用于使用龍門式板材切割機來處理包括通用梁的所有長鋼材的等離子體機器的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于使用龍門式板材切割機來處理包括通用梁的所有長鋼 材的等離子體機器的方法和系統(tǒng)
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2013年2月15日提交的美國專利申請?zhí)?1/765, 553的優(yōu)先權(quán)，其 公開內(nèi)容通過參考方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本申請涉及板材切割領(lǐng)域，更具體地，涉及處理用于鋼材構(gòu)造的長鋼材領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0004] 長材的實例以剖面形式顯示在圖2中，并且，其包括多種形狀，從傳統(tǒng)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。每種長材也可包括其許多變形。長材的處理通常包括鋸切和鉆孔。管材260 和乳制空心截面型240可利用等離子體機器處理。為了便于說明，以下對本系統(tǒng)和方法的 描述將主要關(guān)于梁的處理，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀并理解本申請后，可理解本系 統(tǒng)和方法也適用于其他長材。
[0005] 在梁的處理中，可在鉆孔的之前或之后使用圓鋸或帶鋸對梁進行切割。還可使用 大型轉(zhuǎn)孔機鉆出螺孔，稍后可能需要其用于結(jié)構(gòu)的組裝。通常，在處理過的梁中鉆孔是便宜 的，因此許多傳統(tǒng)系統(tǒng)對鉆孔機使用手動定位。在這種傳統(tǒng)過程中，根據(jù)印刷圖紙進行工作 的熟練布局技工首先要花費約一個多小時的技工時間對所有的鉆孔位置進行標(biāo)記。之后再 進行鉆孔和切割。多種專用鉆孔機和鋸子可用于鉆孔和切割。專用鉆孔機的變形包括但 不限于，"梁生產(chǎn)線（beam line)"鉆孔機，"角生產(chǎn)線（angle line)"、具有鉆頭的"板生產(chǎn) 線（plate line)"，"扁平條燒制器（flat bar burner)"。這種機器的附加處理流程可包 括：氧氣割炬（torch) "模切（coper)"成形末端，標(biāo)記機指示沿梁的點，以及使用"硬蓋戳 機（hard stamper)"將刻字深深地沖壓進鋼材中以對梁進行識別。傳統(tǒng)的鋸子的尺寸、價 格及能力可以變化。有些鋸子只能直角地切割，但其他鋸子能以一定角度切割，稱為"斜切 (mitre) "，其對以角度切換的木材、塑料或其他材料具有相同的含義。該鋸子通常只能從直 角切割的一個方向中斜切，因此需要謹(jǐn)慎地定位梁。在下文的討論中，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法 能通過消除標(biāo)記梁及長材所需的時間和資源、在鉆孔機和鋸子之間切換所需要的過量處理 時間及糾正人工誤差所花費的巨大成本，有利地實現(xiàn)顯著的生產(chǎn)力提高。在錯誤位置的一 個鉆孔或上下顛倒的斜切會使昂貴的梁變成廢品。
[0006] 用于切割及鉆孔的最大最昂貴的傳統(tǒng)自動機器是梁生產(chǎn)線。這種機器一般以生產(chǎn) 線方式，在升高的輥式傳送帶上圍繞工廠移動梁，并且隨后饋送梁到鉆孔機，并且隨后到鋸 子中。這種工廠覆蓋很大面積，且通常僅用于為大型鋼結(jié)構(gòu)進行大體積的重復(fù)切割。
[0007] 如圖2所示的長材的可能的截面數(shù)量導(dǎo)致存在來自相對有限數(shù)量的國際制造商 如Peddinghaus、Wagner、Fichep、Daito等的一系列不同且通常互不兼容的專用自動機器。 較便宜的機器通常只能處理一種截面類型，如角生產(chǎn)線220、230或用于部分250的扁平條 燒制器。而對梁進行處理所需要的機器的成本可能還會受到梁的尺寸的影響，因此以上所 述的機器還可能具有不同的尺寸及不同的價格和能力。
[0008] 除了 1970年代初數(shù)控（NC)技術(shù)的出現(xiàn)以外，本領(lǐng)域技術(shù)在20世紀(jì)只有很小的變 化。而通常并沒有普遍接受的或標(biāo)準(zhǔn)的NC編程語言，并且每個機器與另一個機器不同，即 使當(dāng)這種機器來自一個制造時。例如已知獨立的梁生產(chǎn)線具有多達12個獨立的可編程軸， 并且鉆孔機、止動件、夾具、探頭的物理布局的變化無窮，這使NC編程尤其繁雜。
[0009] 與此同時，對于更多功能的需求在增長，并且更多的處理功能被加入機器，其實質(zhì) 上變成為強大的多軸鉆孔機。等離子體或氧氣割炬被加入鉆孔機以用于模切、穿透、梁分割 及其他應(yīng)用。然而，每個增加的功能會帶來其各自的實際問題，且每個功能從一個機器到另 一個機器通常以不同的方式實現(xiàn)，這增加了原本已十分困難的編程的復(fù)雜度，并且超出了 本領(lǐng)域內(nèi)一般技術(shù)人員的能力范圍。
