CN109570714A - 一种封头自动开孔切割系统及切割方法 - Google Patents

一种封头自动开孔切割系统及切割方法 Download PDF

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王飞
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Abstract

本发明公开了一种封头自动开孔切割系统及切割方法，属于机器人技术领域。它包括：控制柜内设有键盘和显示器；承载机构包括底座、液压缸、工作台及卡盘，底座的中心开有凹槽，液压缸置于凹槽内，液压缸的上端连接固定工作台，卡盘安装在工作台上；升降机构包括电机、升降导轨、底盘、立柱和悬臂，底盘设置在靠近底座的一侧，立柱固定在底盘上，悬臂固定在立柱的顶部，电机固定在底盘内，升降导轨分别与电机的输出端、悬臂连接；切割机构包括机械手及与机械手连接的割枪，割枪上配设有激光传感器，机械手与悬臂固定连接。该系统通过控制柜控制升降机构、承载机构及切割机构，可以实现封头开孔作业的完全自动化，封头开孔的边缘光滑，利于焊接。

Description

一种封头自动开孔切割系统及切割方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，更具体地说，涉及一种封头自动开孔切割系统及切割方法。
背景技术
封头开孔是容器制造过程中的重要环节，是焊接作业的重要前序工作，目前主要采用人工放样一人工划线一人工切割的工艺完成，具有以下的不足：在封头规格出现变化时、在孔径、孔位、插入角度等出现变化时，需要重新放样划线，费时费力；而人工放样和划线也无法保证相贯线的准确轨迹和位置；同时人工切割方式同样无法保证相贯线的准确轨迹和位置。这些问题给后续焊接带来非常不利的影响，并影响容器的外观和产品质量。
为了解决上述的技术问题，经检索，例如中国专利申请号201510185753.9，申请日为2015年4月20日，发明名称为：一种封头切割焊接生产线，包括机器人切割工作站、机器人焊接工作站及组对装置，机器人切割工作站及机器人焊接工作站分别包括切割机器人及焊接机器人，切割机器人及焊接机器人分别包括底座、设于底座上并通过第一转轴连接的旋转座、设于旋转座上且一端通过第二转轴连接的下臂、设于下臂另一端并通过第三转轴连接的上臂、设于上臂并通过第四转轴旋转连接的第一手部、设于第一手部并通过第五转轴连接的第二手部及设于第二手部上并通过第六转轴连接的第三手部，该下臂的中间部的横截面为椭圆形。该封头切割焊接生产线可机械化的实现封头的切割焊接。该生产线的结构复杂，成本投入高；此外，在切割的过程中会产生大量的烟尘，一般生产线为敞开式设计，烟尘会分散到整个厂房，造成厂房室内弥漫烟尘，不利于操作工人的身体健康，同时不满足现在环保生产的要求。
中国专利申请号201120477251.0，申请日为2011年11月26日，发明名称为：一种便携式封头数控开孔机，它包括底座、割枪以及安装于底座上的支架，在底座的两侧设置有相互平行的滑轨，支架安装于滑轨上，在支架上部的横梁一侧设有沿水平方向的滑动导轨，在滑动导轨上安装有移动座，割枪垂直插置在移动座内，割枪可上、下调节高度。该开孔机同样为敞开式工作，在生产过程中会产生大量的烟尘，而这些烟尘无法及时排除，直接地影响操作工人的健康。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有人工放样和划线也无法保证相贯线的准确轨迹和位置；同时人工切割方式同样无法保证相贯线的准确轨迹和位置，给后续焊接带来非常不利的影响，并影响容器的外观和产品质量的问题，本发明提供一种封头自动开孔切割系统，可以实现自动对封头的开孔切割；且减少切割过程中产生的扬尘，优化工作环境，保障操作工人的身心健康。
本发明还提供了一种封头自动开孔切割系统的切割方法，步骤衔接有序，实现自动封头开孔切割，降低劳动强度，提高工作效率。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的一种封头自动开孔切割系统，包括：
控制柜，其内设有键盘和显示器，用于控制整个切割系统的工作；
承载机构，其包括底座、液压缸、工作台及卡盘，所述的底座的中心开有凹槽，液压缸置于所述的凹槽内且与控制柜电气连接，液压缸的上端连接固定工作台，所述的卡盘安装在所述的工作台上；
升降机构，其包括电机、升降导轨、底盘、立柱和悬臂，所述的底盘设置在靠近所述底座的一侧，立柱固定在所述的底盘上，所述的悬臂固定在所述的立柱的顶部，电机固定在底盘内，升降导轨分别与电机的输出端、悬臂连接，所述电机与控制柜电气连接；
