CN108213673B - 成角的等离子割炬 - Google Patents

Abstract

披露了电弧等离子割炬的实施例。在一个实施例中，偏心等离子割炬包括上部部分和下部部分。所述下部部分沿着长度λ在一侧上成角，所述成角侧由所述下部部分的不断减小的横截面朝向所述炬的非成角侧偏置而产生。因此，用于切割的所述炬的电极的中央轴线从所述上部部分的中央轴线朝向所述炬的非成角侧偏置一定偏移量。此类偏移允许所述炬的炬端头区域更贴近到工件的原本难以触及的部分中以便切割。此外，所述炬的总体尺寸被配置成使得所述炬内的冷却元件耗散足够的热量以便在切割操作过程中保持所述炬处于稳定的操作状态。

Description

成角的等离子割炬

相关申请的交叉引用/援引并入

此美国专利申请要求于2016年12月9日提交的美国临时专利申请序列号62/431,991的优先权和权益，该申请以其全部内容通过援引并入本文。

技术领域

本发明的实施例涉及与等离子切割有关的系统和设备，并且更具体地涉及在机器人应用中使用炬组件进行的电弧等离子切割。

背景技术

等离子切割涉及使用高电流的等离子射流，等离子射流在切穿(例如，钢板或工字梁)工件的切割过程中产生大量的热量。等离子割炬在切割过程中被冷却以防止等离子割炬的部件被熔化。在不同行业中对等离子切割系统的使用近来已经增长，并且因此，对于能够使用现今同心配置的等离子割炬对沿着工件的难以触及的部分进行切割同时维持炬的足够冷却存在不断增长的需要。

发明内容

本发明的实施例包括与等离子割炬及其部件有关的设备，所述等离子割炬及其部件相对于已知的炬就能够沿着使用常规的等离子割炬对工件的难以触及的部分进行切割而言有所改进。本文中描述了等离子割炬的示例性实施例，这些等离子割炬与常规的同心设计不同，通过提供相对于彼此成角和/或偏移的部分而允许触及工件的原本难以触及的部分以便切割。所述成角的和/或偏移的炬构型还经由冷却鳍片/储器构型维持适当的冷却，以防在切割过程中由于产生热量而使炬部件发生劣化和/或熔化。其他类型的炬(例如，像电弧焊炬)也可以利用本文披露的成角的和/或偏移的构型。

在一个实施例中，一种偏心等离子割炬被配置成更向工件的原本难以触及的部分贴近地用于切割。所述炬包括上部部分，所述上部部分具有第一中央轴线。所述上部部分被配置成用于附接至机器人的臂。所述炬还包括下部部分，所述下部部分连接至所述上部部分。所述下部部分包括提供等离子出口开口的炬端头区域、沿着所述下部部分的长度的成角侧、以及沿着所述下部部分的长度的非成角侧。所述成角侧由所述下部部分沿着长度的不断减小的横截面朝向所述非成角侧偏置而产生。所述炬进一步包括电极，所述电极位于所述下部部分内、具有第二中央轴线。所述上部部分的所述第一中央轴线和所述电极的所述第二中央轴线均沿着相同的纵向尺寸。所述第二中央轴线朝向所述炬的所述下部部分的非成角侧与所述第一中央轴线在空间上相偏移、并且与所述等离子出口开口对准。所述下部部分的不断减小的横截面的形状可以是椭圆形(例如，圆形)。在一个实施例中，所述炬包括转矩电机装置，所述转矩电机装置被固定至所述炬的所述上部部分的至少一部分处。所述转矩电机装置受控来在切割操作过程中维持所述下部部分的非成角侧与工件正在被切割的一面相垂直。所述下部部分可以包括切割气体入口通道或保护气体入口通道中的至少一者。在一个实施例中，所述下部部分包括冷却流体入口通道、冷却液储器、以及多个冷却鳍片。所述炬还可以包括固位盖。

