CN107031253B - 一种水冷电主轴的除尘夹具及其除尘方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水冷电主轴的除尘夹具及其除尘方法，所述水冷电主轴通过安装法兰安装在机器人本体的末端。除尘夹具穿过刀具套装在水冷电主轴的前部，除尘夹具包括安装座、空气放大器、导流管，所述空气放大器的侧部连接快速接头；安装座套装在水冷电主轴的前部，所述空气放大器的吸入口插接在安装座侧面的接口将空气放大器安装固定，导流管通过连接块安装在安装座上。本发明通过控制压缩空气的通断即可实现除尘作业启停的控制，与电主轴集成安装，能够在机器人雕刻过程中实时除尘，同时能够适应不同的雕刻作业类型、刀具长短的变化。

Description

一种水冷电主轴的除尘夹具及其除尘方法
技术领域
本发明属于机器人雕刻应用领域，具体涉及一种水冷电主轴的除尘夹具及其除尘方法。
背景技术
雕刻是成型加工中的常用方法，机器雕刻作业通常由数控机床、雕刻机、机器人等设备，安装电主轴实现作业。相比人工雕刻，具有效率高、作业安全、产品一致性好、成本低的优势，是实现雕刻产品批量化生产的必经之路。
机器人雕刻是机器人应用的主要形式之一。相比机床、雕刻机，机器人雕刻具有自由度大、重复定位精度高的特点，机床、雕刻机的作业范围均受到机械结构的限制，但机器人雕刻作业范围不受机械结构的限制，在配套行走装置后能够极大扩展作业范围，因此非常适于大型部件或复杂曲面的雕刻。通过不同负载的机器人与不同形式的电主轴的搭配，能够以最低的成本实现不同硬度材料的雕刻加工。
机器人雕刻作为一种切削加工作业，不可避免的会产生大量雕刻碎屑，在高速旋转的刀具带动下散落到整个作业空间中。尤其当机器人雕刻作业在开放空间中进行时，产生的碎屑不但对作业环境造成污染，还会吸附在设备表面而难以清理，一旦进入电主轴内部还可能会损坏电机，因此有必要在雕刻过程中进行实时的除尘作业。
除尘作业的实施，与选用的电主轴的类型有关。电主轴通常有风冷、水冷两种冷却方式，风冷电主轴使用自带风机产生气流吹过电机实现冷却，气流从电主轴前部吹出时，将雕刻碎屑一并吹散到作业空间，难以收集，从而难以实现实时除尘；水冷电主轴使用循环水进行电机冷却，产生的碎屑自然沉降，只要进行收集、排出即可实现除尘，因此有实现实时除尘的可能性。
当前机器人安装水冷电主轴雕刻的除尘主要面临如下困难：
1)刀具轴线通常位于作业表面法线方向，因此在雕刻复杂曲面时，刀具并不竖直向下，甚至可能斜向上，难以采用常见的喷射冷却液的方式除尘冷却；
2)在很多情况下，机器人雕刻的成品用于制造前的验证，因此会采用较软的材料，比如泡沫、有机塑料，以降低材料成本，以及对机器人配置的要求，由于此类材料难以承受冲击，难以采用常见的喷射冷却液的方式除尘冷却；
3)目前市场上的除尘设备，大多用于一定区域的排烟、除尘，无法随机器人移动，难以适应机器人大范围作业的要求，而且结构复杂、造价高，增加了机器人雕刻作业的成本。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种水冷电主轴的除尘夹具及其除尘方法。
其采用如下技术方案：
一种水冷电主轴的除尘夹具，所述水冷电主轴通过安装法兰安装在机器人本体的末端，所述水冷电主轴具有圆柱形壳体，壳体前端通过快速夹头装夹有刀具，壳体后部设有进水口、出水口，进水口、出水口用于通循环水冷却，壳体后部设有供电接口，供电接口连接有变频器供电、调速；
所述除尘夹具穿过刀具套装在水冷电主轴的前部，除尘夹具包括安装座、空气放大器、导流管，所述空气放大器的侧部连接快速接头；
所述安装座套装在水冷电主轴的前部，所述空气放大器的吸入口插接在安装座侧面的接口将空气放大器安装固定，导流管通过连接块安装在安装座上。
进一步地，所述导流管包括粗雕导流管和长度不同的精雕导流管；
