本发明公开了一种重特大结构件锯切装备及其锯切方法。锯切大型结构件的两轮式锯床需要配合尺寸很大的锯带轮，这大大提高了生产成本。本发明一种重特大结构件锯切装备，包括机架、三轮锯切机构、进给液压油缸、工作台、导向纠偏机构、工作台和装夹组件。三轮锯切机构包括锯架、主动带锯轮、锯带、中间锯带轮和从动锯带轮。导向纠偏机构包括导向块、纠偏移动板、纠偏摆动蜗杆、纠偏摆动蜗轮、纠偏驱动件和扭转电机。工作台包括摆动台、移动台、横移驱动件、摆动弹簧、摆动弹簧和摆动气缸。本发明将传统两锯带轮传动结构改变成三锯带轮传动结构，克服了常规两锯带轮锯床必须锯带轮直径大于工件直径的缺陷，大大缩减了整机体积和高度。
1.一种重特大结构件锯切装备，包括机架、三轮锯切机构、进给液压油缸、工作台、导向纠偏机构、工作台和装夹组件；其特征在于：所述的三轮锯切机构包括锯架、主动带锯轮、锯带、中间锯带轮和从动锯带轮；所述的锯架与机架构成滑动副，并由进给液压油缸驱动；所述的主动带锯轮、中间锯带轮及从动锯带轮均支承在锯架上；主动带锯轮与从动锯带轮等高设置；中间锯带轮位于主动带锯轮与从动锯带轮连线中点的上方；主动带锯轮、中间锯带轮、从动锯带轮通过锯带连接；
所述的导向纠偏机构包括导向块、纠偏移动板、纠偏摆动蜗杆、纠偏摆动蜗轮、纠偏驱动件和扭转电机；纠偏移动板与机架构成滑动副；纠偏移动板由纠偏驱动件驱动；纠偏摆动蜗杆及纠偏摆动蜗轮均支承在纠偏移动板上；纠偏摆动蜗杆与纠偏摆动蜗轮啮合；导向块与纠偏摆动蜗轮固定；导向块的底部开设有导向缝；锯带穿过导向块的导向缝；
所述的工作台包括摆动台、移动台、横移驱动件、摆动弹簧、摆动弹簧和摆动气缸；移动台与机架构成滑动副，并由横移驱动件驱动；所述的摆动台与移动台构成转动副；摆动弹簧的两端与摆动台、移动台分别连接；摆动台上开设有滑槽；摆动气缸的缸体固定在移动台上；摆动气缸的活塞杆外端固定有圆柱销；圆柱销设置在摆动台的滑槽内；摆动台上安装有装夹组件；
所述的三轮锯切机构中，主动带锯轮及从动锯带轮的直径均为d1；中间锯带轮的直径为d2；被锯切工件的直径或最大维度尺寸为D；d1、d2、D同时满足式(1)、(2)、(3)；
α1＝270°-β1-β2≥140° 式(3)式(1)及(2)中，δ1为横向安全距离，其取值范围是0.3D≤δ1≤0.5D；δ2为纵向安全距离，其取值范围是δ2≥50mm；
式(3)中，α1为锯带对主动带锯轮及从动锯带轮的包角，β1及β2均是中间变量，其值分别根据式(1)、式(2)求出。
2.根据权利要求1所述的一种重特大结构件锯切装备，其特征在于：所述的装夹组件包括V型定位块、夹紧块、夹紧气缸和夹紧基座；V型定位块及夹紧基座固定在摆动台上；V型定位块的顶部开设有定位V形槽；夹紧块与夹紧基座构成滑动副；夹紧气缸的缸体与夹紧块固定；夹紧气缸的活塞杆与夹紧基座固定；夹紧块靠近V型定位块的端面上设置有倾斜朝下的夹紧斜面。
3.根据权利要求1所述的一种重特大结构件锯切装备，其特征在于：所述的纠偏移动板与机架所成滑动副的相对方向平行于主动锯带轮的轴线；所述的纠偏摆动蜗轮的轴线垂直于主动锯带轮的轴线。
