高精密激光切割系统及其高速精密切割方法与流程

本发明属于激光切割领域。

背景技术：

三通钢管的焊接焊缝位于支管与主管相交所形成的相贯线位置，在制作三通管的主管时，需要在主管的管壁上用激光切割设备切割出相贯线，由于相贯线是立体轨迹，需要专门的激光切割设备；

激光切割钢管时，激光头处会实时的喷出辅助气体，使实际切割位置熔化或气化的金属迅速逃逸；但是，当主管的管壁相对比较厚的，例如超过10cm厚的管壁时，单纯的从管壁外侧进行激光切割时，当激光切割深度到超过5cm时其激光头处的辅助气体喷嘴距实际切割位置会产生一定距离，造成辅助气体喷射不到实际切割位置的情形；

因此需要对这种管体进行双侧激光切割，然而由于是相贯线切割，其切割轨迹为立体的异形轨迹，造成管体相贯线双侧切割实施起来极为困难；若双侧切割过程出现轨迹上的误差，进而会造成管外侧的激光切割后产生切割沟槽与管内侧的切割后产生切割沟槽不会连通，而且只要有一处不连通都会造成相贯线切割失败的情形。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高精密激光切割系统及其高速精密切割方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明的高精密激光切割系统，包括设备底座，所述设备底座的一侧通过卡盘旋转电机支撑座支撑设置有横向的卡盘旋转电机，所述卡盘旋转电机的输出端为横向的旋转盘，所述旋转盘上同轴心安装有三角卡盘，所述上三角卡盘上的卡爪能夹持待切割管体的一端；待切割管体的一端夹持在所述三角卡盘上时，所述待切割管体与所述旋转盘同轴心；所述设备底座上还设置有支架座，所述支架座上安装有若干管体支架，

待切割管体的一端夹持在所述三角卡盘上时，待切割管体的另一端架设于所述管体支架的正上方；

所述管体支架为上端呈八字形向两侧张开的撑脚结构，所述管体支架的两撑脚顶端均转动安装有滚托轮，所述待切割管体下部的管外壁与各所述滚托轮滚动相切；所述设备底座上还安装有管体激光相贯线切割系统。

进一步的，所述管体激光相贯线切割系统包括固定安装在所述设备底座上的激光切割底座，所述激光切割底座位于所述待切割管体远离所述卡盘旋转电机的一侧；所述激光切割底座的上侧固定设置有竖向的导轨支架；所述导轨支架靠近待切割管体的一侧上下部固定连接有的上固定导轨和下固定导轨，所述上固定导轨和下固定导轨的延伸方向均与所述待切割管体轴线平行；所述上固定导轨的下侧沿长度方向设置有上滑动轨，所述上滑动轨能沿所述上固定导轨的长度方向滑动；所述下固定导轨的上侧沿长度方向设置有下滑动轨，所述下滑动轨能沿所述下固定导轨的长度方向滑动；

所述上滑动轨远离所述导轨支架的一端固定安装有第一激光发射器，所述第一激光发射器位于所述待切割管体的正上方，所述第一激光发射器的第一激光发射头竖向朝下设置，且所述第一激光发射头的延伸线经过所述待切割管体的轴线；所述下滑动轨远离所述导轨支架的一端固定安装有第二激光发射器，所述第二激光发射器位于所述待切割管体的内部，所述第二激光发射器的第二激光发射头竖向朝上设置，且所述第二激光发射头的延伸线经过所述待切割管体的轴线；

所述上滑动轨的正下方通过若干第一支撑柱固定连接有水平的上条状体；所述下滑动轨的正上方通过若干第二支撑柱固定连接有水平的下条状体；所述上条状体与所述下条状体之间上下间距设置；所述上条状体的下侧面沿长度方向阵列设置有若干上齿体，所述下条状体的上侧面沿长度方向阵列设置有若干下齿体；所述上条状体与所述下条状体之间设置有齿轮，所述齿轮的上侧与所述上条状体上的若干上齿体啮合；所述齿轮的下侧与所述下条状体上的若干下齿体啮合；所述齿轮的旋转能使所述上条状体和下条状体做速度大小相等，方向相反的直线位移。

