专利名称：一种大幅面板材的激光测量画线切割方法
技术领域：
本发明涉及板材加工方法，具体地说是一种大幅面板材的激光测量画线切割方法。
背景技术：
随着现代制造业如航空、船舶、汽车、核电等领域都在追求新型结构一体化设计， 新型结构设计中出现了越来越多的大尺寸结构件。而随着结构件尺寸的不断增大以及曲面复杂程度增加，这就要求在进行板材下料时要事先在板材表面进行画线，以保证板材下料尺寸的精度。目前，板材下料主要采用人工画线的方式，人工画线不仅生产效率低，而且画线精度及清晰度难以保证，特别对于大幅面的三维切割加工，人工画线方式很难完成；而采用数控机床进行画线加工成本又太高。
发明内容
为了解决人工画线精度差、效率低的问题，本发明的目的在于提供一种大幅面板材的激光测量画线切割方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的本发明的方法为将待切割工件吊装到工作台上，利用安装在五轴龙门式测量画线切割机上的照相机对工件进行扫描得出工件表面特征的坐标，利用控制软件进行差补拟合，得出工件的外形轮廓，用外形轮廓与理想模型进行数据对比，自动生成画线轨迹，并将画线轨迹传送给五轴龙门式测量画线切割机，开始激光画线，并将激光画线的路径坐标传送给切割机，待激光画线结束后，切割机按照激光画线轨迹进行切割。具体步骤为A.将待切割工件吊装到工作台上，利用安装在五轴龙门式测量画线切割机上的照相机对工件表面进行扫描，得出一系列的工件表面特征点坐标数据，照相机随五轴龙门式测量画线切割机具有X向、Y向及Z向三个移动自由度；B.将得到的特征点坐标数据利用MATLAB软件编写的M文件进行差补运算拟合出工件外形轮廓，对拟合出的外形轮廓与理论模型进行比较；C.通过待切割工件在工作台上基准点的位置确定机床坐标系与工件坐标系的变换关系，规划采集路径，自动采集工件表面数据特征，形成工件数据模型，与理想模型进行数据比较，搜索最优画线位置，自动生成画线轨迹；D.开始激光画线，并将激光画线的路径坐标传送给切割机，待激光画线结束后，切割机按照激光画线轨迹进行切割。其中所述五轴龙门式测量画线切割机具有X向移动单元、Y向移动单元、Z向移动单元及移动换位单元，其中χ向移动单元具有X向移动自由度，Y向移动单元安装在X向移动单元上、具有X向和Y向两个移动自由度，Z向移动单元安装在Y向移动单元上、具有X 向、Y向和Z向三个移动自由度；移动换位单元安装在Z向移动单元上，具有X向、Y向和Z向三个移动自由度及绕X向和Y向旋转的两个转动自由度；龙门式测量画线切割机采用高架导轨和移动横梁的方式，横梁横跨于工作台上，由立柱支撑；每个移动单元均采用驱动电机驱动齿轮旋转，通过齿轮与齿条的啮合实现移动；移动换位单元还具有H向的移动自由度，该H向与X向方向相同；X向与Y向在水平方向上互相垂直，Z向铅垂向上。本发明的优点与积极效果为1.本发明的方法可实现立体加工，自动采集立体表面数据特征，自动形成加工路径。2.本发明为非接触测量，测量精度高、稳定性好、速度快、一致性好。3.根据采集的数据特征自动搜索最优下料画线位置，使画线产品更接近理想曲面。4.系统功能扩展潜力大，加工产品多样。5.激光画线属于非接触式画线方式，画线速度快，线条清晰，精度高，不易磨损。