4.根据权利要求1所述的一种重特大结构件锯切装备，其特征在于：所述的导向纠偏机构共有两个；两个导向纠偏机构均设置在主动带锯轮与从动锯带轮之间，且分别靠近主动带锯轮、从动锯带轮。
5.根据权利要求1所述的一种重特大结构件锯切装备，其特征在于：所述的纠偏驱动件包括纠偏丝杆和纠偏电机；纠偏丝杆支承在锯架上，并由纠偏电机驱动；固定在纠偏移动板上的螺母与纠偏丝杆构成螺旋副。
6.根据权利要求1所述的一种重特大结构件锯切装备，其特征在于：所述的横移驱动件包括移动丝杠和工作台横移电机；所述的移动丝杠支承在机座上，并由工作台横移电机驱动；固定在移动台底部的螺母与移动丝杠构成螺旋副。
7.根据权利要求1所述的一种重特大结构件锯切装备，其特征在于：所述的进给液压油缸共有两个；两个进给液压油缸对中设置在机座上；进给液压油缸采用双出杆油缸；进给液压油缸的活塞杆与机架固定；进给液压油缸的缸体与锯架固定。
8.如权利要求1所述的一种重特大结构件锯切装备的锯切方法，其特征在于：步骤一、将工件装夹到装夹组件上；
步骤二、横移驱动件驱动工件移动，使得工件的待锯切部位对准锯带；
步骤三、主动带锯轮带动锯带运动，实现锯切的主运动；
步骤四、进给液压油缸驱动锯架向工件滑动，实现锯切的进给运动；摆动气缸的有杆腔、无杆腔持续交替通气，使得摆动气缸在推出和缩回中持续转换，进而驱动工件持续进行上下摆动，实现锯切过程中的断屑和排屑；
当锯带的锯切方向发生走偏时，纠偏驱动件驱动纠偏移动板发生前后移动，引导块带动锯带向预设的锯切方向偏移；当锯带的发生扭转变形时，扭转电机转动，带动引导块发生旋转，进而挤压锯带，使得锯带侧面恢复到竖直状态。
一种重特大结构件锯切装备及其锯切方法
技术领域
[0001] 本发明属于智能制造技术领域，具体涉及一种用于重特大结构件加工的大型数控锯切装备及其锯切方法。
背景技术
[0002] 在重大工程现场，有许多大型结构件在焊接和安装时需要进行切割加工，目前缺少现场锯切加工装备，往往采用气割和手工切割等传统方式，因此存在切割精度低、材料浪费大、切割效率低等主要问题。如何在重大工程现场减少材料浪费、提高切割精度和效率？是锯切加工行业一直为之努力的发展方向。因此，迫切希望提供一种用于重大工程现场的大型数控带锯切割装备。
[0003] 近年来，随着数控锯切装备技术的不断进步和发展，大型零部件的锯切加工技术有了大幅度的提升，从传统的切割加工方式、过多依赖操作者的经验和水平完成加工，转向复合锯切、数字控制和个性化锯切加工等自动化、集成化、精准化、大型化、个性化及高效化的方向推进和发展。对于重大工程现场的许多大型结构件在焊接和安装时需要进行切割加工，往往采用气割和手工切割等传统方式，缺少现场锯切加工装备，造成了切割精度低、金属原材料消耗大和加工效率低等主要问题。
[0004] 常规的两轮式锯床在锯切时，需要满足锯切深度小于锯带轮直径，否则，锯切中工件就会触碰到锯带轮上方的锯带。因此，锯切大型锻件和铸件的两轮式锯床需要配合尺寸十分巨大的锯带轮，这使得锯床的尺寸变得巨大，大大提高了生产成本。同时，对于大型锻件和铸件的整体切割，锯切深度大，锯带在的切削中易走偏和变形，且断屑和排屑困难，容易造成切割区过热，降低带锯使用寿命。
发明内容
