高功率激光切割機(jī)厚板側(cè)邊懸空切割功能設(shè)計(jì)

樊 軍，劉 柳，王 銳，倪振興，賈明明，趙 洋

（江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

厚板側(cè)邊懸空切割主要用于板材邊緣的I 形坡口、V 形（帶鈍邊）坡口、X 形（帶鈍邊）坡口、單邊V形（帶鈍邊）坡口和K 形（帶鈍邊）坡口切割[1]。本文介紹了一種厚板側(cè)邊懸空切割的程序設(shè)計(jì)流程，使用隨控一體功能，實(shí)現(xiàn)板材尋邊定位、擺動(dòng)切割頭定位、隨動(dòng)切割等功能。

1 硬件介紹

本文使用一種激光切割機(jī)專用自帶防撞坡口切割擺動(dòng)裝置，來實(shí)現(xiàn)激光光束的角度變化，從而實(shí)現(xiàn)斜面切割。坡口擺動(dòng)裝置由A 旋轉(zhuǎn)軸、B 旋轉(zhuǎn)軸和磁吸防撞部分組成[2]。擺動(dòng)切割頭如圖1 所示。

圖1 擺動(dòng)切割頭示意圖

切割頭安裝在磁吸防撞過渡板上，磁吸裝置安裝在B 旋轉(zhuǎn)軸上，B 旋轉(zhuǎn)軸基座安裝于A 旋轉(zhuǎn)軸上，通過A/B 軸與激光切割機(jī)本身三軸插補(bǔ)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)切割頭傾斜擺動(dòng)，從而切割出所需的坡口，坡口旋轉(zhuǎn)角度范圍不小于45°；磁吸防撞部分包括底板、防撞過渡板、多組圓柱磁鐵、球頭銷、圓柱銷、彈簧、位移傳感器，底板與防撞過渡板之前沒有硬連接，而是通過磁力作用吸附在一起。在裝配時(shí)，使用圓柱銷進(jìn)行定位，然后安裝多組磁鐵與3 組球頭銷，再安裝好底板上方的彈簧保護(hù)裝置，彈簧上端與底板連接，下端與過渡板連接，防止發(fā)生撞擊后過渡板直接掉落。之后再安裝好位移傳感器，最后拔掉定位用的圓柱銷，此狀態(tài)下，一旦發(fā)生撞擊，過渡板和底板之間會(huì)迅速發(fā)生相對(duì)位移，從而將切割頭本體受到的沖擊力降至最小，同時(shí)傳感器會(huì)第一時(shí)間檢測(cè)出位移并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而觸發(fā)停機(jī)，之后只需通過圓柱銷定位，重新調(diào)整過過渡板位置即可，可以實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)[3]。安裝示意圖如圖2 所示。

圖2 擺動(dòng)裝置安裝示意圖

2 程序設(shè)計(jì)介紹

本文以K 型坡口為案列，介紹一種凌空切割程序設(shè)計(jì)。K 型坡口如圖3 所示。

圖3 K 型坡口示意圖

切割K 型坡口存在兩種方式：第1 種方式為Z軸隨動(dòng)切割方式，第2 種方式為懸空切割方式。采用第一種方式切割，實(shí)際切割板厚更厚，需要功率更高的激光發(fā)生器，同時(shí)浪費(fèi)了兩次切割的公共區(qū)域板材[4]。第2 種方式為直接對(duì)側(cè)邊進(jìn)行懸空切割，需要使用z 軸、Y 軸已經(jīng)X 軸分別隨動(dòng)，當(dāng)切割下表面或者上表面時(shí)，分別使用Y 軸或者X 隨動(dòng)。動(dòng)作流程圖如圖4 所示。

圖4 K 型坡口懸空切割流程圖

2.1 尋邊定位程序設(shè)計(jì)

該懸空切割針對(duì)大幅面厚板加工開發(fā)，由于板材重量大起吊放置在激光加工工作臺(tái)上，無法進(jìn)行精準(zhǔn)的擺放。為了保證高精度加工及減少切割頭碰撞風(fēng)險(xiǎn)，必須需要進(jìn)行厚板的測(cè)量及定位。采用四點(diǎn)快速粗尋校正板材的長(zhǎng)寬高，獲取板材的基本信息與加工程序中的信息比較，比較通過后繼續(xù)進(jìn)行下一步動(dòng)作。然后采用多點(diǎn)精確尋邊，結(jié)合補(bǔ)償算法，獲取側(cè)面及表面加工所需的點(diǎn)位信息，以便擺頭在板材表面及側(cè)面進(jìn)行精準(zhǔn)定位。實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，板材四個(gè)側(cè)邊都有進(jìn)行懸空切割的可能，需要使用四個(gè)單獨(dú)的控制程序分別進(jìn)行四邊的校正及邊緣點(diǎn)位信息獲取，尋邊流程與上述距離類似。尋邊功能示意圖如圖5 所示。

