技术领域
[0001] 本
发明属于
激光切割领域，具体涉及一种激光切管机及其管材夹紧控制方法。
背景技术
[0002] 在激光切割领域，为了便于对管材进行切割，通常需要通过使用卡盘将待切管材进行
定位，而后进行切割操作。
[0003] 目前，激光切管机卡盘夹紧的动
力源大多使用
气动，由
气缸驱动卡爪夹紧管材。由于管材无限旋转，所以气源必须通过环形的输气通道进入气缸。输气通道的密封显得极为重要，且密封为
动态密封，切割过程中要保压，技术难度很高。正因为如此，输气通道的密封成为气动卡盘的最大故障点。
[0004] 因此市面上也出现了电动卡盘，以避开使用气动卡盘所带来的输气通道动态密封和保压的问题，但是现有的电动卡盘为实现旋转功能和定位功能的并存，结构复杂，导致管材的定位误差较大，定位
精度低，难以在实现管材无限旋转的同时，进行准确定位、夹持管材。
发明内容
[0005] 针对
现有技术的上述不足，本发明提供一种激光切管机，以解决上述技术问题。
[0006] 第一方面，本发明提供了一种激光切管机，包括床身和电动卡盘，所述电动卡盘可移动安装在床身上；所述电动卡盘包括卡盘主体、卡盘旋转驱动装置和底座，所述卡盘主体和卡盘旋转驱动装置安装在底座上；所述卡盘主体包括轴体、安装板、卡盘驱动组件、卡盘传动组件和夹爪；所述轴体为两端开口的空心筒状结构，所述轴体上的一端安装有旋转
齿轮，所述旋转齿轮与卡盘旋转驱动装置连接；所述卡盘传动组件包括同步盘，所述同步盘安装在轴体远离旋转齿轮的一端；所述安装板安装在同步盘的外侧，所述夹爪可移动安装在安装板上；所述卡盘驱动组件通过卡盘传动组件与夹爪连接，所述卡盘驱动组件通过卡盘传动组件带动夹爪移动。
[0007] 进一步的，所述卡盘驱动组件包括
电机减速机、
小齿轮和扇形齿轮，所述小齿轮安装在电机减速机的
输出轴上，所述小齿轮与扇形齿轮
啮合，所述同步盘设置有多个扇叶，所述扇形齿轮安装在同步盘的扇叶上。
[0008] 进一步的，为实现对管材的准确夹持，提升管材自动
定心的精度，同时增强夹持管材的力度和准确度，所述同步盘包括第一同步盘和第二同步盘，所述第一同步盘和第二同步盘分别包括两个扇叶，所述第一同步盘和第二同步盘交错设置，所述扇形齿轮分别安装在第一同步盘和第二同步盘的扇叶上。
[0009] 为了方便对管材进行夹持，所述安装板的外侧安装有
导轨和
滑板，所述滑板与导轨滑动连接，所述夹爪安装在滑板上，所述滑板与卡盘传动组件连接。
[0010] 进一步地，所述拨叉通过拨叉安装轴可转动地安装在安装板与同步盘之间，所述拨叉为v型结构，所述拨叉安装轴位于拨叉的尖端，所述拨叉的两个分叉端分别安装有轨迹滚轮，所述滑板和同步盘上分别设置有与轨迹滚轮配合的腰型孔。
[0011] 进一步的，为便于对卡盘主体进行旋转驱动，同时消减夹持管材时同步盘转动引起的旋转齿轮转动影响、并实现正反双向驱动，所述卡盘旋转驱动装置包括第一
伺服电机、第一减速机、第一驱动齿轮、固定座和
惰轮，所述惰轮可转动安装在固定座上，所述惰轮分别与第一驱动齿轮和旋转齿轮啮合，所述第一伺服电机通过第一减速机与第一驱动齿轮连接。
[0012] 进一步的，为消除反向间隙，所述卡盘旋转驱动装置包括第一
法兰板、第一张紧条和第二张紧条，所述第一减速机通过第一法兰板安装在固定座上，所述第一张紧条安装在固定座上，所述第一张紧条通过
紧固件与第一法兰板连接，所述第二张紧条安装在底座的边缘，所述第二张紧条通过紧固件顶紧固定座。
[0013] 进一步的，为使电动卡盘适应工况，方便卡盘在床身上进行移动，所述电动卡盘包括卡盘移动装置，所述卡盘移动装置安装在底座上，所述底座通过卡盘移动装置可移动安装在床身上，所述床身上设置有与卡盘移动装置结构配合的导向装置。
