激光切割方法、装置、设备及存储介质与流程

1.本发明涉及激光切割技术领域，特别涉及一种激光切割方法、装置、设备及存储介质。


背景技术：

2.为保证焊接质量，在焊接前对需要对焊件的待焊接部位进行加工，加工形成的斜坡即为坡口。坡口的加工可由激光坡口切割机完成，切割过程需要由系统控制切割头运行相应的轨迹切割对应的坡口。相比于平面切割，坡口切割的控制技术和坡口工艺方法较为复杂，需要设置较多的切割参数，否则无法使得坡口切割断面效果达到最佳状态。


技术实现要素：

3.鉴于上述现有技术的不足之处，本技术提供一种激光切割方法、装置、设备及存储介质，可以简化坡口切割时的切割参数设置过程。
4.本实施例采取了以下技术方案：
5.一种激光切割方法，包括步骤：
6.获取激光切割头与工件切割面垂直时的平面切割参数；
7.切割坡口时，获取激光切割头与工件切割面法线之间夹角的角度；
8.结合所述平面切割参数和所述夹角的角度，通过预设转换公式计算坡口切割参数；
9.控制激光切割头以坡口切割参数沿预设轨迹移动，完成坡口切割。
10.进一步的，在所述激光切割方法中，所述预设转换公式包括：
[0011]v1
＝v0*cos|θ|*cos|θ|；
[0012]
其中，v0为平面切割参数中激光切割头的切割速度，v1为坡口切割参数中激光切割头的切割速度，θ为激光切割头与工件切割面法线之间夹角的角度。
[0013]
进一步的，在所述激光切割方法中，所述预设转换公式包括：
[0014]
w1＝w0/(cos|θ|*cos|θ|)；
[0015]
其中，w0为平面切割参数中激光切割头的切割功率，w1为坡口切割参数中激光切割头的切割功率，θ为激光切割头与工件切割面法线之间夹角的角度。
[0016]
进一步的，在所述激光切割方法中，所述预设转换公式包括：
[0017]
p1＝p0 0.45bar 0.45sin(4|θ|-90
°
)bar；
[0018]
其中，p0为平面切割参数中喷嘴的切割气压，p1为坡口切割参数中喷嘴的切割气压，θ为激光切割头与工件切割面法线之间夹角的角度。
[0019]
进一步的，在所述激光切割方法中，所述预设转换公式包括：
[0020]
f1＝f0，h1＝h0；
[0021]
其中，f0为平面切割参数中激光切割头的焦点位置，f1为坡口切割参数中激光切割头的焦点位置，h0为平面切割参数中喷嘴的高度，h1为坡口切割参数中喷嘴的高度。
[0022]
进一步的，在所述激光切割方法中，所述切割坡口时，获取激光切割头与工件切割面法线之间夹角的角度的步骤包括：
[0023]
切割坡口时，实时读取程序加工指令，从所述程序加工指令中获取激光切割头与工件切割面法线之间夹角的角度。
[0024]
进一步的，在所述激光切割方法中，所述控制激光切割头以坡口切割参数沿预设轨迹移动，完成坡口切割的步骤包括：
[0025]
通过与激光切割头同轴设置的喷嘴喷出氧气，辅助激光切割头的坡口切割。
[0026]
一种切割控制装置，包括：
[0027]
参数获取模块，用于获取激光切割头与工件切割面垂直时的平面切割参数；
[0028]
角度获取模块，用于获取激光切割头与工件切割面法线之间夹角的角度；
[0029]
参数计算模块，用于根据所述平面切割参数和所述夹角的角度，通过预设转换公式计算坡口切割参数；
[0030]
切割模块，用于控制激光切割头以坡口切割参数沿预设轨迹移动，完成坡口切割。
[0031]
一种切割控制设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如以上任意一项所述的激光切割方法。
[0032]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令设置为执行如以上任意一项所述的激光切割方法。
[0033]
相较于现有技术，本发明提供的一种激光切割方法、装置、设备及存储介质，只需要在坡口激光切割机的工艺参数窗口输入设置好的平面切割参数，即可换算得到相应角度的坡口切割参数，并通过实时调整激光切割头的切割参数以完成坡口切割，有效地简化了坡口切割参数的设置过程。
附图说明
[0034]
图1为本技术提供的激光切割方法的流程图。
[0035]
图2为本技术提供的激光切割装置的结构框图。
[0036]
图3为本技术提供的激光切割设备的结构框图。
具体实施方式
[0037]
为使本技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
