非接触式铸造锭的激光标刻设备、工作方法及模拟方法与流程

本发明涉及机械结构设计的技术领域，尤其涉及一种非接触式铸造锭的激光标刻设备，以及该设备的工作方法和模拟方法。

背景技术：

在有色金属生产企业中，铝锭是最常见的，其按国际标准设计，外形充分考虑到铝锭的运输问题，在堆垛中所有的铝锭都是相互咬合的(如图1所示)。自动机器人进行码垛时，在堆垛的底层铝锭是同向放置，保证底层的平整，这样做方便打捆和叉运，其余层的铝锭按照形状正反方式咬紧，相邻两层的铝锭互成90°放置。铝锭堆垛上被标刻面的位置位于整个铝锭堆垛最上层的右侧面。

非接触式铸造锭的激光标刻设备的机构设计根据金属铸造锭位姿误差补偿的需求而设计。非接触式铸造锭的激光标刻设备是有色金属生产线中的一个必要设备。该设备主要作用是对有色金属铸造锭出厂前自动激光标刻和记录有色金属铸造锭信息。

根据现场铝锭堆垛的实际高度范围和实际的位置偏差，确定非接触式有色金属铸造锭激光标刻装备的外形尺寸，同时铝锭堆垛是在生产运输线上运输的，需要另外在该设备的高度上加装底座，以满足高度需要。传统的铝锭激光专用自动标刻装备，其缺点是：无法实现垂直对焦、自动定位和自动标刻的功能。

技术实现要素：

为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种非接触式铸造锭的激光标刻设备，其能够实现垂直对焦、自动定位和自动标刻的功能。

本发明的技术方案是：这种非接触式铸造锭的激光标刻设备，其包括：三向进给系统、直线机构、摆台(7)、激光标刻单元、三维线激光扫描仪(10)、整机底座(12)；

三向进给系统包括x向进给系统、y向进给系统、z向进给系统，直线机构对应地包括x轴执行机构(1)、y轴执行机构(3)、z轴执行机构(2)，三向进给系统分别驱动对应的直线机构，其中x向进给系统、z向进给系统、x轴执行机构、z轴执行机构在整机底座上，y向进给系统、y轴执行机构垂直于整机底座；

摆台与y轴执行机构连接并进行上下左右方向的摆动，激光标刻单元包括激光标刻头(8)和激光标刻头支架(9)，激光标刻头通过激光标刻头支架固定到摆台，三维线激光扫描仪固定到激光标刻头支架。

本发明通过三维线激光扫描仪扫描铸造锭的表面情况，经过摆台旋转找到铸造锭平面的垂直方向，通过x向进给系统、y向进给系统、z向进给系统进行对焦，完成标刻，从而该设备能够实现垂直对焦、自动定位和自动标刻的功能。

还提供了非接触式铸造锭的激光标刻设备的工作方法，该工作方法包括以下步骤：

(1)滚珠丝杠副在安装时通过滚珠丝杠轴肩处安装垫片进行定位预紧；

(2)通过三维线激光扫描仪扫描铸造锭的表面情况；

(3)通过平面方程计算铸造锭平面的法向量，经过摆台的a、b轴旋转找到铸造锭平面的垂直方向；

(4)通过x向进给系统、y向进给系统、z向进给系统联动实现标刻面的定位与对焦，完成标刻。

还提供了非接触式铸造锭的激光标刻设备的模拟方法，该模拟方法采用有限元分析法，其包括：y轴滚珠丝杠副的有限元分析、摆台支架的有限元分析、y轴执行机构的有限元分析。

附图说明

图1示出了各铝锭之间布置图。

图2示出了根据本发明的非接触式铸造锭的激光标刻设备的整体结构示意图。

图3示出了根据本发明的非接触式铸造锭的激光标刻设备的摆台的一个优选实施例。

图4示出了有限元分析法的流程图。

具体实施方式

如图2所示，这种非接触式铸造锭的激光标刻设备，其包括：三向进给系统、直线机构、摆台7、激光标刻单元、三维线激光扫描仪10、整机底座12；

三向进给系统包括x向进给系统、y向进给系统、z向进给系统，直线机构对应地包括x轴执行机构1、y轴执行机构3、z轴执行机构2，三向进给系统分别驱动对应的直线机构，其中x向进给系统、z向进给系统、x轴执行机构、z轴执行机构在整机底座上，y向进给系统、y轴执行机构垂直于整机底座；

摆台与y轴执行机构连接并进行上下左右方向的摆动，激光标刻单元包括激光标刻头8和激光标刻头支架9，激光标刻头通过激光标刻头支架固定到摆台，三维线激光扫描仪固定到激光标刻头支架。

本发明通过三维线激光扫描仪扫描铸造锭的表面情况，经过摆台旋转找到铸造锭平面的垂直方向，通过x向进给系统、y向进给系统、z向进给系统联动实现标刻面的定位与对焦，完成标刻，从而该设备能够实现垂直对焦、自动定位和自动标刻的功能。