进一步的，所述激光切割底座上还安装有齿轮输出电机座，所述齿轮输出电机座上固定安装有齿轮输出电机，所述齿轮输出电机，所述齿轮输出电机与所述齿轮的齿轮轴驱动连接，所述齿轮输出电机能通过所述齿轮轴带动所述齿轮旋转；所述导轨支架上还安装有横向的轴承座，所述齿轮轴远离所述齿轮输出电机的一端通过轴承与所述轴承座上的轴承孔转动连接；所述上固定导轨上设置有上结构加强梁，所述下固定导轨的下侧设置有下结构加强梁；

所述设备底座的中部一侧设置有滑台，所述滑台上设置有水平导轨，所述水平导轨的长度方向与所述待切割管体的轴线方向垂直；所述水平导轨内设置有能沿所述水平导轨位移的滑块，所述滑块的上方通过若干竖向支撑杆固定支撑设置有水平的平动平台，所述平动平台上固定安装有水平的第三激光发射器，所述第三激光发射器靠近待切割管体的一端固定设置有横向的第三激光发射头，所述第三激光发射头的发射延伸线与所述待切割管体的轴线相交；所述滑块能带动所述第三激光发射器做沿所述水平导轨的平动。

进一步的，高精密激光切割系统，包括如下步骤：

步骤一，将三角卡盘上的卡爪夹持待切割管体的一端，并且使待切割管体的另一端架设于所述管体支架的正上方，使待切割管体与旋转盘同轴心，此时第一激光发射器位于待切割管体的管内，第二激光发射器位于待切割管体的管外；此时待切割管体能随旋转盘同步旋转，该步骤完成了对待切割管体的工装；

步骤二，控制齿轮输出电机，进而带动齿轮旋转，使上条状体和下条状体做速度大小相等，方向相反的直线位移，通过控制齿轮的旋转方向使第一激光发射器与第二激光发射器做相互靠近的运动，直至第一激光发射头的激光发射延伸线与第二激光发射头的激光发射延伸线重合；此时暂停齿轮输出电机；第一激光发射头的激光发射延伸线与第二激光发射头的激光发射延伸线重合的位置刚好处于待切割管体的轴线方向的中部位置；此时完成的第一激光发射器与第二激光发射器的初始位置的定位；

步骤三，控制待切割管体随旋转盘沿轴线旋转；以此同时通过齿轮输出电机控制齿轮旋转，使第一激光发射器与第二激光发射器做速度大小始终相等，运动方向始终相反的运动；

在执行步骤三的过程中需要实时的控制卡盘旋转电机和齿轮输出电机转速和旋向，使第一激光发射头相对于待切割管体的走刀轨迹为目标相贯线逆时针轨迹；第二激光发射头相对于待切割管体的走刀轨迹为目标相贯线顺时针轨迹；

目标相贯线顺时针走刀轨迹和目标相贯线逆时针走刀轨迹沿顺时针方向依次包括点a、点b、点c、点d、点e和点f；点a至点c的轨迹为第一轨迹，点c至点d的轨迹为第二轨迹，点d至点f的轨迹为第三轨迹、点f至点a轨迹为第四轨迹；点b与点e之间的距离与目标相贯线的直径相等；点a、点f与点c、点d相对于待切割管体的中心线对称；其中点a与点f之间的距离和点c与点d之间的距离均与第三激光发射头所发射的激光束直径大小相等；

第一激光发射头相对于待切割管体做目标相贯线的逆时针轨迹走刀的过程中，在第一激光发射头沿第一轨迹和第三轨迹走刀的过程中第一激光发射头实时的向待切割管体外壁垂直射出切割激光，第一激光发射头射出切割激光的切割深度为待切割管体的壁厚的一半，进而使待切割管体的外壁形成外相贯线激光外切割沟槽；第一激光发射头沿第二轨迹和第四轨迹走刀的过程中第一激光发射头暂停射出切割激光；进而使第二轨迹和第四轨迹上分别形成第一未切割段和第二未切割段；

