CN108161458A - 一种超声波切割机器人 - Google Patents

Abstract

一种超声波切割机器人，属于切割装置技术领域，包括机器人机构和超声波切割主轴机构；所述超声波切割主轴机构安装于机器人机构的末端，机器人机构调节超声波切割主轴机构的位置和方向；所述超声波切割主轴机构包括伺服电机、同步带、超声主轴、上触头、下触头、换能器和变幅杆。本发明将机器人技术、数控技术、超声波振动加工技术和复合材料加工艺应用到复合材料切割加工行业中，代替复合材料加工的五轴、六轴联动数控机床，以满足复合材料复杂形状的切割、铣削和打孔。

Description

一种超声波切割机器人

技术领域

本发明属于切割装置技术领域，具体涉及为一种超声波切割机器人。

背景技术

在现今生活中，复合材料广泛应用于社会生活中，先进复合材料加工却成为了科学界的难题，工业中一般采用六轴龙门式超声波切割机床，但龙门切割机床存在以下问题：

(1)机床结构复杂，生产成本高；

(2)对于复杂形状的先进复合材料零件，往往很难加工；

(3)机床占地面积大；

(4)机床质量大，比较笨重。

现阶段机器人加工技术和超声切割技术已经广泛的应用于工业生产制造中，机器人技术和超声切割技术各自具有独特优势，如超声切割技术具有加工各种先进复合材料、加工精度高、加工质量好等的优点，机器人技术具有加工形状复杂，加工效率高等优点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述提到的缺陷和不足，而提供一种超声波切割机器人。

本发明实现其目的采用的技术方案如下。

一种超声波切割机器人，包括机器人机构和超声波切割主轴机构；其特征在于，所述超声波切割主轴机构安装于机器人机构的末端，机器人机构调节超声波切割主轴机构的位置和方向；所述超声波切割主轴机构包括伺服电机、同步带、超声主轴、上触头、下触头、换能器和变幅杆；所述同步带一端连接伺服电机的输出端，另一端连接超声主轴；伺服电机通过同步带带动超声主轴旋转；所述上触头安装于超声主轴底部；所述下触头安装于换能器顶部，下触头与上触头信号连接；所述变幅杆顶部固定安装于换能器底部，所述变幅杆底部可拆卸式安装有圆形刀或尖形刀。

所述机器人机构包括回转底座、俯仰大臂、俯仰后臂、俯仰前臂、旋转小臂、俯仰手腕、第一支架和第二支架；所述俯仰大臂底部转动安装于回转底座；所述俯仰大臂顶部与俯仰后臂底部转动连接；所述俯仰前臂底部与俯仰后臂顶部转动连接；所述俯仰前臂顶部与旋转小臂一端转动连接；所述旋转小臂另一端转动连接有俯仰手腕；所述俯仰手腕末端转动安装有第一支架；所述第一支架与第二支架固定连接。

俯仰大臂和回转底座之间设置有舵机，舵机内设旋转轴，舵机的旋转轴竖立设置且穿设于俯仰大臂和回转底座。

所述回转底座上设置有控制装置；所述第二支架呈三角状；第一支架固定安装于第二支架的顶部；第二支架侧面上方固定安装有电机固定架。

所述伺服电机固定安装于电机固定架，伺服电机输出端安装有第一齿轮和第一轴用卡簧；第一轴用卡簧位于第一齿轮和电机固定架之间；所述超声主轴顶端安装有第二齿轮、第二轴用卡簧和导电滑环；所述第二轴用卡簧位于第二齿轮和导电滑环之间；所述导电滑环外壁固定安装于电机固定架，内壁与超声主轴连接。

所述同步带一端安装于第一齿轮，另一端安装于第二齿轮；所述同步带配设有张紧装置；所述张紧装置安装于电机固定架。

所述电机固定架底部设置有上端盖，所述上端盖底部固定安装有外套筒；外套筒底部安装有下端盖；所述外套筒套设于内套筒外部；所述外套筒和内套筒之间设置有上轴承和下轴承；上轴承和下轴承之间设有轴承套；外套筒安装有风扇。