在一个实施例中，一种等离子割炬被配置成更向工件的原本难以触及的部分贴近地用于切割。所述炬包括上部部分，所述上部部分具有第一中央轴线。所述上部部分被配置成用于附接至机器人的臂。所述炬还包括下部部分，所述下部部分连接至所述上部部分并且具有提供等离子出口开口的炬端头区域。所述炬进一步包括电极，所述电极位于所述下部部分内、具有第二中央轴线。所述第二中央轴线与所述第一中央轴线形成非零度角并且与所述等离子出口开口对准。在一个实施例中，所述下部部分包括切割气体入口通道或保护气体入口通道中的至少一者。所述下部部分还可以包括冷却流体入口通道、冷却液储器、以及多个冷却鳍片。所述炬还可以包括固位盖。在一些实施例中，所述非零度角在10度与20度之间。在其他实施例中，所述非零度角在20度与30度之间。在又其他实施例中，所述非零度角是至少30度。

在一个实施例中，一种等离子割炬被配置成更向工件的原本难以触及的部分贴近地用于切割。所述炬包括上部部分，所述上部部分具有第一中央轴线和第二中央轴线。所述第二中央轴线与所述第一中央轴线形成第一非零度角以在所述上部部分中形成弯部。所述上部部分被配置成用于附接至机器人的臂。所述炬还包括下部部分，所述下部部分连接至所述上部部分并且具有提供等离子出口开口的炬端头区域。所述炬进一步包括电极，所述电极位于所述下部部分内、具有第三中央轴线。所述第三中央轴线与所述第二中央轴线形成第二非零度角并且与所述等离子出口开口对准。在一个实施例中，所述下部部分包括切割气体入口通道或保护气体入口通道中的至少一者。所述下部部分还可以包括冷却流体入口通道、冷却液储器、以及多个冷却鳍片。所述炬还可以包括固位盖。在一些实施例中，所述第一非零度角和所述第二非零度角中的至少一者在10度与20度之间。在其他实施例中，所述第一非零度角和所述第二非零度角中的至少一者在20度与30度之间。在又其他实施例中，所述第一非零度角和所述第二非零度角中的至少一者是至少30度。

总体发明概念中的许多方面将从以下示例性实施例的详细描述、权利要求和附图中变得显而易见。

附图说明

结合在本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图展示了本披露的多种不同实施例。应理解的是，附图中展示的元件边界(例如，框、组框或者其他形状)表示边界的一个实施例。在一些实施例中，一个元件可以被设计成多个元件或者多个元件可以被设计成一个元件。在一些实施例中，作为另一个元件的内部部件示出的元件可以被实施为外部部件，并且反之亦然。此外，元件可以不是按比例描绘的。

图1展示了等离子割炬的第一实施例，其与常规的同心构型不同；

图2展示了等离子割炬的第二实施例，其与常规的同心构型不同；

图3展示了等离子割炬的第三实施例，其与常规的同心构型不同；

图4展示了图1的等离子割炬实施例被附接至机器人臂并且顶靠工字梁的支腿；

图5展示了常规的等离子割炬被附接至机器人臂并且顶靠工字梁的支腿；

图6A至图6B展示了常规的同心等离子割炬与图1的等离子割炬实施例之间关于沿着工字梁的拐角进行切割的比较；

图7展示了图1的等离子割炬实施例在沿着工字梁的拐角进行切割时处于旋转后的位置中；

图8展示了具有多个不同的大小和直径的转矩电机装置的若干实施例。

具体实施方式

一般而言，等离子电弧割炬可以包括电极和喷嘴，其中电极的鼻端被支撑成使得电极的鼻部的末端面向喷嘴的具有从中穿过的等离子出口开口的端壁。电极和喷嘴可以是在电极与喷嘴的端壁相接触的位置和电极与端壁间隔出一定的操作距离的位置之间相对可移位的，由此在电极远离端壁移动至其操作位置时可以产生导引电弧。可替代地，电极和喷嘴可以相对于彼此固定，由此通过使用高频率或其他已知的启动程序来启动炬。

在任何事件中，喷嘴的端壁和电极的端面提供了气体室，当电弧电流在电极与喷嘴之间流动时，等离子体或电弧气体(切割气体)被供应至气体室，并且等离子射流从气体室穿过出口开口射出。可以出于冷却目的赋予在气体室上游的等离子气体漩涡运动，并且努力保持喷射的等离子射流聚焦在沿着电极的轴线上。保护气体和冷却流体也可以被供应至等离子电弧割炬。可以提供多种不同的软管(管)和缆线(例如，呈引线线束的形式)以用于将切割气体、保护气体、冷却流体和电流提供至等离子电弧割炬。等离子电弧割炬的多个不同的实施例可以包括例如炬本体、水冷管、电极、等离子气体分配器、喷嘴、固位盖、遮护盖和遮护杯。根据其他实施例，也可以存在其他元件。