圖5 尋邊功能示意圖

2.2 擺動(dòng)裝置定位程序設(shè)計(jì)

尋邊完成后，需要將切割頭旋轉(zhuǎn)定位到切割位置。切割K 型坡口，需要切割兩刀，第一刀為下表面，第二刀為上表面。第一刀需要切割頭下探到板材側(cè)面，為防止切割頭碰撞到板材，在開啟擺動(dòng)裝置旋轉(zhuǎn)前，增加偏置，水平移動(dòng)切割頭，然后開啟切割頭RTCP 功能，旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)裝置，使切割頭旋轉(zhuǎn)至切割設(shè)定角度。根據(jù)精尋邊采集Z 軸坐標(biāo)，Z 軸下降，使切割頭下探到設(shè)定切割距離。第二刀切割板材上表面，由于切割頭在板材上方，無碰撞風(fēng)險(xiǎn)，此處可不加偏置。首先定位到板材上表面，定位到設(shè)定切割距離，開啟RTCP 功能，旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)裝置，定位完成，擺動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)示意圖如圖6 所示。

圖6 擺動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)示意圖

2.3 切割程序設(shè)計(jì)

擺動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)完成后，需要將切割頭隨動(dòng)到板材表面，分為兩種情況。第一種切割側(cè)表面，首先需要切換隨動(dòng)軸，在切割側(cè)面時(shí)需要設(shè)定Y 軸或者X軸為隨動(dòng)軸。

以Y 軸為隨動(dòng)軸為例：首先需要開隨動(dòng)，隨動(dòng)功能可以實(shí)時(shí)調(diào)整割嘴與板材之間的距離，當(dāng)切割頭移動(dòng)至側(cè)面，開啟探針功能向沿著X-向外快速移出側(cè)面（步驟1），探針功能可以實(shí)時(shí)檢測(cè)記錄側(cè)面邊緣位置，當(dāng)觸發(fā)探針功能后，快速關(guān)閉隨動(dòng)防止切割頭碰撞；然后開啟激光后切割頭反向運(yùn)動(dòng)，沿著X+方向進(jìn)行側(cè)邊切割（步驟2-3-4），此時(shí)當(dāng)切割頭感應(yīng)到板材時(shí)需要再次快速開啟隨動(dòng)，以隨動(dòng)方式完成整個(gè)板材側(cè)面的切割；最后，在切割至板材邊緣快結(jié)束的位置時(shí)（步驟5），需要關(guān)閉隨動(dòng)，防止切割頭感應(yīng)不到板材導(dǎo)致碰撞損壞。動(dòng)作流程如圖7 所示。

圖7 側(cè)面切割示意圖

2.4 切割完成后程序設(shè)計(jì)

切割完成后由于擺動(dòng)裝置不處于水平垂直狀態(tài)，需要將擺動(dòng)裝置角度歸零。分為兩種情況，在切割側(cè)表面時(shí)，切割頭存在與板材碰撞風(fēng)險(xiǎn)，首先將切割頭往切割方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，然后將Z 軸運(yùn)動(dòng)到初始位置，然后將擺動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)到初始狀態(tài)。第二種當(dāng)切割上表面時(shí)，切割頭本身已經(jīng)在板材上方，無碰撞風(fēng)險(xiǎn)，所以直接將Z 軸運(yùn)動(dòng)到初始位置，然后再將擺動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)到初始位置。

3 方案論證

設(shè)計(jì)完成后，還需要經(jīng)過實(shí)際測(cè)試來驗(yàn)證測(cè)試方案是否切實(shí)可行。使用500mm×300mm，厚度50mm 碳鋼板。設(shè)置切割距離15mm，再機(jī)床進(jìn)行實(shí)際切割測(cè)試，切割效果如圖8 所示。

圖8 厚板側(cè)邊懸空切割實(shí)際效果

4 結(jié)語

在鈑金加工領(lǐng)域，智能化、無人化設(shè)備正在飛速發(fā)展。本文設(shè)計(jì)了一種激光懸空切割的控制程序，并且在實(shí)際測(cè)試中取得了較好的效果。在客戶終端實(shí)際應(yīng)用過程中表明，該控制程序能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，可有效降低客戶用人成本、生產(chǎn)成本，有效提高生產(chǎn)效率。