所述内套筒内部安装有换能器；内套筒和换能器之间安装有绝缘套。

本发明区别于水切割机器人，也不同于激光切割机器人，切削加工原理上更有区别于传统刀具切削的铣削、磨削原理。不同于传统的高速铣钻工艺，超声切割技术的核心是超声切割头，其基本原理是利用一个电子超声发生器，先产生频率在15～30kHz范围内的超声波，然后通过置于超声切割头内的声能－机械能转换的换能器，将原本振幅很小的超声振动转换成同频率的机械振动，再通过变幅杆共振放大，得到足够大的、可以满足切割工件要求的振幅和能量，最后将这部分能量传导至超声切割头顶端的刀具上，对上述复合材料进行切割加工。

由于超声波振动切削加工技术与传统金属切削加工相比切削力小、切削温度底，可以让机床设计更为轻量化，本发明提供一种超声波振动切削加工机器人，利用机器人来代替传统的多轴联动机床运动方式。这种机器人不仅能灵活地解决多轴联动、制造周期短、成本低，而且在工厂应用时占地面积小、配置灵活多变。通过机器人技术集成，使工业机器人替代传统机床，成为铣削加工的柔性单元和自动化机加工流水线。对于某些多轴铣削加工应用领域而言，采用传统的CNC数控加工中心可能有点小题大做。这其中包括铣削材料,如新产品设计使用的粘土、泡沫或石蜡、木材、塑料等材料的铣削，还有造型设计和快速的原型试验项目以及尺寸公差较低的传统材料。在这样的情况下，使用一个机器人可能要比一台传统加工中心更具优势，大大提高加工范围、加工效率，节省机床采购成本。超声波振动切削机器人将会在复合材料加工领域得到广泛的应用。

本机器人更有效、更精确地加工在高端汽车、高铁、兵器、航空、航天、船舶等制造领域得到越来越广泛应用的复合材料，如玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、预浸纤维材料和各种蜂窝材料、各类泡沫等材料。

本超声波切割机器人具有X，Y，Z，α，β，γ六个自由度，超声主轴具有1个旋转自由度γ*。本机器人通过给超声波切割主轴增加1个自由度，给工作台任意增加1-6个自由度，使得超声波切割机器人具有各种组成的7～13轴运动控制，保证圆形刀的加工轨迹，完成对三维曲面进行精密加工，突破了对先进复合材料部件复杂程度的限制，进一步拓展了超声波切割技术的应用范围。

伺服电机的作用是：当尖形刀工作时，伺服电机使使主轴转动，产生一个γ*的自由度，实时调整尖形刀的方位；当圆形刀工作，伺服电机连续旋转，实现圆形刀的铣削功能。伺服电机通过同步带让超声主轴转动，为了提高同步带的稳定性，在旁边设有张紧装置，防止同步带打滑，为了防止齿轮上下移动，运用轴用卡簧固定。装置既受到轴向力，有受到纵向力，所以采用向心角接触轴承，使主轴转动，产生一个γ*的自由度；换能器与发生器连接是通过上下触头连接的，为了保证上下触头紧密接触，在上触头上安有弹簧，保证它的紧密性，上触头连接导电滑环，导电滑环保证了圆形刀无消耗旋转，导电滑环连接外部的超声发生器，控制主轴运行。

本发明目的是为了克服目前蜂窝复合材料芯、碳纤维复合材料制品切边及开孔等加工质量不佳，生产效率低及现有的机床加工曲面时角度不能变化等问题而开发一种体积小、耗能小、效率高、无灰尘污染等特点的超声波振动切削机器人，将机器人技术、数控技术、超声波振动加工技术和复合材料加工艺应用到复合材料切割加工行业中，代替复合材料加工的五轴、六轴联动数控机床，以满足复合材料复杂形状的切割、铣削和打孔。本发明与现有技术相比，具有以下几个优点：

1.结构简单，只包含一个机器人和超声主轴装置，与现有龙门切割机床相比，减少了机床的AC双摆头结构，所需要的生产成本将会降低2-4倍；

2.由于机器人的六个自由度，使得该装置比较灵活，可以加工复杂形状的零件，又因为超声主轴的优越性，使得该装置能加工各种复合材料等；本发明与多轴龙门式机床相比具有很好的角度控制性能和较高的自动化水平，可通过工控机三维建模自动导成加工的轨迹，控制机器人完成作业轨迹，并能够切割、铣削和打孔一体化；