[0014] 进一步的，所述卡盘移动装置包括第二伺服电机、第二减速机和第二驱动齿轮，所述第二伺服电机通过第二减速机与第二驱动齿轮连接，所述导向装置包括导向
齿条，所述第二驱动齿轮与导向齿条啮合。
[0015] 进一步的，所述卡盘移动装置包括第二法兰板和第三张紧条，所述第二减速机通过第二法兰板与底座连接，所述第三张紧条安装在底座上，所述第三张紧条通过紧固件与第二法兰板连接。
[0016] 其中，以上所述的电机减速机为电机和减速机的集成体或总称。为对电机进行精准控制便于进行管材夹持控制。作为优选，所述激光切管机包括控制单元、第一通讯模
块和第二通讯模块，所述第二通讯模块安装在电动卡盘上；所述控制单元包括电机初始参数录入模块、信息获取模块、运行距离计算模块、电机减速器动作计算模块、信息定时获取模块、信息发送模块和
制动模块；所述电机初始参数录入模块，用于设置电机参数；其中，所述设置电机参数包括对电机及卡爪做初始化设置；所述电机参数包括电机速度、电机
加速度、电机减速度、电机转一圈时的脉冲数。
[0017] 所述信息获取模块，用于获取电动卡盘的夹爪的初始
位置、管材尺寸、电机状态信息；所述电机状态信息包括电机
电流、电机状态、电机
编码器值；
[0018] 所述运行距离计算模块，用于计算夹爪运行至待夹持管材的运行距离l；
[0019] 所述动作计算模块，根据运行距离l、电机参数、电机与夹爪之间的传动关系计算出与运行距离l对应的电机转动圈数N，并根据电机状态信息发出电机动作指令；其中，所述电机状态包括运行状态、终止状态和报警状态。
[0020] 所述信息定时获取模块，用于配合信息获取模块定时获取第一通讯模块接收的电机状态信息；
[0021] 所述制动模块，用于判断夹爪的管材夹紧动作是否满足停止条件，当满足停止条件时，通过信息发送模块向第一通讯模块发送电机停运指令；
[0022] 所述第一通讯模块，用于接收控制单元发出的电机操作指令，并传送至第二通讯模块；用于接收第二通讯模块发送的电机状态信息并发送至控制单元；
[0023] 所述第二通讯模块，用于接收第一通讯模块发送的电机操作指令,控制电机动作；用于将电机状态信息发送至第一通讯模块。
[0024] 进一步的，第一通讯模块与第二通讯模块透传，作为优选，所述第一通讯模块采用AP模块，所述第二通讯模块采用WIFI模块，所述AP模块通过Wi Fi模块与数控系统电连接；所述WIFI模块通过交换机分别与电机电连接。
[0025] 本发明的有益效果在于：本发明提供的激光切管机，通过设置两端开口的轴体结构，使待加工的管材能够穿过轴体，轴体的一端安装旋转齿轮，旋转齿轮与卡盘旋转驱动装置配合能够带动轴体及整个电动卡盘进行周向旋转，通过对卡盘旋转驱动装置进行调控能够便于进行管材的圆周方向定位，轴体的另一端安装有同步盘和安装板，配合卡盘驱动组件和卡盘传动组件的设置，使管材能够被夹爪夹持固定，实现管材的轴向定位。
[0026] 采用该种设计能够实现电动卡盘的无极旋转和管材夹持的同步进行，同时夹持组件采用电动方式对管材进行夹紧，无气动卡盘密封问题的困扰。
[0027] 同时由于在轴体两端分别设置旋转齿轮和同步盘，使电动卡盘的夹持功能和旋转功能相对独立，二者互不干扰，避免了由于设备结构复杂导致电动卡盘定位误差大定位精度低的问题。
[0028] 第二方面，本发明提供了一种使用上述激光切管机的管材夹紧控制方法，包括以下步骤，
[0029] 1)设置电机参数；
[0030] 2)获取夹爪的初始位置、管材尺寸、电机状态信息；
[0031] 3)计算夹爪运行至待夹持管材的运行距离l；