优选地，所述x向进给系统、y向进给系统、z向进给系统均包括滚珠丝杠副、伺服电机。

进给传动系统在各种机床上较为常见。在相关设备上，常见的机械传动装置的形式主要有3种：齿轮齿条传动机构、滚珠丝杠机构和直线电机机构。三种机构各有优缺点：

齿轮齿条传动机构：承载能力强、使用时间长，但是缺点也很明显，比如制造、安装要求误差很小、易于磨损等。

滚珠丝杠机构：传动效率高、定位精度高、效率高、噪声低、适合往返短距离运动，而且都是滚动摩擦，摩擦阻力小，缺点是成本高。

直线电机机构：结构简单、精度高、加速度大、方便维护，但是它的耗电量大，高速运动时容易引起共振。

针对非接触式铸造锭激光标刻装备的使用环境和精度需求，本文的进给传动系统选择滚珠丝杠副。

要满足铸造金属锭激光标刻装备的性能要求，该设备的进给系统必须有足够的加速能力和对速度有较好的调控能力，而且滚珠丝杠的精度影响标刻结果，所以需对滚珠丝杠进行计算选型。

当铸造金属锭激光标刻装备在合适的速度范围内进行运动时，进给系统承受的载荷主要是来自其驱动物件摩擦力的反作用力，即滚珠丝杠的轴向负载，因此这就需要电机通过无级变速使其在不同的速度范围内，都能产生恒定的驱动扭矩，保证系统的平稳运行。

为了实现铸造金属锭激光标刻装备的定位精度和良好的调控性能，该设备采用的是机械传动链最少的滚珠丝杠与伺服电机直连的驱动结构，这样既可以实现上述功能，又可以减少摩擦、减少整个机构的磨损和传动误差。

优选地，所述滚珠丝杠副的型号是sfu2510-4。

优选地，在所述滚珠丝杠副的轴肩上安装垫片。

非接触式铸造锭激光标刻装备的水平方向的滚珠丝杠轴向承受的载荷主要是来自所驱动的部件的摩擦力，径向除了自身的重力外，几乎没有别的负载。而竖直方向的滚珠丝杠轴向承受的载荷主要其上带动的摆台的重力、滑块和滚珠丝杠预紧产生的摩擦力，径向几乎也没有载荷，因此，对三个滚珠丝杠在两个固定端的支撑轴承的要求较高，主要是支撑轴承的轴向定位精度和轴向刚性两个量，滚珠丝杠作为机械传动部件中最为常用的部件，在工作时一定会发生因为自身发热而导致定位精度发生变化，所以为了滚珠丝杠热变形不影响丝杠的定位精度，提高整个传动系统的传动精度，必须在安装时候就对滚珠丝杠进行加载预紧力来抵消这部分误差，这几个量已经在前面的计算中校核。预紧力已经计算出具体值，所选的支撑轴承满足实际要求。

在滚珠丝杠中常用的预紧方法有定位和定压预紧，定位常用的方法是调整轴套或垫片的厚度，或者是利用安装时就调好预紧量大小的轴承来完成。定压预紧常用的方法是使用一些带有弹性的元件，比如弹簧之类的元件，但是这类元件明显的缺点是刚性小的多，而且随着多次使用，会有明显的变形，这对定位精度要求高的标刻系统是肯定不行的，所以本文的非接触式铸造锭激光标刻装备滚珠丝杠采用的是在滚珠丝杠轴肩处安装垫片进行定位预紧，垫片有较好的刚性，定位精度也较高。同时在制作滚珠丝杠时，滚珠丝杠的实际长度应该是公称长度减去由于发热而产生的热位移量，这样在安装丝杠时，通过预紧力的预拉伸使滚珠丝杠达到要求长度，当有热位移时，预拉伸量就会抵消热位移量，从而不会产生误差或者误差较小。

综上所述，非接触式铸造锭激光标刻装备的滚珠丝杠进给系统采用的是调整垫片厚度进行安装预紧。丝杠固定结构应该准确地实现预拉伸量，本机构采用的是通过调整垫片的厚度来实现预拉伸量，实现预紧固定的功能。

优选地，所述y轴执行机构具有y轴执行机构底座11，其安装在z轴执行机构上，z轴执行机构安装在x轴执行机构上，x轴执行机构安装在整机底座上。

优选地，所述y向进给系统的y轴伺服电机5通过联轴器4与y轴执行机构连接，所述x向进给系统的x轴伺服电机通过联轴器与x轴执行机构连接，所述z向进给系统的z轴伺服电机通过联轴器与z轴执行机构连接。

优选地，所述摆台包括：摆台支架71、相互垂直的a轴72、b轴73，a轴、b轴安装在摆台支架上，a轴绕x轴旋转，b轴绕y轴旋转，摆台支架围绕a轴、b轴旋转来找到铸造锭平面的垂直方向，a轴通过a轴伺服电机驱动，b轴通过b轴伺服电机6驱动。