3.龙门切割机床占地面积大约10平米以上，而该装置占地面积大约几平米，减少了占地面积

4.本发明的超声波切割机器人中，由于超声切割技术的切割质量优异，切割力小、切割速度快等特点，可使主轴和装备结构设计轻量化。本机器人与传统龙门式机床相比，摆脱了传统机床的设计方法。一是减少设备占地面积。二是可减少重量30～80%。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中A处的局部放大图；

图3是本发明的立体图；

图4是尖形刀的安装示意图；

图5是超声波主轴机构的立体图；

图6是第二支架的结构示意图；

图中：控制装置101、回转底座102、俯仰大臂103、俯仰后臂104、俯仰前臂105、旋转小臂106、俯仰手腕107、第一支架108、第二支架109、

伺服电机201、电机固定架202、同步带203、张紧装置204、超声主轴205、上端盖206、上触头207、下触头208、换能器209、外套筒210、风扇211、绝缘套212、内套筒213、上轴承214、下轴承215、轴承套216、变幅杆217、下端盖218、圆形刀219、尖形刀220、第二轴用卡簧221、导电滑环222。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

一种超声波切割机器人，包括机器人机构和超声波主轴机构；所述超声波主轴机构安装于机器人机构的手腕末端，机器人机构用以调节超声波机构的位置和方向。

所述机器人机构包括回转底座102、俯仰大臂103、俯仰后臂104、俯仰前臂105、旋转小臂106、俯仰手腕107、第一支架108和第二支架109。

所述俯仰大臂103底部转动安装于回转底座102。回转底座102上设置有控制装置101。俯仰大臂103和回转底座102之间设置有舵机，舵机的旋转轴竖立设置且穿设于俯仰大臂103和回转底座102。俯仰大臂103可以绕竖立的舵机旋转轴旋转，形成第一个自由度。

舵机是指每个关节处的动力系统，保证关节运动。

所述俯仰大臂103顶部与俯仰后臂104底部转动连接。俯仰大臂103和俯仰后臂104之间设置有舵机，舵机的旋转轴水平设置且穿设于俯仰大臂103和俯仰后臂104。俯仰大臂103和俯仰后臂104可以绕舵机水平的旋转轴开合，形成第二个自由度。

所述俯仰前臂105底部与俯仰后臂104顶部转动连接。俯仰前臂105和俯仰后臂104之间设置有舵机，舵机的旋转轴水平设置且穿设于俯仰前臂105和俯仰后臂104。俯仰前臂105和俯仰后臂104可以绕舵机水平的旋转轴开合，形成第三个自由度。

所述俯仰前臂105顶部与旋转小臂106一端转动连接。俯仰前臂105和旋转小臂106之间设置有舵机，舵机的旋转轴与旋转小臂106同轴设置且舵机的旋转轴穿设于俯仰前臂105。旋转小臂106绕旋转轴自转，形成第四个自由度。

所述旋转小臂106另一端转动连接有俯仰手腕107。所述旋转小臂106和俯仰手腕107之间设置有舵机，舵机的旋转轴水平设置且穿设于旋转小臂106和俯仰手腕107。所述旋转小臂106和俯仰手腕107绕舵机的旋转轴开合，形成第五个自由度。

所述俯仰手腕107末端转动安装有第一支架108。俯仰手腕107和第一支架108之间设置有舵机，舵机的旋转轴水平设置且穿设于俯仰手腕107和第一支架108。所述俯仰手腕107和第一支架108绕舵机的旋转轴开合，形成第六个自由度。

第一支架108与第二支架109固定连接。第二支架109与电机固定架202固定连接。作为优选，所述第二支架109呈三角状；第一支架108固定安装于第二支架109的顶部；电机固定架202固定安装于第二支架109侧面上方。第二支架109用以将第一支架108和电机固定架202连接为一体，起到加强筋的作用。

