CN116871709A - 激光切割异形圆管件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，尤其是一种激光切割异形圆管件的方法。本发明采用倒挂设置的工业机器人带动激光切割头与双轴变位机联动配合，实现对异形圆管件进行空间维度的切割，占地空间少，灵活性高；本发明基于激光切割头上的三维激光视觉装置对异形圆管件进行扫描成像，生成异形圆管件的切割轨迹点及其位姿，利用SprutCAM软件生成切割轨迹曲线传输给工业机器人作为切割运动的参考，在进行切割时，工业机器人根据实际影像生成的模型上的切割点进行比对并更新，不停修正切割轨迹，同时利用双轴变位机的动作配合，减少工业机器人动作的改变，使得切割的精度大大增加，值得推广应用于更多结构复杂工件的切割。

Description

激光切割异形圆管件的方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其是一种激光切割异形圆管件的方法。

背景技术

激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。目前，激光切割技术在不断扩展其应用领域：采用三维激光切割系统或配置工业机器人，切割空间曲线，开发各种三维切割软件，以加快从画图到切割零件的过程。

如图1所示的异形圆管件，需要对其进行对半切割，由于其弯折较多且折弯部位于不同的空间维度中，给加工带来巨大的困难。为了保证切割的精度，目前的加工单位对该工件的切割，一部分采用人工绘制剖切线，拖拉激光切割头实现；也有一部分通过三维成像技术对异形圆管件成像，以打标的方式绘成剖切线，采用人工拖拉激光切割头实现或采用工业机器人三维识别剖切线实现；现有少部分根据异形圆管件成像模型形成切割轨迹以控制工业机器人进行动作，但是工件加工的差异性、摆放位置的误差以及各部件动作的误差相加，会使得该工件的对半切割精度显著下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中之不足，提供一种激光切割异形圆管件的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种激光切割异形圆管件的方法，采用机器人切割系统对异形圆管件进行空间维度的切割，

所述机器人切割系统包括立架、工业机器人、激光切割头和双轴变位机，所述工业机器人倒挂安装在立架上，工业机器人的输出端连接激光切割头，所述激光切割头上设有三维激光视觉装置，所述双轴变位机位于工业机器人可操作范围的地面，用以带动其上夹持异形圆管件的卡盘配合激光切割头的位置进行水平面及竖直面的转动；

该方法包括以下步骤：

S1、采用人工或机械手将异形圆管件放到卡盘上，异形圆管件的下端被卡盘卡紧；

S2、工业机器人带动激光切割头，通过三维激光视觉装置对异形圆管件进行数据采集，获取异形圆管件表面每个采样点的空间坐标后，得到一个点云模型；

S3、将步骤S2中的点云模型导入数据处理系统处理生成异形圆管件的三维结构模型；

S4、选取步骤S3中三维结构模型上的点生成异形圆管件的切割轨迹点及其位姿，利用SprutCAM软件对异形圆管件进行切割动作的编程调试，生成切割轨迹曲线；将切割轨迹曲线传输给工业机器人，以使工业机器人形成切割运动参考数据；

S5、双轴变位机带动异形圆管件转动至设定位，工业机器人带动激光切割头运动，直至激光切割头的喷嘴相切于异形圆管件的切割起始点位置；

S6、激光切割头的喷嘴保持与异形圆管件相切的状态进行切割，切割过程中，工业机器人依据切割运动参考数据进行动作的同时，三维激光视觉装置采集实时数据，同步更新异形圆管件的数据，根据更新后数据上对应切割轨迹点修正工业机器人的动作，直至切割至切割终点位置；

S7、卡盘松脱，采用人工或机械手将切割后的异形圆管件取走，截去由卡盘卡紧的部分，完成异形圆管件空间维度的切割。

进一步地，所述步骤S6具体为：三维激光视觉装置跟随工业机器人运动，采集异形圆管件的数据生成坐标点，该坐标点经过处理形成与原切割轨迹曲线最接近的切割轨迹曲线，这里的最接近的切割轨迹曲线指的是其上所有的坐标点与原切割轨迹曲线相对应的坐标点差值在一定范围内；数据处理系统里设有权重，若对应坐标点的差值30%以上是超过设定范围的，则权重的加持会使控制器控制双轴变位机，驱动卡盘做水平面及竖直面的转动，再次生成切割轨迹曲线，如此重复迭代数据，使工业机器人的切割运动参考数据改变最少。

