CN107088713B - 小圆孔切割辅助装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业自动化生产设备技术领域，涉及一种小圆孔切割辅助装置。旋转组件包括导向电缸、旋转支架、连杆、直线滑块和直线导轨一，旋转支架上设环状V形轨道，导向电缸伸缩，通过连杆驱动直线滑块沿垂直的方向平移，直线滑块上的深沟球轴承中心线与旋转支架的旋转中心线间距是R；激光器组件包括激光器支架、直线导轨三和十字滑块，激光器支架和直线滑块通过深沟球轴承组成旋转副，十字滑块上有两个滑槽分别与直线导轨三和直线导轨二组成直线导轨副，激光器组件相对于支架组件沿直线导轨三或/和直线导轨二平移。本发明辅助机器人切割出直径很小的圆孔，孔的形状精确，又不妨碍激光切割机器人做其它的工作。

Description

小圆孔切割辅助装置

技术领域

本发明属于工业自动化生产设备技术领域，涉及一种金属智能切割设备辅助装置，具体涉及一种小圆孔切割辅助装置。

背景技术

激光切割技术是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割属于热切割方法之一。激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。

激光切割与其他热切割方法相比较有许多优点。

1)切割速度快。用功率为1200W的激光切割2mm厚的低碳钢板，切割速度可达600cm/min；切割5mm厚的聚丙烯树脂板，切割速度可达1200cm/min。材料在激光切割时不需要装夹固定，既可节省工装夹具，又节省了上、下料的辅助时间。

2)切割效率高。由于激光的传输特性，激光切割机上一般配有多台数控工作台，整个切割过程可以全部实现数控。操作时，只需改变数控程序，就可适用不同形状零件的切割，既可进行二维切割，又可实现三维切割。

3)切割质量好。由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能够获得较好的切割质量。激光切割切口细窄，切缝两边平行并且与表面垂直，切割零件的尺寸精度可达±0.05mm。切割表面光洁美观，表面粗糙度只有几十微米，甚至激光切割可以作为最后一道工序，无需机械加工，零部件可直接使用。材料经过激光切割后，热影响区宽度很小，切缝附近材料的性能也几乎不受影响，并且工件变形小，切割精度高，切缝的几何形状好，切缝横截面形状呈现较为规则的长方形。

4) 非接触式切割。激光切割时割炬与工件无接触，不存在工具的磨损。加工不同形状的零件，不需要更换“刀具”，只需改变激光器的输出参数。激光切割过程噪声低，振动小，无污染。

5)切割材料的种类多。与氧乙炔切割和等离子切割比较，激光切割材料的种类多，包括金属、非金属、金属基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维等。但是对于不同的材料，由于自身的热物理性能及对激光的吸收率不同，表现出不同的激光切割适应性。

大多数激光切割机都由数控程序进行控制操作或做成切割机器人。激光切割作为一种精密的加工方法，几乎可以切割所有的材料，包括薄金属板的二维切割或三维切割。

在汽车制造领域，小汽车顶窗等空间曲线的切割技术都已经获得广泛应用。德国大众汽车公司用功率为500W的激光器切割形状复杂的车身薄板及各种曲面件。在航空航天领域，激光切割技术主要用于特种航空材料的切割，如钛合金、铝合金、镍合金、铬合金、不锈钢、氧化铍、复合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有发动机火焰筒、钛合金薄壁机匣、飞机框架、钛合金蒙皮、机翼长桁、尾翼壁板、直升机主旋翼、航天飞机陶瓷隔热瓦等。

一般情况下，加工大平面的板材、整根的线材使用台式激光切割机比较方便，使用CNC进行编程。加工较为复杂的三维曲面使用激光切割机器人比较灵活方便。

但是，在使用激光切割机器人切割金属板时存在这样的问题，特别是在汽车制造领域，往往需要在金属板上切割很小直径的小圆孔，使用机器人编程也可以使激光器沿着圆形切割，机器人系统的计算机是通过方程计算确定圆形的轨迹，在方程的取值范围内取有限个点计算出多个点的坐标，把多个点的坐标依次连接起来组成一个近似的圆，所画出的圆是按多边形处理的，当圆孔的直径较大，比如大于10mm时，多边形的顶点数量较多，看起来是圆的，但是当圆孔的直径较小时，比如小于3mm时，多边形的边数往往较少，切割出的小圆孔用肉眼就可以看出不是圆，而是一个多边形，比如八边形、六边形，影响了产品的质量。再则，加工工件尺寸较大时，机器人的型号加大，其精度往往变低，重复定位精度也往往较低，特别是在运动中的定位精度更低，如果机器人的手臂固定住不动，重复定位精度相对较高一些。

