[发明专利]三维流体射流切割中射流取向参数的自动确定

说明书

技术领域

本发明涉及用于自动控制流体射流设备以切割三维零件的方法、系统及技术，尤其涉及用于自动调节水射流切割设备的取向参数以在指定容差内切割出具有非垂直表面的三维零件和/或从非平面材料切割的技术。

背景技术

包括高压磨料水射流的高压流体射流被用于切割多种不同产业中的各种材料。已经验证磨料水射流在切割诸如厚金属、玻璃或陶瓷材料的费力的、厚的或聚集的材料时尤其有用。目前可获得用于生成高压磨料水射流的系统，例如由Flow International Corporation制造的ECL Plus系统。在Flow的美国专利No.5,643,058中示出和描述了这种磨料射流切割系统，该专利以引用的方式并入本文。全文中使用的术语“高压流体射流”和“射流”应理解为包括全部类型的高压流体射流，包括但不限于，高压水射流和高压磨料水射流。在这样的系统中，高压流体，通常为水，流过切割头中的孔以形成高压射流，在该高压射流中混入磨料颗粒作为通过混合管的射流。从混合管放出高压磨料水射流并射向工件以沿指定路径切割工件。

目前可获得各种系统以沿指定路径移动高压流体射流。通常将这样的系统称为三轴和五轴机器。常规三轴机器将切割头组件安装为使得其可以沿x-y平面及垂直z轴（即朝向和远离工件）移动。通过这样，使得通过切割头组件生成的高压流体射流根据需要沿x-y平面中的指定路径移动，并相对于工件升高和下降。常规五轴机器以类似的方式工作，但是提供绕两个额外旋转轴的移动，通常绕一个水平轴和一个垂直轴，以与其他轴组合实现倾斜度和旋转度。

绕五个轴操纵射流对于多个原因是有用的，例如用于切割三维形状。这样的操纵还可能被期望用于校正射流的切割特征或切割结果的特征。尤其是，通过诸如磨料水射流的射流产生的切割具有不同于通过更多传统加工工艺产生的切割的特征。通过使用高压流体射流获得的切割特征中的两个特征被称为“锥度”和“回迹（trailback）”。图1为锥度的示例图示。锥度是由于射流的宽度从其进入材料到其从材料出射中的变化导致的现象。锥角指切割壁的平面相对于垂直平面的角度。射流锥度通常导致目标件在顶面（射流进入工件处）与在底面（射流从工件出射处）具有不同的尺寸。图2为回迹的示例图示。回迹，又称为拖曳（drag），表示高压流体射流相对于行进方向在射流入射到工件中的点之后的点处从工件出射的现象。这两种切割特征，即锥度和回迹，根据期望的目标产品，可能是可接收的或不可接受的。锥度和回迹根据切割速度（射流为了将材料的部分从另一部分分离而行进的速度）和其他工艺参数（诸如材料厚度）而变化。从而，一种用于控制过度的锥度和/或回迹的已知方法是降低系统的切割速度。在期望最小化或消除锥度和回迹的情况中，已经使用常规五轴系统主要通过人工试错法对射流施加角度校正（通过调节切割头设备）以在射流沿切割路径移动时补偿锥度和回迹。

附图说明

本专利或专利申请文件包含至少一个彩色附图。在提出请求并支付需要的费用之后，将由专利局提供该带有彩色附图的专利或专利申请的复印件。

图1为锥度的示例图示。

图2为回迹的示例图示。

图3A-3E示出可以利用示例自适应矢量控制系统的技术自动切割的多种示例形状。

图4为示出使用自适应矢量控制系统产生目标件的框图。

图5为自适应矢量控制系统的示例实施例的部件的示例框图。

图6为用于产生目标件的通过自适应矢量控制系统的示例实施例执行的逻辑的示例流程图。

图7A-7B示出期望零件的示例分割。

图8A-8C示出对具有不同侧面剖面的三个零件分配50％的切割速度的示例。

图9为示出围绕两个零件几何形状矢量的两个容差体积的示例框图。

图10示出被部分包含在偏离容差体积的圆柱形状中的切割前沿的曲面形状。

图11示出预测切割前沿位于偏离容差体积内的曲面形状的示例。

图12示出施加于图10所示的表示的偏离校正角的示例。

图13示出不能将切割前沿的预测弯曲取向为完全被包含在小的偏离容差体积中的示例。

图14示出已经减小切割速度的情况下图13所示的切割前沿的表示。

图15为示例自适应矢量控制系统切割模块用户界面的介绍性对话框的示例屏幕显示。

图16为示例自适应矢量控制系统切割模块用户界面的射流控制器反馈和控制对话框的示例屏幕显示。