[0032] 4)根据运行距离l、电机参数、电机与夹爪之间的传动关系计算出与运行距离l对应的电机转动圈数N；
[0033] 5)定时获取电机状态信息，并根据电机状态信息控制电机动作；
[0034] 6)判断夹爪的管材夹紧动作是否满足停止条件，满足停止条件时，控制电机停止运行，夹紧动作完成。
[0035] 进一步的，所述步骤6)中的停止条件包括位置停止条件和电流停止条件，在夹爪运行过程中，满足其中任一条件，即满足停止条件；所述位置停止条件为电机转动N圈；所述电流停止条件为，在夹爪移动过程中，获取的电机状态信息中的电机电流到达电流预设值。
[0036] 进一步的，在夹爪运行过程中，若获取的电机状态为报警状态，控制单元判断该报警状态是由回原点指令引起；如是由回原点指令引起，则发送指令使电机停止操作，且记录该点为电机原点；如不是回原点指令引起，则向电机发送复位指令，或发出
信号由工作人员人工处理。
[0037] 其有益效果在于:该种管材夹紧控制方法，将夹爪的动作转化为了电机的动作，通过对电机运行状态进行调控，能够精确控制夹爪的位置，操作人员可以根据工况使用电动卡盘对管材进行夹持，由于避免了使用气动夹紧方式所带来的输气通道动态密封和保压的问题，并可配合激光切管机的其他结构实现电动卡盘旋转功能和定位功能的并存，保证了管材的定位精度。
[0038] 本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
附图说明
[0039] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040] 图1是本发明电动卡盘立体结构示意图。
[0041] 图2是本发明卡盘主体的轴体结构示意图。
[0042] 图3是本发明卡盘主体的立体结构示意图(省略右侧滑板)。
[0043] 图4是本发明卡盘主体的主视结构示意图(省略安装板和右侧滑板)。
[0044] 图5是本发明卡盘传动组件结构示意图。
[0045] 图6是本发明卡盘旋转驱动装置结构示意图。
[0046] 图7是本发明卡盘移动装置与导向齿条的连接示意图。
[0047] 图中，100、卡盘主体；
[0048] 110、轴体，111、旋转齿轮；
[0049] 120、安装板，121、导轨，122、滑板；
[0050] 130、卡盘驱动组件，131、电机减速机，132、小齿轮，133、扇形齿轮，[0051] 140、卡盘传动组件，141、第一同步盘，142、第二同步盘，143、拨叉，144、拨叉安装轴，145、轨迹滚轮；
[0052] 150、夹爪；
[0053] 200、卡盘旋转驱动装置；
[0054] 201、第一伺服电机，202、第一减速机，203、第一张紧条，204、第一法兰板，205、第一驱动齿轮，206、惰轮，207、固定座，208、第二张紧条；
[0055] 300、卡盘移动装置；
[0056] 301、第二伺服电机，302、第二减速机，303、第二法兰板，304、第二驱动齿轮，305、第三张紧条；
[0057] 400、底座；
[0058] 500、导向齿条。
具体实施方式
[0059] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0060] 一种激光切管机，包括床身和电动卡盘，所述电动卡盘可移动安装在床身上，如图1所示，所述电动卡盘包括卡盘主体100、卡盘旋转驱动装置200和底座400，所述卡盘主体
100和卡盘旋转驱动装置200安装在底座400上。
