一种自动化激光加工试样的装置及方法与流程

本发明属于机械加工及激光制造，具体涉及一种自动化激光加工试样的装置及方法。

背景技术：

1、在材料科学研发、航空航天装备制造、压力容器生产等高端工业核心领域，产品结构的安全性、稳定性与使用寿命是质量管控的核心指标，而母材及焊接接头的力学性能检测是把控产品质量、验证材料工艺合规性的关键工序。为精准检测材料的拉伸强度、弯曲韧性、冲击韧性等核心力学参数，行业内普遍采用随产品本体附带力学性能试样的检测方式，常规检测试样主要包含板状拉伸试样、弯曲试样、冲击试样等标准化试样，其加工精度、加工质量和加工效率，直接影响产品检测结果的准确性与整体生产进度。当前，工业生产中力学性能试样的加工仍以传统工艺为主，主流加工方式分为线切割加工、机械铣削与锯切加工两类，两种工艺均存在明显技术短板，同时配套辅助工序的不完善，进一步制约了试样加工的整体效率与质量稳定性，难以适配现代化工业批量、高效、高精度的生产需求。

2、线切割加工是目前试样加工中应用最广泛的工艺，该工艺的核心优势在于加工精度较高，能够基本满足标准化试样的尺寸公差要求，但综合加工效率极低，成为大批量试样加工的主要阻碍。在厚板钢材、大型压力容器筒体等大件工件的取样加工场景中，线切割的弊端被进一步放大。此类工件切割行程长、材料厚度大，加工过程中电极丝损耗速度快，需要工作人员频繁停机更换、校准电极丝，大幅中断了加工连续性。同时，线切割无法直接完成原材料的粗下料作业，前期必须依托人工气割、剪板等传统工序完成毛坯下料，再进行精细化切割，多工序衔接不仅拉长了整体加工周期，还增加了人工操作误差与工序失误的风险，整体加工耗时是自动化加工工艺的数倍，严重拖慢产品质检与出厂进度。

3、机械铣削与锯切加工工艺同样存在难以规避的技术缺陷，适配性与加工质量稳定性较差。针对异形结构试样、薄壁型试样等特殊工件，该工艺的装夹固定难度极大，装夹不牢固易导致加工过程中试样偏移、晃动，造成尺寸偏差。同时，铣削、锯切属于强力接触式切削加工，加工过程中会产生较大的机械切削应力，应力残留极易引发试样弯曲、翘曲、变形等问题，直接导致试样报废，不仅提升了生产成本，还会影响力学性能检测数据的真实性与准确性。此外，该加工方式完成切割后，零散的试样无固定收纳结构，极易出现随意散落、批次混料的情况，不同规格、不同工件、不同批次的试样混杂在一起，大幅增加了后续人工分拣、归类的工作难度。

4、在试样标识管理方面，现有加工工艺也存在明显短板。目前行业内普遍依靠人工手动打标、刻写编号的方式区分试样，人工操作不仅效率低下，还容易出现字迹模糊、编号遗漏、标识错位、编号错误等问题，导致试样溯源困难，一旦出现检测数据异常，无法精准对应原产品工件，给产品质量追溯、工艺优化工作带来极大阻碍。更为关键的是，当前市面上通过激光进行试样加工设备普遍存在功能单一、兼容性差的问题，设备专用性极强，多数设备仅能单独加工平板类板型试样，或专门适配大型筒体类工件的取样加工，无法实现板型、筒型两种不同形态工件的兼容加工。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在式样批量化生产过程中无法同时兼顾精度和效率，以及通用性差的技术问题，本技术提供一种自动化激光加工试样的装置及方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、在第一方面，本技术提供一种自动化激光加工试样的装置，包括基座平台，基座平台上侧设置有龙门模组，龙门模组上设置有激光切割头、激光打标器和视觉检测设备，基座平台的上表面设置有板型件加工工位，基座平台的下侧设置有筒型件加工工位，板型件加工工位与筒型件加工工位的竖直向投影重合；

