TWI520808B - A 3D Cutting Method and Device for Preform Welding of Shaped Fittings - Google Patents

Description

一種異型管件銲接前工程之3D切割處理方法及其裝置

本發明是應用於異型管件切割領域，特別是關於一種有效夾持固定異型管件，包括前後端管徑差異大、厚度差異大、管徑彎曲曲率度大等不同的異型管件進行切割，減少製作夾持治具的成本，且利用機器人模擬軟體的整合事先模擬Robot雷射切割軌跡，以確保雷射切割軌跡符合異型管件端面形狀，減少測試失敗的時間與費用，有效提高生產效率的異型管件3D切割技術。

由於自行車產業、醫療器材產業、運動器材產業及汽車產業已朝高值化、輕量化、人體工學化及外觀美學化發展，對於異型管件的需求日益提升，相對地對於異型管件銲接需求也有增無減。然而，在異型管件銲接過程中常因管件接合端面切割尺寸精度、粗糙度不良，造成預組配間隙過大，使銲接品質不良；且異型管件多為鋁合金等輕金屬難銲材質，又具多角度與弧度，在銲接過程中需採用3D軌跡進行銲接，也增加了異型管件銲接的困難度。因此，異型管件銲接前管件端面切割工程就扮演著極重要的角色，本專利即因應此產業需求，發明一種異型管件自動銲接之前工程自動3D切割處理方法。

由於目前管件之切割均搭配工具機採用CNC可程式方式進行雷射切割，切割的管件有最小長度限制(最小長度≧650mm)，管件小於最小長度將無法進行夾持與切割。且主要針對前後端管徑相同的管件進行切割，當前後端管徑差異太大或有有不同的厚度、曲率半徑變化時則無法進行3D切割。因此本專利才會運用機器人系統具六軸運動自由度機構，搭配異型管件快速夾持治具，協同第七軸轉盤進行同動3D軌跡雷射切割，不但對於異型管件具有優異的切割能力，尤其針對前後端不同的管徑大小、不同厚度、不同曲率半徑進行雷射切割，對於小量多樣的管件切割具有競爭力，降低傳統管件切割所需之模具製作費用，及傳統機械加工的工時與費用。

另一方面，由於異型管件切割後需要搭配後續之銲接，因此異型管件端面尺寸需具有精確度與表面粗糙度，尤其對於輕金屬(鋁、鎂、鈦)銲接，在預組裝上更是要求精確，以薄管銲接而言，其組裝間隙要求約在1/10T。

習知技術1如美國第US 7,092,791號的「Robot System And Machining Method With Robot System」專利案，該習知技術1提供有機器人系統(robot)，能藉由機器人系統並於其機器人手臂末端搭載L型可旋轉工具，以進行管件馬鞍型軌跡之孔或端面切割。該機器人手臂前端需搭載遠端工具裝置(distal end of a tool unit)，切割前需於機械人控制面板上選擇切割管件的型態(如橢圓、圓柱等形狀)，並輸入管件參數(如管件直徑、厚度等)，該機器人即由內部電腦進行軌跡運算。藉由該機器人手臂末端搭載的L型可旋轉工具，來夾持雷射切割頭進行管件馬鞍型(saddle shape)孔或端面 的切割，能使馬鞍型接頭的管件銲接前之組合間隙達到最小，提升銲接品質及增加銲道強度。而該習知技術1的缺點在於切割前必須選擇切割管件的幾何形狀及輸入幾何形狀各項參數(如長度、厚度等)，也必須依選擇切割管件幾何形狀不同於機器人手臂末端搭載不同的外部旋轉工具，且對於管件端部只能進行馬鞍型切割，選擇性不足。

習知技術2如美國第US 6,649,862號的「Machine For Cutting pipes with Different Cross-sections and Diameters by means of a laser Beam」專利案，該習知技術2在於夾持雷射切割頭上的多個可擺動的旋轉臂，使管件切割時不需旋轉管件，即可進行雷射切割，對於連續式管件切割方式具有極佳的切割效率。但其只能針對管件前後端管徑一致管件進行切割，對於前後端異徑管件或異厚管件及彎曲率較大的管件不適用，且雷射軌跡路徑無法進行模擬。