对于非接触式铸造锭激光标刻装备来说，最大的特点就是除了x、y、z三个直线进给系统外，还有一个两轴旋转的摆台，其上的两个轴即a、b轴。通过x、y、z、a、b五轴联动即可实现对不同位姿的有色金属铸造锭垂直对焦，双轴摆台的采用高强度材料，结构稳定，可以稳定的实现对激光标刻头的安装，采用精确稳定的伺服电机来驱动两个轴，通过编码器构成半闭环控制，实现对激光标刻镜头位置精确控制。另外在摆台上还安装三维线激光扫描仪，能对有色金属铸造锭表面进行扫描。

非接触式铸造锭激光标刻装备的主要参数有：x、z向行程440mm，y向行程800mm，摆台上a轴摆角约±15°，b轴的摆角约±30°，x、y和z轴机构重量为48.889kg、66.823kg和39.060kg，整个主体结构的重量约177.7kg。

优选地，该设备还包括机柜，其设置在整机底座的后方。在没有平衡器的情况下，实际使用时，电机进行升降和水平运动的动作可能会造成整个机构的倾倒，所以使用激光标刻设备的控制设备和安装控制设备的机柜来平衡整个设备，既保证了平衡，又避免了配置额外的配重设备。

还提供了非接触式铸造锭的激光标刻设备的工作方法，该工作方法包括以下步骤：

(1)滚珠丝杠副在安装时通过滚珠丝杠轴肩处安装垫片进行定位预紧；

(2)通过三维线激光扫描仪扫描铸造锭的表面情况；

(3)通过平面方程计算铸造锭平面的法向量，经过摆台的a、b轴旋转找到铸造锭平面的垂直方向；

(4)通过x向进给系统、y向进给系统、z向进给系统进行联动实现标刻面的定位与对焦，完成标刻。

还提供了非接触式铸造锭的激光标刻设备的模拟方法，该模拟方法采用有限元分析法，其包括：y轴滚珠丝杠副的有限元分析、摆台支架的有限元分析、y轴执行机构的有限元分析。

非接触式铸造锭激光标刻装备的主要结构有限元分析是在autodeskinventor内置的ansys有限元分析模块下进行的，它能与大多数三维模型软件兼容，它的功能是将一个完整的零件或者机构，由连续系统转换为有限元系统，即离散系统。使得数学问题大大简化，减少不必要的实验台搭建，节省成本，这种计算简单通用，如今已经在很多地方得到运用。

(一)y轴滚珠丝杠的有限元分析

在非接触式铸造锭激光标刻装备滚珠丝杠运动时，竖直y轴滚珠丝杠驱动摆台向上运动，相对于其他两轴，在y轴的滚珠丝杠上承受的轴向载荷是最大的，而且长度最长，所以如果对y轴滚珠丝杠进行有限元分析的结果是安全的，则可以保证其它两个滚珠丝杠也是的安全。

因为摆台向上运动时，滚珠丝杠受的力来自滚珠丝杠副传来的滑块滚动摩擦力和整个摆台的重力，径向受力小，忽略不计，所以将摩擦力和摆台重力加载到丝杠轴向并选择滚珠丝杠最薄弱的中间位置进行应力分析。

具体的分析结果见表1中。可以看出最大的位移量仅为2.964×10^-3mm，对于标刻对焦要求的±1.5mm有效范围影响很小，精度度达到要求，而且最大应变1.111×10^-5ul，表明设计应力远小于45号钢的许用应力，所以可靠稳定。

表1

(二)摆台支架有限元分析

摆台支架起着支撑整个摆台的作用，对寻找有色金属铸造锭表面的垂直方向有着至关重要的作用，必须对其做有限元分析。摆台主要的受力来自其自身和其上的伺服电机、线激光扫描仪和激光标刻头等相关元件的重力。

具体的结果见表2中。最大位移量是1.828×10^-3mm，对激光标刻的影响小，满足标刻要求。最大等效应变值为6.829×10^-6ul表明设计应力远小于q235-a的许用应力，同时安全系数大于1，所以安全可靠。

表2

(三)y轴执行机构的有限元分析

非接触式激光标刻装备的y轴执行机构，其上面安装有摆台系统，其变形对摆台的位姿有大的影响，而摆台位姿决定了标刻效果，同时必须保证其安全性，因此必须对y轴执行机构做有限元分析。

y轴执行机构受的最大载荷是伺服电机在运动开始和结束时的加减速产生的，经查的z轴伺服电机的刹车时间是0.07s，其驱动的质量主要包括上下直线机构组件、摆台组件等，质量为62.004kg，经计算最大的载荷是442.855n。在其最薄弱的最上面做分析可以保证其他情况的精度和安全。

具体的分析结果见表3中。最大的位移为0.226mm，实际实验中发现，对激光标刻的影响小。而且这个位置是影响最大的位置，一般不会到达最高处标刻。最大等效应变值小于1，安全系数大于1，所以安全。

表3

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。