[0010] 大部分自動化機器（除帶鋸及冷鋸之外）主要為非常大型的鉆孔站，而許多這種 機器還進一步包括復(fù)雜系統(tǒng)以集成產(chǎn)品處理，包括液壓器、止動件、探頭以及在左、右和上 方的三個主方向上的鉆孔機集合。這些附加的復(fù)雜系統(tǒng)相應(yīng)給機器編程增加了更復(fù)雜的排 序問題。雖然這些專用機器的最終生產(chǎn)率一般對于高度重復(fù)的多層建筑中的大體積而言足 以證明該機器的非常高的價格是合理的，但是許多公司和國家仍無法負(fù)擔(dān)操作這種機器的 費用和資源。這種機器在世界各地的生產(chǎn)數(shù)量很低，可能只有一些最大型的機器位于人口 超過百萬的城市中。
[0011] 此外，鑒于功能和布局的變化大，所以每個大型機器都需要唯一的編程軟件以匹 配其功能。但是這種軟件通常只具有很短的壽命。雖然已知機器自身由于它們機器沉重的 構(gòu)造而具有以十年為單位來測量的實際服務(wù)壽命，但是，已知用于操作這種機器的軟件很 快就不再受支持，尤其是飛速變化的計算機時代。到目前這個軟件問題仍未得到改善，而在 建筑結(jié)構(gòu)界梁處理的廣泛自動化中該領(lǐng)域也未見改進。
[0012] 除了上述手工鉆孔和梁生產(chǎn)線以外，已知在梁處理中偶爾使用沖壓機器。沖壓機 器可用創(chuàng)建螺孔，但被沖壓變形的梁區(qū)域需要額外的人工資源對形變進行鉸除和處理。
[0013] 該領(lǐng)域內(nèi)一個最近的變化是建立標(biāo)準(zhǔn)描述語言對長材進行描述，該語言于1998 年由德國 DSTV 委員會得出，也被稱為 DSTV(STANDARD DESCRIPTION FOR STEEL STRUCTURE PIECES FOR NUMERICAL CONTROLS，數(shù)控用鋼結(jié)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)描述）。2007年公布了進一步的標(biāo) 準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將計算機格式改為較新的XML格式，并得出描述長材的至少一種參考語言。該語 言也包括用于需要的地方的焊接制備的簡單倒角，并且可用于描述部分長材。然而該標(biāo)準(zhǔn) 描述的建立本身并不能解決基本應(yīng)用的編程問題，因為這些新的DSTV文件是僅通過用于 設(shè)計整個建筑物的昂貴的大型CAD系統(tǒng)創(chuàng)建的。
[0014] 直到2005年為止，由于對燒孔周圍熱效應(yīng)區(qū)的關(guān)注，火焰切割機未被用于處理螺 孔。火焰切割機影響所切割的梁的冶金，并且已知火焰切割機與現(xiàn)代等離子體切割相比，對 材料的穿透速度非常緩慢，即幾分鐘與幾秒的差別。因此，鉆孔仍是必需的。鉆孔機利用大 的重量施加大的力，因此這種鉆的操作需要堅固、巨大、沉重和昂貴的機器。梁自身可能也 非常沉重，通常重達數(shù)噸。為了證明該成本是合理的，必須實現(xiàn)生產(chǎn)率的極大提高，而為此， 需要自動輸送系統(tǒng)以及大型廠房。只有極少數(shù)人能負(fù)擔(dān)這種自動化。世界范圍內(nèi)這種機器 數(shù)量都非常少，而對編程必需的支持軟件很快變得過時和不受支持。在一些傳統(tǒng)應(yīng)用中，已 知本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員將梁數(shù)據(jù)直接手工輸入自動化鉆孔機器中。但是本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員并不具有對不同的機器進行手工輸入的能力。
[0015] 2005年，美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計協(xié)會AISC規(guī)范第M2. 5節(jié)宣布，除等離子體割孔外，還批 準(zhǔn)使用等離子體和火焰切割處理螺孔，這是等離子體技術(shù)發(fā)展的直接結(jié)果。例如，等離子體 孔的傾斜已降至4度以下，而改進的光滑度也實際優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的最小要求。而且，創(chuàng)建可接受 的孔所需時間是以秒而不像非傳統(tǒng)鉆孔方式處理時間以分鐘測量的。利用計算機控制，可 快速制造包括圓形螺孔在內(nèi)的幾乎任何尺寸形狀的孔。盡管這種等離子體/火焰切割已經(jīng) 開始取代手工鉆孔，但一些具有嚴(yán)格孔尺寸和形狀的結(jié)構(gòu)仍需使用傳統(tǒng)方式鉆的孔。這種 結(jié)構(gòu)包括，但不限于，諸如塔和橋等連續(xù)地彎曲的結(jié)構(gòu)。
