移至与旋转卡盘3连接，因此旋转卡盘3同时负责夹紧和送料，激光切割头2仅进行纵向和竖向运动。其还增设了对中卡盘4，对中卡盘4设置有助滑结构，这样，对中卡盘4能够为管材接近激光切割头2的一段提供承托，避免被切割段发生明显下垂而影响精度，也减少了因设备震动所引起的管材晃动，而且由于对中卡盘4设置有助滑结构，因此对中卡盘4仅会提供对中和承托的功能，不会影响旋转卡盘3的送料。

基于上述的结构设置及动作原理，相对于现有技术，该种精密激光切管机的送料通过旋转卡盘3来进行，而横向滑动机构31安装在旋转卡盘3的正下方，这样，旋转卡盘3具有较强的刚度，旋转卡盘3不会出现较大的晃动情况，即使出现了也能较快恢复，夹持精准，管材的位置精度较高，切割精度高。

在本实施例中，当旋转卡盘3夹持管材送料时，夹持机构5处于松开状态；当旋转卡盘3松开管材后退时，夹持机构5处于夹紧状态。优选地，夹持机构5包括固定在机架1的底座51、固定在底座51的双向伸缩缸52和分别安装在双向伸缩缸52的两个活动端的两个夹爪53。

在本实施例中，在横向方向上，横向滑动机构31的滑动长度占机架1的总长度的50％以上。传统的激光切管机的横向滑动机构31是采用直线模组，因此其横向滑动长度大概只有机架总长度的10％-20％，当需要对管材进行长距离切割的时候，需要进行多次拉料，而每次拉料必定会进行松开管材和夹紧管材的动作，这期间又会导致精度丢失且不断累积，因此，本方案增长了横向滑动机构31的滑动行程，在对较长管材进行切割时，减少松开管材和夹紧管材的次数，提高切割精度。优选地，横向滑动机构31包括滑动连接在机架1的滑板311、固定在机架1的斜齿条312和安装在滑板311的电机313，电机313的输出端连接有斜齿轮，斜齿轮与斜齿条312啮合，旋转卡盘3安装在滑板311。当然，除了采用齿轮和齿条配合的方式来实现滑动驱动以外，还可采用如丝杠螺母机构等类似的机械机构实现滑动的驱动，类似的替换也落入本发明的保护范围之内。

在本实施例中，对中卡盘4包括转座41，中空的转盘42和多个对中块43，转座41固定在机架1，转盘42转动安装在转座41，多个对中块43均滑动连接在转盘42且能伸进中空结构内，对中块43的滑动方向均指向转盘42的圆心。优选地，转盘42可自由转动地安装在转座41，这种情况下转盘42被动跟随管材转动，也可在转盘42与转座41之间设置转动动力机构，转盘42主动地与管材同步转动。基于上述的结构设置，多个对中块43同时往圆心处靠近或远离即可适应不同大小的管材。优选地，对中块43设置有4个，设置更多的对中块43进行对中能够提高对中精度，且能够适应各类截面形状的管材。对中块43可手动调节，也可采用机械结构调节，现有技术中众多能够实现在机床里进行对中的机构，因此不在本申请中赘述。优选地，助滑结构包括转动连接对中块43的靠近转盘42的圆心一端的滚轴44，滚轴44用于与管材接触，摩擦阻力低。

在本实施例中，二向滑动模组21包括固定在机架1的纵向模组211和固定在纵向模组211的活动端的竖向模组212，激光切割头2安装在竖向模组212的活动端。当然，除了采用直线模组来实现滑动驱动以外，还可采用如丝杠螺母机构等类似的机械机构实现滑动的驱动，类似的替换也落入本发明的保护范围之内。

本发明还提供了一种切割轨迹控制方法，如图5和图6所示，用于控制上述的精密激光切管机，其包括以下步骤：S1、输入轨迹，对轨迹利用前瞻算法进行处理，把轨迹拆分为可拼接的多段小线段；S2、对小线段进行速度衔接，相邻的小线段间进行速度平滑处理；S3、对小线段进行速度规划；S4、执行轨迹。优选地，在S2中，设定最大允许速度，计算相邻小线段间的转角速度，然后判断转角速度是否大于最大允许速度，若是，则把小线段间的最小转角速度作为运动规划速度并进行速度衔接，若否，则把相邻小线段直接拼接并进行速度衔接；在S3中，对小线段进行S型加减速规划。