[0061] 如图2至4所示，所述卡盘主体100包括轴体110、安装板120、卡盘驱动组件130、卡盘传动组件140和夹爪150；所述轴体110为两端开口的空心筒状结构，所述轴体110上的一端安装有旋转齿轮111，所述旋转齿轮111与卡盘旋转驱动装置200连接。
[0062] 所述卡盘传动组件140包括同步盘，所述同步盘安装在轴体110远离旋转齿轮111的一端；所述安装板120安装在同步盘的外侧，所述夹爪150可移动安装在安装板120上；所述卡盘驱动组件130通过卡盘传动组件140与夹爪150连接，所述卡盘驱动组件130通过卡盘传动组件140带动夹爪150移动。
[0063] 所述卡盘驱动组件130包括电机减速机131、小齿轮132和扇形齿轮133，所述小齿轮132安装在电机减速机131的输出轴上，所述小齿轮132与扇形齿轮133啮合，所述同步盘设置有多个扇叶，所述扇形齿轮133安装在同步盘的扇叶上。
[0064] 进一步的，为实现对管材的准确夹持，提升管材自动定心的精度，同时增强夹持管材的力度和准确度，如图2-4中以分别设置两个同步盘为例，具体的，所述同步盘包括第一同步盘141和第二同步盘142，同步盘沿轴体110的径向对称设置有两个扇叶，所述第一同步盘141和第二同步盘142交错设置，所述扇形齿轮133分别安装在第一同步盘141和第二同步盘142的扇叶上，从而避免了第一同步盘141和第二同步盘142之间的相互干涉。为增大对管材的夹紧力，第一同步盘141的两个扇叶处分别对应设置有卡盘驱动组件130，若选择仅在第一同步盘141的一个扇叶处设置卡盘驱动组件130，也能实现对第一同步盘141的驱动。
[0065] 所述安装板120的外侧安装有导轨121和滑板122，所述滑板122与导轨121滑动连接，所述夹爪150安装在滑板122上，所述滑板122与卡盘传动组件140连接。
[0066] 进一步的，如图5所示，所述卡盘传动组件140包括拨叉143、拨叉安装轴144和轨迹滚轮145，所述拨叉143通过拨叉安装轴144可转动地安装在安装板120与同步盘之间，所述拨叉143为v型结构，所述拨叉安装轴144位于拨叉143的尖端，所述拨叉143的两个分叉端分别安装有轨迹滚轮145，所述滑板122和同步盘上分别设置有与轨迹滚轮145配合的腰型孔。
[0067] 此外，为了最大限度的适应客户加工管材宽泛的规格，作为优选，所述卡盘驱动组件130采用伺服电机、蜗轮
蜗杆减速机和减速机法兰，伺服电机采用定位控制和
扭矩控制两种方式。当夹持
工件为薄壁管时，伺服电机采用定位控制的方式，避免薄壁管的夹持
变形；当夹持工件为大管(自身刚性较强的管)时，伺服电机采用扭矩控制的方式，输出很大的夹持力夹紧大管。
[0068] 其中，
蜗轮蜗杆减速机的减速比较大，能实现自
锁功能，当夹紧工件时，即使伺服电机1断电还能保持夹紧力不消失。
[0069] 减速机法兰两端的止口为偏心设置(两端止口不同心)，通过减速机法兰上的腰型孔设置，能够对安装位置进行调节，这样就可以调节小齿轮132啮合的反向间隙，提高传动的精度。
[0070] 当伺服电机采用定位控制的方式，可通过计算伺服电机的旋转
角度与夹持管材直径之间的关系对夹爪150的夹紧力进行控制。
[0071] 其中，以上所述的电机减速机为电机和减速机的集成体或总称。为对电机进行精准控制便于进行管材夹持控制。作为优选，所述激光切管机包括控制单元、第一通讯模块和第二通讯模块，所述第二通讯模块安装在电动卡盘上；
[0072] 所述控制单元包括初始参数录入模块、信息获取模块、运行距离计算模块、动作计算模块、信息定时获取模块、信息发送模块和制动模块；