所述粗雕导流管前部有喇叭口，后部有外螺纹接口，与连接块或精雕导流管的螺纹孔连接，粗雕导流管通过连接块安装在安装座上，电主轴刀具与粗雕导流管内部空腔之间形成喇叭形风道；
所述精雕导流管内部有多级连通的阶梯孔，精雕导流管通过连接块安装在安装座上，电主轴刀具与精雕导流管内部阶梯孔之间形成环形风道。
进一步地，所述安装座、空气放大器、导流管安装在电主轴上之后形成风道结构；
所述导流管的前部呈喇叭状为风道入口，空气放大器吸入口为风道出口，空气放大器吸入口与空气放大器排气口连通，快速接头接口是向空气放大器提供压缩空气的入口；
所述空气放大器吸入口的流量达到压缩空气流量的数十倍，从而在风道内快速的建立负压。
进一步地，所述安装座中空，安装座的前端面中心开有用于安装所述连接块的螺纹孔，安装座前部侧面设有平面，平面上开有用于安装空气放大器的螺纹孔；
所述安装座的后部开有环向槽，使安装座前后两部分具有夹紧形变，安装座后部开有纵向的槽，纵向槽位置开设安装螺纹孔，纵向槽使安装座左右两部分具有夹紧内径形变。
进一步地，所述连接块为变径接头，连接块一侧具有大尺寸外螺纹，连接安装座，另一侧具有小尺寸螺纹孔，连接导流管。
进一步地，所述水冷电主轴后部的进水口、出水口分别通过水管连接有水箱的出水口、进水口，水管沿机器人本体的手臂布置。
进一步地，所述空气放大器排气口通过除尘管道连接有集尘箱的进口，除尘管道沿机器人本体的手臂布置。
更进一步地，所述空气放大器通过快速接头接口连接有空压机，空压机配置有气体干燥与过滤装置，将压缩空气干燥、过滤后，导入空气放大器。
上述水冷电主轴的除尘夹具的除尘方法，所述除尘方法包括如下步骤：
(1)待雕刻的物料固定在底部台架上；
(2)根据雕刻需要选择粗雕导流管或长度不同的精雕导流管或两者的结合，组装水冷电主轴的除尘夹具；
(3)将水冷电主轴后部的进水口、出水口分别连接水箱的出水口、进水口，空气放大器排气口连接集尘箱的进口，空气放大器连接空压机；
(4)开始雕刻，水箱内的水通过水管在水冷电主轴与水箱之间循环，水冷刀具；
(5)除尘夹具安装后，其内部空腔形成密闭风道，通过空气放大器吸入口对风道内空气的大流量抽吸，在风道内形成负压，雕刻过程中实时将雕刻碎屑收集并导入空气放大器，雕刻碎屑经由空气放大器进入除尘管道，最终进入集尘箱。
所述步骤(5)中，导流管进风口位于除尘夹具最前部，为雕刻碎屑入口，空气放大器开始工作后，其吸入口对风道内的空气进行快速抽吸，使风道内形成负压，使导流管进风口产生向风道内快速流动的气流，雕刻产生的散乱的雕刻碎屑在导流管进风口气流的带动下，进入风道，将雕刻碎屑收集在风道内，并经由空气放大器排出至集尘箱。
采用如上技术方案取得的有益技术效果为：
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
纯机械结构，通过控制压缩空气的通断即可实现除尘作业启停的控制，不含其他电气元件，无需其他控制元件的配合，降低了故障率，实现低成本、高可靠性的除尘作业，作业过程无燃、爆风险，确保了作业安全。
与电主轴集成安装，能够在机器人雕刻过程中实时除尘，能够用于软质材料的雕刻，能够随机器人移动进行大范围雕刻作业，解决了机器人雕刻作业难以除尘的问题，便于机器人雕刻应用的推广。
能够适应不同的雕刻作业类型、刀具长短的变化。
附图说明
图1为水冷电主轴的除尘夹具的结构示意图。
图2为水冷电主轴的除尘夹具的爆炸视图。
图3为水冷电主轴的除尘夹具的剖面视图。
图4为安装座的结构示意图。
图5为精雕导流管的结构示意图。
图6为粗雕导流管的结构示意图。
图7为空气放大器结构示意图。
图8为水冷电主轴的除尘夹具的雕刻作业示意图。
图中，1、空气放大器，2、连接块，3、精雕导流管，4、粗雕导流管，5、第一加长精雕导流管，6、第二加长精雕导流管，7、第三加长精雕导流管，8、安装座，9、快速接头，10、水冷电主轴，11、夹紧螺栓，1-1、空气放大器吸入口，1-2、快速接头接口，1-3空气放大器排气口，12、集尘箱，13、空压机，14、工业机器人本体，15、安装法兰，16、除尘夹具，17、待雕刻物料，18、水箱。
