用于使用龙门式板材切割机来处理包括通用梁的所有长钢材的等离子体机器的方法和系统的制作方法

文档序号:9492880阅读:893来源:国知局
用于使用龙门式板材切割机来处理包括通用梁的所有长钢材的等离子体机器的方法和系统的制作方法
【专利说明】用于使用龙门式板材切割机来处理包括通用梁的所有长钢 材的等离子体机器的方法和系统
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年2月15日提交的美国专利申请号61/765, 553的优先权,其 公开内容通过参考方式并入本文。
技术领域
[0003] 本申请涉及板材切割领域,更具体地,涉及处理用于钢材构造的长钢材领域。
【背景技术】
[0004] 长材的实例以剖面形式显示在图2中,并且,其包括多种形状,从传统的I型梁 (210)到槽型(215)、等角型(220)、不等角型(230)、乳制空心截面型(RHS,240)、扁平型 (250)、T型等。每种长材也可包括其许多变形。长材的处理通常包括锯切和钻孔。管材260 和乳制空心截面型240可利用等离子体机器处理。为了便于说明,以下对本系统和方法的 描述将主要关于梁的处理,但本领域的普通技术人员在阅读并理解本申请后,可理解本系 统和方法也适用于其他长材。
[0005] 在梁的处理中,可在钻孔的之前或之后使用圆锯或带锯对梁进行切割。还可使用 大型转孔机钻出螺孔,稍后可能需要其用于结构的组装。通常,在处理过的梁中钻孔是便宜 的,因此许多传统系统对钻孔机使用手动定位。在这种传统过程中,根据印刷图纸进行工作 的熟练布局技工首先要花费约一个多小时的技工时间对所有的钻孔位置进行标记。之后再 进行钻孔和切割。多种专用钻孔机和锯子可用于钻孔和切割。专用钻孔机的变形包括但 不限于,"梁生产线(beam line)"钻孔机,"角生产线(angle line)"、具有钻头的"板生产 线(plate line)","扁平条烧制器(flat bar burner)"。这种机器的附加处理流程可包 括:氧气割炬(torch) "模切(coper)"成形末端,标记机指示沿梁的点,以及使用"硬盖戳 机(hard stamper)"将刻字深深地冲压进钢材中以对梁进行识别。传统的锯子的尺寸、价 格及能力可以变化。有些锯子只能直角地切割,但其他锯子能以一定角度切割,称为"斜切 (mitre) ",其对以角度切换的木材、塑料或其他材料具有相同的含义。该锯子通常只能从直 角切割的一个方向中斜切,因此需要谨慎地定位梁。在下文的讨论中,本发明的系统和方法 能通过消除标记梁及长材所需的时间和资源、在钻孔机和锯子之间切换所需要的过量处理 时间及纠正人工误差所花费的巨大成本,有利地实现显著的生产力提高。在错误位置的一 个钻孔或上下颠倒的斜切会使昂贵的梁变成废品。
[0006] 用于切割及钻孔的最大最昂贵的传统自动机器是梁生产线。这种机器一般以生产 线方式,在升高的辊式传送带上围绕工厂移动梁,并且随后馈送梁到钻孔机,并且随后到锯 子中。这种工厂覆盖很大面积,且通常仅用于为大型钢结构进行大体积的重复切割。
[0007] 如图2所示的长材的可能的截面数量导致存在来自相对有限数量的国际制造商 如Peddinghaus、Wagner、Fichep、Daito等的一系列不同且通常互不兼容的专用自动机器。 较便宜的机器通常只能处理一种截面类型,如角生产线220、230或用于部分250的扁平条 烧制器。而对梁进行处理所需要的机器的成本可能还会受到梁的尺寸的影响,因此以上所 述的机器还可能具有不同的尺寸及不同的价格和能力。
[0008] 除了 1970年代初数控(NC)技术的出现以外,本领域技术在20世纪只有很小的变 化。而通常并没有普遍接受的或标准的NC编程语言,并且每个机器与另一个机器不同,即 使当这种机器来自一个制造时。例如已知独立的梁生产线具有多达12个独立的可编程轴, 并且钻孔机、止动件、夹具、探头的物理布局的变化无穷,这使NC编程尤其繁杂。