習知技術3如中國第CN 100574961C號的「方形管的激光切割方法」專利案，該習知技術3在於發明公開了方形管的雷射(激光)切割方法，該方型管包括平面和轉角兩部分，該方法的切割頭按預定軌跡對方形管的平面部分進行切割，切割頭與方型管在切割方向上的相對速度為V1，轉動所述方型管，切割頭跟隨移動，切割頭與方型管在切割方向上的相對速度為V2，且V2小於V1，藉以提高切割質量。唯，該習知技術3特指方型管，無法選擇切割異形管件的幾何形狀，且對於前後端異徑管件或彎曲率較大的管件亦不適用。

顯然，前述各習知技術無法解決現有異型管件在自動銲接之前的3D切割作業問題，造成異型管件的銲接精密度無法確保，實有必要加 以改進。

本發明的主要目的在於提供一種異型管件銲接前工程之3D切割處理方法及其裝置，其可針對各種異型管件進行3D雷射切割，尤其針對異型管件前後端管徑差異大、厚度差異大、管徑彎曲曲率度大進行切割，為其它習用技術無法達成者。

本發明的另一目的在於提供一種異型管件銲接前工程之3D切割處理方法及其裝置，藉由其異型管件快速夾持治具的設計，可避免切割模治具製作成本問題，大幅降低切割管件的費用與成本。

本發明的再一目的在於提供一種異型管件銲接前工程之3D切割處理方法及其裝置，其藉由機器人模擬軟體的整合，搭配異型管件快速夾持治具，將異型管件CAD圖形輸入3D機器人模擬軟體，先模擬機器人雷射切割軌跡，以瞭解雷射切割軌跡是否符合異型管件端面形狀，減少測試失敗時間與費用。

為達上述目的，本發明提供的一種異型管件銲接前工程之3D切割處理裝置，包括有機器人(Robot)系統，用來對一異型管件進行切割，一異型管件快速夾持治具，其使用金屬簧片夾持固定該異型管件，以及一機器人模擬軟體，用來輸入該異型管件的CAD圖以建立切割軌跡路徑，並與該異型管件進行切割軌跡路徑校正，提供正確的切割軌跡路徑給該機器人系統進行切割。

為達上述目的，本發明提供一種異型管件銲接前工程之3D 切割處理方法，首先需將一機器人系統與一轉盤連線產生互動，該轉盤設置有異型管件快速夾持治具，異型管件快速夾持治具以金屬簧片夾持固定一異型管件之夾持端，接著將該異型管件的CAD圖輸入到一機器人模擬軟體中，由該機器人模擬軟體模擬切割路徑及教導程式編輯，經比對該機器人模擬軟體所模擬出的切割軌跡與該機器人系統被教導後所得的切割軌跡，必要時進行該教導程式修正後，即可進行該異型管件3D軌跡切割。

該金屬簧片採取與所夾持的該異型管件之一夾持端的斷面輪廓一致，且該金屬簧片以卡掣部扣緊在一固定件上，使該異型管件端面均能靠緊相同位置而達到快速夾持定位。

該異型管件快速夾持治具具有一尖端定位點，供機器人模擬軟體進行機器人系統與異型管件快速夾持治具之相對位置之辨識，使各式異型管件夾持定位後均能藉由機器人模擬軟體快速模擬機器人系統之切割軌跡路徑，使能正確地導入機器人系統之3D軌跡移動上。

1‧‧‧機器人系統

11‧‧‧雷射切割頭

2‧‧‧異型管件快速夾持治具

21‧‧‧金屬簧片

211‧‧‧卡掣部

22‧‧‧固定件

221‧‧‧凹槽

3‧‧‧轉盤

4‧‧‧機器人模擬軟體

5‧‧‧異型管件

A‧‧‧定位點

第1圖為本發明的系統架構示意圖；第2圖為本發明的工作流程圖；第3圖為本發明的異型管件快速夾持治具結構立體圖；第4圖為該異型管件快速夾持治具結構的平面圖；以及第5圖為該金屬簧片的形狀變化例圖。