具体实施方式
结合附图1至8对本发明的具体实施方式做进一步说明：
一种水冷电主轴的除尘夹具，所述水冷电主轴通过安装法兰15安装在机器人本体的末端，所述水冷电主轴10具有圆柱形壳体，壳体前端通过快速夹头装夹有刀具，壳体后部设有进水口、出水口，进水口、出水口用于通循环水冷却，壳体后部设有供电接口，供电接口连接有变频器供电、调速。所述除尘夹具16穿过刀具套装在水冷电主轴的前部，除尘夹具包括安装座、空气放大器1、导流管，所述空气放大器的侧部连接快速接头9。所述安装座套装在水冷电主轴的前部，所述空气放大器的吸入口插接在安装座8侧面的接口将空气放大器安装固定，导流管通过连接块2安装在安装座上。
在除尘夹具上开设安装螺纹孔，与空气放大器自带的安装螺纹连接。在实现空气放大器固定的同时，保证了除尘夹具内部空腔所形成的风道的密封性。
空气放大器在除尘夹具上安装后，与电主轴刀具刀尖距离尽量小，从而避免距离过大导致放大器吸入口流量降低过多。
导流管包括粗雕导流管4和长度不同的精雕导流管(如第一加长精雕导流管5、第二加长精雕导流管6、第三加长精雕导流管7，能够适应不同的雕刻作业类型、刀具长短的变化)；粗雕导流管前部有喇叭口，后部有外螺纹接口，与连接块或精雕导流管的螺纹孔连接，粗雕导流管通过连接块安装在安装座上，电主轴刀具与粗雕导流管内部空腔之间形成喇叭形风道。精雕导流管内部有多级连通的阶梯孔，精雕导流管3通过连接块安装在安装座上，电主轴刀具与精雕导流管内部阶梯孔之间形成环形风道。
分别设计有长短不一的精雕导流管，分别用于长、短刀具雕刻的作业，是指：不同的雕刻成品的形态，要求使用不同长度的刀具，为此，对导流管进行了模块化设计，分别设计有不同长度的精雕导流管，其结构相同，而长度不同，相互之间能够首尾连接，也可以与粗雕导流管连接；短的导流管适用于较短刀具，长的导流管适用于较长刀具，若刀具更长则将多个导流管连接即可。从而使导流管的进风口与刀具切削位置尽量靠近。
安装座、空气放大器、导流管安装在电主轴上之后形成风道结构；导流管的前部呈喇叭状为风道入口，空气放大器吸入口1-1为风道出口，空气放大器吸入口与空气放大器排气口1-3连通，快速接头接口1-2是向空气放大器提供压缩空气的入口；空气放大器吸入口的流量达到压缩空气流量的数十倍，从而在风道内快速的建立负压。
安装座为厚壁圆柱形结构，为除尘夹具其他部件的组装提供了稳固的基座，提供了空气放大器、连接块的安装接口，能够在电主轴的壳体上实现牢固固定。
安装座前部侧面加工有平面，平面上加工有安装螺纹孔，用于空气放大器1的螺纹连接；安装座前部端面中心加工有安装螺纹孔，用于连接块的螺纹连接；安装座后部端面中心加工有较大直径的光孔，用于套装在电主轴的壳体上；安装座后部开有环向的槽，将安装座分为前后两部分，使后部能够在夹紧力作用下实现形变；安装座后部开有纵向的槽，纵向槽位置开设安装螺纹孔，当安装座套在电主轴外壳上，并拧入安装夹紧螺栓11后，纵向槽两侧切面间的距离，在夹紧力作用下变小，纵向槽位置发生形变，使安装座后部内径缩小，夹紧在电主轴壳体上，因此增大了安装座与电主轴壳体间的摩擦力，实现安装座在电主轴上的固定。
连接块为变径接头，连接块一侧具有大尺寸外螺纹，连接安装座，另一侧具有小尺寸螺纹孔，连接导流管。
安装座出于强度、尺寸的考虑，具有较大外径，其后部为了与电主轴壳体连接，内径依据壳体外径设计为较大尺寸，其前部为了避免与电主轴的刀具夹头干涉，内径同样较大；
而导流管，为了避免雕刻过程中与模型表面发生干涉，因此外径较小；为了增大风道内的负压，减小了导流管的内孔与刀具外径的空隙，因此导流管均为小直径的薄壁圆管结构，导致其难以与安装座前部接口连接。
为此，设计有连接块，一侧具有大尺寸外螺纹，连接安装座，一侧具有小尺寸螺纹孔，连接导流管，实现导流管与安装座的连接。
