CN115365232A - 一种薄壁管材激光清洗自动化辅助装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁管材激光清洗自动化辅助装置及方法，其装置包括：供料车，承载多个任意长度的待清洗管材，并通过夹紧机构对待清洗管材进行同步排列、定位；抓取机构，自由抓取待清洗管材并可180°翻转移动待清洗管材；工作转台，承接并定位抓取机构抓取的待清洗管材，沿着待清洗管材的轴向对其进行旋转；清洗机构，与工作转台上的待清洗管材相配合对待清洗管材的端口及外壁进行清洗；控制系统，控制对待清洗管材进行自动化清洗。其方法对薄壁管材上料、清洗、下料流程进行自动化作业。本发明利用激光清洗自动化辅助装置解决了抓取管材的长度受限以及无法自动完成对待清洗管材的端口及外壁进行清洗等问题。

Description

一种薄壁管材激光清洗自动化辅助装置及方法

技术领域

本发明涉及一种自动化辅助装置及方法，尤其涉及一种薄壁管材激光清洗自动化辅助装置及方法。

背景技术

在材料加工制造领域，原材料在运输或储存过程中，材料表面可能沉积油泥、尘埃、泥沙等污染物；若储存条件潮湿或存有腐蚀介质，其表面极易形成锈蚀、磨损、积炭的表面损伤层。因此，材料在进行加工处理之前，需进行清洗预处理以减小材料在后续过程中出现裂纹等可能出现的缺陷。薄壁管材作为一种常见型材，使用时往往需要对端口实施焊接作业，若不在焊前对端口的表面氧化层进行充分清理，可能会影响后续焊接质量。而传统的物理打磨、喷砂的清洗方式效率低下，人工成本高；化学清洗方式会腐蚀金属基体，很容易破坏薄壁管材的原有形貌，且使用的清洗剂会对环境造成污染，二者均存在一定的局限性。

现有技术中，公开号为CN113042466B，专利名称为“一种便携式激光清洗机及清洗方法”，其中提出了一种背带式的激光清洗设备，其主要组件置于机箱中，机箱的外表面设有背带。使用时，操作者背上激光发生器，手持可转动的激光头可完成对管材的清洗作业。该装置需要人工操作，未能充分发挥激光清洗的高效率、高精度的优势、且清洗过程中产生的弧光、烟尘也会对工人健康产生不利影响。此外，清洗管材时，激光器的运动轨迹呈圆形，手工作业时很难保证激光器的平稳运行，清洗后产品的一致性难以保证。因此，亟待一种自动化的激光清洗设备可以有效的避免这些问题。

为提高金属管材的激光清洗效率、保证产品质量的一致性，现有技术采用将激光器搭载在机械结构上以代替工人的手工操作。公开号为CN110695008A，专利名称为“一种移动式激光清洗与除锈设备”，其中设计了一款针对管材的自动激光除锈装置，将待处理管件置于送料口，通过夹取机构送至清洗区域，通过两个抵柱固定管材。之后，激光器输出激光，利用两个抵柱转动管材完成管材外壁的清洗作业。但该装置存在两点不足之处：首先，该装置的抓取机构主要由两个固定于横梁上的气动夹爪组成，这种机构受限于固定横梁的长度，无法完成对小于横梁长度的管材的抓取；其次，装置固定机构中抵柱的设计会导致激光头无法进行清洗管材端口位置，而端口位置作为管材的待焊区域，清洗的效果好坏直接影响后续的焊接质量。

发明内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种薄壁管材激光清洗自动化辅助装置及方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种薄壁管材激光清洗自动化辅助装置，包括：