為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合圖式對本發明作進一步地詳細描述。

如第1圖所示，本發明所提供之一種異型管件5銲接前工程之3D切割處理裝置，其包含：一機器人(Robot)系統1，其具有一雷射切割頭11，用來對一異型管件5進行切割；一異型管件快速夾持治具2，其包含一金屬簧片21和一固定件22，固定件22鎖固於後述一轉盤3，金屬簧片21之兩端設置於該固定件22，用以夾持固定該異型管件5，於一實施例中，該固定件22係呈環狀結構；一轉盤3，用來固定該異型管件快速夾持治具2，讓該機器人系統l得對於該異型管件5進行切割；以及一機器人模擬軟體4，用來輸入該異型管件5的CAD圖以建立切割軌跡路徑，並與該異型管件5進行切割軌跡路徑校正，提供正確的切割軌跡路徑給該機器人系統1進行切割。

該機器人系統1搭載該雷射切割頭11成為3D雷射切割裝置，該機器人系統1具有六軸的運動方向，該轉盤3則具有旋轉的第七軸運動方向，藉由六軸該機器人系統1與第七軸該轉盤3搭載該異型管件快速夾持治具2，將該異型管件5裝置於該異型管件快速夾持治具2，再將該異型管件5的3D圖形匯入該機器人模擬軟體4，藉由該機器人模擬軟體4進行切割軌跡路徑規劃，並模擬對該異型管件5進行雷射切割之軌跡，其所形成的端面形狀即可確保異型管件5的銲接精密度。經切割後之該異型管件5可於同樣的轉盤3上進行3D自動銲接，因此可以減少工時及成本，該3D自動銲接並非本案所主張的範圍，在此不予贅述。

請參閱第2圖所示為本發明一種異型管件銲接前工程之3D 切割處理方法之流程圖，其步驟包括：步驟1. 將一機器人系統1與一轉盤3連線產生互動；步驟2.將異型管件5固設於該轉盤3的快速夾持治具2上，依需求選擇不同形狀的該金屬簧片21來夾持固定該異型管件5；步驟3. 將該異型管件5的3D CAD圖輸入到該機器人模擬軟體4中，進行模擬3D切割路徑及教導程式編輯；以及步驟4. 比對該機器人模擬軟體4所模擬出的切割軌跡與該機器人系統1被教導後所得的切割軌跡，必要時進行該教導程式修正。

該機器人系統1適於配置一雷射切割頭11，該雷射切割頭11可採用Nd-YAG雷射、光纖雷射等，較佳地，該機器人系統1係為一六軸機器人系統，該雷射切割頭11藉由該機器人系統1上六軸連動與該轉盤3第七軸連線同動，可使該異型管件5在任何形狀下、角度下均能得到良好的切割條件。

針對管厚≧10mm的厚管進行切割時，其切割方式可為多道雷射切割。於另一實施例中，其切割方式可為複合式切割，如：第一道採電漿切割或水刀切割，第二道再採雷射切割以形成精密3D切割斷面。

請參閱第3圖~第5圖所示，該金屬簧片21得視所夾持的該異型管件5之夾持端的斷面輪廓而選擇，且該金屬簧片21之二端係形成卡掣部211，用以扣緊在該固定件22上，於一實施例中，該等卡掣部211為二彎折部，該固定件22具有二凹槽221，於夾持該異型管件5時，二凹槽221供該金屬簧片21之兩端容置，而使該等彎折部抵扣於該固定件22之凹槽221側壁上(參考第4圖)，如此能使該異型管件5端面均能靠緊相同位置而達到快速夾 持定位，可避免傳統機械治具夾持造成薄管變形等問題。於另一實施例中，該等卡掣部211為二彎鉤部(參考第5圖)，該固定件22具有二凸銷(未繪示)，於夾持該異型管件5時，該二彎鉤部係勾設該二凸銷，同樣能達到夾持該異型管件5之功效。

請參閱第3圖，該異型管件快速夾持治具2另具有一定位點A，供機器人模擬軟體4進行機器人系統1與異型管件快速夾持治具2之相對位置之辨識，使各式異型管件5夾持定位後均能藉由機器人模擬軟體4快速模擬機器人系統1之切割軌跡路徑，大幅節省機器人系統1路徑規劃與模擬的時間。於一實施例中，該定位點A係設置於該固定件22上，較佳地，該定位點A係設置於該固定件22之一突出的尖點上。

藉由前述之成形方法可應用於下列管件產品，如汽車避震器管件、自行車車架、醫療器材結構件(輪椅、病床等)、運動器材結構件(跑步機等)、建築裝潢結構件等。

而該異型管件5的金屬管件材質包括鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、鈦及鈦合金、不銹鋼及高張力鋼管等金屬材料。