[0009] 与此同时,对于更多功能的需求在增长,并且更多的处理功能被加入机器,其实质 上变成为强大的多轴钻孔机。等离子体或氧气割炬被加入钻孔机以用于模切、穿透、梁分割 及其他应用。然而,每个增加的功能会带来其各自的实际问题,且每个功能从一个机器到另 一个机器通常以不同的方式实现,这增加了原本已十分困难的编程的复杂度,并且超出了 本领域内一般技术人员的能力范围。
[0010] 大部分自动化机器(除带锯及冷锯之外)主要为非常大型的钻孔站,而许多这种 机器还进一步包括复杂系统以集成产品处理,包括液压器、止动件、探头以及在左、右和上 方的三个主方向上的钻孔机集合。这些附加的复杂系统相应给机器编程增加了更复杂的排 序问题。虽然这些专用机器的最终生产率一般对于高度重复的多层建筑中的大体积而言足 以证明该机器的非常高的价格是合理的,但是许多公司和国家仍无法负担操作这种机器的 费用和资源。这种机器在世界各地的生产数量很低,可能只有一些最大型的机器位于人口 超过百万的城市中。
[0011] 此外,鉴于功能和布局的变化大,所以每个大型机器都需要唯一的编程软件以匹 配其功能。但是这种软件通常只具有很短的寿命。虽然已知机器自身由于它们机器沉重的 构造而具有以十年为单位来测量的实际服务寿命,但是,已知用于操作这种机器的软件很 快就不再受支持,尤其是飞速变化的计算机时代。到目前这个软件问题仍未得到改善,而在 建筑结构界梁处理的广泛自动化中该领域也未见改进。
[0012] 除了上述手工钻孔和梁生产线以外,已知在梁处理中偶尔使用冲压机器。冲压机 器可用创建螺孔,但被冲压变形的梁区域需要额外的人工资源对形变进行铰除和处理。
[0013] 该领域内一个最近的变化是建立标准描述语言对长材进行描述,该语言于1998 年由德国 DSTV 委员会得出,也被称为 DSTV(STANDARD DESCRIPTION FOR STEEL STRUCTURE PIECES FOR NUMERICAL CONTROLS,数控用钢结构件标准描述)。2007年公布了进一步的标 准,该标准将计算机格式改为较新的XML格式,并得出描述长材的至少一种参考语言。该语 言也包括用于需要的地方的焊接制备的简单倒角,并且可用于描述部分长材。然而该标准 描述的建立本身并不能解决基本应用的编程问题,因为这些新的DSTV文件是仅通过用于 设计整个建筑物的昂贵的大型CAD系统创建的。
[0014] 直到2005年为止,由于对烧孔周围热效应区的关注,火焰切割机未被用于处理螺 孔。火焰切割机影响所切割的梁的冶金,并且已知火焰切割机与现代等离子体切割相比,对 材料的穿透速度非常缓慢,即几分钟与几秒的差别。因此,钻孔仍是必需的。钻孔机利用大 的重量施加大的力,因此这种钻的操作需要坚固、巨大、沉重和昂贵的机器。梁自身可能也 非常沉重,通常重达数吨。为了证明该成本是合理的,必须实现生产率的极大提高,而为此, 需要自动输送系统以及大型厂房。只有极少数人能负担这种自动化。世界范围内这种机器 数量都非常少,而对编程必需的支持软件很快变得过时和不受支持。在一些传统应用中,已 知本领域的专业技术人员将梁数据直接手工输入自动化钻孔机器中。但是本领域普通技术 人员并不具有对不同的机器进行手工输入的能力。
[0015] 2005年,美国钢结构设计协会AISC规范第M2. 5节宣布,除等离子体割孔外,还批 准使用等离子体和火焰切割处理螺孔,这是等离子体技术发展的直接结果。例如,等离子体 孔的倾斜已降至4度以下,而改进的光滑度也实际优于标准的最小要求。而且,创建可接受 的孔所需时间是以秒而不像非传统钻孔方式处理时间以分钟测量的。利用计算机控制,可 快速制造包括圆形螺孔在内的几乎任何尺寸形状的孔。尽管这种等离子体/火焰切割已经 开始取代手工钻孔,但一些具有严格孔尺寸和形状的结构仍需使用传统方式钻的孔。这种 结构包括,但不限于,诸如塔和桥等连续地弯曲的结构。