现在参见附图，这些附图仅是出于展示本发明的示例性实施例的目的、而不是出于限制本发明的示例性实施例的目的。图1展示了等离子割炬100的第一实施例，其与常规的同心构型偏离。图1的等离子割炬100是偏心的或偏移的炬设计，其具有上部部分110和下部部分115，所述下部分包括切割气体入口通道120、冷却流体入口通道130、冷却液储器140、多个冷却鳍片150、固位盖160、电极170、以及提供等离子出口开口185的炬端头区域180。在一个实施例中，也可以提供保护气体入口通道(类似于切割气体入口通道120)。上部部分110连接至下部部分、并且被配置成用于(例如经由卡夹机构、例如参见图4)附接至机器人的臂、并且具有中央轴线114。下部部分115沿着炬100的长度λ成角，从而形成成角侧145。

根据一个实施例，成角的下部部分115由下部部分115(在朝向炬端头区域180的方向上)的不断减小的椭圆形(例如，圆形)横截面朝向炬100的一侧(非成角侧155)偏置而产生。下部部分115沿着长度λ不断减小的椭圆形横截面的本质通过如图4所示的炬100的实施例的下部部分115的阴影进行更好地展示。因此，电极170的中央轴线112和用于切割的炬端头区域180从上部部分110的中央轴线114朝向炬100的非成角侧或平坦侧155偏置一定的空间偏移量113。这种偏置量或者偏移量113允许炬端头区域180更靠近工件的原本难以触及的部分以便切割(例如，参见图6A至图6B)。根据一个实施例，如图1所示，中央轴线112与等离子出口开口185对准。电极170的中央轴线112和上部部分的中央轴线114均沿着相同的纵向尺寸190。等离子割炬100的总体尺寸被配置成使得冷却鳍片150和冷却液储器140中的冷却液(例如，液态水)耗散足够的热量以便在切割操作过程中保持炬100处于稳定的操作状态。

图2展示了等离子割炬200的第二实施例，其与常规的同心构型不同。图2的等离子割炬200是成角的炬设计，其具有上部部分210和下部部分215，所述下部部分包括与图1的通道120类似的切割气体入口通道、与图1的通道130类似的冷却流体入口通道、冷却液储器220、多个冷却鳍片230、电极240、以及提供等离子出口开口255的炬端头区域250。下部部分215连接至上部部分210，并且上部部分210被配置成用于(例如经由卡夹机构、例如参见图4)附接至机器人的臂。在一个实施例中，也可以提供保护气体入口通道(类似于图1的切割气体入口通道120)。也可以提供固位盖260。

在等离子割炬200中，整个下部部分215与上部部分210成角使得电极240的中央轴线245与上部部分210的中央轴线211形成角α(非零度角)并且与等离子出口开口255对准。因此，电极240和用于切割的炬端头区域250相对于上部部分210成角以允许炬端头区域250更靠近工件的原本难以触及的部分以便切割。在一些实施例中，角α在10度与20度之间。在其他实施例中，角α在20度与30度之间。在又其他实施例中，角α是30度或更大。等离子割炬200的总体尺寸被配置成使得冷却鳍片230和冷却液储器220中的冷却液(例如，液态水)耗散足够的热量以便在切割操作过程中保持炬200处于稳定的操作状态。

图3展示了等离子割炬300的第三实施例，其与常规的同心构型不同。图3的等离子割炬300是成双角的炬设计，其具有上部部分310和下部部分315，所述下部部分包括与图1的通道120类似的切割气体入口通道、与图1的通道130类似的冷却流体入口通道、冷却液储器320、多个冷却鳍片330、电极340、以及提供等离子出口开口355的炬端头区域350。上部部分310连接至下部部分315、并且被配置成用于(例如经由卡夹机构、例如参见图4)附接至机器人的臂。在一个实施例中，也可以提供保护气体入口通道(类似于图1的切割气体入口通道120)。也可以提供固位盖360。

