CN112589813A - 工业机器人手臂关节切割系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了工业机器人手臂关节切割系统，该切割系统包括机器手、传输手臂、切换组件，所述机器手下方设置有底座，机器手内部设置有传输手臂，所述切换组件设置在机器手的执行末端，所述传输手臂内设置有若干组反射镜，所述传输手臂改变光路传输方向，所述切换组件对末端执行元件进行切换。机器手的手臂为中空结构，大大减轻了手臂重量，减小了惯性对机器手在运动中的影响，提高了机器手的定位精度及切割精度。

Description

工业机器人手臂关节切割系统

技术领域

本发明涉及切割技术领域，具体为工业机器人手臂关节切割系统。

背景技术

激光切割是一种新型热切割技术，具有诸多优点，如切割速度快，生产效率高，切割端面质量好，热影响区小和环保等，激光切割已经成为金属切割的主要方式之一，其应用越来越广泛。

在激光切割设备中，通常会使用多关节激光导光臂，并将激光导光臂置于机器人手臂的外部，仅前端安装在机器手上，通过激光导光臂对激光进行传输。在加工过程中，尤其是利用机器手操控工作，导光臂随着机器手的运动而进行姿态调整，导光臂的运动动力全部来源于前端，导光臂的其他部分均通过前端的牵引进行多角度的转动，进而致使导光臂的灵活性降低。

现有的激光切割技术中，使用的机器手臂均是用在搬运和焊接上的，搬运和焊接对手臂的要求就是动作要稳，速度要快，设计时多数体积较大，重量较重。当其运用在激光领域时，由于激光有一个特点即在于工作时切割头带着激光切割，属于非接触型切割，所以对于手臂的定位精度和重复定位精度必须要高，而重量和稳定性要求则没有那么高，如此才能保证切割轨迹准确。但传统机器手臂的重量往往会导致在运动时受惯性、力矩等影响，导致定位精度和重复定位精度不会太高，所以在使用传统机械手臂切割时误差会非常大，目前的激光切割机械手臂并不能满足高品质切割要求。

发明内容

本发明的目的在于提供工业机器人手臂关节切割系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：工业机器人手臂关节切割系统，该切割系统包括机器手、传输手臂、切换组件，所述机器手下方设置有底座，机器手内部设置有传输手臂，所述切换组件设置在机器手的执行末端，所述传输手臂内设置有若干组反射镜，所述传输手臂改变光路传输方向，所述切换组件对末端执行元件进行切换。机器手的手臂为中空结构，大大减轻了手臂重量，减小了惯性对机器手在运动中的影响，提高了机器手的定位精度及切割精度，切换组件对机器手末端的执行元件进行切换，当机器手对小尺寸的工件进行加工时，机器手使用一组工作范围小的执行元件进行工作，当机器手对大工件以及管状工件进行加工时，切换组件对执行元件进行切换，使机器手的工作范围以及工作半径增大，同时，使机器手可以对管状工件进行环形切割，从而实现现有机器手不能对工件环形切割的需求，将传输手臂放置在机器手内部，使传输手臂随着机器手的转动而进行位置调整，实现传输手臂的灵活性，同时，避免了传输手臂位于机器手外部而影响机器手的工作灵活性，以及减少传输手臂放置在外部而造成大量空间上的限制。

所述切换组件包括法兰盘、传输筒、延伸臂，所述法兰盘设置在机器手的执行末端，所述传输筒设置在法兰盘的另一端端面上，传输筒一端与传输手臂管道连接，所述延伸臂位于传输筒下方，延伸臂一端与法兰盘转动连接，延伸臂另一端及传输筒另一端均设置有聚光管。法兰盘为传输筒的安装提供支撑，法兰盘与机器手末端的旋转电机连接，法兰盘通过转动使对末端执行器进行切换，传输筒对光路进行传输，延伸臂安装在传输筒的下方，当光路改向时，光路在延伸臂中传输，并传输到延伸臂的末端，延伸臂的末端安装有执行器，延伸臂通过伸展，扩大了机器手的工作范围和工作半径，同时，延伸臂通过各种角度的调节，使得机器手可以对不同尺寸的板材及圆管进行切割，聚光管为末端执行器，聚光管对光路进行集中并合成，聚光管在机器手的带动下通过激光输出对工件进行切割。