[0038]
激光切割是由光纤激光器产生激光光源，并通过激光切割头照射到工件表面，使得工件表面迅速熔化，同时借助与激光光束同轴吹出的辅助气体辅助氧化或吹除熔融物质，从而在工件上形成所需形状的切口的切割工艺。激光切割具有光斑能量大且集中、对于切割工件造成的变形量小、切割面光滑不挂渣、切割后的工件基本无需后续加工处理等优点。
[0039]
为了更加适用于工程焊接，船舶制造等行业，激光坡口切割机应运而生。坡口切割机的切割过程需要由控制系统控制激光切割头沿切割轨迹进行移动，以在工件上形成相应
的坡口。但是，激光坡口切割机的控制技术和坡口工艺方法较为复杂，工艺参数界面需要设置的窗口较多，还需要根据坡口切割的夹角角度去手动调整及输入不同的坡口切割工艺参数。
[0040]
坡口切割时，激光切割头与切割面之间夹角的角度一般在0～45
°
之间。一般切割工艺参数设置都是将0～45
°
的坡口分成三个切割层，如夹角为0～15
°
时设置一个坡口切割的工艺参数a，15
°
～30
°
时设置一个坡口切割的工艺参数b，30
°
～45
°
时采用一个坡口切割的工艺参数c，而工艺参数a、b、c均需要手动调试后填入工艺参数对应的窗口，工艺参数窗口多，对设备研发和操作人员的要求高，设备使用更复杂。
[0041]
并且，在坡口切割时，相近的夹角使用的是同一个恒定的坡口切割参数，无法使得坡口切割断面效果达到最佳状态。
[0042]
请参阅图1，本技术提供的激光切割方法包括步骤：
[0043]
s100、获取激光切割头与工件切割面垂直时的平面切割参数；
[0044]
s200、切割坡口时，记录激光切割头与工件切割面法线之间夹角的角度；
[0045]
s300、结合所述平面切割参数和所述夹角角度，通过预设转换公式计算坡口切割参数；
[0046]
s400、控制激光切割头以坡口切割参数沿预设轨迹移动，完成坡口切割。
[0047]
激光切割头与工件切割面垂直时，激光切割头为基本的平面直切状态，此处的工件切割面一般指工件的上表面。当需要在工件上切割坡口时，激光切割头会旋转一定的角度并对准工件边缘部分，此时激光切割头与工件切割面之间呈一定的夹角。
[0048]
由于激光切割头在工件上进行平面直切与坡口切割时的切割姿态发生变化，因此激光切割光束在工件上造成的切割效果也会随之改变。需要对应调整激光切割头的切割参数，否则无法在坡口切割断面和平面直切断面上达到良好且一致的切割效果。
[0049]
本技术通过采用不同功率，不同角度坡口切割的工艺大数据进行模拟研究计算，提出预设转换公式，可在获得激光切割头与工件切割面法线之间夹角的角度的角度(激光切割头的平面直切状态是夹角为0时的一种特殊状态)后，由预设转换公式将平面切割参数转换为坡口切割参数，从而简化工艺参数设置的步骤。
[0050]
因此，只需要在坡口激光切割机的工艺参数窗口输入设置好的平面切割参数，即可换算得到相应角度的坡口切割参数，并通过控制系统实时调整激光切割头的切割参数，使激光切割头以坡口切割参数沿预设的坡口切割轨迹移动，即可完成坡口的切割。
[0051]
在步骤s100中，控制系统可通过获取人工输入的信息得到平面切割参数，或者也可在控制系统中预先设置好对应切割模式下的平面切割参数。平面切割参数可包括激光切割头的速度、激光切割头的功率、激光切割头的焦点、喷嘴的切割气压和喷嘴的高度等。
[0052]
在步骤s200中，可通过控制器实时读取到设备在加工时的程序加工指令，从程序加工指令中获取到激光切割头和法向之间的夹角θ。
[0053]
具体的，当切割头加工时，控制器从程序指令实时读取到call laser on时，读取下一行的thetaθ，该θ值即为获取到切割头与法向之间的夹角θ值，控制器实时控制切割头变为与法向方向为θ的角度进行坡口运动，同时控制器运用使用预设转换公式计算出的坡口切割参数值进行指令所计划的切割。在控制器实时读取到call laser off时，切割头恢复到原先的垂直状态(即θ＝0)。
[0054]
在步骤s300中，预设转换公式包括坡口切割中切割速度的计算公式，即：
[0055]v1
＝v0*cos|θ|*cos|θ|；
[0056]
其中，v0为平面切割参数中激光切割头的切割速度，v1为坡口切割参数中激光切割头的切割速度，θ为激光切割头与工件切割面法线之间夹角的角度。|θ|为夹角θ的绝对值，由于夹角θ存在正负两种情况，所以取角度θ的绝对值|θ|进行计算。
