RU2697686C1

RU2697686C1 - Robotic portal for laser cutting and welding of tubular cylindrical workpieces

Info

Publication number: RU2697686C1
Application number: RU2018138397A
Authority: RU
Inventors: Игорь Александрович Романцов; Александр Игоревич Романцов; Антон Александрович Черняев
Original assignee: Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ")
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2019-08-16

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: invention relates to a robot portal for laser cutting and welding of cylindrical pipe workpieces. Portal comprises vertical and horizontal support elements, laser head and cylindrical tube billet transfer device. On horizontal support element there are devices for moving laser head in horizontal and vertical planes and device for inclination of laser head in vertical plane perpendicular to direction of cutting or welding. Device of inclination is made with possibility of inclination of laser head in vertical plane perpendicular to direction of cutting or welding.EFFECT: technical result consists in improvement of quality of welded seam or cut at laser welding and cutting of cylindrical pipe workpieces.7 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной обработке металлов, в частности к резке и сварке цилиндрических заготовок, в том числе трубных.The invention relates to laser processing of metals, in particular to the cutting and welding of cylindrical billets, including pipe.

С помощью лазерных резки и сварки ввиду особых свойств лазерного луча, заключающихся в том, что на малой площади светового пятна достигается большая мощность – сотни киловатт на квадратный миллиметр, можно получать чистый и точный рез и шов с малым поперечным сечением и большой глубиной проплавления. Указанные преимущества технологии могут быть реализованы только при точном наведении луча, что при весе лазерной головки в несколько десятков килограммов и значительных размерах обрабатываемой детали становится сложной задачей. Наиболее приемлемой для ее решения представляется портальная конструкция, как наиболее устойчивая, на верхней балке которой располагается платформа с закрепленной на ней головкой и имеющая несколько независимых осей перемещения. Механизмы перемещения должны быть оборудованы следящими системами с соответствующими датчиками и вычислительным комплексом, то есть портал должен быть роботизирован.Using laser cutting and welding, due to the special properties of the laser beam, namely, that a large power is achieved in a small area of the light spot - hundreds of kilowatts per square millimeter, it is possible to obtain a clean and accurate cut and seam with a small cross section and a large penetration depth. The indicated advantages of the technology can be realized only with accurate beam guidance, which, when the weight of the laser head is several tens of kilograms and the considerable size of the workpiece, becomes a difficult task. The most acceptable for its solution is the portal design, as the most stable, on the upper beam of which there is a platform with a head fixed on it and having several independent axes of movement. Movement mechanisms should be equipped with tracking systems with appropriate sensors and a computer complex, that is, the portal should be robotic.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является роботизированный портал для лазерной резки и сварки стыкуемых кромок деталей, известный из патента US 4870246. Известный портал оснащен механизмами перемещения головки по горизонтальной и вертикальной осям, а также имеет механизм периодического колебания головки в вертикальной плоскости вдоль направления сварки или реза. Все указанные механизмы закреплены на горизонтальной балке.The closest analogue to the claimed invention is a robotic portal for laser cutting and welding of abutting edges of parts, known from US 4,870,246. The known portal is equipped with mechanisms for moving the head along the horizontal and vertical axes, and also has a mechanism for periodic oscillations of the head in the vertical plane along the welding direction or cut. All these mechanisms are fixed on a horizontal beam.