通过快速接头接口1-2将压缩空气导入空气放大器，由于空气放大器产生流量较大，因此导入的压缩空气需要进行干燥、过滤，否则产生的水分将随压缩空气进入除尘管道，降低除尘效率；吸入口、排气口处，均有安装用外螺纹，便于安装连接；将吸入口插入安装座侧面的接口并拧紧，即可实现连接固定。
工业机器人本体14是具有6个自由度的多关节工业机器人，具备较大的柔性，作业范围可达1600mm，重复定位精度可达±0.05mm，额定负载达16kg。
电主轴及其安装法兰包括电主轴及其安装法兰，通过连接螺栓能够将电主轴固定在安装法兰上，再通过安装法兰上加工的接口，连接在工业机器人本体的末端法兰上；而后，将电主轴后部的进水口、出水口，分别与水箱18的出水口、进水口通过水管连接，水管沿机器人各个手臂布置；电主轴必须通过变频器供电，其后部有供电接口，通过电缆线与变频器连接，进行电主轴供电与调速；电主轴最前端使用快速夹头装夹刀具。
除尘夹具固定在电主轴的前部，固定后，使用除尘管道连接空气放大器排气口与集尘箱12的进口，除尘管道沿机器人各个手臂布置。
待雕刻物料17固定在台架上，图中显示为一块板，也可以是立柱或其他形式的毛坯，材料可以依据所选取的电主轴的性能参数、所配置的工业机器人本体的负载而确定，可以选用泡沫、塑料等软质材料，或者木材、石材等硬质材料。在使用除尘夹具16进行实时除尘作业时，则只能选用软质材料。
水箱为水冷电主轴提供循环冷却水，有进水口、出水口，分别与电主轴的出水口、进水口通过水管连接；使用的冷却水要求为纯净水；电主轴开始工作前，首先开启水箱。
集尘箱为密封结构，顶面与筒体通过螺栓连接，二者接触的缝隙处通过密封条密封，只有顶面有2个开口，一个过滤口通过过滤装置连通大气，过滤口能够及时排气，避免集尘箱内部气压过高，同时阻止雕刻碎屑排出；一个进口连接除尘管道，并通过除尘管道与空气放大器排气口连通。雕刻时，雕刻碎屑经由空气放大器进入除尘管道，最终进入集尘箱。
空压机13为空气放大器供应压缩空气，通过气管与空气放大器的快速接头接口连接，气管沿机器人各个手臂布置；开始雕刻作业前，开启空压机，完成雕刻作业后，将空压机关闭；空压机配置气体干燥与过滤装置，将压缩空气干燥、过滤后，导入空气放大器。
上述水冷电主轴的除尘夹具的除尘方法，所述除尘方法包括如下步骤：
(1)待雕刻物料固定在底部台架上；
(2)根据雕刻需要选择粗雕导流管或长度不同的精雕导流管或两者的结合，组装水冷电主轴的除尘夹具；
(3)将水冷电主轴后部的进水口、出水口分别连接水箱的出水口、进水口，空气放大器排气口连接集尘箱的进口，空气放大器连接空压机；
(4)开始雕刻，水箱内的水通过水管在水冷电主轴与水箱之间循环，水冷电主轴；
(5)除尘夹具安装后，其内部空腔形成密闭风道，通过空气放大器吸入口对风道内空气的大流量抽吸，在风道内形成负压，将雕刻碎屑收集并导入空气放大器，雕刻碎屑经由空气放大器进入除尘管道，最终进入集尘箱。
所述步骤(5)中，导流管进风口位于除尘夹具最前部，为雕刻碎屑入口，空气放大器开始工作后，其吸入口对风道内的空气进行快速抽吸，使风道内形成负压，使导流管进风口产生向风道内快速流动的气流，雕刻产生的散乱的雕刻碎屑在导流管进风口气流的带动下，进入风道，将雕刻碎屑收集在风道内，并经由空气放大器排出至集尘箱。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (10)

1.一种水冷电主轴的除尘夹具，所述水冷电主轴(10)通过安装法兰(15)安装在机器人本体的末端，其特征在于，
所述水冷电主轴(10)具有圆柱形壳体，壳体前端通过快速夹头装夹有刀具，壳体后部设有进水口、出水口，进水口、出水口用于通循环水冷却，壳体后部设有供电接口，供电接口连接有变频器供电、调速；
所述除尘夹具(16)穿过刀具套装在水冷电主轴(10)的前部，除尘夹具(16)包括安装座(8)、空气放大器(1)、导流管，所述空气放大器(1)的侧部连接快速接头(9)；
