一种数控碳纤维管道切管机及其环切补偿方法与流程

1.本发明涉及一种机械加工设备，尤其涉及一种切管机设备。


背景技术：

2.为了解决现有技术中环切式切管机切割厚壁碳纤维管道所产生的粉尘问题，常采用的一种工艺是在环切式切管机上同时设置旋转锯片以及激光切头，先采用锯片环切去除切割位置大部分材料，仅保留最后一层碳纤维，然后自动更换成激光切割头，使用激光切割头环切下最后一层剩余的碳纤维层。
3.以上工艺在锯片环切后会产生一圈薄层，当管道切割为正角度（切割截面为圆形）时，该薄层的厚度是一定的；但是当对管道进行成角度的切割时，切割截面对应成为椭圆形，为了保障该薄层的形成，同时保障薄层厚度的稳定性，就需要对刀具的进给量进行补偿。
4.基于以上技术问题，需要设计一种专门针对大直径大壁厚碳纤维管道的环切切管机方法，使得切管机在成角度的环切碳纤维管道时，可以对刀具的进给量进行补偿，以形成稳定均匀的薄层。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种数控碳纤维管道切管机及其环切补偿方法，以解决现有技术中的技术问题。
6.本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一方面，提供了一种数控碳纤维管道切管机，包括定位环，所述定位环用于将切管机定位安装于管道外壁；切割环，所述切割环与定位环连接并套接于管道外壁，在所述切割环上，设置有刀座，所述刀座通过设置于切割环内的旋转驱动结构，能够沿切割环绕着管道的外周进行旋转运动；其特征在于：所述刀座上设置有刀具转换座，所述刀具转换座能够相对于所述刀座转动，在所述刀具转换座上，设置有旋转锯片刀具和激光切割头；还包括刀具环切径向位置补偿系统，所述该补偿系统包括控制器、激光距离传感器、旋转锯片刀具对应的高频直线电机以及设置于刀座上的转角传感器，控制器的输入端与激光距离传感器和刀座上的转角传感器数据连接，输出端与旋转锯片刀具对应的高频直线电机数据连接。
7.另一方面，提供了上述数控碳纤维管道切管机的环切补偿方法，包括以下步骤：s1：对待切割管道两端进行封堵，将切管机定位环安装于管道上，并通过调整伸缩平移气缸使切割环与管道形成待切割角度θ，并转动刀具转换座使旋转锯片刀具径向对准管道中心；s2：驱动旋转锯片刀具转动同时驱动高频直线电机径向进给，使旋转锯片刀具沿
管道径向切割；s3：当激光测距传感器检测到旋转锯片刀具的径向进给切削至距离穿透管道壁仅剩一层薄层时，停止旋转锯片刀具的径向进给，然后驱动刀座沿切割环转动一周，使旋转锯片刀具完成对管道一周的材料去除；s4：转动刀具转换座使激光切割头径向对准管道中心，开启激光切割头同时驱动刀座沿切割环转动一周，使激光切割头完成对管道壁最后一层薄层的切割，从而完成管道的切管工作。
8.优选的，在步骤s3中，当旋转锯片刀具开始随着刀座沿切割环转动一周过程中，刀座上的转角传感器会记录刀座的转动角度β，此时控制器会根据输入参数、进给距离d、刀座的转动角度β建立补偿模型，随后，控制器通过补偿模型对旋转锯片刀具对应的高频直线电机进行伸缩控制，实现对旋转锯片刀具在环切过程中的径向位置补偿。
9.优选的，所述补偿模型的生成方法为：s31：控制器接受输入参数，所述输入参数包括管径r、壁厚d、切割角度θ、锯片半径r、刀座旋转半径r
刀座
；s32：控制器接受激光距离传感器记录的进给距离d；s33：计算薄壁壁厚x，根据切割截面形位关系，薄壁壁厚：x=r
刀座-d-r-r+ds34：建立坐标系，生成锯片轨迹极坐标模型，所述极坐标系为原点o位于切割截面中心位置，极轴方向为原点指向环切初始位置的刀具径向方向，锯片轨迹极坐标模型为锯片环切形成椭圆形薄层过程中锯片旋转中心m的极坐标轨迹：s35：生成补偿模型，补偿模型为环切过程中，旋转锯片刀具对应的高频直线电机的伸缩量相比于进给距离d需要改变的长度s，根据切割截面形位关系，s=d-（r-om）。