[0016] 已經(jīng)至少有一家公司開始著手生產(chǎn)使用等離子體處理螺孔的機器。這些機器的 外觀和工作方式與傳統(tǒng)的梁生產(chǎn)線概念十分相近，其中通過工作單元在生產(chǎn)線或輥中輸送 梁，并且完全利用使用等離子體割炬處理梁。一個這種實例是Burlington Automation的 "Python-X"。Python-X利用普通商業(yè)工業(yè)用6軸機器人臂保持現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)高精度260安等離 子體割炬，該割炬可執(zhí)行以前由不同工具執(zhí)行的許多功能。Python-X可取代多達七種獨立 的機器，而它的單個等離子體割炬可制造多種直徑的孔，同時還能鋸、硬蓋戳、標(biāo)記線條、切 割小附件、處理斜面以及焊接坡口。根據(jù)容易得到的Python-X的宣傳材料，Python-X使用 典型梁生產(chǎn)線鉆孔機和鋸子的占地面積的百分之二十，需要其處理時間的百分二十，并且 成本最多是其百分之二十，并且生產(chǎn)由AISC(美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計協(xié)會）批準(zhǔn)用于結(jié)構(gòu)接頭的 尚品質(zhì)螺孔。
[0017] Python-X機器是傳統(tǒng)的梁生產(chǎn)線鉆孔機的發(fā)展，其利用工作中心概念和推動或拉 動梁以對其進行處理的系統(tǒng)。雖然這種機器包括許多創(chuàng)新，且其發(fā)展證明了等離子體割炬 能正確對長鋼材產(chǎn)品進行服務(wù)、成形、鉆孔及標(biāo)記，但是在處理步驟中將梁饋送入固定機器 的梁生產(chǎn)線方式仍然嚴(yán)格的限制。換言之，機器通常固定的，而將梁（長材）移動經(jīng)過該機 器。
[0018] 由于類似Python-X的機器是可NC編程的，因此無需任何手工編排可直接根據(jù)計 算機文件進行處理，由此處理每根梁可節(jié)省熟練工人約一個小時的時間，同時還消除了人 工誤差。本文所描述的系統(tǒng)和方法雖然利用了這種機器的實用性以及現(xiàn)代等離子體割炬的 創(chuàng)新性，但其基于如下文所解釋的本質(zhì)上不同的發(fā)明概念。換言之，本系統(tǒng)和方法不僅僅重 建了梁生產(chǎn)線的概念。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 這里所述的發(fā)明利用了等離子體割炬技術(shù)，而且還采用了截然不同的方法進行處 理和操作，其中梁并不移動而是相對于固定的梁來移動機器。通過在標(biāo)準(zhǔn)2軸（XY)龍門切 割機（如圖1)上添加2軸（AZ，其中A在YZ平面中傾斜）割炬或3軸（ACZ，其中割炬的方 向由方位角C定義并且從垂直的A傾斜，如圖4中所示的）動臂斜角頭部（圖3)，相對于標(biāo) 準(zhǔn)龍門板材切割機器可以用很少或零附加成本地執(zhí)行該功能。這些改進消除了位置固定的 機器人臂的有限延伸的問題，同時顯著減少了通過工作中心移到梁所需的設(shè)備數(shù)量。根據(jù) 本申請，當(dāng)處理時無需附加設(shè)備來移動梁，并且割炬保持器的結(jié)構(gòu)也無需是關(guān)鍵的，只要能 至少沿AZ軸并且優(yōu)選地沿AC及Z軸操作割炬。一些附圖示出了 FastCAM三軸動臂割炬保 持器，以示出本系統(tǒng)和方法的工作實施例。
[0020] 在一個實施例中，一種在包括龍門、切割床和用于保持切割炬的龍門的數(shù)控機器 上處理長材的方法包括當(dāng)利用切割炬切割在切割床上的靜止長材的同時，在長材的上方移 動龍門以處理長材的方法。切割炬能夠相對于用于限定長材的尺寸的任意坐標(biāo)系統(tǒng)，在至 少X、Y及Z軸方向中移動。
[0021] 在一個實施例中，一種處理長材的系統(tǒng)包括：機床；用于保持切割炬的龍門；用于 切割機床上的靜的長材的切割炬；數(shù)控機器，其包括用于控制龍門和切割炬相對機床的移 動的NC控制器；以及用于在通過切割炬在長材上執(zhí)行切割工作時在長材和機床的縱向方 向中保持長材固定在機床上的裝置。龍門可在縱向方向中沿床身和長材的實質(zhì)長度移動。
[0022] 本發(fā)明龍門的概念對于鉆孔機、模切機、鋸子、硬蓋戳器、標(biāo)記器等的所有功能提 供使用等離子割炬的所有優(yōu)點，但存在巨大的差異：本實施例能在購買具有斜角頭部的普 通大型龍門等離子體切割機之后以很少（如果存在的話）的附加成本實現(xiàn)基于固定工作 單元的機器人臂的所有優(yōu)點。雖然Python-X機器廣告宣稱可替換包括小型板材切割機 在內(nèi)的七種不同的機器，但本實施例能有利地實現(xiàn)全尺寸板材切割機。而即便使用類似 Python-X的機器，通常也仍然需要這種大型板材處理機器，而本實施例完全不需要特定的 梁處理機器。