第二激光发射头相对于待切割管体做目标相贯线的顺时针轨迹走刀的过程中，沿第一轨迹、第二轨迹、第三轨迹和第四轨迹走刀的过程中第二激光发射头均实时的向待切割管体内壁垂直射出切割激光，第二激光发射头射出切割激光的切割深度为待切割管体的壁厚的一半，进而使待切割管体的内壁形成内相贯线激光切割沟槽；

由于第一激光发射头和第二激光发射头的切割深度均为待切割管体的壁厚的一半，因此第二激光发射头切割待切割管体内壁形成的内相贯线激光切割沟槽的槽底与第一激光发射头切割待切割管体外壁形成的外相贯线激光切割沟槽的槽底连通，进而使待切割管体的管壁上形成目标相贯线切缝；此时目标相贯线所围合的区域形成切割废料；

由于第二轨迹和第四轨迹上分别形成有第一未切割段和第二未切割段，因此此时切割废料不会立刻脱落，避免切割废料立刻脱落后向下掉入待切割管体的管内，进而避免切割废料掉落后会撞击第二激光发射器造成意外；第一激光发射头沿第二轨迹和第四轨迹走刀的过程中第一激光发射头暂停射出切割激光还能有效避免第一激光发射头与第二激光发射头发生对射的现象，避免相互照射产生损毁的现象；

步骤四，步骤三结束后控制卡盘旋转电机带动待切割管体旋转，使待切割管体上的第一未切割段和第二未切割段依次对应第三激光发射头，进而第一未切割段和第二未切割段依次被第三激光发射头切割，第二未切割段被切割时切割废料已经为朝下的状态，进而切割废料会自动脱落，并且切割废料会向下掉落至设备底座；此时完成了管体的相贯线切割过程。

有益效果：本发明实现对厚壁管体的双向切割，使激光切割深度减少一半，并且解决了双侧切割过程的走刀一致性问题，避免单向切割造成切割深度过大、不利于辅助气体喷射的现象；第二轨迹和第四轨迹上分别形成有第一未切割段和第二未切割段，因此此时切割废料不会立刻脱落，避免切割废料立刻脱落后向下掉入待切割管体的管内，进而避免切割废料掉落后会撞击第二激光发射器造成意外；第一激光发射头沿第二轨迹和第四轨迹走刀的过程中第一激光发射头暂停射出切割激光还能有效避免第一激光发射头与第二激光发射头发生对射的现象，避免相互照射产生损毁的现象。

附图说明

附图1为本发明的整体第一结构示意图；

附图2为本发明的整体第二结构示意图；

附图3为本发明的俯视图；

附图4为该设备隐去待切割管体后的示意图；

附图5为该设备的齿轮位置处的局部第一放大示意图；

附图6为该设备的齿轮位置处的局部第二放大示意图；

附图7为附图6的剖开示意图；

附图8为待切割管体切割后的示意图(废料未脱离)；

附图9为附图8的局部放大示意图；

附图10为待切割管体切割后产生的切割沟槽示意图；

附图11为待切割管体切割后的示意图(废料已经脱离)；

附图12为待切割管体切割过程中的各激光头的走刀轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如附图1至12所述的高精密激光切割系统，包括设备底座25，所述设备底座25的一侧通过卡盘旋转电机支撑座72支撑设置有横向的卡盘旋转电机17，所述卡盘旋转电机17的输出端为横向的旋转盘71，所述旋转盘71上同轴心安装有三角卡盘16，所述上三角卡盘16上的卡爪15能夹持待切割管体2的一端；待切割管体2的一端夹持在所述三角卡盘16上时，所述待切割管体2与所述旋转盘71同轴心；所述设备底座25上还设置有支架座24，所述支架座24上安装有若干管体支架23，

待切割管体2的一端夹持在所述三角卡盘16上时，待切割管体2的另一端架设于所述管体支架23的正上方；

所述管体支架23为上端呈八字形向两侧张开的撑脚结构，所述管体支架23的两撑脚顶端均转动安装有滚托轮22，所述待切割管体2下部的管外壁与各所述滚托轮22滚动相切；所述设备底座25上还安装有管体激光相贯线切割系统。