供料车，承载多个任意长度的待清洗管材，并通过夹紧机构对待清洗管材进行同步排列、定位；

抓取机构，自由抓取待清洗管材并可180°翻转移动待清洗管材；

工作转台，承接并定位抓取机构抓取的待清洗管材，沿着待清洗管材的轴向对其进行旋转；

清洗机构，与工作转台上的待清洗管材相配合对待清洗管材的端口及外壁进行清洗；

控制系统，控制供料车、抓取机构、工作转台、清洗机构联动对待清洗管材进行自动化清洗。

进一步地，夹紧机构在供料车上形成夹板组，夹板组上具有若干个独立且可同步调整开度的开口，调整时，所有待清洗管材在开口内进行同步排列、定位。

进一步地，夹紧机构的夹板组包括活动连接在供料车上的第一夹板以及固定连接在供料车上的第二夹板，第一夹板水平位移以同步调整其与第二夹板之间开口的开度。

进一步地，第一夹板和第二夹板之间的开口朝上，第一夹板和第二夹板的下方安放有水平的承载台，承载台与开口相互配合以在垂直方向上承载待清洗管材。

进一步地，夹紧机构包括对称分布在供料车的车架两侧的光轴，每个光轴上至少具有一个滑块，滑块上连接有一横板并可带动横板进行水平位移，两个横板之间连接有夹板组的第一夹板；光轴的前端处安装有对滑块进行缓冲的聚氨脂垫，光轴的后端处安装有对滑块进行复位的弹簧。

进一步地，供料车还包括固定框架，固定框架位于车架的旁侧，固定框架上设有推杆气缸，推杆气缸上连接有顶板，顶板连接在两个横板的端部上，推杆气缸动作时，驱动第一夹板活动调整与第二夹板之间的开口大小。

进一步地，抓取机构包括抓取机械臂、底座、气动手指以及夹爪，抓取机械臂的下端连接在底座上，抓取机械臂的上端连接气动手指，气动手指连接夹爪用以配合完成抓取及翻转待清洗管材的操作。

进一步地，工作转台的工作台架上安装有工作面板，工作面板的底部安装有伺服电机和圆盘，伺服电机输出轴上的齿轮与圆盘啮合以驱动圆盘转动，圆盘上安装有气动卡盘，气动卡盘上安装有固定夹爪用以配合完成对待清洗管材的轴向旋转，圆盘的旁侧的工作面板上安装有位置传感器，工作面板上还安装有摄像头。

进一步地，清洗机构包括清洗机械臂，清洗机械臂的端部连接有激光清洗头，激光清洗头与工作转台上的待清洗管材相配合对待清洗管材的端口及外壁进行清洗。

一种薄壁管材激光清洗自动化辅助装置的工作方法，工作方法包括以下步骤：

步骤一，操作者将待清洗管材置于小车承载台上，同时根据清洗对象设定控制系统的程序；之后将供料车推至定位槽处，固定架上的销钉气缸卡住供料车，完成上料准备工作；利用夹紧机构对所有待清洗管材进行同步排列、定位后，释放夹紧的待清洗管材；

步骤二，抓取机械臂根据控制系统的程序移动至待清洗管材正上方，气动手指上的夹爪张开，利用夹爪内撑的方式抓取待清洗管材，并将待清洗管材放置于气动卡盘的固定夹爪上，气动卡盘带动固定夹爪收紧，完成固定；

步骤三，清洗机械臂按照程序移动至待清洗管材端口附近，使气动卡盘转动而清洗机械臂保持不动，气动卡盘转动一周后即完成对管材一处端口的清洗工作；

步骤四，待待清洗管材的端口清洗完成后，利用抓取机械臂的夹爪抓取管材的中部，抓取机械臂的末端旋转180°，完成对待清洗管材的翻转动作，之后把清洗完成的端口置于气动卡盘上固定，准备进行另一处端口的清洗工作；

步骤五，重复激光清洗过程，完成对待清洗管材上下两端口的清洗工作；

步骤六，待清洗结束后，由抓取机构将清洗后的待清洗管材放置于小车承载台的原位置处，之后抓取另一待清洗管材，重复步骤二～步骤六工序；

步骤七，直到小车承载台上的待清洗管材全部清洗完成后；固定框架上的销钉气缸解锁，由操作者对清洗质量进行检查，检查完毕后将小车推离固定位置，进行下一批次待清洗管材的清洗工作。