进一步地，所述双轴变位机包括安装架、旋转电机和翻转电机，所述安装架呈U形且上部开口，在开口部设置有翻转板，所述翻转板的两端均设有一连接轴，所述翻转电机安装在安装架的一侧壁上，翻转电机的输出轴穿过安装架与一连接轴连接，翻转板的背面安装有旋转电机，所述旋转电机的输出轴上安装有承载台，所述承载台上固定有卡盘。

进一步地，所述卡盘包括卡盘体和至少两个活动卡爪，所述卡盘体的中间设有通孔，卡盘体上表面均匀开设有与活动卡爪数量相同的槽孔，所述槽孔两侧壁上对称设置有一凸条，所述活动卡爪的两侧壁上开设有与凸条相配合的凹槽部。

更进一步地，所述活动卡爪的一端伸入通孔内一定距离，且该端部呈梯台结构，活动卡爪上表面自该端向另一端设有高度依次降低的若干台阶。

进一步地，所述异形圆管件的下端限位于圆柱件内，所述圆柱件的直径小于通孔的直径。

进一步地，所述激光切割头包括依次设置的连接头、聚焦保护镜座、准值保护镜座、聚焦镜筒和喷嘴，所述喷嘴通过陶瓷环安装于聚焦镜筒的一端，聚焦镜筒的另一端与准值保护镜座连接，所述准值保护镜座上开设有缺口，所述缺口内安装有抽屉保护镜，准值保护镜座上还设有聚焦盘和焦点锁，所述聚焦保护镜座上设有挡尘保护镜，所述连接头的一端设有冷水接口，连接头的另一端设有QBH接口。

进一步地，所述立架包括立柱和横向设置在立柱上端的支撑梁，所述立柱上安装有内设激光发生器的控制柜，所述激光发生器通过光纤与激光切割头的QBH接口连接，所述支撑梁的悬端通过倒挂机构连接工业机器人。

本发明的有益效果是：

本发明采用倒挂设置的工业机器人带动激光切割头与双轴变位机联动配合，实现对异形圆管件进行空间维度的切割，占地空间少，灵活性高；

本发明基于激光切割头上的三维激光视觉装置对异形圆管件进行扫描成像，生成异形圆管件的切割轨迹点及其位姿，利用SprutCAM软件生成切割轨迹曲线传输给工业机器人作为切割运动的参考，在进行切割时，工业机器人根据实际影像生成的模型上的切割点进行比对并更新，不停修正切割轨迹，同时利用双轴变位机的动作配合，减少工业机器人动作的改变，使得切割的精度大大增加，值得推广应用于更多结构复杂工件的切割。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明需要切割的异形圆管件的结构示意图。

图2是本发明激光切割异形圆管件方法的流程图。

图3是本发明中机器人切割系统的结构示意图。

图4是本发明中双轴变位机的结构示意图。

图5是本发明中卡盘的结构示意图。

图6是本发明中激光切割头的结构示意图。

图中：1.立架，11.立柱，12.支撑梁，2.工业机器人，3.激光切割头，31.连接头，32.聚焦保护镜座，33.准值保护镜座，34.聚焦镜筒，35.喷嘴，36.陶瓷环，37.抽屉保护镜，38.聚焦盘，39.焦点锁，310.挡尘保护镜，311.冷水接口，312.QBH接口，4.双轴变位机，41.安装架，42.旋转电机，43.翻转电机，44.翻转板，45.承载台，5.异形圆管件，6.卡盘，61.卡盘体，611.通孔，612.槽孔，613.凸条，62.活动卡爪，621.凹槽部，622.台阶，7.内设激光发生器的控制柜，8.圆柱件。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图3所示，机器人切割系统包括立架1、工业机器人2、激光切割头3和双轴变位机4，工业机器人2倒挂安装在立架1上，工业机器人2的输出端连接激光切割头3，激光切割头3上设有三维激光视觉装置（图中未示出），双轴变位机4位于工业机器人2可操作范围的地面，用以带动其上夹持异形圆管件5的卡盘6配合激光切割头3的位置进行水平面及竖直面的转动；其中，三维激光视觉装置为三维激光扫描仪或照相式扫描仪，属于外购件。