所述管体激光相贯线切割系统包括固定安装在所述设备底座25上的激光切割底座21，所述激光切割底座21位于所述待切割管体2远离所述卡盘旋转电机17的一侧；所述激光切割底座21的上侧固定设置有竖向的导轨支架18；所述导轨支架18靠近待切割管体2的一侧上下部固定连接有的上固定导轨12和下固定导轨49，所述上固定导轨12和下固定导轨49的延伸方向均与所述待切割管体2轴线平行；所述上固定导轨12的下侧沿长度方向设置有上滑动轨13，所述上滑动轨13能沿所述上固定导轨12的长度方向滑动；所述下固定导轨49的上侧沿长度方向设置有下滑动轨20，所述下滑动轨20能沿所述下固定导轨49的长度方向滑动；

所述上滑动轨13远离所述导轨支架18的一端固定安装有第一激光发射器14，所述第一激光发射器14位于所述待切割管体2的正上方，所述第一激光发射器14的第一激光发射头6竖向朝下设置，且所述第一激光发射头6的延伸线经过所述待切割管体2的轴线；所述下滑动轨20远离所述导轨支架18的一端固定安装有第二激光发射器41，所述第二激光发射器41位于所述待切割管体2的内部，所述第二激光发射器41的第二激光发射头7竖向朝上设置，且所述第二激光发射头7的延伸线经过所述待切割管体2的轴线；

所述上滑动轨13的正下方通过若干第一支撑柱39固定连接有水平的上条状体35；所述下滑动轨20的正上方通过若干第二支撑柱59固定连接有水平的下条状体34；所述上条状体35与所述下条状体34之间上下间距设置；所述上条状体35的下侧面沿长度方向阵列设置有若干上齿体33，所述下条状体34的上侧面沿长度方向阵列设置有若干下齿体36；所述上条状体35与所述下条状体34之间设置有齿轮38，所述齿轮38的上侧与所述上条状体35上的若干上齿体33啮合；所述齿轮38的下侧与所述下条状体34上的若干下齿体36啮合；所述齿轮38的旋转能使所述上条状体35和下条状体34做速度大小相等，方向相反的直线位移。

所述激光切割底座21上还安装有齿轮输出电机座81，所述齿轮输出电机座81上固定安装有齿轮输出电机40，所述齿轮输出电机40，所述齿轮输出电机40与所述齿轮38的齿轮轴43驱动连接，所述齿轮输出电机40能通过所述齿轮轴43带动所述齿轮38旋转；所述导轨支架18上还安装有横向的轴承座19，所述齿轮轴43远离所述齿轮输出电机40的一端通过轴承44与所述轴承座19上的轴承孔转动连接；所述上固定导轨12上设置有上结构加强梁11，所述下固定导轨49的下侧设置有下结构加强梁91；

所述设备底座25的中部一侧设置有滑台26，所述滑台26上设置有水平导轨28，所述水平导轨28的长度方向与所述待切割管体2的轴线方向垂直；所述水平导轨28内设置有能沿所述水平导轨28位移的滑块29，所述滑块29的上方通过若干竖向支撑杆30固定支撑设置有水平的平动平台31，所述平动平台31上固定安装有水平的第三激光发射器32，所述第三激光发射器32靠近待切割管体2的一端固定设置有横向的第三激光发射头47，所述第三激光发射头47的发射延伸线与所述待切割管体2的轴线相交；所述滑块29能带动所述第三激光发射器32做沿所述水平导轨28的平动。

本方案的管体相贯线的切割工艺和工作原理，包括如下步骤：

步骤一，将三角卡盘16上的卡爪15夹持待切割管体2的一端，并且使待切割管体2的另一端架设于所述管体支架23的正上方，使待切割管体2与旋转盘71同轴心，此时第一激光发射器14位于待切割管体2的管内，第二激光发射器41位于待切割管体2的管外；此时待切割管体2能随旋转盘71同步旋转，该步骤完成了对待切割管体2的工装；

