CN109262746B - 一种复合材料双机器人协同超声波切割设备及切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料双机器人协同超声波切割设备，包括工作台、控制装置、设置在工作台一侧的第一机器人及设置在工作台另一侧的第二机器人；所述第一机器人与第二机器人位置相对应，所述第一机器人上设有尖形刀超声波粗切割装置，所述第二机器人上设有圆形刀超声波精切割装置，所述第一机器人及第二机器人分别与控制装置相连，并通过控制装置来实现第一机器人及第二机器人进行切割动作。本发明的有益效果是：由于2台机器人在同一个时间段内可以同时进行超声波粗切割和超声波精切割，可提高复合材料加工效率30~50%，从而提高了工厂产量，并保证了在双面胶有效寿命的时间内完成大型复合材料的加工。

Description

一种复合材料双机器人协同超声波切割设备及切割方法

技术领域

本发明涉及复合材料加工领域，具体涉及一种复合材料双机器人协同超声波切割设备及切割方法。

背景技术

目前使用的复合材料六轴数控超声波切割机床，将尖形刀超声波切割声学系统和圆形刀超声波切割声学系统安装在一台龙门铣床上，采用程序控制尖形刀和圆形刀依次进行超声波切割。但是，这种设备存在下述缺点：1)在同一个时间里，只能有1把刀具进行超声波切割，其他刀具全部处于等待状态，使得加工时间延长，在双面胶有效寿命(例如2小时)的时间内无法完成大型复合材料的超声波切割。2)需要使用复杂的换刀装置，增加设备成本。3)换能器与发生器之间的电传输系统在旋转状态下易出现故障。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了结构合理、稳定高效的一种复合材料双机器人协同超声波切割设备及切割方法。

本发明的技术方案如下：

一种复合材料双机器人协同超声波切割设备，其特征在于，包括工作台、控制装置、设置在工作台一侧的第一机器人及设置在工作台另一侧的第二机器人；所述第一机器人与第二机器人位置相对应，所述第一机器人上设有尖形刀超声波粗切割装置，所述第二机器人上设有圆形刀超声波精切割装置，所述第一机器人及第二机器人分别与控制装置相连，并通过控制装置来实现第一机器人及第二机器人进行切割动作。

所述的一种复合材料双机器人协同超声波切割设备，其特征在于，所述尖形刀超声波粗切割装置包括伺服电机、同步带、上触头、导电滑环、超声主轴、下触头、压电换能器、变幅杆、套筒及外壳；所述外壳上设有行程开关，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内部，且与导电滑环相连；所述下触头安装于压电换能器顶部，且与上触头信号连接；所述变幅杆顶部固定安装于压电换能器底部，所述变幅杆底部安装有尖形刀，所述超声主轴与套筒固定连接，套筒与外壳相配合；所述压电换能器设置在套筒内，且通过超声主轴带动套筒、压电换能器、变幅杆及尖形刀同步转动。

所述的一种复合材料双机器人协同超声波切割设备，其特征在于，所述圆形刀超声波精切割装置包括伺服电机、同步带、上触头、导电滑环、超声主轴、下触头、压电换能器、变幅杆、套筒及外壳；所述外壳上设有行程开关，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内部，且与导电滑环相连；所述下触头安装于压电换能器顶部，且与上触头信号连接；所述变幅杆顶部固定安装于压电换能器底部，所述变幅杆底部安装有圆形刀，所述超声主轴与套筒固定连接，套筒与外壳相配合；所述压电换能器设置在套筒内，且通过超声主轴带动套筒、压电换能器、变幅杆及圆形刀同步转动。

所述的一种复合材料双机器人协同超声波切割设备，其特征在于，所述工作台与控制装置之间对应位置处设有刀尖高度对刀仪，所述刀尖高度对刀仪与控制装置相连。

所述的一种复合材料双机器人协同超声波切割设备，其特征在于，所述工作台与控制装置之间且靠近第一机器人一侧的位置处设有尖形刀方位检测装置，所述尖形刀方位检测装置与控制装置相连。

所述的一种复合材料双机器人协同超声波切割设备，其特征在于，所述工作台端部上方位置设有热释电红外传感器。

所述的一种基于复合材料双机器人协同超声波切割设备的切割方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)区域划分：先将待加工工件划分成若干个切割区域；

2)粗切割加工：控制装置发出指令给第一机器人，由第一机器人控制尖形刀定位到第一切割区域，并在第一切割区域范围内对工件进行粗切割加工，直至第一切割区域内粗切割加工完成；