[0005] 本发明针对目前缺乏重大工程现场带锯切割装备的实际情况以及重大工程的迫切需求，提供一种重大工程现场带锯切割装备及其锯切方法。
[0006] 本发明一种重特大结构件锯切装备，包括机架、三轮锯切机构、进给液压油缸、工作台、导向纠偏机构、工作台和装夹组件。所述的三轮锯切机构包括锯架、主动带锯轮、锯带、中间锯带轮和从动锯带轮。所述的锯架与机架构成滑动副，并由进给液压油缸驱动。所述的主动带锯轮、中间锯带轮及从动锯带轮均支承在锯架上。主动带锯轮与从动锯带轮等高设置。中间锯带轮位于主动带锯轮与从动锯带轮连线中点的上方。主动带锯轮、中间锯带轮、从动锯带轮通过锯带连接。
[0007] 所述的导向纠偏机构包括导向块、纠偏移动板、纠偏摆动蜗杆、纠偏摆动蜗轮、纠偏驱动件和扭转电机。纠偏移动板与机架构成滑动副。纠偏移动板由纠偏驱动件驱动。纠偏摆动蜗杆及纠偏摆动蜗轮均支承在纠偏移动板上。纠偏摆动蜗杆与纠偏摆动蜗轮啮合。导向块与纠偏摆动蜗轮固定。导向块的底部开设有导向缝。锯带穿过导向块的导向缝。
[0008] 所述的工作台包括摆动台、移动台、横移驱动件、摆动弹簧、摆动弹簧和摆动气缸。移动台与机架构成滑动副，并由横移驱动件驱动。所述的摆动台与移动台构成转动副。摆动弹簧的两端与摆动台、移动台分别连接。摆动台上开设有滑槽。摆动气缸的缸体固定在移动台上。摆动气缸的活塞杆外端固定有圆柱销。圆柱销设置在摆动台的滑槽内。摆动台上安装有装夹组件。
[0009] 进一步地，所述的三轮锯切机构中，主动带锯轮及从动锯带轮的直径均为d1。中间锯带轮的直径为d2。被锯切工件的直径或最大维度尺寸为D。d1、d2、D同时满足式(1)、(2)、(3)。
[0010]
[0011]
[0012] α1＝270°-β1-β2≥140° 式(3)
[0013] 式(1)及(2)中，δ1为横向安全距离，其取值范围是0.3D≤δ1≤0.5D。δ2为纵向安全距离，其取值范围是δ2≥50mm。
[0014] 式(3)中，α1为锯带对主动带锯轮及从动锯带轮的包角，β1及β2均是中间变量，其值分别根据式(1)、式(2)求出。
[0015] 进一步地，所述的装夹组件包括V型定位块、夹紧块、夹紧气缸和夹紧基座。V型定位块及夹紧基座固定在摆动台上。V型定位块的顶部开设有定位V形槽。夹紧块与夹紧基座构成滑动副。夹紧气缸的缸体与夹紧块固定。夹紧气缸的活塞杆与夹紧基座固定。夹紧块靠近V型定位块的端面上设置有倾斜朝下的夹紧斜面。
[0016] 进一步地，所述的纠偏移动板与机架所成滑动副的相对方向平行于主动锯带轮的轴线。所述的纠偏摆动蜗轮的轴线垂直于主动锯带轮的轴线。
[0017] 进一步地，所述的导向纠偏机构共有两个。两个导向纠偏机构均设置在主动带锯轮与从动锯带轮之间，且分别靠近主动带锯轮、从动锯带轮。
[0018] 进一步地，所述的纠偏驱动件包括纠偏丝杆和纠偏电机。纠偏丝杆支承在锯架上，并由纠偏电机驱动。固定在纠偏移动板上的螺母与纠偏丝杆构成螺旋副。
[0019] 进一步地，所述的横移驱动件包括移动丝杠和工作台横移电机。所述的移动丝杠支承在机座上，并由工作台横移电机驱动。固定在移动台底部的螺母与移动丝杠构成螺旋副。
[0020] 进一步地，所述的进给液压油缸共有两个。两个进给液压油缸对中设置在机座上。进给液压油缸采用双出杆油缸。进给液压油缸的活塞杆与机架固定。进给液压油缸的缸体与锯架固定。
