專利名稱：一種大幅面板材的激光測(cè)量畫線切割方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及板材加工方法，具體地說是一種大幅面板材的激光測(cè)量畫線切割方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代制造業(yè)如航空、船舶、汽車、核電等領(lǐng)域都在追求新型結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)， 新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了越來越多的大尺寸結(jié)構(gòu)件。而隨著結(jié)構(gòu)件尺寸的不斷增大以及曲面復(fù)雜程度增加，這就要求在進(jìn)行板材下料時(shí)要事先在板材表面進(jìn)行畫線，以保證板材下料尺寸的精度。目前，板材下料主要采用人工畫線的方式，人工畫線不僅生產(chǎn)效率低，而且畫線精度及清晰度難以保證，特別對(duì)于大幅面的三維切割加工，人工畫線方式很難完成；而采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行畫線加工成本又太高。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決人工畫線精度差、效率低的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種大幅面板材的激光測(cè)量畫線切割方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的方法為將待切割工件吊裝到工作臺(tái)上，利用安裝在五軸龍門式測(cè)量畫線切割機(jī)上的照相機(jī)對(duì)工件進(jìn)行掃描得出工件表面特征的坐標(biāo)，利用控制軟件進(jìn)行差補(bǔ)擬合，得出工件的外形輪廓，用外形輪廓與理想模型進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，自動(dòng)生成畫線軌跡，并將畫線軌跡傳送給五軸龍門式測(cè)量畫線切割機(jī)，開始激光畫線，并將激光畫線的路徑坐標(biāo)傳送給切割機(jī)，待激光畫線結(jié)束后，切割機(jī)按照激光畫線軌跡進(jìn)行切割。具體步驟為A.將待切割工件吊裝到工作臺(tái)上，利用安裝在五軸龍門式測(cè)量畫線切割機(jī)上的照相機(jī)對(duì)工件表面進(jìn)行掃描，得出一系列的工件表面特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，照相機(jī)隨五軸龍門式測(cè)量畫線切割機(jī)具有X向、Y向及Z向三個(gè)移動(dòng)自由度；B.將得到的特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)利用MATLAB軟件編寫的M文件進(jìn)行差補(bǔ)運(yùn)算擬合出工件外形輪廓，對(duì)擬合出的外形輪廓與理論模型進(jìn)行比較；C.通過待切割工件在工作臺(tái)上基準(zhǔn)點(diǎn)的位置確定機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的變換關(guān)系，規(guī)劃采集路徑，自動(dòng)采集工件表面數(shù)據(jù)特征，形成工件數(shù)據(jù)模型，與理想模型進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，搜索最優(yōu)畫線位置，自動(dòng)生成畫線軌跡；D.開始激光畫線，并將激光畫線的路徑坐標(biāo)傳送給切割機(jī)，待激光畫線結(jié)束后，切割機(jī)按照激光畫線軌跡進(jìn)行切割。其中所述五軸龍門式測(cè)量畫線切割機(jī)具有X向移動(dòng)單元、Y向移動(dòng)單元、Z向移動(dòng)單元及移動(dòng)換位單元，其中χ向移動(dòng)單元具有X向移動(dòng)自由度，Y向移動(dòng)單元安裝在X向移動(dòng)單元上、具有X向和Y向兩個(gè)移動(dòng)自由度，Z向移動(dòng)單元安裝在Y向移動(dòng)單元上、具有X 向、Y向和Z向三個(gè)移動(dòng)自由度；移動(dòng)換位單元安裝在Z向移動(dòng)單元上，具有X向、Y向和Z向三個(gè)移動(dòng)自由度及繞X向和Y向旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；龍門式測(cè)量畫線切割機(jī)采用高架導(dǎo)軌和移動(dòng)橫梁的方式，橫梁橫跨于工作臺(tái)上，由立柱支撐；每個(gè)移動(dòng)單元均采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪與齒條的嚙合實(shí)現(xiàn)移動(dòng)；移動(dòng)換位單元還具有H向的移動(dòng)自由度，該H向與X向方向相同；X向與Y向在水平方向上互相垂直，Z向鉛垂向上。