10.本发明的有益效果是：1、本技术的环切切管机同时采用锯片切割和激光切割，旋转锯片以及激光切头安装在一个刀具转换座上，在进行大壁厚的碳纤维管道切割时，首先采用锯片环切，去除切割位置大部分材料，仅保留最后一层碳纤维，然后自动更换成激光切割头，使用激光切割头环切下最后一层剩余的碳纤维层。在采用锯片切割时，封堵管道端部，在锯片边设置有吸尘装置。通过以上工艺和切管机结构，可以使厚壁的碳管大部分通过锯片切割，提高了切割效率，减小可切割变形，同时由于切割剩余一薄层的碳纤维，所以粉尘不会进入碳纤维管道内部，且粉尘可以直接被吸尘器吸走；而剩余最后一层薄层被激光切头切割，最大化的降低了激光切割对管道端头形变量的影响；2、通过刀具环切径向位置补偿系统以及补偿模型的建立，使对管道进行成角度的切割时，切割截面能够对应成为椭圆形，保障了角度切割时该薄层的形成，同时保障薄层厚度的稳定性。
附图说明
11.图1是本技术环切式切管机的结构示意图，其中1a是本技术环切式切管机的结构示意图1，1b是本技术环切式切管机a-a方向的结构示意图，1c本技术环切式切管机b-b方向的结构示意图；图2是本技术刀具转换座结构图；图3是本技术切割步骤示意图1；图4是本技术切割步骤示意图2；图5是本技术旋转锯片切深控制结构示意图；图6是本技术旋转锯片刀具实际径向进给深度与参考径向进给深度的差值示意图；图7是本技术进给深度的差值变化趋势示意图；图8是本技术切管机成角度切割时的截面示意图；图9所示为该补偿系统示意图；图10为当对管道进行角度为θ的切割操作时，管道环切截面的一个形状示意图；图11为当对管道进行角度为θ的切割操作时，管道环切截面的另一个形状示意图；其中：1定位环，2伸缩夹持气缸，3切割环，4伸缩平移气缸，5刀座，6高频直线电机，7刀具，8激光测距传感器，9刀具转换座，10控制器，11转角传感器，61第一高频直线电机，62第二高频直线电机，71旋转锯片刀具，72激光切割头。
具体实施方式
12.下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
13.如图1所示，为本发明环切式切管机的结构示意图。其包括：定位环1与切割环3，定位环1与切割环3均呈环形框架结构。在定位环1一侧的端面上，沿圆周方向均布固定有三个伸缩夹持气缸2，三个伸缩夹持气缸2具有缸体部以及伸缩杆部，其中缸体部沿定位环1的径向方向固定安装于定位环1的端面上，该安装方式包括但不限于螺栓、焊接等固定方式。在伸缩夹持气缸2的伸缩杆部的自由端，设置有夹板。三个均布的伸缩夹持气缸2通过伸缩杆部的移动，最终使夹板与管道p的外周接触压紧，通过三个夹板，将管定位环1固定在不同外径尺寸的管道p的外周上。在定位环1的另一侧的端面上，沿圆周方向均布有三个伸缩平移气缸4，三个伸缩平移气缸4具有缸体部以及伸缩杆部，其中伸缩平移气缸4的缸体部沿定位环1端面的垂直方向铰接固定安装于定位环1的端面上。在三个伸缩平移气缸4的伸缩杆部的自由端，设置有球头连接结构。切割环3通过该三个球头连接结构与伸缩平移气缸4连接，从而将定位环1与切割环3连接。通过三个伸缩平移气缸4的移动，可调节切割环3与管道p的角度，实现不同坡口角度的切割。在切割环3上，设置有刀座5，刀座5安装有朝向切割环3径向内部的刀具7。刀座5通过设置于切割环3内的旋转驱动结构（未示出），可以沿切割环3旋转，绕着管道p的外周进行旋转运动，该旋转驱动结构为常规的电机驱动环形齿轮结构，刀座5安装于内圈齿轮结构上，通过电机驱动内圈齿轮，实现刀座5绕切割环3的转动。通过旋转驱动结构，实现刀座5上刀具7对管道外周的环向切削，最终完成管道的切割工作。在刀座5朝向管道p侧的表面上，还设置有激光测距传感器8，该激光测距传感器8一方面可以检测刀具7进入管道p表面的径向距离，一方面可以检测刀座5的空间位置，用于对刀座5的位置
进行控制。在刀具7与刀座5之间，还安装有高频直线电机6。该高频直线电机6可以驱动刀具7沿切割环3径向方向高频往复运动，进而实现刀具7的径向进给。