Однако данный портал предназначен для резки и сварки деталей, имеющих плоскую поверхность. Возможна обработка цилиндрических деталей, но в этом случае линия движения луча должна совпадать с верхней образующей цилиндра, расположенной в зените. При уходе луча в сторону, например, при его движении вдоль линии стыка свариваемых кромок, уходящей от зенита, луч лазера будет не перпендикулярен касательной к поперечному сечению заготовки в точке реза, а значит не будет совпадать со стыком кромок на всей толщине стенки заготовки. Сварка трубных заготовок, особенно с большими толщинами стенок, может быть вообще невозможной. Отклонение стыка кромок по горизонтали на длине заготовки 12 м допускается в пределах ± 40 мм. На это расстояние система наведения на стык может увести головку по этой оси. Простые вычисления показывают, что при этом отклонении стыка, диаметре заготовки 820 мм и величине притупления кромок 30 мм отклонение луча от линии стыка кромок в нижней точке составляет около 3 мм при условии, что в верхней точке луч направлен на стык. Это значит, что при диаметре светового пятна лазерного луча 0,5 мм и ширине сварочной ванны около (1 – 1,5) мм сварка невозможна.However, this portal is intended for cutting and welding parts having a flat surface. Processing of cylindrical parts is possible, but in this case the line of the beam should coincide with the upper generatrix of the cylinder located at the zenith. When the beam goes to the side, for example, when it moves along the junction line of the welded edges, going away from the zenith, the laser beam will not be perpendicular to the cross section of the workpiece at the cut point, and therefore will not coincide with the edge joint on the entire thickness of the workpiece wall. Welding tube blanks, especially with large wall thicknesses, may not be possible at all. Deviation of the horizontal edge joint at the workpiece length of 12 m is allowed within ± 40 mm. At this distance, the joint guidance system can lead the head along this axis. Simple calculations show that with this joint deflection, the workpiece diameter of 820 mm and the edge blunting value of 30 mm, the beam deviation from the edge joint line at the lower point is about 3 mm, provided that the beam is directed to the joint at the upper point. This means that when the diameter of the light spot of the laser beam is 0.5 mm and the width of the weld pool is about (1 - 1.5) mm, welding is not possible.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является недостаточно высокое качество сварного шва или реза при лазерной сварке и резки цилиндрических заготовок, а в некоторых случаях – невозможность лазерной сварки цилиндрических заготовок.The technical problem to which the claimed invention is directed is the insufficiently high quality of the weld or cut during laser welding and cutting of cylindrical workpieces, and in some cases the impossibility of laser welding of cylindrical workpieces.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении качества сварного шва или реза при лазерной сварке и резки цилиндрических заготовок.The technical result of the invention is to improve the quality of the weld or cut during laser welding and cutting of cylindrical workpieces.

Данный технический результат достигается за счёт того, что роботизированный портал для лазерных резки и сварки цилиндрических трубных заготовок содержит вертикальный и горизонтальный опорные элементы, лазерную головку и устройство транспортировки цилиндрической трубной заготовки, при этом на горизонтальном опорном элементе размещены устройства перемещения лазерной головки в горизонтальной и вертикальной плоскостях и устройство наклона лазерной головки, выполненное с возможностью наклона лазерной головки в вертикальной плоскости, перпендикулярной направлению движения лазерной головки при резке и сварке, на угол α, определяемый по формуле:This technical result is achieved due to the fact that the robotic portal for laser cutting and welding of cylindrical tube billets contains vertical and horizontal support elements, a laser head and a device for transporting a cylindrical tube billet, while the horizontal head and the laser device move the head in horizontal and vertical planes and a device for tilting the laser head, configured to tilt the laser head in a vertical plane Perpendicular to the direction of movement of the laser head for cutting and welding, by an angle α, defined by the formula:

α = arctg (Δ/R), гдеα = arctan (Δ / R), where

Δ – горизонтальное перемещение лазерной головки;Δ is the horizontal movement of the laser head;

R – наружный радиус цилиндрической трубной заготовки.R is the outer radius of the cylindrical tube billet.

Вертикальный опорный элемент может быть выполнен в виде двух вертикальных балок.The vertical support element can be made in the form of two vertical beams.

Горизонтальный опорный элемент может быть выполнен в виде горизонтальной балки.The horizontal support element can be made in the form of a horizontal beam.

Устройство транспортировки цилиндрической трубной заготовки может быть выполнено в виде транспортной тележки на колесах с возможностью перемещения по рельсам.The device for transporting a cylindrical tube billet can be made in the form of a transport trolley on wheels with the ability to move on rails.

Устройство перемещения лазерной головки в горизонтальной плоскости может быть выполнено в виде горизонтального корректора, содержащего рейку горизонтального корректора, направляющую горизонтального корректора и двигатель горизонтального корректора.The device for moving the laser head in the horizontal plane can be made in the form of a horizontal corrector containing a horizontal corrector rail, a horizontal corrector guide and a horizontal corrector motor.

Устройство перемещения лазерной головки в вертикальной плоскости может быть выполнено в виде вертикального корректора, содержащего рейку вертикального корректора, направляющую вертикального корректора и двигатель вертикального корректора.The device for moving the laser head in the vertical plane can be made in the form of a vertical corrector containing a rail of a vertical corrector, a guide of the vertical corrector and a vertical corrector motor.

Устройство наклона лазерной головки может быть выполнено в виде углового корректора, содержащего платформу углового корректора, шестерню углового корректора и двигатель углового корректора.The device for tilting the laser head can be made in the form of an angle corrector containing the platform of the angle corrector, the gear of the angle corrector and the engine of the angle corrector.