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果為1.本發(fā)明的方法可實(shí)現(xiàn)立體加工，自動(dòng)采集立體表面數(shù)據(jù)特征，自動(dòng)形成加工路徑。2.本發(fā)明為非接觸測(cè)量，測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、速度快、一致性好。3.根據(jù)采集的數(shù)據(jù)特征自動(dòng)搜索最優(yōu)下料畫線位置，使畫線產(chǎn)品更接近理想曲面。4.系統(tǒng)功能擴(kuò)展?jié)摿Υ?，加工產(chǎn)品多樣。5.激光畫線屬于非接觸式畫線方式，畫線速度快，線條清晰，精度高，不易磨損。


圖1為本發(fā)明方法所使用的測(cè)量畫線切割機(jī)的結(jié)構(gòu)主視圖；圖2為圖1的左視圖；圖3為圖1的俯視圖；圖4為圖1中移動(dòng)換位單元的結(jié)構(gòu)主視圖；圖5為圖4的左視圖；其中1為機(jī)座，2為操作臺(tái)，3為X向移動(dòng)單元，301為X向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，302為X向齒輪，303為X向齒條，304為立柱，305為橫梁，306為X向拖鏈，307為X向?qū)к墸?為Y向移動(dòng)單元，401為Y向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，402為Y向?qū)к墸?03為Y向安裝板，404 為Y向齒條，405為Y向拖鏈；5為Z向移動(dòng)單元，501為Z向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，502為Z向齒條，503為Z向安裝板，504 為Z向拖鏈；6為移動(dòng)換位單元，601為測(cè)量頭，602為激光畫線頭，603為火焰切割頭，604為底座，605為無桿氣缸，606為滑塊，607為α軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)，608為β軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)，609為安裝座；7為工作臺(tái)，8為工件。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。本發(fā)明激光測(cè)量畫線切割方法的具體步驟為Α.將待切割工件吊裝到工作臺(tái)上，利用安裝在五軸龍門式測(cè)量畫線切割機(jī)上的照相機(jī)對(duì)工件表面進(jìn)行掃描，得出一系列的工件表面特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，照相機(jī)隨五軸龍門式測(cè)量畫線切割機(jī)具有X向、Y向及Z向三個(gè)移動(dòng)自由度；B.將得到的特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)利用MATLAB軟件編寫的M文件進(jìn)行差補(bǔ)運(yùn)算擬合出工件外形輪廓，對(duì)擬合出的外形輪廓與理論模型進(jìn)行比較；CN 102528208 A
C.通過待切割工件在工作臺(tái)上基準(zhǔn)點(diǎn)的位置確定機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的變換關(guān)系，規(guī)劃采集路徑，自動(dòng)采集工件表面數(shù)據(jù)特征，形成工件數(shù)據(jù)模型，與理想模型進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，搜索最優(yōu)畫線位置，自動(dòng)生成畫線軌跡；D.開始激光畫線，并將激光畫線的路徑坐標(biāo)傳送給切割機(jī)，待激光畫線結(jié)束后，切割機(jī)按照激光畫線軌跡進(jìn)行切割。如圖1 3所示，本發(fā)明所使用的五軸龍門式測(cè)量畫線切割機(jī)包括機(jī)座1、X向移動(dòng)單元3、Y向移動(dòng)單元4、Ζ向移動(dòng)單元5及移動(dòng)換位單元6，X向移動(dòng)單元3可沿X向往復(fù)移動(dòng)，Y向移動(dòng)單元4安裝在X向移動(dòng)單元3上、具有X向和Y向兩個(gè)移動(dòng)自由度，即可沿Y 向往復(fù)移動(dòng)，還可隨X向移動(dòng)單元沿X向往復(fù)移動(dòng)；Z向移動(dòng)單元5安裝在Y向移動(dòng)單元4 上，具有X向、Y向和Z向三個(gè)移動(dòng)自由度，即Z向移動(dòng)單元5可沿Z向往復(fù)移動(dòng)，可隨Y向移動(dòng)單元4沿Y向往復(fù)移動(dòng)，還可隨X向移動(dòng)單元沿X向往復(fù)移動(dòng)。