所述超声波机构包括伺服电机201、电机固定架202、超声主轴205、同步带203、外套筒210、内套筒213、绝缘套212、换能器209、变幅杆217。

所述伺服电机201固定安装于电机固定架202，伺服电机201输出端安装有第一齿轮和第一轴用卡簧；第一轴用卡簧位于第一齿轮和电机固定架202之间。伺服电机201与控制装置101信号相连。控制装置101用以控制伺服电机201的启停。

所述超声主轴205顶端安装有第二齿轮、第二轴用卡簧221和导电滑环222；所述第二轴用卡簧221位于第二齿轮和导电滑环222之间；所述导电滑环222外壁固定安装于电机固定架202，内壁与超声主轴205连接。

所述同步带203一端安装于第一齿轮，另一端安装于第二齿轮。所述同步带203配设有张紧装置204；所述张紧装置204安装于电机固定架202。张紧装置204保证同步带203的正常运行。

伺服电机201动作，通过第一齿轮带动同步带203旋转，同步带203通过第二齿轮带动超声主轴205旋转。第一轴用卡簧和第二轴用卡簧221用以防止齿轮的上下移动，导电滑环222保证超声主轴205旋转不受干扰，并通过超声波发生器传入电信号。

电机固定架202底部设置有上端盖206，所述上端盖206底部固定安装有外套筒210；外套筒210底部安装有下端盖218；所述外套筒210套设于内套筒213外部；所述外套筒210和内套筒213之间设置有上轴承214和下轴承215；上轴承214和下轴承215之间设有轴承套216；外套筒210安装有风扇211。上轴承214和下轴承215的设置，使得内套筒213可相对于外套筒210旋转。轴承套216保证上轴承214和下轴承215没有上下的相对位移。风扇便于换能器209的散热。

内套筒213内部安装有换能器209；内套筒213和换能器209之间安装有绝缘套212。内套筒213和绝缘套212是旋转机构，保护了声学系统。

超声主轴205与内套筒213固定连接。超声主轴205带动内套筒213、换能器209和变幅杆217同步旋转。

所述导电滑环222连接有上触头207；所述上触头207通过弹簧连接下触头208；弹簧上端连接导电滑环222，下端连接上触头207；在弹簧的作用下，上触头207始终贴触下触头208。所述下触头208安装于换能器209。换能器209底部安装变幅杆217；所述变幅杆217底部可拆卸式安装有圆形刀219或尖形刀220。

导电滑环222的电信号通过上触头207传到下触头208，弹簧使上触头207和下触头208信号连接，且下触头208可以相对上触头207作微小的位置偏移。下触头208把电信号传输给换能器209。换能器209将电能转换成机械能，变幅杆217将机械振动放大。圆形刀219或尖形刀220为加工复合材料的工具。

本发明的切割加工方法，如加工芳纶蜂窝复合材料，其特征在于包括以下步骤：

机器人机构控制超声波切割主轴机构做轨迹运动，使得超声波切割主轴机构与待加工的工件形成相对位置的变化，完成工件的切割、铣削加工过程。

蜂窝加工所用的刀具是专用工具，根据蜂窝零件的型面的形状选择刀具类型，对于凹形表面尤其是曲率较大凹面，精加工时应选用刀片尺寸较小的刀具，以得到较好的表面质量和形状精度，但粗加工时可以适当刀具直径，对于有利加工效率。

首先在变幅杆217底部安装尖形刀220；机器人机构控制超声波切割主轴机构做轨迹运动，尖形刀220完成对工件的切边，挖去多余的材料，在待加工的工件上切出工件的型面；切割时，要求尖形刀220的刀刃与切割轨迹线的法向一致。伺服电机201动作，通过第一齿轮带动同步带203旋转，同步带203通过第二齿轮带动超声主轴205旋转；超声主轴205带动内套筒213、换能器209和变幅杆217同步旋转，从而调节尖形刀220的刀刃的方向，使其时刻与切割轨迹线的法向一致。

然后在变幅杆217底部安装圆形刀219。圆形刀219用于处理尖形刀切割后在工件表面留下的锯齿痕。通过圆形刀的铣削，最终将工件表面按照工艺要求修整成所需的平面或曲面。