Технический результат достигается путем оснащения портала дополнительным механизмом перемещения головки – механизмом ее наклона в вертикальной плоскости, перпендикулярной направлению резки или сварки, причем этот наклон в течение процесса сварки или резки устанавливается в функции горизонтального перемещения головки от первоначального, когда луч был направлен по вертикали, и радиуса заготовки по формуле:The technical result is achieved by equipping the portal with an additional mechanism for moving the head - a mechanism for its inclination in a vertical plane perpendicular to the direction of cutting or welding, and this inclination during the welding or cutting process is set as a function of horizontal movement of the head from the original when the beam was directed vertically, and the radius of the workpiece according to the formula:

α = arctg (Δ/R),α = arctan (Δ / R),

где Δ – горизонтальное перемещение лазерной головки, соответствующее горизонтальному отклонению линии стыка кромок цилиндрической трубной заготовки или реза, where Δ is the horizontal movement of the laser head corresponding to the horizontal deviation of the junction line of the edges of the cylindrical tube billet or cut,

R – наружный радиус заготовки. R is the outer radius of the workpiece.

Таким образом качество сварного шва или реза улучшается за счет поворота лазерной головки к поверхности заготовки. Thus, the quality of the weld or cut is improved by turning the laser head to the surface of the workpiece.

Заявляемое изобретение поясняется с помощью фиг. 1-2, на которых показаны:The invention is illustrated using FIG. 1-2, which show:

Фиг. 1 – часть поперечного сечения цилиндрической трубной заготовки;FIG. 1 - part of the cross section of a cylindrical tube billet;

Фиг. 2 – поперечное сечение портала.FIG. 2 is a cross section of a portal.

На фиг. 1-2 позициями 1-16 обозначены:In FIG. 1-2 positions 1-16 are indicated:

1 – первоначальное положение, когда лазерный луч направлен вертикально;1 - initial position when the laser beam is directed vertically;

2 – положение с появившимся горизонтальным смещением Δ и выставленным соответствующему этому смещению углом наклона α;2 - the position with the horizontal displacement Δ that appears and the slope angle α corresponding to this displacement;

3 – вертикальная балка;3 - vertical beam;

4 – поперечная балка;4 - transverse beam;

5 – цилиндрическая трубная заготовка;5 - cylindrical tube billet;

6 – транспортная тележка;6 - transport trolley;

7 – направляющая вертикального корректора;7 - guide vertical corrector;

8 – рейка вертикального корректора;8 - rail vertical corrector;

9 – направляющая горизонтального корректора;9 - guide horizontal corrector;

10 – двигатель вертикального корректора;10 - engine vertical corrector;

11 – рейка горизонтального корректора;11 - rail horizontal corrector;

12 – платформа углового корректора;12 - platform of the corner corrector;

13 – двигатель горизонтального корректора;13 - engine horizontal corrector;

14 – шестерня углового корректора;14 - a gear of an angular corrector;

15 – лазерная головка;15 - laser head;

16 – двигатель углового корректора.16 - engine angle corrector.

Роботизированный портал для лазерных резки и сварки цилиндрических трубных заготовок содержит две вертикальные балки 3, поперечную балку 4, выполняющие роль вертикальных и горизонтальных опорных элементов, соответственно, транспортную тележку 6 на колесах, движущуюся по рельсам во время технологического процесса сварки или резки, содержащую поворотные ролики, на которых расположена цилиндрическая трубная заготовка 5, выполняющая роль устройства транспортировки.The robotic portal for laser cutting and welding of cylindrical tube billets contains two vertical beams 3, a transverse beam 4, which serve as vertical and horizontal support elements, respectively, a transport trolley 6 on wheels moving along rails during the welding or cutting process, containing rotary rollers on which is located a cylindrical tube billet 5, which acts as a transportation device.

К поперечной балке 4, расположенной горизонтально, подвешены все механизмы, осуществляющие регулировку положения лазерной головки 15 – вертикальный, горизонтальный и угловой корректоры, а также сама лазерная головка 15.All mechanisms for adjusting the position of the laser head 15 — vertical, horizontal and angular correctors, as well as the laser head 15 itself — are suspended from the transverse beam 4 located horizontally.

Под корректором понимают механизм, осуществляющий регулировку положения лазерной головки в определенной плоскости.Under the corrector understand the mechanism for adjusting the position of the laser head in a certain plane.