切割机构，其包括机械手及与所述机械手连接的割枪，割枪上配设有激光传感器，所述的机械手与所述的悬臂固定连接，激光传感器、机械手与割枪均与控制柜电气连接。
于本发明的一种可能的实施方式中，所述的工作台呈中空状，工作台的上表面设有通孔与外界连通，在工作台的一侧面开设有出风口。
于本发明的一种可能的实施方式中，所述的工作台的下表面的设有至少一根导向柱，对应的底座上设有导向孔。
于本发明的一种可能的实施方式中，还包括吸尘机构，其包括吸尘器及连接管，所述的连接管一端连接至所述的出风口，另一端连接至吸尘器的吸尘口。
于本发明的一种可能的实施方式中，所述的卡盘包括盘体、卡爪、滑槽和螺杆，滑槽位于盘体上，螺杆位于滑槽内，卡爪连接在螺杆上，与滑槽滑动连接，盘体上设有定位套和定位杆，定位杆插在定位套内。
于本发明的一种可能的实施方式中，所述导向孔内设置有铜质的导向套。
于本发明的一种可能的实施方式中，所述定位杆前端设有弹簧；所述卡爪的数量为四只，呈十字对称分布。
于本发明的一种可能的实施方式中，所述卡爪上配设有位置传感器，位置传感器与控制柜电气连接。
于本发明的一种可能的实施方式中，所述通孔的面积数值为S1，所述出风口的面积数值为S2，所述工作台的内部空间的体积数值为V，待切割封头的有效面积数值为S3，所述吸尘器的压力数值为F，则满足关系如下：F/S2＝ρ气*V/(S1-S3)*g。
本发明还提供了一种上述的封头自动开孔切割系统的切割方法，包括以下步骤：
步骤S101、首先将待切割的封头安装在卡盘上，位置传感器对封头的位置进行定位，并将数据反馈至控制柜；
步骤S102、通过键盘向控制柜内输入开孔的切割参数并生成切割任务传递给机械手；
步骤S103、通过激光传感器自动修正待切割封头相对割枪的坐标系，以确定割枪与封头切割时的位姿关系；
步骤S104、获取封头上开孔位置的实际寻位点与理论寻位点的偏差；
步骤S105、获取封头上开孔位置的原始轨迹点；
步骤S106、补偿开孔轨迹偏差并修正原始轨迹点，从而生成实际轨迹点；
步骤S107、割枪根据步骤S106获得的实际轨迹点对封头进行开孔切割。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的封头自动开孔切割系统，该系统通过控制柜控制升降机构、承载机构及切割机构，可以实现封头开孔作业的完全自动化，并且在“小批量、多品种”的环境下依然可以进行有效率的生产；降低了劳动强度，减少人共投入成本，封头开孔的边缘光滑，利于焊接的需求；
(2)本发明的封头自动开孔切割系统，其液压缸的伸缩杆直径与工作台的直径比值为1:2-3，可以确保工作台的稳定性，同时液压缸可以为工作台提供较大的升力；
(3)本发明的封头自动开孔切割系统，整个升降机构构成C字形，其中悬臂前伸，升降导轨在电机的带动下，作上下往复运动，因此可以调节悬臂与封头的距离；
(4)本发明的封头自动开孔切割系统，工作台的出风口与吸尘器连接，使得整个工作台内部呈负压状态，扬尘会被直接吸入工作台内，出风口处设置有一布质隔膜，避免较大颗粒被吸入，负压形成的冷风可以冷却封头，避免操作工人被高温烫伤，使用安全可靠；
(5)本发明的封头自动开孔切割系统，结构简单，制作方便。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1为本发明的封头自动开孔切割系统的结构示意图；
图2为本发明的封头自动开孔切割系统的卡盘结构示意图；
图3为本发明的封头自动开孔切割系统的局部示意图。
图中标记说明：
100、控制柜；110、键盘；120、显示器；
200、承载机构；210、底座；211、导向孔；212、导向套；220、液压缸；230、工作台；231、导向柱；232、通孔；233、出风口；240、卡盘；241、盘体；242、卡爪；243、滑槽；244、螺杆；245、定位套；246、定位杆；247、弹簧；
300、升降机构；310、电机；320、升降导轨；330、底盘；340、立柱；350、悬臂；
400、切割机构；410、机械手；420、割枪；
500、吸尘机构；510、吸尘器；520、连接管。
600、封头。
具体实施方式
下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。
实施例1
如图1所示的本实施例封头600自动开孔切割系统的结构示意图。
该封头600自动开孔切割系统，包括：控制柜100，其内设有键盘110和显示器120，用于控制整个切割系统的工作。控制柜100为整体结构，键盘110和显示器120均内置，控制柜100可以安装在控制室内，通过线缆与其他部件连接，控制柜100为现市场销售的PLC控制柜100，可以通过相关的端口进行逻辑编程，实现整个切割系统的制动化工作。