其中，立架1包括立柱11和横向设置在立柱11上端的支撑梁12，立柱11上安装有内设激光发生器的控制柜7（结合在一个柜体内的），激光发生器通过光纤与激光切割头3的QBH接口312（下面有描述）连接，支撑梁12的悬端通过倒挂机构连接工业机器人2。

如图4所示，双轴变位机4包括安装架41、旋转电机42和翻转电机43，安装架41呈U形且上部开口，在开口部设置有翻转板44，翻转板44的两端均设有一连接轴，翻转电机43安装在安装架41的一侧壁上，翻转电机43的输出轴穿过安装架41与连接轴连接，翻转板44的背面安装有旋转电机42，旋转电机42的输出轴上安装有承载台45，承载台45上固定有卡盘6。

如图5所示，卡盘6包括卡盘体61和三个两个活动卡爪62，卡盘体61的中间设有通孔611，卡盘体61上表面均匀开设有与三个槽孔612。为了保证活动卡爪62与卡盘体61配合的有效性，槽孔612两侧壁上对称设置有一凸条613，活动卡爪62的两侧壁上开设有与凸条613相配合的凹槽部621。活动卡爪62的一端伸入通孔611内一定距离，且该端部呈梯台结构，活动卡爪62上表面自该端向另一端设有高度依次降低的若干台阶622。如此设置，可以使得活动卡爪62靠近通孔611的一端较重，具有向着通孔611的向心力，保证夹持的有效性。另外，根据上述选择的卡盘6结构，异形圆管件5的下端限位于一圆柱件8内，圆柱件8的直径小于通孔611的直径。上述结构的卡盘6能够快速夹紧和松开圆柱件8，使得圆柱件8的换装和加工过程更加快捷方便，提高了生产效率。安装工件时，活动卡爪62可以分别调整，能够夹紧直径不同的圆柱件8，而且不会出现偏转情况。

如图6所示，激光切割头3包括依次设置的连接头31、聚焦保护镜座32、准值保护镜座33、聚焦镜筒34和喷嘴35，喷嘴35通过陶瓷环36安装于聚焦镜筒34的一端，聚焦镜筒34的另一端与准值保护镜座33连接，准值保护镜座33上开设有缺口，缺口内安装有抽屉保护镜37，准值保护镜座33上还设有聚焦盘38和焦点锁39，聚焦保护镜座32上设有挡尘保护镜310，连接头31的一端设有冷水接口311，连接头31的另一端设有QBH接口312。QBH接口312可360度旋转调节，通过调节QBH接口312可以完全释放光纤扭力，有效避免光纤因扭曲挠度而产生的光损耗，提高光纤的使用寿命。其中，喷嘴35、陶瓷环36、抽屉保护镜37和挡尘保护镜310属于易耗品，故其安装需要方便、快捷。

如图2所示，一种激光切割异形圆管件的方法，该方法包括以下步骤：

S1、采用人工或机械手将异形圆管件5放到卡盘6上，异形圆管件的下端限位在圆柱件8上，圆柱件8被卡盘6卡紧；

S2、工业机器人2带动激光切割头3，通过三维激光视觉装置对异形圆管件5进行数据采集，获取异形圆管件5表面每个采样点的空间坐标后，得到一个点云模型；

S3、将步骤S2中的点云模型导入数据处理系统处理生成异形圆管件5的三维结构模型；

S4、选取步骤S3中三维结构模型上的点生成异形圆管件5的切割轨迹点及其位姿，利用SprutCAM软件对异形圆管件5进行切割动作的编程调试，生成切割轨迹曲线；将切割轨迹曲线传输给工业机器人2，以使工业机器人2形成切割运动参考数据；

S5、双轴变位机4带动异形圆管件5转动至设定位，工业机器人2带动激光切割头3运动，直至激光切割头3的喷嘴35相切于异形圆管件5的切割起始点位置；

S6、激光切割头3的喷嘴35保持与异形圆管件5相切的状态进行切割，切割过程中，工业机器人2依据切割运动参考数据进行动作的同时，三维激光视觉装置采集实时数据，同步更新异形圆管件5的数据，根据更新后数据上对应切割轨迹点修正工业机器人2的动作，直至切割至切割终点位置；