在等离子割炬300中，上部部分310包括弯部，弯部在上部部分310的第一中央轴线311与第二中央轴线312之间产生角α(第一非零度角)。下部部分315类似于图1的下部部分115，除了电极340的中央轴线341与上部部分310的中央轴线312形成角β(第二非零度角)之外。中央轴线341与等离子出口开口355对准。因此，电极340和用于切割的炬端头区域350相对于上部部分310的两个中央轴线成角以允许炬端头区域350更靠近工件的原本难以触及的部分以便切割。在一些实施例中，第一非零度角α和第二非零度角β中的至少一者在10度与20度之间。在其他实施例中，第一非零度角α和第二非零度角β中的至少一者在20度与30度之间。在又其他实施例中，第一非零度角α和第二非零度角β中的至少一者是30度或更大。等离子割炬300的总体尺寸被配置成使得冷却鳍片330和冷却液储器320中的冷却液(例如，液态水)耗散足够的热量以便在切割操作过程中保持炬300处于稳定的操作状态。

图4展示了图1的等离子割炬100的实施例经由卡夹机构415被附接至机器人臂410并且顶靠工字梁430的支腿420。示出了炬100的上部部分110和下部部分115。炬端头区域180与支腿420的内壁之间的距离是Δ1。类似地，图5展示了常规的等离子割炬500被附接至机器人臂410并且顶靠工字梁430的支腿420。炬500的炬端头区域580与支腿420的内壁之间的距离是Δ2。如可以看到的，由于炬100的新颖设计，距离Δ1基本上小于距离Δ2，从而允许炬100的实施例的炬端头区域180比常规的等离子割炬500的炬端头区域580更靠近工字梁430的拐角。

图6A至图6B展示了常规的同心等离子割炬600与图1的等离子割炬100的实施例之间关于沿着工字梁610的修圆拐角进行切割的比较。如在图6B中可以看到的，通过等离子割炬100比通过图6A中的常规炬600实现了进入到修圆拐角中的更贴近的切割途径。图7展示了图1的等离子割炬100的实施例在沿着工字梁610的修圆拐角进行切割时处于旋转后的位置中。通过图1的偏心炬设计提供的更贴近的途径提供了进入到工字梁610的修圆拐角中的更一致且干净的切割。相对于其他类型的工件而言，图1的偏心炬设计也可以允许与常规的同心炬设计相比更贴近的途径。类似地，相对于多个不同类型的工件而言，图2和图3的成角的偏心炬设计和成双角的偏心炬设计也可以相应地允许与常规的同心炬设计相比更贴近的途径。

根据一个实施例，转矩电机装置被配置成连接至等离子割炬的上部部分。图8展示了转矩电机装置810、820和830的若干实施例，这些转矩电机装置具有多个不同的大小和直径以容纳不同的炬大小。转矩电机装置具有相对较低的速度(例如，在一个实施例中为600rpm)。此类转矩电机装置是本领域中已知的。转矩电机装置各自具有中央通路(例如，812、822和832)，等离子割炬的上部部分可以通过该中央通路并且被固定。因此，在一个实施例中，转矩电机装置包绕等离子割炬的上部部分的至少一部分以使等离子割炬绕上部部分的中央轴线旋转(例如，参见6B)。

参见图1，在一个实施例中，转矩电机装置(例如，图8中的810)受控来在切割操作过程中维持炬100的下部部分115的非成角侧155与工件正在被切割的一面相垂直(例如，参见图4)。转矩电机装置810被机器人控制，炬100的上部部分110经由机器人的臂(例如，经由图4中的臂410)连接至机器人。转矩电机装置810被机器人作为机器人的辅助轴线来加以控制。产生位置数据以驱动辅助轴线(例如，转矩电机装置)。根据一个实施例，辅助轴线垂直于切割的方向并且有效地提供前向运动和逆向运动。在一个实施例中，构型允许贴近例如梁或圆管的壁作出曲线或样条曲线轮廓。

在一个实施例中，转矩电机装置810被配置成绕上部部分110的中央轴线114在任一方向上(例如，顺时针和逆时针)使等离子割炬100旋转至少360度。在一个实施例中，在炬100的后端上提供了柔性联接件以允许炬100旋转，从而使得去到炬100的引线线束的炬引线不必解开缠绕。炬引线可以将例如气体、冷却液流体和电提供至炬。柔性联接件在炬100的后端与引线线束之间提供无限的旋转连接，从而去除任何的自由运动限制。