3)粗切割、精切割协同加工：控制装置发出指令给第一机器人，由第一机器人控制尖形刀定位到第二切割区域，进行粗切割加工，与此同时控制装置发出指令给第二机器人，由第二机器人控制圆形刀定位到第一切割区域，进行精切割加工；

4)步骤3)中粗切割加工完成后，控制装置发出指令给第一机器人，由第一机器人控制尖形刀定位到下一切割区域，进行粗切割加工；步骤3)中精切割加工完成后，控制装置发出指令给第二机器人，由第二机器人控制圆形刀定位到第二切割区域，进行精切割加工；

5)重复步骤3)、4)，直至完成最后一个区域的全部超声波精切割。

本发明的有益效果是：

1)由于2台机器人在同一个时间段内可以同时进行超声波粗切割和超声波精切割，可提高复合材料加工效率30～50％，从而提高了工厂产量，并保证了在双面胶有效寿命的时间内完成大型复合材料的加工。

2)2台机器人按照程序指令，分别实现尖形刀超声波切割和圆形刀超声波切割，不需要采用自动换刀装置，利用限位开关防止2台机器人相互碰撞，使用热释电红外传感器防止外界人为干扰，保证周围人的安全。

3)尖形刀超声波切割主轴使用的电传输系统只需在很低的转速下调整尖形刀方位，使得该电传输系统寿命很长，在很长的时间内不需要更换电传输系统，便于操作人员维护设备，降低成本。

4)显著简化控制系统，降低控制系统成本，增加控制系统可靠性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构侧面结构示意图；

图3为本发明的尖形刀超声波粗切割装置结构示意图；

图4为本发明的圆形刀超声波精切割装置结构示意图；

图中：1-工作台，2-尖形刀方位检测装置，3-控制装置，4-刀尖高度对刀仪，5-工件，6-第二机器人，7-圆形刀超声波精切割装置，8-热释电红外传感器，9-尖形刀超声波粗切割装置，10-第一机器人，11-圆形刀，12-尖形刀，13-伺服电机，14-同步带，15-上触头，16-导电滑环，17-超声主轴，18-下触头，19-套筒，20-行程开关，21-压电换能器，22-变幅杆，23-外壳，24-粘接剂。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明作进一步描述。

如图1-4所示，一种复合材料双机器人协同超声波切割设备包括工作台1、尖形刀方位检测装置2、控制装置3、刀尖高度对刀仪4、工件5、第二机器人6、圆形刀超声波精切割装置7、热释电红外传感器8、尖形刀超声波粗切割装置9、第一机器人10、圆形刀11、尖形刀12、伺服电机13、同步带14、上触头15、导电滑环16、超声主轴17、下触头18、套筒19、行程开关20、压电换能器21、变幅杆22、外壳23及粘接剂24。

双机器人协同超声波切割设备由第一机器人10、尖形刀超声波粗切割装置9、第二机器人6和圆形刀超声波精切割装置7、控制装置3、工作台1、尖形刀方位检测装置2、尖形刀和圆形刀刀尖高度对刀仪4等部分构成。

控制装置3采用数控装置，针对加工过程预先进行编程，通过计算机程序来控制第一机器人10、第二机器人6、刀尖高度对刀仪4及尖形刀方位检测装置2的工作。

尖形刀超声波粗切割装置9包括伺服电机13、同步带14、上触头15、导电滑环16、超声主轴17、下触头18、压电换能器21、变幅杆22、套筒19及外壳23；外壳23上设有行程开关20，同步带14一端连接伺服电机13的输出端，另一端连接超声主轴17，伺服电机13通过同步带14带动超声主轴17旋转；上触头15安装于超声主轴17内部，且与导电滑环16相连；下触头18安装于压电换能器21顶部，且与上触头15信号连接；变幅杆22顶部固定安装于压电换能器21底部，变幅杆22底部安装有尖形刀12，超声主轴17与套筒19固定连接，套筒19与外壳23相配合；所述压电换能器21设置在套筒19内，且通过超声主轴17带动套筒19、压电换能器21及变幅杆22同步转动。

尖形刀超声波粗切割装置的工作过程是：控制装置3里含有超声波发生器输出的超声频电信号通过导电滑环16、上触头15及下触头18进入到压电换能器21，产生超声频振动，变幅杆22将压电换能器21输出的位移放大后传给尖形刀12。伺服电机通过同步带14带动超声主轴17，通过超声主轴17带动套筒19、压电换能器21、变幅杆22及尖形刀12同步转动。并实现尖形刀方位角的调整和实时变化。