该种用于控制该种精密激光切管机的切割轨迹控制方法，其对切割轨迹进行小线段拼接处理，并且优化各小线段的速度，避免速度超过限制和出现突变，能够减少设备内部产生冲击，减少设备的震动，结合该种精密激光切管机的机械结构，达到在硬件和软件上共同提高切割精度的目的。

综上，本发明所提供的精密激光切管机及其切割轨迹控制方法能够提供较高的切割精度，提高产品质量。

在不冲突的情况下，上述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种精密激光切管机，包括机架、激光切割头和旋转卡盘，其特征在于：

所述旋转卡盘通过一位于其正下方的横向滑动机构安装在所述机架，所述横向滑动机构能够带动所述旋转卡盘沿横向滑动；

所述激光切割头通过一二向滑动模组安装在所述机架，所述二向滑动模组能够带动所述激光切割头沿纵向和竖向滑动；

所述机架上还设置有对中卡盘和夹持机构，在横向方向上，所述对中卡盘和夹持机构均位于所述旋转卡盘与所述激光切割头之间；

所述对中卡盘与所述旋转卡盘同轴设置且能够跟随所述旋转卡盘同步旋转，所述对中卡盘设置有用于对管材进行对中的对中机构，所述对中机构上设置有用于减少管材与对中机构之间的摩擦的助滑结构；

所述夹持机构用于夹持管材。

2.根据权利要求1所述的精密激光切管机，其特征在于：

当所述旋转卡盘夹持管材送料时，所述夹持机构处于松开状态；

当所述旋转卡盘松开管材后退时，所述夹持机构处于夹紧状态。

3.根据权利要求1所述的精密激光切管机，其特征在于：在横向方向上，所述横向滑动机构的滑动长度占所述机架的总长度的50％以上。

4.根据权利要求1所述的精密激光切管机，其特征在于：所述对中卡盘包括转座，中空的转盘和多个对中块，所述转座固定在所述机架，所述转盘转动安装在所述转座，所述多个对中块均滑动连接在所述转盘且能伸进中空结构内，所述对中块的滑动方向均指向所述转盘的圆心。

5.根据权利要求4所述的精密激光切管机，其特征在于：所述助滑结构包括转动连接所述对中块的靠近所述转盘的圆心一端的滚轴。

6.根据权利要求1所述的精密激光切管机，其特征在于：所述夹持机构包括固定在所述机架的底座、固定在所述底座的双向伸缩缸和分别安装在所述双向伸缩缸的两个活动端的两个夹爪。

7.根据权利要求1所述的精密激光切管机，其特征在于：所述二向滑动模组包括固定在所述机架的纵向模组和固定在所述纵向模组的活动端的竖向模组，所述激光切割头安装在所述竖向模组的活动端。

8.根据权利要求1所述的精密激光切管机，其特征在于：所述横向滑动机构包括滑动连接在所述机架的滑板、固定在所述机架的斜齿条和安装在所述滑板的电机，所述电机的输出端连接有斜齿轮，所述斜齿轮与所述斜齿条啮合，所述旋转卡盘安装在所述滑板。

9.一种切割轨迹控制方法，用于控制如权利要求1至8中任意一项所述的精密激光切管机，其特征在于：包括以下步骤：

S1、输入轨迹，对轨迹利用前瞻算法进行处理，把轨迹拆分为可拼接的多段小线段；

S2、对小线段进行速度衔接，相邻的小线段间进行速度平滑处理；

S3、对小线段进行速度规划；

S4、执行轨迹。

10.根据权利要求9所述的切割轨迹控制方法，其特征在于：

在所述S2中，设定最大允许速度，计算相邻小线段间的转角速度，然后判断转角速度是否大于最大允许速度，若是，则把小线段间的最小转角速度作为运动规划速度并进行速度衔接，若否，则把相邻小线段直接拼接并进行速度衔接；

在所述S3中，对小线段进行S型加减速规划。

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