14.以上切管机结构试用于绝大多数管道的切割工况，但是，针对本技术所要解决的切割厚壁碳纤维管道的技术问题，本技术还针对上述环切式切管机驱动刀座5及刀具7部分进行了改进。如图2所示，在刀座5上设置有刀具转换座9，该刀具转换座9为常规的马达直驱式主轴转动机构，刀具转换座9与刀座5之间通过一根可以通过马达驱动转动的主轴连接，实现刀具转换座9相对于刀座5的转动。在刀具转换座9上，设置有用于切割碳纤维管道的两组刀具，分别为旋转锯片刀具71和激光切割头72。通过刀具转换座9的转动，可以分别将旋转锯片刀具71和激光切割头72径向对准管道的中心。旋转锯片刀具71可以做在旋转电机驱动下通过锯片的高速转动完成对管道材料的去除。在旋转锯片刀具71和激光切割头72与刀具转换座9之间，分别设置有第一高频直线电机61和第二高频直线电机62，分别用于对旋转锯片刀具71和激光切割头72的径向进给。此外，在管道环切位置，还设置有吸尘装置（未示出），该吸尘装置为现有技术中的负压吸尘装置，负压吸尘口正对切割位置，该吸尘装置可以对切割过程中在管道外部产生的粉尘进行收集。
15.对于一些大直径壁厚较大的碳纤维材料构成的管道，如果采用锯片切割，会产生大量碳纤维粉尘，这种碳纤维粉尘不易清洁，尤其是对进入管道内部的粉尘，无法进行有效的清洁检测；而采用激光切割，对于壁厚较大的碳纤维管道，激光烧蚀会导致切口位置形变严重，增加后续打磨加工难度，同时会降低碳纤维管道的强度。因此，针对以上技术问题，本技术采用如下步骤实现厚壁碳纤维管道的切割。如图3-4所示，为本技术切割碳纤维管道的步骤示意图。
16.s1：对待切割管道两端进行封堵，将切管机定位环安装于管道上，并通过调整伸缩平移气缸使切割环与管道形成待切割角度θ，并转动刀具转换座使旋转锯片刀具径向对准管道中心；s2：驱动旋转锯片刀具转动同时驱动高频直线电机径向进给，使旋转锯片刀具沿管道径向切割；s3：当激光测距传感器检测到旋转锯片刀具的径向进给切削至距离穿透管道壁仅剩一层薄层时，停止旋转锯片刀具的径向进给，然后驱动刀座沿切割环转动一周，使旋转锯片刀具完成对管道一周的材料去除；s4：转动刀具转换座使激光切割头径向对准管道中心，开启激光切割头同时驱动刀座沿切割环转动一周，使激光切割头完成对管道壁最后一层薄层的切割，从而完成管道的切管工作。
17.根据以上的切管机结构和切管步骤，环切切管机同时采用锯片切割和激光切割，旋转锯片以及激光切头安装在一个转换器上，在进行大壁厚的碳纤维管道切割时，首先采用锯片环切，去除切割位置大部分材料，仅保留最后一层碳纤维，然后自动更换成激光切割头，使用激光切割头环切下最后一层剩余的碳纤维层。在采用锯片切割时，封堵管道端部，在锯片边设置有吸尘装置。通过以上工艺和切管机结构，可以使厚壁的碳管大部分通过锯片切割，提高了切割效率，减小可切割变形，同时由于切割剩余一薄层的碳纤维，所以粉尘不会进入碳纤维管道内部，且粉尘可以直接被吸尘器吸走；而剩余最后一层薄层被激光切头切割，最大化的降低了激光切割对管道端头形变量的影响。
18.在上述步骤的步骤s3中，涉及了要通过激光测距传感器检测旋转锯片刀具的径向进给切削至距离穿透管道壁仅剩一层薄层。由于环切装置定位以及制造等的误差，如果仅采用通过激光距离传感器设定锯片切割深度的方案留下薄层，会有误穿透的可能，因此，除了对锯片的切割深度进行设定留下薄层外，本技术还对防止锯片误穿透的控制方式进行了设计。