Вертикальный корректор содержит направляющую 7 вертикального корректора, закрепленного на поперечной балке 4, рейку 8 вертикального корректора, передвижением которой задается вертикальное положение лазерной головки 15 и к которой прикреплена направляющая горизонтального корректора 9, и двигатель 10 вертикального корректора.The vertical corrector comprises a guide 7 of the vertical corrector mounted on the transverse beam 4, a rail 8 of the vertical corrector, the movement of which sets the vertical position of the laser head 15 and to which the guide of the horizontal corrector 9 is attached, and the motor 10 of the vertical corrector.

Горизонтальный корректор содержит направляющую 9 горизонтального корректора, рейку 11 горизонтального корректора, положение которой определяет горизонтальное положение лазерной головки 15 и к которой прикреплена платформа углового корректора 12, и двигатель 13 горизонтального корректора.The horizontal corrector comprises a horizontal corrector guide 9, a horizontal corrector rail 11, the position of which determines the horizontal position of the laser head 15 and to which the platform of the angle corrector 12 is attached, and a horizontal corrector motor 13.

Угловой корректор содержит платформу 12 углового корректора, шестерню 14 углового корректора, к которой прикреплена лазерная головка 15 и угол поворота которой определяет угол наклона лазерной головки 15, и двигатель 16 углового корректора.The angle corrector comprises an angle corrector platform 12, an angle corrector gear 14 to which a laser head 15 is attached and whose rotation angle determines the angle of inclination of the laser head 15, and an angle corrector motor 16.

Роботизированный портал для лазерных резки и сварки цилиндрических трубных заготовок работает следующим образом.A robotic portal for laser cutting and welding of cylindrical tube blanks works as follows.

На транспортную тележку 6 укладывают цилиндрическую трубную заготовку 5. C помощью транспортной тележки 6 и поворотных роликов, расположенных на ней, перемещают начало стыка кромок цилиндрической трубной заготовки 5 под лазерный луч лазерной головки 15. Эту операцию выполняют с высокой точностью до начала сварки с помощью вспомогательного лазера, совпадающего с лучом лазерной головки 15 для сварки, проходящего через ту же оптику, но имеющего в сотни раз меньшую мощность. Затем начинают процесс сварки. A cylindrical tube billet 5 is placed on the transport trolley 6. Using the transport trolley 6 and the rotary rollers located on it, the beginning of the junction of the edges of the cylindrical tube billet 5 is moved under the laser beam of the laser head 15. This operation is performed with high accuracy before welding starts using auxiliary laser, coinciding with the beam of the laser head 15 for welding, passing through the same optics, but having hundreds of times less power. Then start the welding process.

Режимы сварки, в т.ч. и мощность лазера, можно задавать вручную или автоматически. Последнее возможно, если предварительно отработаны и записаны в память системы режимы процесса на определенной толщине стенки цилиндрической трубной заготовки 5. В этом случае выбирают заданную толщину стенки. Welding modes, including and laser power, can be set manually or automatically. The latter is possible if the process modes at a certain wall thickness of a cylindrical tube billet 5 have been previously worked out and recorded in the system memory. In this case, a predetermined wall thickness is selected.

В режиме сварки стыка кромок цилиндрической трубной заготовки 5 лазерный сканирующий датчик, стоящий впереди лазерной головки 15, во время сварки постоянно измеряет отклонения стыка по вертикали и горизонтали, при этом определяет в какую сторону (вверх – вниз, вправо – влево) произошли отклонения (их знак) и их абсолютные значения от его первоначального положения в начале сварки и выдает эту информацию в управляющую соответствующими корректорами систему, которая с помощью их двигателей устанавливает лазерную головку 15 в прежнее положение относительно стыка.In the welding mode of the joint of the edges of the cylindrical tube billet 5, the laser scanning sensor in front of the laser head 15, during welding, constantly measures the joint deviations vertically and horizontally, while determining which side (up - down, right - left) deviations occurred (they sign) and their absolute values from its initial position at the beginning of welding and gives this information to the system that controls the corresponding correctors, which using their motors sets the laser head 15 in the previous position with respect to the joint.

В предлагаемом решении, зная горизонтальное перемещение лазерной головки 15 и радиус заготовки 5, по выше приведенной формуле вычисляют необходимый для обеспечения совпадения лазерного луча со стыком кромок по всей их толщине угол наклона лазерной головки 15, который устанавливается угловым корректором. Угол наклона имеет одинаковый знак с горизонтальным перемещением. In the proposed solution, knowing the horizontal movement of the laser head 15 and the radius of the workpiece 5, using the above formula, the angle of inclination of the laser head 15, which is set by the corner corrector, is necessary to ensure that the laser beam coincides with the edge joint along their entire thickness. The angle of inclination has the same sign with horizontal movement.