图1为本发明方法所使用的测量画线切割机的结构主视图；图2为图1的左视图；图3为图1的俯视图；图4为图1中移动换位单元的结构主视图；图5为图4的左视图；其中1为机座，2为操作台，3为X向移动单元，301为X向驱动电机，302为X向齿轮，303为X向齿条，304为立柱，305为横梁，306为X向拖链，307为X向导轨；4为Y向移动单元，401为Y向驱动电机，402为Y向导轨，403为Y向安装板，404 为Y向齿条，405为Y向拖链；5为Z向移动单元，501为Z向驱动电机，502为Z向齿条，503为Z向安装板，504 为Z向拖链；6为移动换位单元，601为测量头，602为激光画线头，603为火焰切割头，604为底座，605为无杆气缸，606为滑块，607为α轴驱动电机，608为β轴驱动电机，609为安装座；7为工作台，8为工件。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详述。本发明激光测量画线切割方法的具体步骤为Α.将待切割工件吊装到工作台上，利用安装在五轴龙门式测量画线切割机上的照相机对工件表面进行扫描，得出一系列的工件表面特征点坐标数据，照相机随五轴龙门式测量画线切割机具有X向、Y向及Z向三个移动自由度；B.将得到的特征点坐标数据利用MATLAB软件编写的M文件进行差补运算拟合出工件外形轮廓，对拟合出的外形轮廓与理论模型进行比较；CN 102528208 A
C.通过待切割工件在工作台上基准点的位置确定机床坐标系与工件坐标系的变换关系，规划采集路径，自动采集工件表面数据特征，形成工件数据模型，与理想模型进行数据比较，搜索最优画线位置，自动生成画线轨迹；D.开始激光画线，并将激光画线的路径坐标传送给切割机，待激光画线结束后，切割机按照激光画线轨迹进行切割。如图1 3所示，本发明所使用的五轴龙门式测量画线切割机包括机座1、X向移动单元3、Y向移动单元4、Ζ向移动单元5及移动换位单元6，X向移动单元3可沿X向往复移动，Y向移动单元4安装在X向移动单元3上、具有X向和Y向两个移动自由度，即可沿Y 向往复移动，还可随X向移动单元沿X向往复移动；Z向移动单元5安装在Y向移动单元4 上，具有X向、Y向和Z向三个移动自由度，即Z向移动单元5可沿Z向往复移动，可随Y向移动单元4沿Y向往复移动，还可随X向移动单元沿X向往复移动。移动换位单元6安装在Z向移动单元5上，具有Z向移动单元5的X向、Y向和Z向三个移动自由度及具有绕X 向和Y向旋转的两个转动自由度，S卩α轴和β轴，还具有沿H向往复移动的移动自由度。 X向与Y向在水平方向上互相垂直，Z向铅垂向上，α轴为绕Y向旋转的自由度，β轴为绕 X向旋转的自由度、且与α轴垂直，H向与X向方向相同。X向移动单元3包括X向驱动电机301、X向齿轮302、X向齿条303、立柱304、横梁305、Χ向拖链306及X向导轨307，机座1位于工作台7长度方向的两侧，被画线切割的工件8旋转在工作台7上；在机座1上固定有X向导轨307，X向导轨307的内侧设有固定在机座1上的X向齿条303，X向齿条303与X向导轨307平行；两个立柱304及固接在两个立柱顶端的横梁305组成了切割机的支撑部分，两个立柱304的底端分别通过滑块与X 向导轨307相连；X向驱动电机301固定在立柱304上，X向驱动电机301的输出轴上键连接有X向齿轮302，X向齿轮302与X向齿条303相啮合；X向拖链306的一端安装在机座 1上，另一端与立柱304相连，X向驱动电机301与安装在立柱304上的操作台2电连接，X 向拖链306可用于走线。X向驱动电机301驱动X向齿轮302转动，通过X向齿轮302与X 向齿条303的啮合，使X向移动单元3及其上的Y向移动单元4、Z向移动单元5和移动换位单元6沿X向导轨307往复移动。