[0057]
预设转换公式还包括坡口切割的切割功率的计算公式，即：
[0058]
w1＝w0/(cos|θ|*cos|θ|)；
[0059]
其中，w0为平面切割参数中激光切割头的切割功率，w1为坡口切割参数中激光切割头的切割功率，θ为激光切割头与工件切割面法线之间夹角的角度。当得到的w1的数值大于激光器额定功率w
max
时，则定义w
max
＝w1，确保激光器在额定功率下运行。
[0060]
预设转换公式还包括坡口切割的切割气压的计算公式，即：
[0061]
p1＝p0 0.45bar 0.45sin(4|θ|-90
°
)bar；
[0062]
其中，p0为平面切割参数中喷嘴的切割气压，p1为坡口切割参数中喷嘴的切割气压，θ为激光切割头与工件切割面法线之间夹角的角度，0.45bar即45kpa。
[0063]
预设转换公式还包括坡口切割的焦点位置及喷嘴高度的计算公式，即：
[0064]
f1＝f0，h1＝h0；
[0065]
其中，f0为平面切割参数中激光切割头的焦点位置，f1为坡口切割参数中激光切割头的焦点位置，h0为平面切割参数中喷嘴的高度，h1为坡口切割参数中喷嘴的高度。在坡口切割过程中，切割焦点，喷嘴高度的工艺因素和平面切割过程基本一致，因此可保持激光切割头的焦点位置及喷嘴高度不变。
[0066]
完成上述计算后，控制系统根据计算后的坡口切割参数，实时调整激光切割头的速度、激光切割头的功率、激光切割头的焦点、喷嘴的切割气压和喷嘴的高度，然后控制激光切割头按照预设的切割轨迹进行移动，进而在工件上形成所需的坡口。
[0067]
在步骤s400中，可通过与激光切割头同轴设置的喷嘴喷出氧气，达到氧化助熔的目的，辅助激光切割头的坡口切割。即切割时的辅助气体可选为氧气，以更加匹配上述计算公式。
[0068]
预设转换公式通过采用不同功率，不同角度坡口切割的工艺大数据进行模拟计算，得出的新工艺数据精确度好，稳定性高。为了说明预设转换公式的计算效果，以下举两个具体实施例，针对12000w和20000w的激光坡口切割机，在使用辅助切割气体为氧气时，对其切割板材参考标准值和使用预设转换公式计算后的参数值进行对比。
[0069]
关于12000w的激光坡口切割机切割板材参考标准和使用公式计算后的参数值对比如下：
[0070]
一、参考切割速度和公式计算切割速度对比：
[0071][0072][0073]
表1、12000w激光坡口切割机标准切割速度参考值(mm/min)
[0074][0075]
表2、12000w激光坡口切割机公式计算速度(mm/min)
[0076]
通过对比表1和表2，可见采用12000w激光坡口切割机时，通过预设转换公式v1＝v0*cos|θ|*cos|θ|计算得出的坡口切割速度值接近标准切割速度参考值。
[0077]
二、参考切割功率和公式计算切割功率对比：
[0078][0079][0080]
表3、12000w激光坡口切割机标准切割功率参考(w)
[0081][0082]
表4、12000w激光坡口切割机公式计算功率(w)
[0083]
通过对比表3和表4，可见采用12000w激光坡口切割机时，通过预设转换公式w1＝w0/(cos|θ|*cos|θ|)计算得出的坡口切割功率值接近标准切割功率参考值。
[0084]
三、参考切割气压和公式计算切割气压对比：
[0085][0086]
表5、12000w激光坡口切割机标准切割气压参考值(bar)
[0087][0088]
表6、12000w激光坡口切割机公式计算切割气压(bar)
[0089]
通过对比表5和表6，可见采用12000w激光坡口切割机时，通过预设转换公式p1＝p0 0.45bar 0.45sin(4|θ|-90
°
)bar计算得出的坡口切割气压值接近标准切割气压参考值。
[0090]
关于20000w的激光坡口切割机切割板材参考标准和使用公式计算后的参数值对比如下：
[0091]
一、参考切割速度和公式计算切割速度对比：
[0092][0093][0094]
表7、20000w激光坡口切割机标准切割速度参考值(mm/min)
[0095][0096]
表8、20000w激光坡口切割机公式计算速度(mm/min)
[0097]
通过对比表7和表8，可见采用20000w激光坡口切割机时，通过预设转换公式v1＝v0*cos|θ|*cos|θ|计算得出的坡口切割速度值在标准切割速度参考值内。
[0098]
二、参考切割功率和公式计算切割功率对比：