所述传输筒下端设置有衔接管；所述延伸臂包括第一延伸臂、三组延伸关节、第二延伸臂、第三延伸臂，所述第一延伸臂一端与法兰盘转动连接，一组所述延伸关节的两端分别与第一延伸臂的另一端及第二延伸臂的一端固定，一组所述延伸关节的两端分别与第二延伸臂的另一端及第三延伸臂的一端固定，剩余一组所述延伸关节的一端与第三延伸臂的另一端固定，剩余一组所述延伸关节的另一端设置有聚光管，所述第一延伸臂上对应衔接管的位置设置有衔接通道。当延伸臂伸展时，衔接管通过衔接通道与第一延伸臂管道连接，并将光路转向到延伸臂中，使光路在延伸臂中进行传输，延伸臂通过第一延伸臂、第二延伸臂、第三延伸臂以及延伸关节的相互配合，进行空间360°的转动，使延伸臂多角度的对工件进行加工。

所述延伸关节两端的内部均设置有反射镜，延伸关节两端的内部与反射镜相互配合形成降温空间，所述反射镜背部设置有换热板，所述换热板中部位凹槽，所述凹槽内设置有转向轴承，所述转向轴承的另一侧设置有若干组制冷板。反射镜在参与光路反射时会吸收小部分能量，进而导致反射镜的温度升高，通过在降温空间中制作冷空气，从而实现对反射镜的降温，降温空间为封闭空间，进而不需要与外界进行冷热交换，从而防止了外界空气中灰尘对反射镜镜面的污染，换热板吸收反射镜上的温度，并与若干组制冷板进行冷热交换，制冷板内部均安装有制冷片，制冷板通过通电对制冷板及降温空间中的空气进行降温，若干组制冷板安装在转向轴承上，并通过转向轴承在凹槽内进行转动，当延伸臂进行工作时，制冷板通过转向轴承在降温空间中进行转动，并通过转动对降温空间中的空气进行搅动，使冷热空气进行混合，进而加速对反射镜的降温。

所述换热板与反射镜接触的一侧端面上设置有若干组支撑脚，若干组所述支撑脚使换热板与反射镜之间形成通风缝隙，若干组所述制冷板的下端均设置有配重板。制冷板通过配重板使自身始终处于竖直状态，通过配重板与转向轴承的相互配合使制冷板在延伸臂工作时进行转动，由于热空气的上升，使通风缝隙间的空气相对稀薄，当制冷板在降温空间中进行转动时，带动了降温空间中的气体流动，通过转动使降温空间底部的冷空气少量进入到通风缝隙中，使冷热空气在通风缝隙中混合并进行降温，从而使通风缝隙中的气压降低，进而加快制冷板转动时冷空气进入通风缝隙中的流速，提高对反射镜的降温效果。

所述衔接管下端两侧设置有提升块，衔接管下端内部设置有两组防尘板，所述提升块与衔接管滑动连接，提升块与防尘板转动连接；所述衔接通道内设置有两组封管板，所述第一延伸壁内部位于每组封管板的外侧均设置有转向杆，每组所述转向杆的另一端均设置有联杆，所述联杆的另一端与封管板转动连接。防尘板对衔接管进行封锁，当延伸臂转动，并与衔接管衔接时，衔接管插入衔接通道内，同时，提升块受到第一延伸臂的推动在衔接管上上升，提升块通过连杆拉动防尘板，使防尘板在衔接管内进行转动，从而使衔接管的管道打开，同时，封管板在衔接管的推动下在衔接通道内往下运动，并在转动杆的牵引下往两侧运动，从而使封管板将衔接通道打开，进而使光路进入到第一延伸臂中。

所述传输筒内部位于衔接管的上方设置有换向镜，传输筒上位于换向镜的上方设置有换向气缸，所述换向气缸的一端与换向镜转动连接，换向气缸远离换向镜一端的内部设置有压力阀。需要更换末端执行器时，向换向气缸中灌输气体，同时，压力阀使换向气缸中的压力增大，当气压达到设定值时，压力阀打开，使大量气体瞬间进入到换向气缸内部，并对活塞进行推动，使换向气缸快速的对换向镜进行推动，从而实现换向镜的快速转动，通过换向镜的转动，对光路进行切换，使光路进入到衔接管中，并再次进入到第一延伸臂内，从而实现末端执行器的切换。