在本实施例中，考虑到待切割封头600的质量一般较大，体积大，因此需要承载封头600的重量。承载机构200包括底座210、液压缸220、工作台230及卡盘240，底座210的中心开有凹槽，液压缸220置于凹槽内且与控制柜100电气连接，液压缸220的上端连接固定工作台230，卡盘240安装在工作台230上。液压缸220的伸缩杆直径与工作台230的直径比值为1:2-3，可以确保工作台230的稳定性，同时液压缸220可以为工作台230提供较大的升力。
进一步的，升降机构300包括电机310、升降导轨320、底盘330、立柱340和悬臂350，底盘330设置在靠近底座210的一侧，立柱340固定在底盘330上，悬臂350固定在立柱340的顶部，电机310固定在底盘330内，升降导轨320分别与电机310的输出端、悬臂350连接，电机310与控制柜100电气连接。整个升降机构300构成C字形，其中悬臂350前伸，升降导轨320在电机310的带动下，作上下往复运动，因此可以调节悬臂350与封头600的距离。
进一步的，切割机构400包括机械手410及与机械手410连接的割枪420，割枪420上配设有激光传感器，机械手410与悬臂350固定连接，激光传感器、机械手410与割枪420均与控制柜100电气连接。激光传感器为市场销售的传感器，其工作原理是感知判断距离，通过激光传感器的位置定位，然后机械手410带动割枪420移至该位置，然后切割。机械手410的具体结构为六轴结构，且产品为现有技术，割枪420的结构同样为现有技术，为等离子切割枪420。
在本实施例中，考虑到切割过程中会产生大量的扬尘，这些扬尘会对设备以及操作工人带来很多不利的影响，因此需要对扬尘进行有效处理，同时切割会产生大量的热，封头600的温度较高，工作台230呈中空状，工作台230的上表面设有通孔232与外界连通，在工作台230的一侧面开设有出风口233，这样的设计可以保证切割的铁屑落入工作台230内，避免落到地面影响环境。该系统还包括吸尘机构500，其包括吸尘器510及连接管520，连接管520一端连接至出风口233，另一端连接至吸尘器510的吸尘口，使得整个工作台230内部呈负压状态，扬尘会被直接吸入工作台230内，出风口233处设置有一布质隔膜，避免较大颗粒被吸入，负压形成的冷风可以冷却封头600，避免操作工人被高温烫伤，使用安全可靠。
如图3所示，当工作台230被液压缸220顶起时，所有的重量集中于液压缸220的上，工作台230会发生倾斜，因此工作台230的下表面的设有四根导向柱231，对应的底座210上设有导向孔211，导向孔211内设置有铜质的导向套212，导向套212的耐磨性能好，可以保证液压缸220与工作台230的中心始终在保持在同一轴心度上。
实施例2
在实施例1的基础上，对卡盘240的结构作了进一步的限定，见图2，具体的为：卡盘240包括盘体241、卡爪242、滑槽243和螺杆244，滑槽243位于盘体241上，螺杆244位于滑槽243内，卡爪242连接在螺杆244上，与滑槽243滑动连接，盘体241上设有定位套245和定位杆246，定位杆246插在定位套245内。该卡盘240可以进行调节，封头600的尺寸适应性强，通过调节卡盘240，将封头600固定在卡盘240上，封头600的稳固性好，切割的边缘整齐，外观光滑。
进一步的，定位杆246前端设有弹簧247；卡爪242的数量为四只，呈十字对称分布。
进一步的，卡爪242上配设有位置传感器，位置传感器与控制柜100电气连接。
实施例3
在实施例2的基础上，对卡盘240的结构作了进一步的限定，具体的为：通孔232的面积数值为S1，出风口233的面积数值为S2，工作台230的内部空间的体积数值为V，待切割封头600的有效面积数值为S3，吸尘器510的压力数值为F，则满足关系如下：F/S2＝ρ气*V/(S1-S3)*g。
实施例4
本实施例提供了一种上述的封头600自动开孔切割系统的切割方法，包括以下步骤：
步骤S101、首先将待切割的封头600安装在卡盘240上，位置传感器对封头600的位置进行定位，并将数据反馈至控制柜100；
步骤S102、通过键盘110向控制柜100内输入开孔的切割参数并生成切割任务传递给机械手410；
步骤S103、通过激光传感器自动修正待切割封头600相对割枪420的坐标系，以确定割枪420与封头600切割时的位姿关系；
步骤S104、获取封头600上开孔位置的实际寻位点与理论寻位点的偏差；
步骤S105、获取封头600上开孔位置的原始轨迹点；
步骤S106、补偿开孔轨迹偏差并修正原始轨迹点，从而生成实际轨迹点；
步骤S107、割枪420根据步骤S106获得的实际轨迹点对封头600进行开孔切割。
本实施例系统范围参数如下表：
工件名称： 碳钢、不锈钢封头切割
工作内容： 开孔、开坡口、划定位线
工件尺寸范围： 直径300～3000mm国标封头