4、所述板型件加工工位包括支撑框和驱动件，驱动件用于控制支撑框在基座平台上移动，支撑框上设置有基准横杆和锁止横杆；

5、所述筒型件加工工位包括变位机，变位机自由端设置有多爪卡盘，多爪卡盘的卡爪上设置有力传感器。

6、进一步的，所述龙门模组包括设置于x向直线导轨、y向移动横梁和z向滑板，其中，y向移动横梁设置于基座平台的上表面，x向直线导轨滑动设置于y向移动横梁上，z向滑板设置于y向移动横梁上。

7、进一步的，所述变位机包括驱动组件和固定组件，驱动组件包括x轴驱动结构和y轴驱动结构，x轴驱动结构和y轴驱动结构用于带动固定组件在水平面沿x轴和y轴移动，固定组件用于连接多爪卡盘。

8、在第二方面，本技术提供一种自动化激光加工试样的方法，包括以下步骤：

9、步骤s1：若待加工工件为板型件，则卡接于板型件加工工位，若待加工工件为筒型件，则夹持于多爪卡盘；

10、步骤s2：基于待加工工件的加工优先级，触发板型件加工程序或筒型件加工程序，并基于触发的板型件加工程序或筒型件加工程序，选择对应的板型件加工工位或筒型件加工工位中的一个处于加工区域，另一个处于非加工区域；

11、步骤s3：启动视觉检测设备对待加工工件进行定位后，通过激光切割头和激光打标器按照预设工艺进行切割和/或打标，完成当前优先加工的待加工工件；

12、步骤s4：重复步骤s1-s3，直至所有待加工工件完成加工。

13、进一步的，在步骤s1中，在对板型件进行卡接时，支撑框处于初始位，将板型件的一侧放置于基准横杆上，另一侧抵接锁止横杆，完成对板型件的卡接；

14、在对筒型件进行夹持时，通过多爪卡盘的卡爪对筒形件的端部边缘进行夹持，在夹持过程中，持续提高卡爪的夹持力，并通过力传感器实时采集卡爪的胀紧力，当胀紧力达到预设胀紧力阈值后，完成对筒形件的夹持。

15、进一步的，所述预设胀紧力阈值包括：

16、；

17、式中，为材料的弹性模量，为筒形件夹持边缘的壁厚，为筒体直径，为安全系数，取值为0.3-0.6。

18、进一步的，在步骤s2中，若先进行板型件加工程序，则驱动件带动支撑框和板型件移动至预设的加工基准位，并且变位机带动筒形件移动至非加工区域，若先进行筒型件加工程序，则变位机带动筒形件的加工基准位，并且驱动件带动支撑框和板型件移动至非加工区域。

19、进一步的，在步骤s3中，启动所述视觉检测设备对待加工工件进行定位时，对待加工工件进行类型识别和空间定位。

20、进一步的，在步骤s3中，通过激光切割头按照预设工艺进行切割时，基于式样的轮廓预设切割路径，并在切割路径中设置多个微连接点。

21、进一步的，对于轻质式样，微连接点为1-3个，对于重型式样，微连接点为4-6个，微连接点的厚度为母材厚度的5-15%，宽度为0.5-1mm。

22、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

23、本技术提供一种自动化激光加工试样的装置及方法，本装置通过在基座平台上集成沿竖直向投影重合的板型件加工工位和筒型件加工工位，两者共用同组激光切割头、激光打标器和视觉检测设备，能够实现式样的批量处理和多种尺寸的加工，极大降低了设备投资和厂房占用，尤其适合多品种、小批量的大型结构件制造加工，通过激光切割代替线切割，切割效率提高5～10倍，无电极丝消耗，试样尺寸可以达到±0.1mm的精度，能够实现无人化或少人化生产，降低对操作人员技能的依赖。本方法针对待加工工件的外形结构，选择对应的板型件加工工位或多爪卡盘，并基于加工优先级，提供对应的切割/打标工艺，两者通过在对应的平面内位移形成安全互锁，对于同一规格的式样，能够提供统一的激光切割参数和自动化路径规划，消除了人工操作差异，保证每一批试样的几何尺寸和表面质量高度一致。