本发明公开了一种薄壁管材激光清洗自动化辅助装置及方法，采用可对待清洗管材同步排列定位且能在垂直方向上承载待清洗管材供料车，该与抓取机构的配合，使抓取管材的长度不受限；同时利用工作转台与清洗机构配合完成对待清洗管材的端口及外壁进行清洗；基于控制系统实现自动化工作解决了传统人工清洗操作存在的效率低、工人劳动强度大、人身健康受威胁、产品一致性差等诸多问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明供料车的结构示意图。

图3为本发明夹紧机构的立体图。

图4为本发明夹紧机构的俯视图。

图5为本发明抓取机械臂的抓取状态示意图。

图6为本发明抓取机械臂的翻转状态示意图。

图中：1、气动手指；2、抓取夹爪；3、抓取机械臂；4、底座；5、固定架；6、推杆气缸；7、夹板组；8、夹紧机构；9、车架；10、销钉气缸；11、工作台架；12、伺服电机；13、圆盘；14、位置传感器；15、工作面板；16、气动卡盘；17、玻璃盖板；18、固定夹爪；19、清洗机械臂；20、薄壁管材；21、激光清洗头；22、摄像头；23、定位槽；24、顶板；25、聚氨酯垫；26、光轴；27、滑块；28、减震弹簧；29、光轴固定座；30、承载台；31、横板；71、第一夹板；72、第二夹板。

具体实施方式

本发明提出一种适用于薄壁管材激光清洗的自动化辅助装置，主要用于对管材端口及外壁的自动化激光清洗。

激光清洗自动化辅助装置主要由供料车、抓取机构、清洗机构、工作转台、控制系统五个部分构成。工作转台置于中央，抓取机构位于转台后侧，激光清洗机构位于转台前侧，工作时，供料车依靠机架固定于抓取机构的左右两侧。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图2所示，供料车包括车架9，车架9的主体为框架结构，车架9内设有用于承载待清洗管材20的承载台30，车架9上设有对待清洗管材20进行定位的夹紧机构8，承载台30利用夹紧机构8能够一次搭载二十五根待清洗管材20。

供料车还包括固定框架5，固定框架5的主体同为框架结构，固定框架5位于车架9的旁侧，固定框架5设有推杆气缸6，推杆气缸6上连接有顶板24，顶板24作用在夹紧机构8上，驱动夹紧机构8上对待清洗管材20进行同步夹紧定位。

如图3所示，夹紧机构包括位于固连在车架9左右两侧的光轴26，优选的，光轴26的两个端部各自通过一个固定座29与车架9固连，车架9上的两个光轴26左右对称设置，每个光轴26上均设有两个滑块27，两个滑块27在光轴26上一前一后滑动设置，每个光轴26的两个滑块27上共同连接有一横板31，由此，夹紧机构8具有两个相互对称并可滑动的横板31；

夹紧机构8还包括夹板组7，夹板组7包括第一夹板71和第二夹板72，第一夹板71和第二夹板72，第一夹板71的连接在两个对称横板31之间，因此，能够随着横板进行前后位移，第二夹板72固连在固定框架5上。

优选的，每个光轴26的前侧的滑块的前端安装有聚氨脂垫25用以缓冲，每个光轴26的后侧的滑块的后端安装有弹簧28用以复位，顶板24连接在两个横板31的端部上，夹板组7的一侧固定，另一侧通过滑块27沿光轴26滑动。光轴24的前端有聚氨脂垫25用以缓冲，在原始状态下，弹簧28处于松弛状态，当在夹板组7之间添加待清洗管材20后，利用固定框架5上的推杆气缸6推动顶板24，通过横板31带动滑块使弹簧28受到挤压，从而完成对待清洗管材20的限位需求，实现对待清洗管材同步排列定位且能在垂直方向上承载待清洗管材供料车。优选的，如图4所示，固定框架5连接有销钉气缸10，固定框架5上开有定位槽23，工作时由操作者将小车的车架9推至定位槽23处，启动销钉气缸10锁紧完成小车定位工作。