[0021] 该重特大结构件锯切装备的锯切方法具体如下：
[0022] 步骤一、将工件装夹到装夹组件上。
[0023] 步骤二、横移驱动件驱动工件移动，使得工件的待锯切部位对准锯带。
[0024] 步骤三、主动带锯轮带动锯带运动，实现锯切的主运动。
[0025] 步骤四、进给液压油缸驱动锯架向工件滑动，实现锯切的进给运动。摆动气缸的有杆腔、无杆腔持续交替通气，使得摆动气缸在推出和缩回中持续转换，进而驱动工件持续进行上下摆动，实现锯切过程中的断屑和排屑。
[0026] 当锯带的锯切方向发生走偏时，纠偏驱动件驱动纠偏移动板发生前后移动，引导块带动锯带向预设的锯切方向偏移。当锯带的发生扭转变形时，扭转电机转动，带动引导块发生旋转，进而挤压锯带，使得锯带侧面恢复到竖直状态。
[0027] 本发明具有的有益效果是：
[0028] 1、本发明将传统两锯带轮传动结构改变成三锯带轮传动结构，克服了常规两锯带轮锯床必须锯带轮直径大于工件直径的缺陷，大大缩减了整机体积和高度。
[0029] 2、本发明给出通过三锯带轮传动结构中，各几何参数所需满足的条件，进而在保证能够完成锯切，且锯带不易打滑的前提下，实现本发明尽可能的小型化。
[0030] 3、本发明中的导向纠偏机构能够使锯带产生旋转和平移两个自由度的微动，达到锯带纠偏目的，实现锯切过程中的误差补偿。
[0031] 4、本发明通过摆动工作台，促进锯切过程中的断屑和排屑，进而避免切割区过热，提高带锯使用寿命。
附图说明
[0032] 图1为本发明的正面示意图；
[0033] 图2为图1中A-A截面的剖视图；
[0034] 图3为本发明中导向纠偏机构的示意图；
[0035] 图4为本发明中三轮锯切机构的正面设计图；
[0036] 图5为本发明中三轮锯切机构的参数几何关系示意图。
具体实施方式
[0037] 以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0038] 如图1所示，一种重特大结构件锯切装备，包括机架1、导向立柱2、三轮锯切机构、进给液压油缸5、机座16、工作台、导向纠偏机构、工作台、装夹组件和控制器。机架1固定在机座16上。两根导向立柱2均固定在机架1及机座16上。三轮锯切机构包括锯架3、主动带锯轮4、锯带6、中间锯带轮7和从动锯带轮8。锯架3与两根导向立柱2构成滑动副。两个进给液压油缸5对中设置在机座16上。进给液压油缸5采用双出杆油缸。进给液压油缸5上活塞杆的两端与机架1、机座16分别固定。进给液压油缸5的缸体与锯架3固定。主动带锯轮4、中间锯带轮7及从动锯带轮8均支承在锯架3上。主动带锯轮4与从动锯带轮8等高设置。中间锯带轮7位于主动带锯轮4与从动锯带轮8中心点连线的中点的正上方。主动带锯轮4由锯切动力电机驱动。主动带锯轮4、中间锯带轮7、从动锯带轮8通过锯带6连接。