所述传输手臂由第一传输臂、传输关节、第二传输臂、传输关节、第三传输臂依次连接组成，所述第三传输臂的另一端与传输筒转动连接，两组所述传输关节的两端均设置有反射镜。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1、机器手的手臂为中空结构，大大减轻了手臂重量，减小了惯性对机器手在运动中的影响，提高了机器手的定位精度及切割精度。

2、传输手臂放置在机器手内部，使传输手臂随着机器手的转动而进行位置调整，实现传输手臂的灵活性，同时，避免了传输手臂位于机器手外部而影响机器手的工作灵活性，以及减少传输手臂放置在外部而造成大量空间上的限制。

3、换组件对执行元件进行切换，使机器手的工作范围以及工作半径增大，同时，使机器手可以对管状工件进行环形切割，从而实现机器手对工件环形切割的需求。

4、通过在降温空间中制作冷空气，从而实现对反射镜的降温，降温空间为封闭空间，进而不需要与外界进行冷热交换，从而防止了外界空气中灰尘对反射镜镜面的污染。

5、换热板吸收反射镜上的温度，并与若干组制冷板进行冷热交换，制冷板内部均安装有制冷片，制冷板通过通电对制冷板及降温空间中的空气进行降温，若干组制冷板安装在转向轴承上，并通过转向轴承在凹槽内进行转动，当延伸臂进行工作时，制冷板通过转向轴承在降温空间中进行转动，并通过转动对降温空间中的空气进行搅动，使冷热空气进行混合，进而加速对反射镜的降温。

6、制冷板通过配重板使自身始终处于竖直状态，通过配重板与转向轴承的相互配合使制冷板在延伸臂工作时进行转动，由于热空气的上升，使通风缝隙间的空气相对稀薄，当制冷板在降温空间中进行转动时，带动了降温空间中的气体流动，通过转动使降温空间底部的冷空气少量进入到通风缝隙中，使冷热空气在通风缝隙中混合并进行降温，从而使通风缝隙中的气压降低，进而加快制冷板转动时冷空气进入通风缝隙中的流速，提高对反射镜的降温效果。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的延伸臂伸展的结构示意图；

图3是本发明的延伸臂结构的俯视示意图；

图4是本发明的延伸关节的内部结构示意图；

图5是本发明的传输手臂的结构示意图；

图6是本发明的图2中A区域的结构示意图；

图7是本发明的衔接管内部结构示意图；

图8是本发明的第一延伸臂内部结构示意图；

图9是本发明的图8中B区域的结构示意图。

图中：1、底座；2、机器手；3、传输手臂；4、切换组件；5、反射镜；3-1、第一传输臂；3-2、传输关节；3-3、第二传输臂；3-4、第三传输臂；4-1、法兰盘；4-2、传输筒；4-3、聚光管；4-4、换向气缸；4-5、换向镜；4-6、衔接管；4-7、延伸臂；4-71、第一延伸臂；4-72、延伸关节；4-73、第二延伸臂；4-74、第三延伸臂；4-75、换热板；4-76、制冷板；4-77、配重板；4-78、转向轴承；4-61、提升块；4-62、防尘板；4-711、封管板；4-712、联杆；4-713、转向杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-9，本发明提供技术方案：工业机器人手臂关节切割系统，该切割系统包括机器手2、传输手臂3、切换组件4，机器手2下方转动安装有底座1，机器手2内部固定安装有传输手臂3，切换组件4安装在机器手2的执行末端，传输手臂3内安装有若干组反射镜5，传输手臂3改变光路传输方向，切换组件4对末端执行元件进行切换。

传输手臂3由第一传输臂3-1、传输关节3-2、第二传输臂3-3、传输关节3-2、第三传输臂3-4依次转动连接组成，第三传输臂3-4的另一端与传输筒4-2转动连接，两组传输关节3-2的两端均设置有反射镜5，第一传输臂3-1与激光发生器连接。

切换组件4包括法兰盘4-1、传输筒4-2、延伸臂4-7，法兰盘4-1安装在机器手2的执行末端的旋转电机上，传输筒4-2固定安装在法兰盘4-1的另一端端面上，并与第三传输臂3-4连通，延伸臂4-7位于传输筒4-2下方，延伸臂4-7一端与法兰盘4-1转动连接，延伸臂4-7另一端及传输筒4-2另一端均固定安装有聚光管4-3，聚光管4-3内部安装有聚光片以及末端安装有锥形管。