所述安装座(8)套装在水冷电主轴(10)的前部，所述空气放大器(1)的吸入口插接在安装座(8)侧面的接口将空气放大器(1)安装固定，导流管通过连接块(2)安装在安装座(8)上。
2.根据权利要求1所述的一种水冷电主轴的除尘夹具，其特征在于，所述导流管包括粗雕导流管(4)和长度不同的精雕导流管(3)；
所述粗雕导流管(4)前部有喇叭口，后部有外螺纹接口，与连接块(2)或精雕导流管(3)的螺纹孔连接，粗雕导流管(4)通过连接块(2)安装在安装座(8)上，电主轴刀具与粗雕导流管(4)内部空腔之间形成喇叭形风道；
所述精雕导流管(3)内部有多级连通的阶梯孔，通过连接块(2)安装在安装座(8)上，电主轴刀具与精雕导流管(3)内部阶梯孔之间形成环形风道。
3.根据权利要求1所述的一种水冷电主轴的除尘夹具，其特征在于，所述安装座(8)、空气放大器(1)、导流管安装在电主轴上之后形成风道结构；
所述导流管的前部呈喇叭状为风道入口，空气放大器吸入口(1-1)为风道出口，空气放大器吸入口(1-1)与空气放大器排气口(1-3)连通，快速接头(9)的接口是向空气放大器(1)提供压缩空气的入口；
所述空气放大器吸入口(1-1)的流量达到压缩空气流量的数十倍，从而在风道内快速的建立负压。
4.根据权利要求1所述的一种水冷电主轴的除尘夹具，其特征在于，所述安装座(8)中空，安装座(8)的前端面中心开有用于安装所述连接块(2)的螺纹孔，安装座(8)前部侧面设有平面，平面上开有用于安装空气放大器(1)的螺纹孔；
所述安装座(8)的后部开有环向槽，使安装座(8)前后两部分具有夹紧形变，安装座(8)后部开有纵向的槽，纵向槽位置开设安装螺纹孔，纵向槽使安装座(8)左右两部分具有夹紧内径形变。
5.根据权利要求1所述的一种水冷电主轴的除尘夹具，其特征在于，所述连接块(2)为变径接头，连接块(2)一侧具有大尺寸外螺纹，连接安装座(8)，另一侧具有小尺寸螺纹孔，连接导流管。
6.根据权利要求1所述的一种水冷电主轴的除尘夹具，其特征在于，所述水冷电主轴(10)后部的进水口、出水口分别通过水管连接有水箱的出水口、进水口，水管沿机器人本体的手臂布置。
7.根据权利要求1所述的一种水冷电主轴的除尘夹具，其特征在于，所述空气放大器(1)排气口通过除尘管道连接有集尘箱(12)的进口，除尘管道沿机器人本体的手臂布置。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种水冷电主轴的除尘夹具，其特征在于，所述空气放大器(1)通过快速接头接口(1-2)连接有空压机(13)，空压机(13)配置有气体干燥与过滤装置，将压缩空气干燥、过滤后，导入空气放大器(1)。
9.一种如权利要求8所述的水冷电主轴的除尘夹具的除尘方法，其特征在于，所述除尘方法包括如下步骤：
(1)待雕刻的物料固定在底部台架上；
(2)根据雕刻需要选择粗雕导流管或长度不同的精雕导流管或两者的结合，组装带除尘夹具的水冷电主轴；
(3)将水冷电主轴后部的进水口、出水口分别连接水箱的出水口、进水口，空气放大器排气口连接集尘箱的进口，空气放大器连接空压机；
(4)开始雕刻，水箱内的水通过水管在水冷电主轴与水箱之间循环，水冷电主轴；
(5)除尘夹具安装后，其内部空腔形成密闭风道，通过空气放大器吸入口对风道内空气的大流量抽吸，在风道内形成负压，雕刻过程中实时将雕刻碎屑收集并导入空气放大器，雕刻碎屑经由空气放大器进入除尘管道，最终进入集尘箱。
10.根据权利要求9所述的水冷电主轴的除尘夹具的除尘方法，其特征在于，所述步骤(5)中，导流管进风口位于除尘夹具最前部，为雕刻碎屑入口，空气放大器开始工作后，其吸入口对风道内的空气进行快速抽吸，使风道内形成负压，使导流管进风口产生向风道内快速流动的气流，雕刻产生的散乱的雕刻碎屑在导流管进风口气流的带动下，进入风道，将雕刻碎屑收集在风道内，并经由空气放大器排出至集尘箱。
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