发明内容

本发明的目的在于改进现有技术的不足之处，提供一种固定在机器人手臂上能专门画圆、不按多边形处理画圆程序、切割小圆孔精度较高的小圆孔切割辅助装置。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种小圆孔切割辅助装置，包括旋转组件、支架组件、激光器组件和旋转驱动装置；

旋转组件包括导向电缸、旋转支架、连杆、大齿轮、直线滑块和直线导轨一，导向电缸包括导杆-导套的组合、电缸伺服电机、电缸体和电缸杆，电缸杆末端固定有缸杆末端板，导套和电缸体固定连接，导杆和缸杆末端板固定连接，电缸伺服电机和电缸体内的传动机构连接，当电缸伺服电机通电旋转时，驱动缸杆末端板平移；电缸体、大齿轮和直线导轨一分别和旋转支架固定连接，旋转支架上还设有环状V形轨道，直线导轨一和缸杆末端板平移的方向相垂直，环状V形轨道所在的圆环面与缸杆末端板平移的方向相垂直，环状V形轨道的轴心线是旋转中心线；缸杆末端板和连杆的一端通过铰链一组成铰链连接，连杆的另一端和直线滑块通过铰链二组成铰链连接，直线滑块和直线导轨一组成直线导轨副；当驱动缸杆末端板平移时，直线滑块沿着与缸杆末端板平移方向相垂直的方向平移；直线滑块上固定有深沟球轴承, 深沟球轴承的内外圈相互绕转的中心线是轴承中心线，轴承中心线和旋转中心线平行；

支架组件包括下支架、三至八个槽形轴承、直线导轨二和机器人连接法兰，三至八个槽形轴承分别通过三至八个轴承固定轴与下支架固定连接，三至八个槽形轴承围成圆形，槽形轴承的外圆上有V形槽，与旋转支架上的环状V形轨道嵌合，旋转支架在三至八个槽形轴承的共同约束下只能旋转运动，即旋转组件通过三至八个槽形轴承和支架组件之间组成了旋转副，旋转支架绕旋转中心线转动；

旋转驱动装置包括旋转伺服电机、小齿轮和电机支架，旋转伺服电机的固定法兰和电机支架固定连接，小齿轮和旋转伺服电机的输出轴固定连接，小齿轮和大齿轮啮合，电机支架和下支架固定连接；当旋转伺服电机通电旋转时，通过小齿轮-大齿轮的组合驱动旋转组件绕旋转中心线旋转；

激光器组件包括激光器支架、直线导轨三和十字滑块，激光器支架上设有铰链孔，深沟球轴承的外圈和铰链孔配合组成转动副；十字滑块上有两个滑槽，分别是方向垂直的上滑槽和下滑槽，上滑槽和直线导轨三组成直线导轨副，下滑槽与直线导轨二组成直线导轨副，直线导轨三和直线导轨二保持垂直状态，直线导轨三和直线导轨二分别垂直于旋转中心线；在上滑槽-直线导轨三组成的直线导轨副和下滑槽-直线导轨二组成的直线导轨副的共同约束作用下，激光器组件相对于支架组件只能沿直线导轨三或/和直线导轨二平移，不能做旋转运动；