工件厚度范围： 3mm～15mm(垂直切割)
切割最小孔径： Φ20mm(20mm以内圆度较低)
焊枪切割方式： 径向、非径向(即指向圆心和非指向圆心)
切割方式： 等离子切割
切割气体： 氮气
封头种类： 蝶形、椭圆形封头
该机械手的性能参数如下表：
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种封头自动开孔切割系统，其特征在于，包括：
控制柜(100)，其内设有键盘(110)和显示器(120)，用于控制整个切割系统的工作；
承载机构(200)，其包括底座(210)、液压缸(220)、工作台(230)及卡盘(240)，所述的底座(210)的中心开有凹槽，液压缸(220)置于所述的凹槽内且与控制柜(100)电气连接，液压缸(220)的上端连接固定工作台(230)，所述的卡盘(240)安装在所述的工作台(230)上；
升降机构(300)，其包括电机(310)、升降导轨(320)、底盘(330)、立柱(340)和悬臂(350)，所述的底盘(330)设置在靠近所述底座(210)的一侧，立柱(340)固定在所述的底盘(330)上，所述的悬臂(350)固定在所述的立柱(340)的顶部，电机(310)固定在底盘(330)内，升降导轨(320)分别与电机(310)的输出端、悬臂(350)连接，所述电机(310)与控制柜(100)电气连接；
切割机构(400)，其包括机械手(410)及与所述机械手(410)连接的割枪(420)，割枪(420)上配设有激光传感器，所述的机械手(410)与所述的悬臂(350)固定连接，激光传感器、机械手(410)与割枪(420)均与控制柜(100)电气连接。
2.根据权利要求1所述的封头自动开孔切割系统，其特征在于，所述的工作台(230)呈中空状，工作台(230)的上表面设有通孔(232)与外界连通，在工作台(230)的一侧面开设有出风口(233)。
3.根据权利要求2所述的封头自动开孔切割系统，其特征在于，所述的工作台(230)的下表面的设有至少一根导向柱(231)，对应的底座(210)上设有导向孔(211)。
4.根据权利要求2或3所述的封头自动开孔切割系统，其特征在于，还包括吸尘机构(500)，其包括吸尘器(510)及连接管(520)，所述的连接管(520)一端连接至所述的出风口(233)，另一端连接至吸尘器(510)的吸尘口。
5.根据权利要求4所述的封头自动开孔切割系统，其特征在于，所述的卡盘(240)包括盘体(241)、卡爪(242)、滑槽(243)和螺杆(244)，滑槽(243)位于盘体(241)上，螺杆(244)位于滑槽(243)内，卡爪(242)连接在螺杆(244)上，与滑槽(243)滑动连接，盘体(241)上设有定位套(245)和定位杆(246)，定位杆(245)插在定位套(246)内。
6.根据权利要求5所述的封头自动开孔切割系统，其特征在于，所述导向孔(211)内设置有铜质的导向套(212)。
7.根据权利要求6所述的封头自动开孔切割系统，其特征在于，所述定位杆前端设有弹簧(247)；所述卡爪(242)的数量为四只，呈十字对称分布。
8.根据权利要求7所述的封头自动开孔切割系统，其特征在于，所述卡爪(242)上配设有位置传感器，位置传感器与控制柜(100)电气连接。
9.根据权利要求8所述的封头自动开孔切割系统，其特征在于，所述通孔(232)的面积数值为S1，所述出风口(233)的面积数值为S2，所述工作台(230)的内部空间的体积数值为V，待切割封头(600)的有效面积数值为S3，所述吸尘器(510)的压力数值为F，则满足关系如下：F/S2＝ρ气*V/(S1-S3)*g。
10.一种如权利要求9所述的封头自动开孔切割系统的切割方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S101、首先将待切割的封头(600)安装在卡盘(240)上，位置传感器对封头(600)的位置进行定位，并将数据反馈至控制柜(100)；
步骤S102、通过键盘(110)向控制柜(100)内输入开孔的切割参数并生成切割任务传递给机械手(410)；
步骤S103、通过激光传感器自动修正待切割封头(600)相对割枪(420)的坐标系，以确定割枪(420)与封头(600)切割时的位姿关系；
步骤S104、获取封头(600)上开孔位置的实际寻位点与理论寻位点的偏差；
步骤S105、获取封头(600)上开孔位置的原始轨迹点；
步骤S106、补偿开孔轨迹偏差并修正原始轨迹点，从而生成实际轨迹点；
步骤S107、割枪(420)根据步骤S106获得的实际轨迹点对封头(600)进行开孔切割。
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