移動(dòng)換位單元6安裝在Z向移動(dòng)單元5上，具有Z向移動(dòng)單元5的X向、Y向和Z向三個(gè)移動(dòng)自由度及具有繞X 向和Y向旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，S卩α軸和β軸，還具有沿H向往復(fù)移動(dòng)的移動(dòng)自由度。 X向與Y向在水平方向上互相垂直，Z向鉛垂向上，α軸為繞Y向旋轉(zhuǎn)的自由度，β軸為繞 X向旋轉(zhuǎn)的自由度、且與α軸垂直，H向與X向方向相同。X向移動(dòng)單元3包括X向驅(qū)動(dòng)電機(jī)301、X向齒輪302、X向齒條303、立柱304、橫梁305、Χ向拖鏈306及X向?qū)к?07，機(jī)座1位于工作臺(tái)7長(zhǎng)度方向的兩側(cè)，被畫線切割的工件8旋轉(zhuǎn)在工作臺(tái)7上；在機(jī)座1上固定有X向?qū)к?07，X向?qū)к?07的內(nèi)側(cè)設(shè)有固定在機(jī)座1上的X向齒條303，X向齒條303與X向?qū)к?07平行；兩個(gè)立柱304及固接在兩個(gè)立柱頂端的橫梁305組成了切割機(jī)的支撐部分，兩個(gè)立柱304的底端分別通過滑塊與X 向?qū)к?07相連；X向驅(qū)動(dòng)電機(jī)301固定在立柱304上，X向驅(qū)動(dòng)電機(jī)301的輸出軸上鍵連接有X向齒輪302，X向齒輪302與X向齒條303相嚙合；X向拖鏈306的一端安裝在機(jī)座 1上，另一端與立柱304相連，X向驅(qū)動(dòng)電機(jī)301與安裝在立柱304上的操作臺(tái)2電連接，X 向拖鏈306可用于走線。X向驅(qū)動(dòng)電機(jī)301驅(qū)動(dòng)X向齒輪302轉(zhuǎn)動(dòng)，通過X向齒輪302與X 向齒條303的嚙合，使X向移動(dòng)單元3及其上的Y向移動(dòng)單元4、Z向移動(dòng)單元5和移動(dòng)換位單元6沿X向?qū)к?07往復(fù)移動(dòng)。Y向移動(dòng)單元4包括Y向驅(qū)動(dòng)電機(jī)401、Y向?qū)к?02、Y向安裝板403、Y向齒條 404及Y向拖鏈405，其中Y向?qū)к?02為兩根，上下平行地固定在橫梁305上，在兩根Y向?qū)к?02之間固接有Y向齒條404，Y向齒條404與Y向?qū)к?02平行，Y向安裝板403通過滑塊與Y向?qū)к?02相連，在Y向安裝板403上設(shè)有Y向驅(qū)動(dòng)電機(jī)401，Y向驅(qū)動(dòng)電機(jī)401 的輸出軸由Y向安裝板403穿過、鍵連接有Y向齒輪，Y向齒輪與Y向齒條404相嚙合；Y向拖鏈405的一端安裝在橫梁305上，另一端與Y向安裝板403相連，Y向驅(qū)動(dòng)電機(jī)401與安裝在立柱304上的操作臺(tái)2電連接，Y向拖鏈405可用于走線。Y向驅(qū)動(dòng)電機(jī)401驅(qū)動(dòng)Y向齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過Y向齒輪與Y向齒條404的嚙合，使Y向移動(dòng)單元4及其上的Z向移動(dòng)單元 5和移動(dòng)換位單元6沿Y向?qū)к?02往復(fù)移動(dòng)。Z向移動(dòng)單元5包括Z向驅(qū)動(dòng)電機(jī)501、Ζ向齒條502、Ζ向安裝板503及Z向拖鏈 504，其中Z向驅(qū)動(dòng)電機(jī)501固定在Y向安裝板403上，該Y向安裝板403上還固接有Z向?qū)к?，Z向安裝板503通過滑塊與Z向?qū)к壪噙B；Z向齒條502設(shè)置在Z向安裝板503上、與Z 向?qū)к壠叫?，Z向驅(qū)動(dòng)電機(jī)501輸出軸上鍵連接有Z向齒輪，Z向齒輪與Z向齒條502相嚙合；Z向拖鏈504的一端與橫梁305相連，另一端接至Z向安裝板503，Z向驅(qū)動(dòng)電機(jī)501與安裝在X向移動(dòng)單元3上的操作臺(tái)2電連接，Z向拖鏈504可用于走線。Z向驅(qū)動(dòng)電機(jī)501 驅(qū)動(dòng)Z向齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過Z向齒輪與Z向齒條502的嚙合，使Z向移動(dòng)單元5和移動(dòng)換位單元6沿Z向?qū)к壨鶑?fù)移動(dòng)。