[0073] 所述初始参数录入模块，用于设置电机参数；其中，所述设置电机参数包括对电机及卡爪做初始化设置；所述电机参数包括电机速度、电机加速度、电机减速度、电机转一圈时的脉冲数。
[0074] 所述信息获取模块，用于获取电动卡盘的夹爪的初始位置、管材尺寸、电机状态信息；所述电机状态信息包括电机电流、电机状态、电机编码器值；
[0075] 所述运行距离计算模块，用于计算夹爪运行至待夹持管材的运行距离l；
[0076] 所述动作计算模块，根据运行距离l、电机参数、电机与夹爪150之间的传动关系计算出与运行距离l对应的电机转动圈数N，并根据电机状态信息发出电机动作指令；其中，所述电机状态包括运行状态、终止状态和报警状态。
[0077] 所述信息定时获取模块，用于配合信息获取模块定时获取第一通讯模块接收的电机状态信息；
[0078] 所述制动模块，用于判断夹爪150的管材夹紧动作是否满足停止条件，当满足停止条件时，通过信息发送模块向第一通讯模块发送电机停运指令；
[0079] 所述第一通讯模块，用于接收控制单元发出的电机操作指令，并传送至第二通讯模块；用于接收第二通讯模块发送的电机状态信息并发送至控制单元；
[0080] 所述第二通讯模块，用于接收第一通讯模块发送的电机操作指令,控制电机的动作；用于将电机状态信息发送至第一通讯模块。
[0081] 进一步的，第一通讯模块与第二通讯模块透传，作为优选，所述第一通讯模块采用AP模块，所述第二通讯模块采用WIFI模块，所述AP模块通过Wi Fi模块与数控系统电连接；所述WIFI模块通过交换机分别与电机电连接。
[0082] 其管材夹紧控制方法如下，包括以下步骤，
[0083] 1)设置电机参数，对电机及卡爪做初始化设置；
[0084] 2)获取夹爪150的初始位置、管材尺寸、电机状态信息；
[0085] 3)计算夹爪150运行至待夹持管材的运行距离l；
[0086] 4)根据运行距离l、电机参数、电机与夹爪150之间的传动关系计算出与运行距离l对应的电机转动圈数N；
[0087] 5)定时获取电机状态信息，并根据电机状态信息控制电机动作；
[0088] 6)判断夹爪150的管材夹紧动作是否满足停止条件，满足停止条件时，控制电机停止运行，夹紧动作完成。
[0089] 所述步骤6)中的停止条件包括位置停止条件和电流停止条件，在夹爪150运行过程中，满足其中任一条件，即满足停止条件；所述位置停止条件为电机转动N圈；所述电流停止条件为，在夹爪150移动过程中，获取的电机状态信息中的电机电流到达电流预设值。
[0090] 在夹爪150运行过程中，若获取的电机状态为报警状态，控制单元判断该报警状态是由回原点指令引起；如是由回原点指令引起，则发送指令使电机停止操作，且记录该点为电机原点；如不是回原点指令引起，则向电机发送复位指令，或发出信号由工作人员人工处理。
[0091] 其有益效果在于:该种管材夹紧控制方法，将夹爪的动作转化为了电机减速机中电机的动作，通过对电机的运行状态进行调控，能够精确控制夹爪的位置，操作人员可以根据工况使用电动卡盘对管材进行夹持，由于避免了使用气动夹紧方式所带来的输气通道动态密封和保压的问题，并可配合激光切管机的其他结构实现电动卡盘旋转功能和定位功能的并存，保证了管材的定位精度。
[0092] 若不需要采用定位控制，而采用扭矩控制方式时，通过第一通讯模块输入电机转向、电机加速度以及预设电流值，第二通讯模块控制电机动作，在达到预设电流数值时停止电机动作，来实现对管材的夹持。
[0093] 具体的，伺服电机带动蜗轮蜗杆减速机旋转，从而带动小齿轮132旋转，使与小齿轮132啮合的扇形齿轮133带动同步盘转动，由于同步盘上设置有与轨迹滚轮145配合的腰型孔，在同步盘转动时，会带动拨叉143转动，使拨叉143另一端的轨迹滚轮145推动滑板122沿导轨121位移，使夹爪150朝靠近或远离轴体110轴心方向运动，以此来实现管材的夹持或放松。