如此不断更换装有不同类型和规格的超声刀具，依次对工件进行超声波切割，直到完成工件全部需要加工的表面为止。

本发明按照实施例进行了说明，在不脱离本原理的前提下，本装置还可以作出若干变形和改进。应当指出，凡采用等同替换或等效变换等方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种超声波切割机器人，包括机器人机构和超声波切割主轴机构；其特征在于，所述超声波切割主轴机构安装于机器人机构的末端，机器人机构调节超声波切割主轴机构的位置和方向；所述超声波切割主轴机构包括伺服电机（201）、同步带（203）、超声主轴（205）、上触头（207）、下触头（208）、换能器（209）和变幅杆（217）；所述同步带（203）一端连接伺服电机（201）的输出端，另一端连接超声主轴（205）；伺服电机（201）通过同步带（203）带动超声主轴（205）旋转；所述上触头（207）安装于超声主轴（205）底部；所述下触头（208）安装于换能器（209）顶部，下触头（208）与上触头（207）信号连接；所述变幅杆（217）顶部固定安装于换能器（209）底部，所述变幅杆（217）底部可拆卸式安装有圆形刀（219）或尖形刀（220）。

2.如权利要求1所述的一种超声波切割机器人，其特征在于，所述机器人机构包括回转底座（102）、俯仰大臂（103）、俯仰后臂（104）、俯仰前臂（105）、旋转小臂（106）、俯仰手腕（107）、第一支架（108）和第二支架（109）；所述俯仰大臂（103）底部转动安装于回转底座（102）；所述俯仰大臂（103）顶部与俯仰后臂（104）底部转动连接；所述俯仰前臂（105）底部与俯仰后臂（104）顶部转动连接；所述俯仰前臂（105）顶部与旋转小臂（106）一端转动连接；所述旋转小臂（106）另一端转动连接有俯仰手腕（107）；所述俯仰手腕（107）末端转动安装有第一支架（108）；所述第一支架（108）与第二支架（109）固定连接。

3.如权利要求2所述的一种超声波切割机器人，其特征在于，俯仰大臂（103）和回转底座（102）之间设置有舵机，舵机内设旋转轴，舵机的旋转轴竖立设置且穿设于俯仰大臂（103）和回转底座（102）。

4.如权利要求2所述的一种超声波切割机器人，其特征在于，所述回转底座（102）上设置有控制装置（101）；所述第二支架（109）呈三角状；第一支架（108）固定安装于第二支架（109）的顶部；第二支架（109）侧面上方固定安装有电机固定架（202）。

5.如权利要求1所述的一种超声波切割机器人，其特征在于，所述伺服电机（201）固定安装于电机固定架（202），伺服电机（201）输出端安装有第一齿轮和第一轴用卡簧；第一轴用卡簧位于第一齿轮和电机固定架（202）之间；所述超声主轴（205）顶端安装有第二齿轮、第二轴用卡簧（221）和导电滑环（222）；所述第二轴用卡簧（221）位于第二齿轮和导电滑环（222）之间；所述导电滑环（222）外壁固定安装于电机固定架（202），内壁与超声主轴（205）连接。

6.如权利要求5所述的一种超声波切割机器人，其特征在于，所述同步带（203）一端安装于第一齿轮，另一端安装于第二齿轮；所述同步带（203）配设有张紧装置（204）；所述张紧装置（204）安装于电机固定架（202）。

7.如权利要求5所述的一种超声波切割机器人，其特征在于，所述电机固定架（202）底部设置有上端盖（206），所述上端盖（206）底部固定安装有外套筒（210）；外套筒（210）底部安装有下端盖（218）；所述外套筒（210）套设于内套筒（213）外部；所述外套筒（210）和内套筒（213）之间设置有上轴承（214）和下轴承（215）；上轴承（214）和下轴承（215）之间设有轴承套（216）；外套筒（210）安装有风扇（211）。

8.如权利要求7所述的一种超声波切割机器人，其特征在于，所述内套筒（213）内部安装有换能器（209）；内套筒（213）和换能器（209）之间安装有绝缘套（212）。