Y向移动单元4包括Y向驱动电机401、Y向导轨402、Y向安装板403、Y向齿条 404及Y向拖链405，其中Y向导轨402为两根，上下平行地固定在横梁305上，在两根Y向导轨402之间固接有Y向齿条404，Y向齿条404与Y向导轨402平行，Y向安装板403通过滑块与Y向导轨402相连，在Y向安装板403上设有Y向驱动电机401，Y向驱动电机401 的输出轴由Y向安装板403穿过、键连接有Y向齿轮，Y向齿轮与Y向齿条404相啮合；Y向拖链405的一端安装在横梁305上，另一端与Y向安装板403相连，Y向驱动电机401与安装在立柱304上的操作台2电连接，Y向拖链405可用于走线。Y向驱动电机401驱动Y向齿轮转动，通过Y向齿轮与Y向齿条404的啮合，使Y向移动单元4及其上的Z向移动单元 5和移动换位单元6沿Y向导轨402往复移动。Z向移动单元5包括Z向驱动电机501、Ζ向齿条502、Ζ向安装板503及Z向拖链 504，其中Z向驱动电机501固定在Y向安装板403上，该Y向安装板403上还固接有Z向导轨，Z向安装板503通过滑块与Z向导轨相连；Z向齿条502设置在Z向安装板503上、与Z 向导轨平行，Z向驱动电机501输出轴上键连接有Z向齿轮，Z向齿轮与Z向齿条502相啮合；Z向拖链504的一端与横梁305相连，另一端接至Z向安装板503，Z向驱动电机501与安装在X向移动单元3上的操作台2电连接，Z向拖链504可用于走线。Z向驱动电机501 驱动Z向齿轮转动，通过Z向齿轮与Z向齿条502的啮合，使Z向移动单元5和移动换位单元6沿Z向导轨往复移动。如图4、图5所示，移动换位单元6包括测量头601、激光画线头602、火焰切割头 603、底座604、无杆气缸605、滑块606、α轴驱动电机607、β轴驱动电机608及安装座609， 其中α轴驱动电机607固定在Z向安装板503上，安装座609与α轴驱动电机607的输出轴相连，β轴驱动电机608固定在安装座609上，β轴驱动电机608的输出轴上连接有底座604，底座604上加设有无杆气缸605，在无杆气缸605上设有沿H向往复移动的滑块 606，测量头601、激光画线头602及火焰切割头603分别固接在该滑块606上、与滑块606 连动。α轴驱动电机607和β轴驱动电机608分别工作，可以使移动换位单元6分别绕X 向和Y向旋转；通过无杆气缸605可以实现滑块606带动测量头601、激光画线头602及火焰切割头603沿H向往复移动。通过X向、Y向的移动能够覆盖工件8的水平范围，通过Z向的移动能够适应工件 8高度方向的变化；通过α轴、β轴的旋转能够适应工件8曲率方面的变化。将待切割工件吊装到工作台上，利用安装在五轴龙门式测量画线切割机上的照相机对工件表面进行扫描，得出一系列的工件表面特征点坐标数据，照相机随五轴龙门式测量画线切割机具有X向、Y向及ζ向三个移动自由度；将得到的特征点坐标数据利用MATLAB 软件编写的M文件进行差补运算拟合出工件外形轮廓，对拟合出的外形轮廓与理论模型进行比较；通过待切割工件在工作台上基准点的位置确定机床坐标系与工件坐标系的变换关系，规划采集路径，自动采集工件表面数据特征，测量头601能够检测出工件8的高度，通过 X向、Y向的位移传感器确定测量点的水平位置。通过测量能够确定工件8是否满足加工的要求，通过相临测量点的比较能够确定工件8的曲率。操作台2根据测量结果控制规划出最佳的画线路径，然后控制各驱动电机，通过五轴(X向、Y向、Z向、α轴、β轴)连动画出工件的轨迹。最后启动移动换位单元6，将火焰切割头605通过无杆气缸605沿H向移到激光画线头602原来的位置上，火焰切割头605沿着画线轨迹将废料切除。本发明的测量头601为市购产品，购置于KEYENCE公司，型号为LK-G500;激光画线头602为市购产品，购置于IPG公司生产的激光画线头；火焰切割头为市购产品， 购置于IPG公司，型号为YLP-50 ；无杆气缸605为市购产品，购置于FESTO公司，型号为 DGC-18-100。