[0016] 已经至少有一家公司开始着手生产使用等离子体处理螺孔的机器。这些机器的 外观和工作方式与传统的梁生产线概念十分相近,其中通过工作单元在生产线或辊中输送 梁,并且完全利用使用等离子体割炬处理梁。一个这种实例是Burlington Automation的 "Python-X"。Python-X利用普通商业工业用6轴机器人臂保持现代标准高精度260安等离 子体割炬,该割炬可执行以前由不同工具执行的许多功能。Python-X可取代多达七种独立 的机器,而它的单个等离子体割炬可制造多种直径的孔,同时还能锯、硬盖戳、标记线条、切 割小附件、处理斜面以及焊接坡口。根据容易得到的Python-X的宣传材料,Python-X使用 典型梁生产线钻孔机和锯子的占地面积的百分之二十,需要其处理时间的百分二十,并且 成本最多是其百分之二十,并且生产由AISC(美国钢结构设计协会)批准用于结构接头的 尚品质螺孔。
[0017] Python-X机器是传统的梁生产线钻孔机的发展,其利用工作中心概念和推动或拉 动梁以对其进行处理的系统。虽然这种机器包括许多创新,且其发展证明了等离子体割炬 能正确对长钢材产品进行服务、成形、钻孔及标记,但是在处理步骤中将梁馈送入固定机器 的梁生产线方式仍然严格的限制。换言之,机器通常固定的,而将梁(长材)移动经过该机 器。
[0018] 由于类似Python-X的机器是可NC编程的,因此无需任何手工编排可直接根据计 算机文件进行处理,由此处理每根梁可节省熟练工人约一个小时的时间,同时还消除了人 工误差。本文所描述的系统和方法虽然利用了这种机器的实用性以及现代等离子体割炬的 创新性,但其基于如下文所解释的本质上不同的发明概念。换言之,本系统和方法不仅仅重 建了梁生产线的概念。

【发明内容】

[0019] 这里所述的发明利用了等离子体割炬技术,而且还采用了截然不同的方法进行处 理和操作,其中梁并不移动而是相对于固定的梁来移动机器。通过在标准2轴(XY)龙门切 割机(如图1)上添加2轴(AZ,其中A在YZ平面中倾斜)割炬或3轴(ACZ,其中割炬的方 向由方位角C定义并且从垂直的A倾斜,如图4中所示的)动臂斜角头部(图3),相对于标 准龙门板材切割机器可以用很少或零附加成本地执行该功能。这些改进消除了位置固定的 机器人臂的有限延伸的问题,同时显著减少了通过工作中心移到梁所需的设备数量。根据 本申请,当处理时无需附加设备来移动梁,并且割炬保持器的结构也无需是关键的,只要能 至少沿AZ轴并且优选地沿AC及Z轴操作割炬。一些附图示出了 FastCAM三轴动臂割炬保 持器,以示出本系统和方法的工作实施例。
[0020] 在一个实施例中,一种在包括龙门、切割床和用于保持切割炬的龙门的数控机器 上处理长材的方法包括当利用切割炬切割在切割床上的静止长材的同时,在长材的上方移 动龙门以处理长材的方法。切割炬能够相对于用于限定长材的尺寸的任意坐标系统,在至 少X、Y及Z轴方向中移动。
[0021] 在一个实施例中,一种处理长材的系统包括:机床;用于保持切割炬的龙门;用于 切割机床上的静的长材的切割炬;数控机器,其包括用于控制龙门和切割炬相对机床的移 动的NC控制器;以及用于在通过切割炬在长材上执行切割工作时在长材和机床的纵向方 向中保持长材固定在机床上的装置。龙门可在纵向方向中沿床身和长材的实质长度移动。
[0022] 本发明龙门的概念对于钻孔机、模切机、锯子、硬盖戳器、标记器等的所有功能提 供使用等离子割炬的所有优点,但存在巨大的差异:本实施例能在购买具有斜角头部的普 通大型龙门等离子体切割机之后以很少(如果存在的话)的附加成本实现基于固定工作 单元的机器人臂的所有优点。虽然Python-X机器广告宣称可替换包括小型板材切割机 在内的七种不同的机器,但本实施例能有利地实现全尺寸板材切割机。而即便使用类似 Python-X的机器,通常也仍然需要这种大型板材处理机器,而本实施例完全不需要特定的 梁处理机器。
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