S7、卡盘6松脱，采用人工或机械手将切割后的异形圆管件5取走，截去由卡盘6卡紧的部分，完成异形圆管件5空间维度的切割。

步骤S4中的通过SprutCAM软件对异形圆管件5进行切割动作的编程调试，会考量到所有机构间的相互运动，呈现逼真的实体切割模拟，切割模拟加工后的模型具有很高的真实性, 可以控制加工质量和检测任何可能的缺陷；且可控制加工及过切区域的视觉化，模拟后的已切割工件与原始模型进行差异比对，相同切割点数据按原始模型数据，不同切割点数据采用实际切割工件数据。

步骤S6具体为：三维激光视觉装置跟随工业机器人2运动，采集异形圆管件5的数据生成坐标点，该坐标点经过处理形成与原切割轨迹曲线最接近的切割轨迹曲线，这里的最接近的切割轨迹曲线指的是其上所有的坐标点与原切割轨迹曲线相对应的坐标点差值在一定范围内；数据处理系统里设有权重，若对应坐标点的差值30%以上是超过设定范围的，则权重的加持会使控制器（设置在内设激光发生器的控制柜7中）控制双轴变位机4，驱动卡盘6做水平面及竖直面的转动，再次生成切割轨迹曲线，如此重复迭代数据，使工业机器人2的切割运动参考数据改变最少。

在切割过程中，3D相机（三维激光视觉装置）实时采集异形圆管件5的结构及位姿，由数据处理系统处理后与SprutCAM软件中原始模型进行差异比对，相同切割点数据按原始模型数据，不同切割点数据采用实际切割工件数据，如此生成新的切割轨迹曲线，但对应坐标点差值需要进行权重加持，得到修正后的切割轨迹曲线指导切割作用。由于异形圆管件5具有一定的长度，切割过程中会发生晃动，对于晃动时采集到的数据是存在一定误差的，所以需要实时生成后续切割的切割轨迹曲线进行迭代数据，仅按照现有技术中公开的实际采集后生成的切割轨迹曲线切割，是无法达到切割精度要求。这么高的精度要求，主要是因为本实施例针对的异形圆管件5具有多个弯折部，且需要精确地实现对半剖切，以便后续采用对半剖切的部件完成相关装配的精度要求。

本实施例的工业机器人2为六轴关节式机器人，其中，第一轴是连接底盘的位置，也是承重和核心位置，它承载着整个机器人的重量和机器人左右水平的大幅度摆动。第二轴控制机器人前后摆动、伸缩的重要一轴。第三轴也是控制机器人前后摆动的一轴，不过摆动幅度比第二轴要小很多，不过这也是六轴机器人臂展长的根据。第四轴是控制上臂部分180°自由旋转的一轴，相当于人的小臂。第五轴很重要，调好位置后，精准定位到产品上，就要用到第五轴，相当于人手腕部分。第六轴将第五轴定位到产品上之后，进行一些微小的改动，相当于可以水平360°旋转的一个转盘，可以更精确定位到产品。所以，在本实施例的切割中，第六轴能精确定位异形圆管件5，喷嘴35能保持与异形圆管件5相切的状态，但是修正后的切割轨迹曲线有时需要其他轴改动运动，其他轴改变运动与双轴变位机4的运动相比，双轴变位机4的运动更简单、直接和高效，所以设置工业机器人2的切割运动参考数据改变最少。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种激光切割异形圆管件的方法，采用机器人切割系统对异形圆管件进行空间维度的切割，其特征在于：

所述机器人切割系统包括立架、工业机器人、激光切割头和双轴变位机，所述工业机器人倒挂安装在立架上，工业机器人的输出端连接激光切割头，所述激光切割头上设有三维激光视觉装置，所述双轴变位机位于工业机器人可操作范围的地面，用以带动其上夹持异形圆管件的卡盘配合激光切割头的位置进行水平面及竖直面的转动；