权利要求
1.一种大幅面板材的激光测量画线切割方法，其特征在于将待切割工件吊装到工作台上，利用安装在五轴龙门式测量画线切割机上的照相机对工件进行扫描得出工件表面特征的坐标，利用控制软件进行差补拟合，得出工件的外形轮廓，用外形轮廓与理想模型进行数据对比，自动生成画线轨迹，并将画线轨迹传送给五轴龙门式测量画线切割机，开始激光画线，并将激光画线的路径坐标传送给切割机，待激光画线结束后，切割机按照激光画线轨迹进行切割。
2.按权利要求1所述大幅面板材的激光测量画线切割方法，其特征在于具体步骤为A.将待切割工件吊装到工作台上，利用安装在五轴龙门式测量画线切割机上的照相机对工件表面进行扫描，得出一系列的工件表面特征点坐标数据，照相机随五轴龙门式测量画线切割机具有X向、Y向及Z向三个移动自由度；B.将得到的特征点坐标数据利用MATLAB软件编写的M文件进行差补运算拟合出工件外形轮廓，对拟合出的外形轮廓与理论模型进行比较；C.通过待切割工件在工作台上基准点的位置确定机床坐标系与工件坐标系的变换关系，规划采集路径，自动采集工件表面数据特征，形成工件数据模型，与理想模型进行数据比较，搜索最优画线位置，自动生成画线轨迹；D.开始激光画线，并将激光画线的路径坐标传送给切割机，待激光画线结束后，切割机按照激光画线轨迹进行切割。
3.按权利要求1或2所述大幅面板材的激光测量画线切割方法，其特征在于所述五轴龙门式测量画线切割机具有X向移动单元⑶、Y向移动单元⑷、Z向移动单元(5)及移动换位单元(6)，其中X向移动单元C3)具有X向移动自由度，Y向移动单元(4)安装在 X向移动单元(3)上、具有X向和Y向两个移动自由度，Z向移动单元(5)安装在Y向移动单元(4)上、具有X向、Y向和Z向三个移动自由度；移动换位单元(6)安装在Z向移动单元(5)上，具有X向、Y向和Z向三个移动自由度及绕X向和Y向旋转的两个转动自由度。
4.按权利要求3所述大幅面板材的激光测量画线切割方法，其特征在于所述龙门式测量画线切割机采用高架导轨和移动横梁的方式，横梁横跨于工作台上，由立柱支撑；每个移动单元均采用驱动电机驱动齿轮旋转，通过齿轮与齿条的啮合实现移动。
5.按权利要求3所述大幅面板材的激光测量画线切割方法，其特征在于所述移动换位单元(6)还具有H向的移动自由度，该H向与X向方向相同。
6.按权利要求3所述大幅面板材的激光测量画线切割方法，其特征在于X向与Y向在水平方向上互相垂直，Z向铅垂向上。
全文摘要
本发明涉及板材加工方法，具体地说是一种大幅面板材的激光测量画线切割方法，将待切割工件吊装到工作台上，利用安装在五轴龙门式测量画线切割机上的照相机对工件进行扫描得出工件表面特征的坐标，利用控制软件进行差补拟合，得出工件的外形轮廓，用外形轮廓与理想模型进行数据对比，自动生成画线轨迹，并将画线轨迹传送给五轴龙门式测量画线切割机，开始激光画线，并将激光画线的路径坐标传送给切割机，待激光画线结束后，切割机按照激光画线轨迹进行切割。本发明的方法可实现立体加工，自动采集立体表面数据特征，自动形成加工路径，测量精度高、稳定性好、速度快、一致性好，使画线产品更接近理想曲面。
文档编号B23K7/10GK102528208SQ201010589908
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者刘勇, 徐志刚, 昌成刚, 甘洪岩 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所