[0039] 如图1、2和3所示，导向纠偏机构包括导向块9、纠偏移动板10、导向杆11、纠偏摆动蜗杆13、纠偏摆动蜗轮14、蜗轮轴15、纠偏驱动件和扭转电机。两根导向杆11均固定在锯架3上。导向杆11的轴线平行与主动带锯轮4的轴线。纠偏移动板10与两根导向杆11构成滑动副。纠偏驱动件包括纠偏丝杆12和纠偏电机。纠偏丝杆12支承在锯架3上。固定在纠偏移动板10上的螺母与纠偏丝杆12构成螺旋副，从而实现纠偏移动板10沿锯带轮轴线方向的移动调节。纠偏电机固定在锯架3上，且输出轴与纠偏丝杆12的一端固定。纠偏摆动蜗杆13及蜗轮轴15均支承在纠偏移动板10上，且轴线相互垂直。蜗轮轴15的轴线垂直于纠偏丝杆12的轴线。纠偏摆动蜗轮14固定在蜗轮轴15上。纠偏摆动蜗杆13与纠偏摆动蜗轮14啮合。导向块9与蜗轮轴15固定。导向块6的底部开设有导向缝。两个导向纠偏机构均设置在主动带锯轮与从动锯带轮的下边缘之间。两个导向纠偏机构分别靠近主动带锯轮、从动锯带轮。锯带穿过两个导向纠偏机构内导向块9的导向缝。两个导向块9之间的锯带的侧面平行于导向立柱
2轴线，该部分锯带进行锯切。
[0040] 工作台包括轴承座18、摆动台19、移动台20、横移驱动件、摆动弹簧23、摆动弹簧23、移动导轨26和摆动气缸27。两根移动导轨26均固定在机座16上。移动导轨26的轴线平行于主动带锯轮的轴线。移动台20与两根移动导轨26构成滑动副。横移驱动件包括移动丝杠
22和工作台横移电机。移动丝杠22支承在机座16上。固定在移动台底部的螺母与移动丝杠
22构成螺旋副。工作台横移电机固定在机座16上，且输出轴与移动丝杠22的一端固定。轴承座18固定在移动台20上。摆动台19的一端与轴承座18构成转动副。摆动台19与移动台20间隔设置。摆动弹簧23位于摆动台19与移动台20之间，且两端分别抵住摆动台19、移动台20。
摆动台19上开设有滑槽。滑槽的长度方向垂直于轴承座18内轴承的轴线。摆动气缸27的缸体固定在移动台20上。摆动气缸27的活塞杆外端固定有圆柱销。圆柱销设置在摆动台19的滑槽内。摆动气缸27的推出或缩回将驱动摆动台19绕轴承座18发生摆动。
[0041] 装夹组件包括V型定位块17、夹紧块24、夹紧气缸25和夹紧基座。V型定位块17及夹紧基座固定在摆动台上。V型定位块17的顶部开设有定位V形槽。夹紧块24与夹紧基座构成滑动副。夹紧气缸25的缸体与夹紧块24固定。夹紧气缸25的活塞杆与夹紧基座固定。夹紧块24靠近V型定位块17的端面上设置有倾斜朝下的夹紧斜面。夹紧块24的空间位置高于V型定位块17。当夹紧气缸25推出时，夹紧块24上的夹紧斜面能够抵住被锯切工件21，从而实现工件的装夹。
[0042] 控制器的液压控制接口与进给液压油缸5通过换向阀连接。控制器的四个电机控制接口与锯切动力电机、工作台横移电机、纠偏电机、扭转电机分别通过伺服电机驱动器连接。控制器的两个气缸控制接口与摆动气缸27、夹紧气缸25分别通过换向阀连接。
[0043] 三轮锯切机构的设计要求如下：
[0044] 三轮锯切机构的正面设计示意图如图4所示，图中，d1为主动锯带轮和从动锯带轮的直径，d2为中间锯带轮的直径，D为被锯切工件的直径或最大维度尺寸，δ1为横向安全距离(其表示锯切过程中工件边缘与主动锯带轮及从动锯带轮边缘的距离最小值)，δ2为纵向安全距离(其表示工件被切断时工件边缘与中间锯带轮边缘的距离)。α1为锯带对主动锯带轮及从动锯带轮的包角。α2为锯带对中间锯带轮及从动锯带轮的包角。M为主动锯带轮与中间锯带轮之间那段锯带的长度，其值与图5中的线段AE等长。从动锯带轮中心与主动锯带轮的中心距为(d1-D)/2+δ1；L为主动锯带轮与中间锯带轮的中心距，L＝(d2-d1)/2+D+δ2。主动锯带轮与从动锯带轮的中间心与中间锯带轮中心的距离为(d2-d1)/2+D+δ2。