[0094] 进一步的，为便于对卡盘主体100进行旋转驱动，同时消减夹持管材时同步盘转动引起的旋转齿轮111转动影响、并实现正反双向驱动，所述卡盘旋转驱动装置200包括第一伺服电机201、第一减速机202、第一驱动齿轮205、固定座207和惰轮206，如图1、图6所示，所述惰轮206可转动安装在固定座207上，所述惰轮206分别与第一驱动齿轮205和旋转齿轮111啮合，所述第一伺服电机201通过第一减速机202与第一驱动齿轮205连接。所述第一减速机202通过第一法兰板204安装在固定座207上，所述第一张紧条203安装在固定座207上，所述第一张紧条203通过紧固件与第一法兰板204连接，通过拉紧第一法兰板204消除第一驱动齿轮205与惰轮206之间的反向间隙，所述第二张紧条208安装在底座400的边缘，所述第二张紧条208通过紧固件顶紧固定座207，通过顶紧固定座207消除惰轮206与卡盘主体
100上旋转齿轮111的反向间隙。
[0095] 其中，采用惰轮206作为中间过渡的齿轮，并加以张紧条进行配合，消除卡盘旋转驱动装置200和卡盘主体100之间的反向间隙，提高了管材夹紧工作与电动卡盘旋转工作的适配度，降低了电动卡盘的周向定位和轴向定位相互之间的影响，保证了电动卡盘的定位精度。
[0096] 进一步的，为使电动卡盘适应工况，方便卡盘在床身上进行移动，所述电动卡盘包括卡盘移动装置300，所述卡盘移动装置300安装在底座400上，所述底座400通过卡盘移动装置300可移动安装在床身上，所述床身上设置有与卡盘移动装置300结构配合的导向装置。
[0097] 作为优选，所述卡盘移动装置300包括第二伺服电机301、第二减速机302和第二驱动齿轮304，所述第二伺服电机301通过第二减速机302与第二驱动齿轮304连接，所述导向装置包括导向齿条500，所述第二驱动齿轮304与导向齿条500啮合，第二伺服电机301通过第二减速机302驱动第二驱动齿轮304旋转带动电动卡盘在床身上移动。
[0098] 为了保证连接的平稳度，所述卡盘移动装置300包括第二法兰板303和第三张紧条305，所述第二减速机302通过第二法兰板303与底座400连接，所述第三张紧条305安装在底座400上，所述第三张紧条305通过紧固件与第二法兰板303连接，通过拉紧第二法兰板303消除齿条与第二驱动齿轮304之间的反向间隙。
[0099] 综上所述，本发明提供的电动卡盘，通过设置两端开口的轴体110结构，使待加工的管材能够穿过轴体110，轴体110的一端安装旋转齿轮111，旋转齿轮111与卡盘旋转驱动装置200配合能够带动轴体110及整个电动卡盘进行周向旋转，通过对卡盘旋转驱动装置200进行调控能够便于进行管材的圆周方向定位，轴体110的另一端安装有同步盘和安装板
120，配合卡盘驱动组件130和卡盘传动组件140的设置，使管材能够被夹爪150夹持固定，实现管材的轴向定位。
[0100] 同时由于在轴体110两端分别设置旋转齿轮111和同步盘，使电动卡盘的夹持功能和旋转功能相对独立，二者互不干扰，避免了由于设备结构复杂导致电动卡盘定位误差大定位精度低的问题。
[0101] 尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的
修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以
权利要求的保护范围为准。