Например, цилиндрическая трубная заготовка без разделки имеет радиус 720 мм, толщину стенки 35 мм, а стык кромок отклоняется по горизонтали от своего первоначального положения в конце сварки на 30 мм. Горизонтальное перемещение лазерной головки Δ горизонтальным корректором тоже будет равно 30 мм и луч лазера будет совпадать с верхней точкой стыка на наружной поверхности цилиндрической трубной заготовки. Но без работы углового корректора лазерный луч останется вертикальным и в нижней точке стыка отклонение лазерного луча от первоначального будет точно таким же, как и в верхней точке. При работе углового корректора лазерная головка повернется на угол α = arctg (Δ/R), и отклонение лазерного луча в нижней точке будет равно Δ ̋ = (R – s)·tg α, где s – толщина стенки (глубина стыка) цилиндрической трубной заготовки. При отсутствии углового корректора в рассматриваемом примере отклонение лазерного луча в нижней точке стыка от требуемого составит Δ – Δ ̋ = Δ – (R – s)·tg (arctg (Δ/R) = 30 – 325·tg (4,76)° = 30 – 27,06 = 2,94 мм. Это значит, что лазерный луч пройдет мимо стыка и его поверхности не расплавятся – сварки кромок не произойдет. For example, a cylindrical tube billet without cutting has a radius of 720 mm, a wall thickness of 35 mm, and the joint of the edges deviates horizontally from its original position at the end of welding by 30 mm. The horizontal movement of the laser head Δ by the horizontal corrector will also be 30 mm and the laser beam will coincide with the upper joint point on the outer surface of the cylindrical tube billet. But without the work of the corner corrector, the laser beam will remain vertical and at the lower point of the junction, the deviation of the laser beam from the original one will be exactly the same as at the upper point. During the operation of the corner corrector, the laser head will rotate through the angle α = arctan (Δ / R), and the deviation of the laser beam at the lower point will be Δ ̋ = (R - s) · tan α, where s is the wall thickness (joint depth) of the cylindrical tube blanks. In the absence of an angular corrector in the considered example, the deviation of the laser beam at the bottom of the junction from the required one will be Δ - Δ ̋ = Δ - (R - s) · tg (arctg (Δ / R) = 30 - 325 · tg (4.76) ° = 30 - 27.06 = 2.94 mm, which means that the laser beam will pass by the joint and its surfaces will not melt - edge welding will not occur.

Аналогично будет действовать система из горизонтального, вертикального и углового корректоров для регулировки лазерной головки при резке цилиндрических заготовок 5. При процессе резки траекторию реза задают предварительно в технологической программе устройства управления роботизированным порталом. A system of horizontal, vertical and angular correctors for adjusting the laser head during cutting of cylindrical workpieces will operate similarly 5. During the cutting process, the cutting path is pre-set in the technological program of the control device for the robotic portal.

Внедрение предложенного позволит обрабатывать на роботизированном портале заготовки цилиндрической формы, в том числе производить трубы круглого сечения.Implementation of the proposed will allow to process cylindrical billets on the robotic portal, including the production of circular pipes.

Claims

1. Robotized portal for laser cutting and welding of cylindrical tube billets, containing vertical and horizontal support elements, a laser head and a device for transporting a cylindrical tube billet, characterized in that the horizontal support element contains a device for moving the laser head in horizontal and vertical planes and a tilt device laser head, configured to tilt the laser head in a vertical plane perpendicular to the direction of motion of l a cutting head during cutting and welding, at an angle α = arctan (∆ / R), where

∆ is the horizontal movement of the laser head;

R is the outer radius of the cylindrical tube billet.

2. The portal according to claim 1, characterized in that the vertical support element is made in the form of two vertical beams.

3. The portal according to claim 1, characterized in that the horizontal support element is made in the form of a horizontal beam.

4. The portal according to claim 1, characterized in that the device for transporting a cylindrical tube billet is made in the form of a transport trolley on wheels with the ability to move on rails.

5. The portal according to claim 1, characterized in that the device for moving the laser head in the horizontal plane is made in the form of a horizontal corrector containing a horizontal corrector rail, a horizontal corrector guide and a horizontal corrector motor.

6. The portal according to claim 1, characterized in that the device for moving the laser head in a vertical plane is made in the form of a vertical corrector containing a rail of a vertical corrector, a guide of the vertical corrector and a vertical corrector motor.

7. The portal according to claim 1, characterized in that the device for tilting the laser head is made in the form of an angle corrector containing an angle corrector platform, an angle corrector gear and an angle corrector engine.