如圖4、圖5所示，移動(dòng)換位單元6包括測(cè)量頭601、激光畫線頭602、火焰切割頭 603、底座604、無桿氣缸605、滑塊606、α軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)607、β軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)608及安裝座609， 其中α軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)607固定在Z向安裝板503上，安裝座609與α軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)607的輸出軸相連，β軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)608固定在安裝座609上，β軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)608的輸出軸上連接有底座604，底座604上加設(shè)有無桿氣缸605，在無桿氣缸605上設(shè)有沿H向往復(fù)移動(dòng)的滑塊 606，測(cè)量頭601、激光畫線頭602及火焰切割頭603分別固接在該滑塊606上、與滑塊606 連動(dòng)。α軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)607和β軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)608分別工作，可以使移動(dòng)換位單元6分別繞X 向和Y向旋轉(zhuǎn)；通過無桿氣缸605可以實(shí)現(xiàn)滑塊606帶動(dòng)測(cè)量頭601、激光畫線頭602及火焰切割頭603沿H向往復(fù)移動(dòng)。通過X向、Y向的移動(dòng)能夠覆蓋工件8的水平范圍，通過Z向的移動(dòng)能夠適應(yīng)工件 8高度方向的變化；通過α軸、β軸的旋轉(zhuǎn)能夠適應(yīng)工件8曲率方面的變化。將待切割工件吊裝到工作臺(tái)上，利用安裝在五軸龍門式測(cè)量畫線切割機(jī)上的照相機(jī)對(duì)工件表面進(jìn)行掃描，得出一系列的工件表面特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，照相機(jī)隨五軸龍門式測(cè)量畫線切割機(jī)具有X向、Y向及ζ向三個(gè)移動(dòng)自由度；將得到的特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)利用MATLAB 軟件編寫的M文件進(jìn)行差補(bǔ)運(yùn)算擬合出工件外形輪廓，對(duì)擬合出的外形輪廓與理論模型進(jìn)行比較；通過待切割工件在工作臺(tái)上基準(zhǔn)點(diǎn)的位置確定機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的變換關(guān)系，規(guī)劃采集路徑，自動(dòng)采集工件表面數(shù)據(jù)特征，測(cè)量頭601能夠檢測(cè)出工件8的高度，通過 X向、Y向的位移傳感器確定測(cè)量點(diǎn)的水平位置。通過測(cè)量能夠確定工件8是否滿足加工的要求，通過相臨測(cè)量點(diǎn)的比較能夠確定工件8的曲率。操作臺(tái)2根據(jù)測(cè)量結(jié)果控制規(guī)劃出最佳的畫線路徑，然后控制各驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過五軸(X向、Y向、Z向、α軸、β軸)連動(dòng)畫出工件的軌跡。最后啟動(dòng)移動(dòng)換位單元6，將火焰切割頭605通過無桿氣缸605沿H向移到激光畫線頭602原來的位置上，火焰切割頭605沿著畫線軌跡將廢料切除。本發(fā)明的測(cè)量頭601為市購(gòu)產(chǎn)品，購(gòu)置于KEYENCE公司，型號(hào)為L(zhǎng)K-G500;激光畫線頭602為市購(gòu)產(chǎn)品，購(gòu)置于IPG公司生產(chǎn)的激光畫線頭；火焰切割頭為市購(gòu)產(chǎn)品， 購(gòu)置于IPG公司，型號(hào)為YLP-50 ；無桿氣缸605為市購(gòu)產(chǎn)品，購(gòu)置于FESTO公司，型號(hào)為 DGC-18-100。
權(quán)利要求
1.一種大幅面板材的激光測(cè)量畫線切割方法，其特征在于將待切割工件吊裝到工作臺(tái)上，利用安裝在五軸龍門式測(cè)量畫線切割機(jī)上的照相機(jī)對(duì)工件進(jìn)行掃描得出工件表面特征的坐標(biāo)，利用控制軟件進(jìn)行差補(bǔ)擬合，得出工件的外形輪廓，用外形輪廓與理想模型進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，自動(dòng)生成畫線軌跡，并將畫線軌跡傳送給五軸龍門式測(cè)量畫線切割機(jī)，開始激光畫線，并將激光畫線的路徑坐標(biāo)傳送給切割機(jī)，待激光畫線結(jié)束后，切割機(jī)按照激光畫線軌跡進(jìn)行切割。