传输筒4-2下端固定安装有衔接管4-6，衔接管4-6与传输筒4-2连通，传输筒4-2内部位于衔接管4-6的上方转动安装有换向镜4-5，传输筒4-2上位于换向镜4-5的上方固定有换向气缸4-4，换向气缸4-4的一端与换向镜4-5的另一端转动连接。

衔接管4-6下端两侧滑动安装有提升块4-61，衔接管4-6下端内部转动安装有两组防尘板4-62，提升块4-61通过滑槽与衔接管4-6滑动连接，且滑槽中安装有伸缩板，通过伸缩板防止灰尘进入到衔接管4-6中，提升块4-61通过连杆与防尘板4-62转动连接。

换向气缸4-4远离换向镜4-5一端的内部安装有压力阀，压力阀将换向气缸4-4内部分隔为蓄压空间和活塞空间，当蓄压空间内部的压力值达到设定值时，压力阀打开，大量空气瞬间进入到活塞空间中，并对活塞进行推动，从而使换向镜4-5在传输筒4-2内快速转动，进而实现传输光路的更改。

延伸臂4-7包括第一延伸臂4-71、三组延伸关节4-72、第二延伸臂4-73、第三延伸臂4-74，第一延伸臂4-71一端与法兰盘4-1转动连接，且转动连接处安装有电机，一组延伸关节4-72的两端分别与第一延伸臂4-71的另一端及第二延伸臂4-73的一端固定，一组延伸关节4-72的两端分别与第二延伸臂4-73的另一端及第三延伸臂4-74的一端固定，剩余一组延伸关节4-72的一端与第三延伸臂4-74的另一端固定，剩余一组延伸关节4-72的另一端固定有聚光管4-3，第一延伸臂4-71上对应衔接管4-6的位置设置有衔接通道。

第一延伸臂4-71的中部位置、第二延伸臂4-73的中部位置、第三延伸臂4-74的中部位置以及延伸关节4-72的中部位置均安装有电机，电机为带有中空结构的DD电机。

延伸关节4-72两端的内部均安装有反射镜5，延伸关节4-72两端的内部与反射镜5相互配合形成降温空间，反射镜5背部固定有换热板4-75，换热板4-75中部位凹槽，凹槽内安装向轴承4-78，转向轴承4-78的另一侧固定有若干组制冷板4-76。

换热板4-75与反射镜5接触的一侧端面上设置有若干组支撑脚，若干组支撑脚使换热板4-75与反射镜5之间形成通风缝隙，若干组制冷板4-76的下端均安装有配重板4-77。

衔接通道内滑动安装有两组封管板4-711，第一延伸壁4-71内部分别位于每组封管板4-711的左侧及右侧转动安装有转向杆4-713，每组转向杆4-713的另一端均转动安装有联杆4-712，联杆4-712的另一端与封管板4-711转动连接。

转向杆4-713通过固定销及扭簧与第一延伸臂4-71转动连接，转向杆4-713与第一延伸臂4-71之间存在转动角度的限制，使转向杆4-713转动一定角度后就无法进行转动。

转向杆4-713通过固定销及扭簧与联杆4-712转动连接，转向杆4-713与第一延伸臂4-71之间存在转动角度的限制，使联杆4-712相对转向杆转动一定角度后就无法进行转动。

本发明的工作原理：

需要对工件进行切割时，机器发生器向传输手臂3中传输激光，使光路在传输手臂3中进行传输，并通过传输筒4-2进入到聚光管4-3中，并从聚光管4-3的末端射出，从而使工件进行加工。

当需要对大尺寸的板状工件以及管状工件进行环形切割时，需要对末端执行器即聚光管4-3进行切换。

通过电机的转动，使延伸臂4-7转动到机器手2的前端，并通过第一延伸臂4-71与衔接管4-6的衔接，连通光路传输通道，通过换向气缸4-4中灌输空气，使换向气缸4-4对换向镜4-5进行推动，使换向镜4-5将光路转到衔接管4-6中，并进入到延伸臂4-7中。