[0099][0100][0101]
表9、20000w激光坡口切割机标准切割功率参考(w)
[0102][0103]
表10、20000w激光坡口切割机公式计算功率(w)
[0104]
通过对比表9和表10，可见采用20000w激光坡口切割机时，通过预设转换公式w1＝w0/(cos|θ|*cos|θ|)计算得出的坡口切割功率值接近标准切割功率参考值。
[0105]
三、参考切割气压和公式计算切割气压对比：
[0106][0107][0108]
表11、20000w激光坡口切割机标准切割气压参考值(bar)
[0109][0110]
表12、20000w激光坡口切割机公式计算切割气压(bar)
[0111]
通过对比表11和表12，可见采用12000w激光坡口切割机时，通过预设转换公式p1＝p0 0.45bar 0.45sin(4|θ|-90
°
)bar计算得出的坡口切割气压值接近标准切割气压参考值。
[0112]
因此，通过本技术公开的由平面直切工艺参数来计算不同角度坡口切割参数的预设转换公式，可以兼顾到激光坡口、焦点、气压、板材厚度等几者之间的关系，不但简化了工艺参数调节窗口，也提高了设备使用的稳定性。实行本技术提供的激光切割方法，可以提高坡口切割断面和直切断面的一致性，提高切割效率，大幅度提高坡口切割的稳定性，简化工艺参数调节窗口。
[0113]
此外，请参阅图2，本技术还提供了一种激光切割装置，包括：
[0114]
10、参数获取模块，用于获取激光切割头与工件切割面垂直时的平面切割参数；
[0115]
20、夹角获取模块，用于获取激光切割头与工件切割面法线之间夹角的角度；
[0116]
30、参数计算模块，用于根据所述平面切割参数和所述夹角，通过预设转换公式计算坡口切割参数；
[0117]
40、切割模块，用于控制激光切割头以坡口切割参数沿预设轨迹移动，完成坡口切割。
[0118]
本技术还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令设置为执行上述实施例中的激光切割方法。
[0119]
请参阅图3，本技术还提供了一种机构切割设备，包括：至少一个中央处理器a1(processor)，图3中以一个中央处理器a1为例；存储器a2(memory)；还可以包括显示屏a3、通信接口(communications interface)和总线。其中，中央处理器a1、存储器a2、显示屏a3和通信接口可以通过总线完成相互间的通信；显示屏a3设置为显示初始设置模式中预设的用户操作界面，同时显示屏a3还可显示工艺控制窗口；通信接口可以传输信息；中央处理器a1可以调用存储器a2中的逻辑指令，以执行上述实施例中的方法。
[0120]
中央处理器a1可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，该处理器a1还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
[0121]
此外，上述的存储器a2中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的工件销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0122]
存储器a2作为一种计算机可读存储介质，可设置为存储软件程序、计算机可执行程序，如本技术实施例中的方法对应的程序指令或模块。中央处理器a1通过运行存储在存储器a2中的软件程序、指令或模块，从而执行功能应用以及数据处理，即实现上述实施例中的方法。
[0123]
存储器a2可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储器a2可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器。
[0124]
上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以是非暂态存储介质，包括u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁盘或光盘等等多种可以存储程序代码的介质，也可以是暂态存储介质。
[0125]
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。