圆形刀超声波精切割装置7包括伺服电机13、同步带14、上触头15、导电滑环16、超声主轴17、下触头18、压电换能器21、变幅杆22、套筒19及外壳23；外壳23上设有行程开关20，同步带14一端连接伺服电机13的输出端，另一端连接超声主轴17，伺服电机13通过同步带14带动超声主轴17旋转；上触头15安装于超声主轴13内部，且与导电滑环16相连；下触头18安装于压电换能器21顶部，且与上触头15信号连接；变幅杆22顶部固定安装于压电换能器21底部，变幅杆22底部安装有圆形刀11，超声主轴17与套筒19固定连接，套筒19与外壳23相配合；压电换能器21设置在套筒19内，且通过超声主轴17带动套筒19、压电换能器21、变幅杆22及圆形刀11同步转动。

圆形刀超声波粗切割装置7的工作过程是：控制装置3里含有超声波发生器输出的超声频电信号通过导电滑环16、上触头15及下触头18进入到压电换能器21，产生超声频振动，变幅杆22将压电换能器21输出的位移放大后传给圆形刀11。伺服电机通过同步带14带动超声主轴17，通过超声主轴17带动套筒19、压电换能器21、变幅杆22及圆形刀11同步转动。并实现圆形刀的连续转动和转速调整。

当有人靠近双机器人设备一定距离时，热释电红外传感器8会接受到信号，发出报警信号，防止机器误伤人。红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大，红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向(即与半径垂直的方向)移动则最为敏感，红外线热释电传感器设置在工作台上方，向四周发散信号，信号直径范围8-10平方米。

当2台机器人运动行程不合理，发生碰撞时，外壳23上的行程开关20的机械触头发生碰撞，切断了(或改变了)控制电路，机械就停止运行或改变运行。由于机械的惯性运动，这种行程开关有一定的“超行程”以保护开关不受损坏。

尖形刀方位检测装置2是针对加工类似V形槽容易产生干涉碰撞的问题，通过该装置来检测并调整尖形刀刀具的方位。

该设备工作原理：控制装置3控制两台机器人工作，把复合材料工件分成几份，带有尖形刀的第一机器人首先粗加工复合材料的一部分，然后在加工工件的另一部分，带有圆形刀的第二机器人加工粗加工完成的上一部分，以此下去，直至粗加工和精加工完零件整体，在加工V形槽过程中利用了尖形刀方位检测装置来加工V形槽，利用尖形刀和圆形刀刀尖高度对刀仪对尖形刀和圆形刀的高度进行控制，利用行程开关对两个机器人进行保护，利用热释电红外传感器保证外界人的安全以及机器人工作不受影响。

实施例：(V型槽切割)

双机器人协同超声波切割方法是：

1)设复合材料工件长度为a，宽度为b。先将工件划分成若干区域，(人为进行划分，并编辑到数控程序中)为简化起见，这里简化为将工件划分成三等分，则每个部分宽度为

每个部分面积为

2)启动尖形刀进行超声波切割。先将尖形刀向上方倾斜θ角，对区域Ⅰ的

面积V型槽左侧粗切割，完成

面积V型槽左侧粗切割。

3)将尖形刀转回到垂直位置，再向下方倾斜θ角(例如θ＝30°)，对区域Ⅰ的

面积的V型槽另一侧进行超声波粗切割，实现区域Ⅰ的

面积V型槽全部粗切割。

4)在尖形刀进行区域Ⅱ的

面积V型槽的超声波粗切割的同时，启动圆形刀对区域Ⅰ进行超声波精切割。

5)尖形刀上、下倾斜30°，实现区域Ⅱ的

面积V型槽的超声波粗切割。完成区域Ⅱ粗切割时，圆刀继续向前对区域Ⅱ开始超声波精切割。

6)尖形刀上、下倾斜θ角，完成区域Ⅲ的

面积V型槽超声波粗切割。此时，圆形刀继续对区域Ⅲ的

面积开始超声波精切割，直至完成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域的全部超声波精切割。

下面计算双机器人协同超声波切割时间t。设尖形刀超声波粗切割总加工时间为t₁，圆形刀超声波精切割总加工时间为t₂。

超声波切割时，以工件划分成三等分为例计算双机器人协同超声波切割时间t。一般情况下，t₁≤t₂。

采用自动换刀装置的单机器人超声波切割复合材料工件总加工时间为t_s＝t₁+t₂。

采用双机器人协同超声波切割复合材料工件时，总加工时间为t。

一般情况下

若t₁＝t₂，则双机器人协同超声波切割与单机器人超声波切割时间之比为

显然，双机器人协同超声波切割复合材料工件比单机器人超声波切割节约加工时间33.3％。

表1超声波切割时间表t/t_s(％)

Claims (4)