通过延伸臂4-7的灵活调节以及与机器手2的相互配合，实现对大尺寸工件的环形切割。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.工业机器人手臂关节切割系统，其特征在于：该切割系统包括机器手(2)、传输手臂(3)、切换组件(4)，所述机器手(2)下方设置有底座(1)，机器手(2)内部设置有传输手臂(3)，所述切换组件(4)设置在机器手(2)的执行末端，所述传输手臂(3)内设置有若干组反射镜(5)，所述传输手臂(3)改变光路传输方向，所述切换组件(4)对末端执行元件进行切换。

2.根据权利要求1所述的工业机器人手臂关节切割系统，其特征在于：所述切换组件(4)包括法兰盘(4-1)、传输筒(4-2)、延伸臂(4-7)，所述法兰盘(4-1)设置在机器手(2)的执行末端，所述传输筒(4-2)设置在法兰盘(4-1)的另一端端面上，传输筒(4-2)一端与传输手臂(3)管道连接，所述延伸臂(4-7)位于传输筒(4-2)下方，延伸臂(4-7)一端与法兰盘(4-1)转动连接，延伸臂(4-7)另一端及传输筒(4-2)另一端均设置有聚光管(4-3)。

3.根据权利要求2所述的工业机器人手臂关节切割系统，其特征在于：所述传输筒(4-2)下端设置有衔接管(4-6)；所述延伸臂(4-7)包括第一延伸臂(4-71)、三组延伸关节(4-72)、第二延伸臂(4-73)、第三延伸臂(4-74)，所述第一延伸臂(4-71)一端与法兰盘(4-1)转动连接，一组所述延伸关节(4-72)的两端分别与第一延伸臂(4-71)的另一端及第二延伸臂(4-73)的一端固定，一组所述延伸关节(4-72)的两端分别与第二延伸臂(4-73)的另一端及第三延伸臂(4-74)的一端固定，剩余一组所述延伸关节(4-72)的一端与第三延伸臂(4-74)的另一端固定，剩余一组所述延伸关节(4-72)的另一端设置有聚光管(4-3)，所述第一延伸臂(4-71)上对应衔接管(4-6)的位置设置有衔接通道。

4.根据权利要求3所述的工业机器人手臂关节切割系统，其特征在于：所述延伸关节(4-72)两端的内部均设置有反射镜(5)，延伸关节(4-72)两端的内部与反射镜(5)相互配合形成降温空间，所述反射镜(5)背部设置有换热板(4-75)，所述换热板(4-75)中部位凹槽，所述凹槽内设置有转向轴承(4-78)，所述转向轴承(4-78)的另一侧设置有若干组制冷板(4-76)。

5.根据权利要求4所述的工业机器人手臂关节切割系统，其特征在于：所述换热板(4-75)与反射镜(5)接触的一侧端面上设置有若干组支撑脚，若干组所述支撑脚使换热板(4-75)与反射镜(5)之间形成通风缝隙，若干组所述制冷板(4-76)的下端均设置有配重板(4-77)。

6.根据权利要求5所述的工业机器人手臂关节切割系统，其特征在于：所述衔接管(4-6)下端两侧设置有提升块(4-61)，衔接管(4-6)下端内部设置有两组防尘板(4-62)，所述提升块(4-61)与衔接管(4-6)滑动连接，提升块(4-61)与防尘板(4-62)转动连接；所述衔接通道内设置有两组封管板(4-711)，所述第一延伸壁(4-71)内部位于每组封管板(4-711)的外侧均设置有转向杆(4-713)，每组所述转向杆(4-713)的另一端均设置有联杆(4-712)，所述联杆(4-712)的另一端与封管板(4-711)转动连接。

7.根据权利要求6所述的工业机器人手臂关节切割系统，其特征在于：所述传输筒(4-2)内部位于衔接管(4-6)的上方设置有换向镜(4-5)，传输筒(4-2)上位于换向镜(4-5)的上方设置有换向气缸(4-4)，所述换向气缸(4-4)的一端与换向镜(4-5)转动连接，换向气缸(4-4)远离换向镜(4-5)一端的内部设置有压力阀。

8.根据权利要求7所述的工业机器人手臂关节切割系统，其特征在于：所述传输手臂(3)由第一传输臂(3-1)、传输关节(3-2)、第二传输臂(3-3)、传输关节(3-2)、第三传输臂(3-4)依次连接组成，所述第三传输臂(3-4)的另一端与传输筒(4-2)转动连接，两组所述传输关节(3-2)的两端均设置有反射镜(5)。

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