藉由前述說明的本專利異型管件銲接前工程之3D切割處理方法，相較於習用技術，更具有下列優點：

1. 本發明可針對各種異型管件進行3D雷射切割，尤其針對異型管件前後端管徑差異大、厚度差異大、管徑彎曲曲率度大進行切割，為習用技術皆無法達成，而為本發明最大的特色。

2. 本發明可針對少量多樣的異型管件進行端面切割，減少傳統切割治具的製作過程，本發明因無切割治具製作成本問題，可大大地降低切割管 件的費用與成本。

3.本發明更可以藉由機器人模擬軟體的整合，搭配異型管件快速夾持治具，將異型管件CAD圖形輸入3D機器人模擬軟體，先模擬機器人雷射切割軌跡，以瞭解雷射切割軌跡是否符合異型管件端面形狀，具減少測試失敗時間與費用之優點。

4.本發明之異型管件快速夾持治具具有一定位點，作為機器人模擬軟體校正機器人與異型管件快速夾持治具之相對位置定位點，使各式異型管件夾持定位後均能藉由機器人模擬軟體快速模擬機器人之軌跡路徑，大幅節省機器人路徑規劃與模擬的時間。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

1‧‧‧機器人系統

11‧‧‧雷射切割頭

2‧‧‧異型管件快速夾持治具

21‧‧‧金屬簧片

22‧‧‧固定件

3‧‧‧轉盤

4‧‧‧機器人模擬軟體

5‧‧‧異型管件

Claims (10)

1. 一種異型管件銲接前工程之3D切割處理方法，其包含：a.將一機器人系統與一轉盤連線產生互動；b.該轉盤設置有異型管件快速夾持治具，該異型管件快速夾持治具以金屬簧片夾持固定一異型管件之夾持端；c.將該異型管件的CAD圖輸入到一機器人模擬軟體中，進行模擬切割路徑及教導程式編輯；以及d.比對該機器人模擬軟體所模擬出的切割軌跡與該機器人系統被教導後所得的切割軌跡，必要時進行該教導程式修正。
2. 如請求項1所述之一種異型管件銲接前工程之3D切割處理方法，其中該金屬簧片是依該異型管件之夾持端的斷面輪廓加以選擇，將該金屬簧片之兩端係形成卡掣部，用以扣緊在該異型管件快速夾持治具之一固定件上。
3. 如請求項1所述之一種異型管件銲接前工程之3D切割處理方法，其中該異型管件之切割方式為雷射切割。
4. 如請求項1所述之一種異型管件銲接前工程之3D切割處理方法，其中該異型管件之切割方式為複合式切割，其第一道採電漿切割或水刀切割，第二道再採雷射切割以形成精密3D切割斷面。
5. 一種異型管件銲接前工程之3D切割處理裝置，其包含：一機器人系統，用來對一異型管件進行切割；一異型管件快速夾持治具，其使用一金屬簧片夾持固定該異型管件；一轉盤，用來固定與轉動該異型管件快速夾持治具，讓該機器人系統得 對於該異型管件進行切割；以及一機器人模擬軟體，用來輸入該異型管件的CAD圖以建立切割軌跡路徑，並進行切割軌跡路徑校正，提供正確的切割軌跡路徑給該機器人系統進行切割。
6. 如請求項5所述之一種異型管件銲接前工程之3D切割處理裝置，其中該金屬簧片是依該異型管件夾持端之斷面輪廓成形。
7. 如請求項5所述之一種異型管件銲接前工程之3D切割處理裝置，其中該異型管件快速夾持治具另包含：一固定件，其鎖固於該轉盤，並供該金屬簧片之兩端設置。
8. 如請求項7所述之一種異型管件銲接前工程之3D切割處理裝置，其中該金屬簧片二端之卡掣部係為彎折部，該固定件具有二凹槽，於夾持該異型管件時，該二凹槽供該金屬簧片之兩端容置，而使該等彎折部抵扣於該固定件之凹槽側壁上。
9. 如請求項7所述之一種異型管件銲接前工程之3D切割處理裝置，其中該異型管件快速夾持治具另具有一定位點，供機器人模擬軟體進行機器人系統與異型管件快速夾持治具之相對位置之辨識。
10. 如請求項9所述之一種異型管件銲接前工程之3D切割處理裝置，其中該定位點係設置於該固定件之一突出的尖點上。