轴承中心线和旋转中心线平行，两者之间的距离是R；导向电缸的缸杆末端板伸出不同的长度，则连杆就处于不同的角度位置，连杆就推动直线滑块沿与缸杆末端板运动方向相垂直的方向滑动到不同的位置，轴承中心线和旋转中心线就有不同的距离R，并且缸杆末端板的位置坐标与轴承中心线和旋转中心线之间距离R之间是一一对应的函数关系；当旋转伺服电机通过小齿轮-大齿轮的组合驱动旋转组件旋转一圈时，轴承中心线就绕旋转中心线旋转一圈，深沟球轴承就通过铰链孔带动激光器组件在原地抖动一下，即激光器组件上的任何一个点在原地绕半径R平动地旋转一圈，当激光器组件上固定有激光器时，激光器的激光发射孔就绕半径R画圆形轨迹，并在附近的金属板上切出一个小圆孔。本发明的支架组件上还设有机器人连接法兰，用于与机器人手臂末端连接。

以上所述的导向电缸是现代工业自动化中使用相当成熟的产品，是将电缸伺服电机、导杆-导套的组合与丝杠-螺母的组合一体化设计的模块化产品，将电缸伺服电机的旋转运动转换成直线运动，同时将电缸伺服电机最佳优点-精确转速控制、精确转数控制、精确扭矩控制转变成-精确线速度控制、精确位置控制、精确推力控制，是实现高精度直线运动系列的全新革命性产品。导向电缸的特点：闭环伺服控制，控制精度达到0.01mm；精密控制推力，控制精度可达0.1%；具有导向功能，不再需要配置其它的导向机构；导向电缸很容易通过伺服控制器与计算机等控制系统连接，实现高精密运动控制，导向电缸噪音低、节能、干净、高刚性、抗冲击能力强、超长寿命、操作维护简单，导向电缸可以在恶劣环境下长期无故障运行，防护等级可以达到IP66。适应长期工作，并且实现高强度、高速度、高精度定位，运动平稳，噪音低。电缸伺服电机的控制方式有扭矩控制、转数控制和转速控制，相应地导向电缸的控制方式有力控制、位移控制和线速度控制。所以可以广泛的应用在实验仪器、造纸行业、化工行业、汽车行业、电子行业、机械自动化行业、焊接行业等。

以下说明本发明的使用过程：

1)机器人手臂带动本实施例移动使激光发射孔靠近待切小圆孔的金属板附近；

2)启动电缸伺服电机，则电缸体内的传动机构驱动缸杆末端板平移，通过连杆将上下平移运动转换成了直线滑块沿直线导轨一的左右平移运动，轴承中心线和旋转中心线之间的距离R就随着变化，调整R至需要的大小；

3)激光器点火，则激光发射孔发射激光开始切割金属板；

4)启动旋转伺服电机，则通过小齿轮-大齿轮的组合的传动作用，旋转组件绕旋转中心线旋转一圈；

5)在上滑槽-直线导轨三组成的直线导轨副和下滑槽-直线导轨二组成的直线导轨副的共同约束作用下，激光器组件相对于支架组件只能沿直线导轨三或直线导轨二平移；于是深沟球轴承通过铰链孔带动激光器组件以旋转中心线为轴心线，以轴承中心线和旋转中心线之间的距离R为半径在原地平动地抖动一圈，激光器组件上的任意一点都在原地抖动一圈，即激光器组件上的任何一个点在原地绕半径R平动地旋转一圈，激光器的激光发射孔也同样地在原地绕半径R平动地旋转一圈，于是激光器在金属板上切割出一个直径是2xR的小圆孔，达到切割小圆孔的目的；

6)激光器熄火，机器人手臂带动本发明移动到另一个待切圆孔的位置；

7)重复步骤2)至6)则在金属板上又切割出另一个小圆孔。

本发明的有益效果：

1)能辅助机器人切割出直径很小的圆孔，孔的形状非常精确，原理是使激光发射孔在原地以孔半径R作画圆运动，但不是通过方程式上取有限个点坐标计算圆形轨迹，所以画出的圆形不是一个多边形，而是一个真正的圆，孔的形状非常精确。