1.一种基于复合材料双机器人协同超声波切割设备的切割方法，其特征在于，切割设备包括工作台（1）、控制装置（3）、设置在工作台（1）一侧的第一机器人（10）及设置在工作台（1）另一侧的第二机器人（6）；所述第一机器人（10）与第二机器人（6）位置相对应，所述第一机器人（10）上设有尖形刀超声波粗切割装置（9），所述第二机器人（6）上设有圆形刀超声波精切割装置（7），所述第一机器人（10）及第二机器人（6）分别与控制装置（3）相连，并通过控制装置（3）来实现第一机器人（10）及第二机器人（6）进行切割动作；所述工作台（1）与控制装置（3）之间对应位置处设有刀尖高度对刀仪（4），所述刀尖高度对刀仪（4）与控制装置（3）相连；所述工作台（1）与控制装置（3）之间且靠近第一机器人（10）一侧的位置处设有尖形刀方位检测装置（2），所述尖形刀方位检测装置（2）与控制装置（3）相连；

切割方法包括如下步骤：

1）区域划分：先将待加工工件（5）划分成若干个切割区域；

2）粗切割加工：控制装置（3）发出指令给第一机器人（10），由第一机器人（10）控制尖形刀（12）定位到第一切割区域，并在第一切割区域范围内对工件（5）进行粗切割加工，直至第一切割区域内粗切割加工完成；

3）粗切割、精切割协同加工：控制装置（3）发出指令给第一机器人（10），由第一机器人（10）控制尖形刀（12）定位到第二切割区域，进行粗切割加工，与此同时控制装置（3）发出指令给第二机器人（6），由第二机器人（6）控制圆形刀（11）定位到第一切割区域，进行精切割加工；

4）步骤3）中粗切割加工完成后，控制装置（3）发出指令给第一机器人（10），由第一机器人（10）控制尖形刀（12）定位到下一切割区域，进行粗切割加工；步骤3）中精切割加工完成后，控制装置（3）发出指令给第二机器人（6），由第二机器人（6）控制圆形刀（11）定位到第二切割区域，进行精切割加工；

5）重复步骤3）、4），直至完成最后一个区域的全部超声波精切割。

2.根据权利要求1所述的一种基于复合材料双机器人协同超声波切割设备的切割方法，其特征在于，所述尖形刀超声波粗切割装置（9）包括伺服电机（13）、同步带（14）、上触头（15）、导电滑环（16）、超声主轴（17）、下触头（18）、压电换能器（21）、变幅杆（22）、套筒（19）及外壳（23）；所述外壳（23）上设有行程开关（20），所述同步带（14）一端连接伺服电机（13）的输出端，另一端连接超声主轴（17），伺服电机（13）通过同步带（14）带动超声主轴（17）旋转；所述上触头（15）安装于超声主轴（17）内部，且与导电滑环（16）相连；所述下触头（18）安装于压电换能器（21）顶部，且与上触头（15）信号连接；所述变幅杆（22）顶部固定安装于压电换能器（21）底部，所述变幅杆（22）底部安装有尖形刀（12），所述超声主轴（17）与套筒（19）固定连接，套筒（19）与外壳（23）相配合；所述压电换能器（21）设置在套筒（19）内，且通过超声主轴（17）带动套筒（19）、压电换能器（21）、变幅杆（22）及尖形刀（12）同步转动。

3.根据权利要求1所述的一种基于复合材料双机器人协同超声波切割设备的切割方法，其特征在于，所述圆形刀超声波精切割装置（7）包括伺服电机（13）、同步带（14）、上触头（15）、导电滑环（16）、超声主轴（17）、下触头（18）、压电换能器（21）、变幅杆（22）、套筒（19）及外壳（23）；所述外壳（23）上设有行程开关（20），所述同步带（14）一端连接伺服电机（13）的输出端，另一端连接超声主轴（17），伺服电机（13）通过同步带（14）带动超声主轴（17）旋转；所述上触头（15）安装于超声主轴（17 ）内部，且与导电滑环（16）相连；所述下触头（18）安装于压电换能器（21）顶部，且与上触头（15）信号连接；所述变幅杆（22）顶部固定安装于压电换能器（21）底部，所述变幅杆（22）底部安装有圆形刀（11），所述超声主轴（17）与套筒（19）固定连接，套筒（19）与外壳（23）相配合；所述压电换能器（21）设置在套筒（19）内，且通过超声主轴（17）带动套筒（19）、压电换能器（21）、变幅杆（22）及圆形刀（11）同步转动。

4.根据权利要求1所述的一种基于复合材料双机器人协同超声波切割设备的切割方法，其特征在于，所述工作台（1）端部上方位置设有热释电红外传感器（8）。

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