2.按權(quán)利要求1所述大幅面板材的激光測(cè)量畫線切割方法，其特征在于具體步驟為A.將待切割工件吊裝到工作臺(tái)上，利用安裝在五軸龍門式測(cè)量畫線切割機(jī)上的照相機(jī)對(duì)工件表面進(jìn)行掃描，得出一系列的工件表面特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，照相機(jī)隨五軸龍門式測(cè)量畫線切割機(jī)具有X向、Y向及Z向三個(gè)移動(dòng)自由度；B.將得到的特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)利用MATLAB軟件編寫的M文件進(jìn)行差補(bǔ)運(yùn)算擬合出工件外形輪廓，對(duì)擬合出的外形輪廓與理論模型進(jìn)行比較；C.通過待切割工件在工作臺(tái)上基準(zhǔn)點(diǎn)的位置確定機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的變換關(guān)系，規(guī)劃采集路徑，自動(dòng)采集工件表面數(shù)據(jù)特征，形成工件數(shù)據(jù)模型，與理想模型進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，搜索最優(yōu)畫線位置，自動(dòng)生成畫線軌跡；D.開始激光畫線，并將激光畫線的路徑坐標(biāo)傳送給切割機(jī)，待激光畫線結(jié)束后，切割機(jī)按照激光畫線軌跡進(jìn)行切割。
3.按權(quán)利要求1或2所述大幅面板材的激光測(cè)量畫線切割方法，其特征在于所述五軸龍門式測(cè)量畫線切割機(jī)具有X向移動(dòng)單元⑶、Y向移動(dòng)單元⑷、Z向移動(dòng)單元(5)及移動(dòng)換位單元(6)，其中X向移動(dòng)單元C3)具有X向移動(dòng)自由度，Y向移動(dòng)單元(4)安裝在 X向移動(dòng)單元(3)上、具有X向和Y向兩個(gè)移動(dòng)自由度，Z向移動(dòng)單元(5)安裝在Y向移動(dòng)單元(4)上、具有X向、Y向和Z向三個(gè)移動(dòng)自由度；移動(dòng)換位單元(6)安裝在Z向移動(dòng)單元(5)上，具有X向、Y向和Z向三個(gè)移動(dòng)自由度及繞X向和Y向旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。
4.按權(quán)利要求3所述大幅面板材的激光測(cè)量畫線切割方法，其特征在于所述龍門式測(cè)量畫線切割機(jī)采用高架導(dǎo)軌和移動(dòng)橫梁的方式，橫梁橫跨于工作臺(tái)上，由立柱支撐；每個(gè)移動(dòng)單元均采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪與齒條的嚙合實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。
5.按權(quán)利要求3所述大幅面板材的激光測(cè)量畫線切割方法，其特征在于所述移動(dòng)換位單元(6)還具有H向的移動(dòng)自由度，該H向與X向方向相同。
6.按權(quán)利要求3所述大幅面板材的激光測(cè)量畫線切割方法，其特征在于X向與Y向在水平方向上互相垂直，Z向鉛垂向上。
全文摘要
本發(fā)明涉及板材加工方法，具體地說是一種大幅面板材的激光測(cè)量畫線切割方法，將待切割工件吊裝到工作臺(tái)上，利用安裝在五軸龍門式測(cè)量畫線切割機(jī)上的照相機(jī)對(duì)工件進(jìn)行掃描得出工件表面特征的坐標(biāo)，利用控制軟件進(jìn)行差補(bǔ)擬合，得出工件的外形輪廓，用外形輪廓與理想模型進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，自動(dòng)生成畫線軌跡，并將畫線軌跡傳送給五軸龍門式測(cè)量畫線切割機(jī)，開始激光畫線，并將激光畫線的路徑坐標(biāo)傳送給切割機(jī)，待激光畫線結(jié)束后，切割機(jī)按照激光畫線軌跡進(jìn)行切割。本發(fā)明的方法可實(shí)現(xiàn)立體加工，自動(dòng)采集立體表面數(shù)據(jù)特征，自動(dòng)形成加工路徑，測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、速度快、一致性好，使畫線產(chǎn)品更接近理想曲面。
文檔編號(hào)B23K7/10GK102528208SQ201010589908
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者劉勇, 徐志剛, 昌成剛, 甘洪巖 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所