[0045] 从图4可以看出，α1＝270°-β1-β2；γ1为β1的余角，γ2为β2的余角。图5中，点A为图4中的中间锯带轮的中心点。点B为图4中的主动锯带轮与从动锯带轮的中间点(连线的中点)。点C为图4中的主动锯带轮的中心点。点E在点C与主动锯带轮、锯带相切处的连线上，且线段AE垂直于线段CE。由于主动锯带轮、中间锯带轮之间的那段锯带与线段AE平行且相等，故线段CE的长度为(d1-d2)/2。
[0046] 从 图 5 可 以 看 出 ，
[0047] 为了减少整机的体积和高度，一般取0.3D≤δ1≤0.5D，δ2≥50mm。为了防止带锯打滑，一般要求主从锯带轮的包角α1≥140°。
[0048] 通过举例说明三轮锯切机构的优化计算过程如下：
[0049] 已知工件的直径D＝3000mm，根据整机体积和高度的优化要求，初步确定d1＝1400mm、d2＝1000mm、δ1＝1500mm、δ2＝50mm。分别计算β1、β2和α1，校核包角α1是否符合要求。
将初定的结构参数代入cosβ1、tanβ2和α1公式，得β1＝87.5°、β2＝37.6°、α1＝144.8°>140°，符合要求。
[0050] 该重特大结构件锯切装备的锯切方法具体如下：
[0051] 步骤一、将工件21放置到V型定位块17上，控制器控制夹紧气缸25推出，使得夹紧块24抵住工件21。
[0052] 步骤二、工作台横移电机转动，使得工件21的待锯切部位对准锯带6。
[0053] 步骤三、锯切动力电机转动，使得主动带锯轮驱动锯带，在导向块9引导下，实现锯切的主运动。
[0054] 步骤四、两个进给液压油缸5同步运动，锯架3沿导向立柱2向工件21滑动，实现锯切的进给运动。
[0055] 控制器通过换向阀为摆动气缸27的有杆腔、无杆腔持续交替通气，使得摆动气缸27在推出和缩回中持续高频转换，进而驱动工件持续进行上下微幅摆动。工件的摆动形成与锯带的小幅度的高频相对震动，达到断屑和排屑的目的，进而提高锯切效率，降低锯切区域的温度。由于工件摆动的回转轴线垂直于锯带6的进给方向，故工件的摆动不会影响锯切精度。
[0056] 同时，通过工作人员观察或摄像机拍摄后供控制器图像处理的方式，检测锯带的走偏和变形情况。当锯带的锯切方向发生走偏时，两个纠偏电机转动，使得两块纠偏移动板10发生前后移动，两个引导块9带动锯带6向预设的锯切方向偏移，从而实现锯带自动纠偏。
当锯带的发生扭转变形(即发生倾斜，不再沿竖直面锯切)时，两个扭转电机转动，带动两个引导块9发生旋转，进而挤压锯带，使得两个导向纠偏机构之间的锯带侧面恢复到竖直状态。
[0057] 总体来看，本发明中的导向纠偏机构可使锯带产生旋转和平移两个自由度的微动，从而实现在线自动纠偏，满足锯带自动纠偏、进行锯切过程误差在线补偿的要求。