2)不妨碍激光切割机器人做其它的工作，比如在切割长的平直直线时，本实施例就当作是一个刚性的结构件，把激光器35固定连接在机器人手臂上。

附图说明

图1是本发明实施例的三维结构示意图；

图2是本发明实施例的正视图；

图3是图2中A向视图；

图4是图3中沿B-B线的剖视图；

图5是旋转组件1的三维结构示意图；

图6是旋转组件1的正视图，旋转支架12剖开的状况；

图7是激光器组件3的三维结构示意图；

图8是支架组件2和旋转驱动装置4组合的三维结构示意图；

图9是十字滑块34的三维结构示意图；

图10是图4中I处的局部放大示意图；

图中所示：1.旋转组件；11.导向电缸；111.导杆-导套的组合；112.电缸伺服电机；113.电缸体；114.缸杆末端板；M.缸杆末端板114平移的方向；115.旋转中心线；12.旋转支架；13.铰链一；14.连杆；15.大齿轮；16.铰链二；17.直线滑块；N.缸杆末端板114平移时直线滑块17的移动方向；171.深沟球轴承；172.轴承中心线；18.直线导轨一；19.环状V形轨道；R.偏心半径；2.支架组件；21.下支架；22.槽形轴承；23.直线导轨二；24.机器人连接法兰；25.轴承固定轴；3.激光器组件；31.激光器支架；32.铰链孔；33.直线导轨三；34.十字滑块；341.上滑槽；342.下滑槽；35.激光器；351.激光发射孔；4.旋转驱动装置；41.旋转伺服电机；42.小齿轮；43.电机支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

实施例：参见图1至图10。

一种小圆孔切割辅助装置，包括旋转组件1、支架组件2、激光器组件3和旋转驱动装置4；

旋转组件1包括导向电缸11、旋转支架12、连杆14、大齿轮15、直线滑块17和直线导轨一18，导向电缸11包括导杆-导套的组合111、电缸伺服电机112、电缸体113和电缸杆，电缸杆末端固定有缸杆末端板114，导套和电缸体113固定连接，导杆和缸杆末端板114固定连接，电缸伺服电机112和电缸体113内的传动机构连接，当电缸伺服电机112通电旋转时，驱动缸杆末端板114沿方向M平移，或者反向平移；电缸体113、大齿轮15和直线导轨一18分别和旋转支架12固定连接，旋转支架12上还设有环状V形轨道19，直线导轨一18和缸杆末端板114平移的方向M相垂直，环状V形轨道19所在的圆环面与缸杆末端板114平移的方向M相垂直，环状V形轨道19的轴心线是旋转中心线115；缸杆末端板114和连杆14的一端通过铰链一13组成铰链连接，连杆14的另一端和直线滑块17通过铰链二16组成铰链连接，直线滑块17和直线导轨一18组成直线导轨副；当驱动缸杆末端板114沿方向M平移时，或者反向平移时，直线滑块17沿着与M相垂直的方向N平移；直线滑块17上固定有深沟球轴承171, 深沟球轴承171的内外圈相互绕转的中心线是轴承中心线172，轴承中心线172和旋转中心线115平行；

支架组件2包括下支架21、四个槽形轴承22、直线导轨二23和机器人连接法兰24，四个槽形轴承22分别通过四个轴承固定轴25与下支架21固定连接，四个槽形轴承22围成圆形，槽形轴承22的外圆上有V形槽，与旋转支架12上的环状V形轨道19嵌合，旋转支架12在四个槽形轴承22的共同约束下只能旋转运动，即旋转组件1通过四个槽形轴承22和支架组件2之间组成了旋转副，它的旋转中心线是旋转中心线115；

旋转驱动装置4包括旋转伺服电机41、小齿轮42和电机支架43，旋转伺服电机41的固定法兰和电机支架43固定连接，小齿轮42和旋转伺服电机41的输出轴固定连接，小齿轮42和大齿轮15啮合，电机支架43和下支架21固定连接；当旋转伺服电机41通电旋转时，通过小齿轮42-大齿轮15的组合驱动旋转组件1绕旋转中心线115旋转；