步骤二，控制齿轮输出电机40，进而带动齿轮38旋转，使上条状体35和下条状体34做速度大小相等，方向相反的直线位移，通过控制齿轮38的旋转方向使第一激光发射器14与第二激光发射器41做相互靠近的运动，直至第一激光发射头6的激光发射延伸线与第二激光发射头7的激光发射延伸线重合；此时暂停齿轮输出电机40；第一激光发射头6的激光发射延伸线与第二激光发射头7的激光发射延伸线重合的位置刚好处于待切割管体2的轴线方向的中部位置；此时完成的第一激光发射器14与第二激光发射器41的初始位置的定位；

步骤三，控制待切割管体2随旋转盘71沿轴线旋转；以此同时通过齿轮输出电机40控制齿轮38旋转，使第一激光发射器14与第二激光发射器41做速度大小始终相等，运动方向始终相反的运动；

在执行步骤三的过程中需要实时的控制卡盘旋转电机17和齿轮输出电机40转速和旋向，使第一激光发射头6相对于待切割管体2的走刀轨迹为目标相贯线46逆时针轨迹5；第二激光发射头7相对于待切割管体2的走刀轨迹为目标相贯线46顺时针轨迹3；

目标相贯线46顺时针走刀轨迹和目标相贯线46逆时针走刀轨迹沿顺时针方向依次包括点a、点b、点c、点d、点e和点f；点a至点c的轨迹为第一轨迹8，点c至点d的轨迹为第二轨迹9，点d至点f的轨迹为第三轨迹10、点f至点a轨迹为第四轨迹1；点b与点e之间的距离与目标相贯线46的直径相等；点a、点f与点c、点d相对于待切割管体2的中心线4对称；其中点a与点f之间的距离和点c与点d之间的距离均与第三激光发射头47所发射的激光束直径大小相等；

第一激光发射头6相对于待切割管体2做目标相贯线46的逆时针轨迹走刀的过程中，在第一激光发射头6沿第一轨迹8和第三轨迹10走刀的过程中第一激光发射头6实时的向待切割管体2外壁垂直射出切割激光，第一激光发射头6射出切割激光的切割深度为待切割管体2的壁厚的一半，进而使待切割管体2的外壁形成外相贯线激光外切割沟槽；第一激光发射头6沿第二轨迹9和第四轨迹1走刀的过程中第一激光发射头6暂停射出切割激光；进而使第二轨迹9和第四轨迹1上分别形成第一未切割段1.2和第二未切割段1.1；

第二激光发射头7相对于待切割管体2做目标相贯线46的顺时针轨迹走刀的过程中，沿第一轨迹8、第二轨迹9、第三轨迹10和第四轨迹1走刀的过程中第二激光发射头7均实时的向待切割管体2内壁垂直射出切割激光，第二激光发射头7射出切割激光的切割深度为待切割管体2的壁厚的一半，进而使待切割管体2的内壁形成内相贯线激光切割沟槽；

由于第一激光发射头6和第二激光发射头7的切割深度均为待切割管体2的壁厚的一半，因此第二激光发射头7切割待切割管体2内壁形成的内相贯线激光切割沟槽的槽底与第一激光发射头6切割待切割管体2外壁形成的外相贯线激光切割沟槽的槽底连通，进而使待切割管体2的管壁上形成目标相贯线46切缝；此时目标相贯线46所围合的区域形成切割废料45；

由于第二轨迹9和第四轨迹1上分别形成有第一未切割段1.2和第二未切割段1.1，因此此时切割废料45不会立刻脱落，避免切割废料45立刻脱落后向下掉入待切割管体2的管内，进而避免切割废料45掉落后会撞击第二激光发射器41造成意外；第一激光发射头6沿第二轨迹9和第四轨迹1走刀的过程中第一激光发射头6暂停射出切割激光还能有效避免第一激光发射头6与第二激光发射头7发生对射的现象，避免相互照射产生损毁的现象；

步骤四，步骤三结束后控制卡盘旋转电机17带动待切割管体2旋转，使待切割管体2上的第一未切割段1.2和第二未切割段1.1依次对应第三激光发射头47，进而第一未切割段1.2和第二未切割段1.1依次被第三激光发射头47切割，第二未切割段1.1被切割时切割废料45已经为朝下的状态，进而切割废料45会自动脱落，并且切割废料45会向下掉落至设备底座25；此时完成了管体的相贯线切割过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。