该方法包括以下步骤：

S1、采用人工或机械手将异形圆管件放到卡盘上，异形圆管件的下端被卡盘卡紧；

S2、工业机器人带动激光切割头，通过三维激光视觉装置对异形圆管件进行数据采集，获取异形圆管件表面每个采样点的空间坐标后，得到一个点云模型；

S3、将步骤S2中的点云模型导入数据处理系统处理生成异形圆管件的三维结构模型；

S4、选取步骤S3中三维结构模型上的点生成异形圆管件的切割轨迹点及其位姿，利用SprutCAM软件对异形圆管件进行切割动作的编程调试，生成切割轨迹曲线；将切割轨迹曲线传输给工业机器人，以使工业机器人形成切割运动参考数据；

S5、双轴变位机带动异形圆管件转动至设定位，工业机器人带动激光切割头运动，直至激光切割头的喷嘴相切于异形圆管件的切割起始点位置；

S6、激光切割头的喷嘴保持与异形圆管件相切的状态进行切割，切割过程中，工业机器人依据切割运动参考数据进行动作的同时，三维激光视觉装置采集实时数据，同步更新异形圆管件的数据，根据更新后数据上对应切割轨迹点修正工业机器人的动作，直至切割至切割终点位置；

S7、卡盘松脱，采用人工或机械手将切割后的异形圆管件取走，截去由卡盘卡紧的部分，完成异形圆管件空间维度的切割。

2.根据权利要求1所述的激光切割异形圆管件的方法，其特征在于：所述步骤S6具体为：三维激光视觉装置跟随工业机器人运动，采集异形圆管件的数据生成坐标点，该坐标点经过处理形成与原切割轨迹曲线最接近的切割轨迹曲线，这里的最接近的切割轨迹曲线指的是其上所有的坐标点与原切割轨迹曲线相对应的坐标点差值在一定范围内；数据处理系统里设有权重，若对应坐标点的差值30%以上是超过设定范围的，则权重的加持会使控制器控制双轴变位机，驱动卡盘做水平面及竖直面的转动，再次生成切割轨迹曲线，如此重复迭代数据，使工业机器人的切割运动参考数据改变最少。

3.根据权利要求1所述的激光切割异形圆管件的方法，其特征在于：所述双轴变位机包括安装架、旋转电机和翻转电机，所述安装架呈U形且上部开口，在开口部设置有翻转板，所述翻转板的两端均设有一连接轴，所述翻转电机安装在安装架的一侧壁上，翻转电机的输出轴穿过安装架与一连接轴连接，翻转板的背面安装有旋转电机，所述旋转电机的输出轴上安装有承载台，所述承载台上固定有卡盘。

4.根据权利要求1所述的激光切割异形圆管件的方法，其特征在于：所述卡盘包括卡盘体和至少两个活动卡爪，所述卡盘体的中间设有通孔，卡盘体上表面均匀开设有与活动卡爪数量相同的槽孔，所述槽孔两侧壁上对称设置有一凸条，所述活动卡爪的两侧壁上开设有与凸条相配合的凹槽部。

5.根据权利要求4所述的激光切割异形圆管件的方法，其特征在于：所述活动卡爪的一端伸入通孔内一定距离，且该端部呈梯台结构，活动卡爪上表面自该端向另一端设有高度依次降低的若干台阶。

6.根据权利要求1所述的激光切割异形圆管件的方法，其特征在于：所述异形圆管件的下端限位于圆柱件内，所述圆柱件的直径小于通孔的直径。

7.根据权利要求1所述的激光切割异形圆管件的方法，其特征在于：所述激光切割头包括依次设置的连接头、聚焦保护镜座、准值保护镜座、聚焦镜筒和喷嘴，所述喷嘴通过陶瓷环安装于聚焦镜筒的一端，聚焦镜筒的另一端与准值保护镜座连接，所述准值保护镜座上开设有缺口，所述缺口内安装有抽屉保护镜，准值保护镜座上还设有聚焦盘和焦点锁，所述聚焦保护镜座上设有挡尘保护镜，所述连接头的一端设有冷水接口，连接头的另一端设有QBH接口。

8.根据权利要求1所述的激光切割异形圆管件的方法，其特征在于：所述立架包括立柱和横向设置在立柱上端的支撑梁，所述立柱上安装有内设激光发生器的控制柜，所述激光发生器通过光纤与激光切割头的QBH接口连接，所述支撑梁的悬端通过倒挂机构连接工业机器人。