激光器组件3包括激光器支架31、直线导轨三33和十字滑块34，激光器支架31上设有铰链孔32，深沟球轴承171的外圈和铰链孔32配合组成转动副；十字滑块34上有两个滑槽，分别是方向垂直的上滑槽341和下滑槽342，上滑槽341和直线导轨三33组成直线导轨副，下滑槽342与直线导轨二23组成直线导轨副，直线导轨三33和直线导轨二23保持垂直状态，直线导轨三33和直线导轨二23分别垂直于旋转中心线115；在上滑槽341-直线导轨三33组成的直线导轨副和下滑槽342-直线导轨二23组成的直线导轨副的共同约束作用下，激光器组件3相对于支架组件2只能沿直线导轨三33或/和直线导轨二23平移，不能做旋转运动；

轴承中心线172和旋转中心线115平行，两者之间的距离是R；导向电缸11的缸杆末端板114沿方向M伸出不同的长度，则连杆14就处于不同的角度位置，连杆14就推动直线滑块17沿方向N滑动到不同的位置，轴承中心线172和旋转中心线115就有不同的距离R，并且缸杆末端板114的位置坐标与轴承中心线172和旋转中心线115之间距离R之间是一一对应的函数关系；当旋转伺服电机41通过小齿轮42-大齿轮15的组合驱动旋转组件1旋转一圈时，轴承中心线172就绕旋转中心线115旋转一圈，深沟球轴承171就通过铰链孔32带动激光器组件3在原地抖动一下，即激光器组件3上的任何一个点在原地绕半径R平动地旋转一圈，当激光器组件3上固定有激光器35时，激光器35的激光发射孔351就绕半径R画出圆形轨迹，并在附近的金属板上切出一个小圆孔。本实施例的支架组件2上还设有机器人连接法兰24，用于与机器人手臂末端连接。

以上所述的导向电缸是现代工业自动化中使用相当成熟的产品，是将电缸伺服电机、导杆-导套的组合与丝杠-螺母的组合一体化设计的模块化产品，将电缸伺服电机的旋转运动转换成直线运动，同时将电缸伺服电机最佳优点-精确转速控制、精确转数控制、精确扭矩控制转变成-精确线速度控制、精确位置控制、精确推力控制，是实现高精度直线运动系列的全新革命性产品。导向电缸的特点：闭环伺服控制，控制精度达到0.01mm；精密控制推力，控制精度可达0.1%；具有导向功能，不再需要配置其它的导向机构；导向电缸很容易通过伺服控制器与计算机等控制系统连接，实现高精密运动控制，导向电缸噪音低、节能、干净、高刚性、抗冲击能力强、超长寿命、操作维护简单，导向电缸可以在恶劣环境下长期无故障运行，防护等级可以达到IP66。适应长期工作，并且实现高强度、高速度、高精度定位，运动平稳，噪音低。电缸伺服电机的控制方式有扭矩控制、转数控制和转速控制，相应地导向电缸的控制方式有力控制、位移控制和线速度控制。所以可以广泛的应用在实验仪器、造纸行业、化工行业、汽车行业、电子行业、机械自动化行业、焊接行业等。

以切割2mm的小圆孔为例说明本实施例的使用过程：

1)机器人手臂带动本实施例移动使激光发射孔351靠近待切小圆孔的金属板附近；

2)启动电缸伺服电机112，则电缸体113内的传动机构驱动缸杆末端板114沿方向M平移，通过连杆14将上下平移运动转换成了直线滑块17沿方向N的左右平移运动，轴承中心线172和旋转中心线115之间的距离R就随着变化，调整R至1mm；

3)激光器35点火，则激光发射孔351发射激光开始切割金属板；

4)启动旋转伺服电机41，则通过小齿轮42-大齿轮15的组合的传动作用，旋转组件1绕旋转中心线115旋转一圈；

5)在上滑槽341-直线导轨三33组成的直线导轨副和下滑槽342-直线导轨二23组成的直线导轨副的共同约束作用下，激光器组件3相对于支架组件2只能沿直线导轨三33或直线导轨二23平移；于是深沟球轴承171通过铰链孔32带动激光器组件3以旋转中心线115为轴心线，以R=1mm为半径在原地平动地抖动一圈，激光器组件3上的任意一点都在原地抖动一圈，即激光器组件3上的任何一个点在原地绕半径R=1mm平动地旋转一圈，激光器35的激光发射孔351也同样地在原地绕半径R=1mm平动地旋转一圈，于是激光器35在金属板上切割出一个直径是2mm的小圆孔，达到切割小圆孔的目的；