19.如图5所示，为本技术采用的旋转锯片切深控制结构示意图。该控制系统包括控制器10、激光距离传感器8、旋转锯片刀具71对应的高频直线电机61。其中控制器10根据切割工作环境的要求，选用tms370c系列单片机，其可以提供实时系统控制，同时具有低工作功耗、宽工作温度范围、噪声抑制等优点。该控制器10分别与激光距离传感器8、旋转锯片刀具71对应的高频直线电机61连接。考虑到碳纤维管道在其长度方向属于一种硬脆性材料，在控制锯片径向进给时，摒弃现有技术中检测力、扭矩到达阈值停止进给的技术方案，针对锯片的径向进给运动，控制器10的输入不是力信号，改为是斜坡式的位置信号，该位置信号由激光距离传感器8提供，如图6所示，该斜坡位置信号其斜率等于所需的平移进给速度，设定一个径向进给的高频直线电机61的深度-时间参考信号（图6中实线部分），同时通过在锯片基座上设置光反射器，通过激光距离传感器8检测锯片上光反射器径向运动的实际深度-时间信号（图6中虚线部分），然后，通过比例控制器生成参考位置(xref)和由激光距离传感器8测量的位置(x)之间的差值（xerr）。由于锯片切入管壁过程中，锯片在刚接触管壁时，由于管壁的阻碍，必然会使上述的差值xerr增大，随着锯片的钻进，当锯片接近管壁内壁边缘时，由于整体管壁结构已经较为脆弱，锯片的径向进给速度必然增加，如图7所示，则上述差值xerr会突然降低。体现在xerr时域信号上就是其斜率先为正，在某一拐点a变为负。本发明的构思就是通过检测这一差值斜率拐点，然后停止径向的锯片进给，由此留下最后一层薄层。
20.以上工艺在锯片环切后会产生一圈薄层，当管道切割为正角度（切割截面为圆形）时，该薄层的厚度是一定的；但是当对管道进行成角度的切割时，切割截面对应成为椭圆形，为了保障该薄层的形成，同时保障薄层厚度的稳定性，就需要对刀具的进给量进行补偿。如图8所示，针对厚壁长直管道，当进行正角度切割时，且截面形状为圆形，此时虚线l所示的刀座5的环切轨迹为切割环的圆形轨迹，由于刀座5的轨迹与切割截面的均为圆形，因此，在进行步骤s3中“驱动刀座沿切割环转动一周，使旋转锯片刀具完成对管道一周的材料去除”这一操作步骤时，无需对刀具的径向位置进行补偿；而当对管道进行如图8所示的成角度切割时，切割截面为椭圆形，因此要求锯片刀具在切割时形成椭圆形的薄层，而此时刀座5的轨迹仍未切割环的圆形轨迹，因此，要求在进行锯片环切操作时，跟随刀座5的环切角度，随时对旋转锯片刀具的径向位置进行调整。为了保证上述径向刀具位置调整的准确性，使锯片环切后形成厚度均匀的椭圆形薄层，本技术还设置了刀具环切径向位置补偿系统。
21.该补偿系统包括控制器10、激光距离传感器8、旋转锯片刀具71对应的高频直线电机61以及设置于刀座5上的转角传感器11。如图9所示为该补偿系统示意图，如图10-11所示，为当对管道进行角度为θ的切割操作时，管道环切截面的形状示意图。上述补偿系统中，控制器10的输入端与激光距离传感器8和刀座5上的转角传感器11数据连接，输出端与旋转锯片刀具71对应的高频直线电机61数据连接。当进行步骤s3，停止旋转锯片刀具的径向进给时，此时激光距离传感器8会记录此时的进给距离d，同时将该进给距离d传输至控制器
10。当旋转锯片刀具71开始随着刀座5沿切割环转动一周过程中，刀座5上的转角传感器11会记录刀座5的转动角度β，此时控制器10会根据输入参数、进给距离d、刀座5的转动角度β建立补偿模型，随后，控制器10通过补偿模型对旋转锯片刀具71对应的高频直线电机61进行伸缩控制，实现对旋转锯片刀具71在环切过程中的径向位置补偿。
22.上述补偿模型的生成方法为：s31：控制器接受输入参数。所述输入参数包括管径r、壁厚d、切割角度θ、锯片半径r、刀座旋转半径r
刀座
。
23.s32：控制器接受激光距离传感器记录的进给距离d。
24.s33：计算薄壁壁厚x。根据图11所示的截面形位关系，薄壁壁厚：x=r
刀座-d-r-r+ds34：建立坐标系，生成锯片轨迹极坐标模型。所述极坐标系为原点o位于切割截面中心位置，极轴方向为原点指向环切初始位置的刀具径向方向，锯片轨迹极坐标模型为锯片环切形成椭圆形薄层过程中锯片旋转中心m的极坐标轨迹：s35：生成补偿模型。补偿模型为环切过程中，旋转锯片刀具71对应的高频直线电机61的伸缩量相比于进给距离d需要改变的长度s，根据图11所示的尺寸关系，s=d-（r-om）。
25.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。