虽然所披露的实施例已经被相当详细地展示并且描述，但是并不意图对权利要求的范围进行约束或以任何方式限制到这样的细节。当然，出于描述主题的多个不同的方面的目的，描述部件或方法的每个可想到的组合是不可能的。因此，本披露不限于所示出并描述的具体细节或展示性实例。因此，本披露意在包含落入权利要求的范围内的变更、修改以及变体，这满足35U.S.C.§101的法定主题要求。已经通过举例方式给出了以上对特定实施例的描述。从所给出的披露中，本领域技术人员将不仅理解总体发明概念和伴随的优点，还将发现对所披露结构和方法的明显的多种不同改变和修改。例如，可以利用替代方法和/或具有额外或替代部件的系统来配置等离子割炬以允许触及工件的原本难以触及的部分以便切割。因此，所寻求的是涵盖了落入如由权利要求及其等同物所限定的总体发明概念的精神和范围内的所有此类改变和修改。

Claims (13)

1.一种偏心等离子割炬，所述偏心等离子割炬被配置成更向工件的原本难以触及的部分贴近地用于切割，所述炬包括：

上部部分，所述上部部分具有第一中央轴线，其中所述上部部分被配置成用于附接至机器人的臂；

下部部分，所述下部部分连接至所述上部部分，其中所述下部部分包括提供等离子出口开口的炬端头区域、沿着所述下部部分的长度的成角侧、以及沿着所述下部部分的长度的非成角侧，并且其中所述成角侧由所述下部部分的沿着长度不断减小的横截面朝向所述非成角侧偏置而产生；以及

电极，所述电极位于所述下部部分内、具有第二中央轴线，其中所述上部部分的所述第一中央轴线和所述电极的所述第二中央轴线均沿着相同的纵向尺寸，并且其中所述第二中央轴线朝向所述炬的所述下部部分的非成角侧与所述第一中央轴线在空间上相偏移、并且与所述等离子出口开口对准。

2.如权利要求1所述的炬，其中，所述下部部分的不断减小的横截面的形状是椭圆形。

3.如权利要求1所述的炬，其中，所述下部部分的不断减小的横截面的形状是圆形。

4.如权利要求1所述的炬，还包括转矩电机装置，所述转矩电机装置被固定至所述上部部分的至少一部分处，其中所述转矩电机装置受控来在切割操作过程中维持所述下部部分的非成角侧与工件正在被切割的一面相垂直。

5.如权利要求1所述的炬，其中，所述下部部分包括切割气体入口通道或保护气体入口通道中的至少一者。

6.如权利要求1所述的炬，其中，所述下部部分包括冷却流体入口通道、冷却液储器、以及多个冷却鳍片。

7.如权利要求1所述的炬，还包括固位盖。

8.一种等离子割炬，所述等离子割炬被配置成更向工件的原本难以触及的部分贴近地用于切割，所述炬包括：

上部部分，所述上部部分具有第一中央轴线和第二中央轴线，其中所述第二中央轴线与所述第一中央轴线形成第一非零度角以在所述上部部分中形成弯部，并且其中所述上部部分被配置成用于附接至机器人的臂；

下部部分，所述下部部分连接至所述上部部分并且具有提供等离子出口开口的炬端头区域、沿着所述下部部分的长度的成角侧以及沿着所述下部部分的长度的非成角侧，其中所述成角侧由所述下部部分的沿着长度不断减小的横截面朝向所述非成角侧偏置而产生；以及

电极，所述电极位于所述下部部分内、具有第三中央轴线，其中所述第三中央轴线与所述第二中央轴线形成第二非零度角并且与所述等离子出口开口对准。

9.如权利要求8所述的炬，其中，所述下部部分包括切割气体入口通道或保护气体入口通道中的至少一者。

10.如权利要求8所述的炬，其中，所述下部部分包括冷却流体入口通道、冷却液储器、以及多个冷却鳍片。

11.如权利要求8所述的炬，其中，所述第一非零度角和所述第二非零度角中的至少一者在10度与20度之间。

12.如权利要求8所述的炬，其中，所述第一非零度角和所述第二非零度角中的至少一者在20度与30度之间。

13.如权利要求8所述的炬，其中，所述第一非零度角和所述第二非零度角中的至少一者是至少30度。

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