6)激光器35熄火，机器人手臂带动本实施例移动到另一个待切圆孔的位置；

7)重复步骤2)至6)则在金属板上又切割出另一个小圆孔。

本实施例的有益效果：

1)能辅助机器人切割出直径很小的圆孔，孔的形状非常精确，原理是使激光发射孔351在原地以孔半径R作画圆运动，但不是通过方程式上取有限个点坐标计算圆形轨迹，所以画出的圆形不是一个多边形，而是一个真正的圆，孔的形状非常精确。

2)不妨碍激光切割机器人作其它的工作，比如在切割长的平直直线时，本实施例就当作是一个刚性的结构件，把激光器35固定连接在机器人手臂上。

Claims (1)

1.一种小圆孔切割辅助装置，其特征在于，包括旋转组件、支架组件、激光器组件和旋转驱动装置；

旋转组件包括导向电缸、旋转支架、连杆、大齿轮、直线滑块和直线导轨一，导向电缸包括导杆-导套的组合、电缸伺服电机、电缸体和电缸杆，电缸杆末端固定有缸杆末端板，导套和电缸体固定连接，导杆和缸杆末端板固定连接，电缸伺服电机和电缸体内的传动机构连接；电缸体、大齿轮和直线导轨一分别和旋转支架固定连接，旋转支架上还设有环状V形轨道，直线导轨一和缸杆末端板平移的方向相垂直，环状V形轨道所在的圆环面与缸杆末端板平移的方向相垂直，环状V形轨道的轴心线是旋转中心线；缸杆末端板和连杆的一端通过铰链一组成铰链连接，连杆的另一端和直线滑块通过铰链二组成铰链连接，直线滑块和直线导轨一组成直线导轨副；电缸伺服电机驱动缸杆末端板平移，缸杆末端板通过连杆驱动直线滑块沿着与缸杆末端板平移方向相垂直的方向平移；直线滑块上固定有深沟球轴承, 深沟球轴承的内外圈相互绕转的中心线是轴承中心线，轴承中心线和旋转中心线平行；

支架组件包括下支架、三至八个槽形轴承、直线导轨二和机器人连接法兰，三至八个槽形轴承分别通过三至八个轴承固定轴与下支架固定连接，三至八个槽形轴承围成圆形，槽形轴承的外圆上有V形槽，与旋转支架上的环状V形轨道嵌合，旋转组件通过三至八个槽形轴承和支架组件之间组成了旋转副，旋转支架绕旋转中心线转动；

旋转驱动装置包括旋转伺服电机、小齿轮和电机支架，旋转伺服电机的固定法兰和电机支架固定连接，小齿轮和旋转伺服电机的输出轴固定连接，小齿轮和大齿轮啮合，电机支架和下支架固定连接；旋转伺服电机通电旋转，通过小齿轮-大齿轮的组合驱动旋转组件绕旋转中心线旋转；

激光器组件包括激光器支架、直线导轨三和十字滑块，激光器支架上设有铰链孔，深沟球轴承的外圈和铰链孔配合组成转动副；十字滑块上有两个滑槽，分别是方向垂直的上滑槽和下滑槽，上滑槽和直线导轨三组成直线导轨副，下滑槽与直线导轨二组成直线导轨副，直线导轨三和直线导轨二垂直，直线导轨三和直线导轨二分别垂直于旋转中心线；在上滑槽-直线导轨三组成的直线导轨副和下滑槽-直线导轨二组成的直线导轨副的共同约束作用下，激光器组件相对于支架组件沿直线导轨三或/和直线导轨二平移；

轴承中心线和旋转中心线平行，两者之间的距离是R；旋转伺服电机通过小齿轮-大齿轮的组合驱动旋转组件旋转，轴承中心线绕旋转中心线旋转，激光器的激光发射孔绕半径R画出圆形轨迹；支架组件上设有机器人连接法兰，与机器人手臂末端连接。