如图1所示，抓取机构包括抓取机械臂3、底座4、气动手指1以及夹爪2，抓取机械臂3的下端连接在底座4上，抓取机械臂3的上端连接气动手指1，气动手指1利用压缩空气作为动力，气动手指1连接夹爪2用来夹取或抓取工件，承担抓取及翻转管材的操作。其中，抓取机械臂3采用市售的机械手臂，优选的，本实施例采用六轴抓取机械臂。

抓取时，抓取机械臂3的工作状态如图5所示，气动手指1使夹爪2外撑，利用外侧贴合待清洗管材20，依靠夹爪与待清洗管材之间摩擦力完成抓取作业；翻转时，抓取机械臂3的工作状态如图6所示，气动手指1使夹爪2内收，利用夹爪2内侧贴合待清洗管材中部，抓取机械臂3末端转轴旋转完成翻转作业。该抓取机构的夹爪2可紧密贴合待清洗管材，有效的避免了待清洗管材端口因受挤压而产生变形。抓取机构与供料车配合，使抓取管材的长度不受限。

如图1所示，工作转台包括工作台架11，工作台架11上设有工作面板15，工作面板15的底部安装有伺服电机12，工作面板15的顶部安装有圆盘13，圆盘13上连接气动卡盘16，气动卡盘16上连接有固定夹爪18，伺服电机12的主轴具有齿轮并通过齿轮传动圆盘13，进而带动气动卡盘16旋转，圆盘13的旁侧的工作面板15上安装有位置传感器14，位置传感器14感知圆盘13的旋转角度，工作面板15上还安装有摄像头22，方便采集工作视频信息，使用时，抓取机构将待清洗管材20置于气动卡盘16上，气动卡盘16的固定夹爪18夹紧待清洗管材，利用气动卡盘转动完成对待清洗管材的环形端口的清洗操作，清洗轨迹简单易操作。本实施例的工作转台上具有双作业工位，该设计可进一步提升清洗效率，作业时两工位相互配合，一侧进行清洗时另一侧可进行上、下料操作。

如图1所示，清洗机构包括清洗机械臂19，清洗机械臂19同样采用市售的机械手臂，优选的，本实施例采用六轴抓取机械臂。清洗机械臂19的端部连接有激光清洗头21，使用时，当工作转台的气动卡盘16夹紧时，利用卡盘转动而清洗机械臂19不动的方式完成待清洗管材20环形端口的清洗操作，清洗轨迹简单易操作。

本发明的控制系统由人机交互层、逻辑控制层、执行层构成。人机交互层用于操作者设定工艺参数，采用工业触摸屏完成人机信息的交互；逻辑控制层采用主要负责逻辑运算、接收交互层传递的参数、处理指令并发送至执行层；执行层主要包括六轴工业机械手及其控制的气动夹爪、工作转台、激光器等部分。主要硬件包括机器人控制器、示教器、伺服电机、电控柜、工业触摸屏、PLC可编程控制器相关设备(I/O模块、继电器)、工业相机、工业相机控制器、相机光源、接近开关、磁性开关，以上涉及的电气部件和控制过程均属于现有的电气控制技术，所涉及的具体控制程序也属于已知技术，因此不做赘述。

同时，本发明也提出一种激光清洗自动化辅助装置的工作方法，如下，现以单个工位为例描述其具体的工艺流程：

步骤一，操作者将待清洗管材置于小车承载台上，同时根据清洗对象设定控制系统的程序；之后将供料车推至定位槽处，固定架上的销钉气缸卡住供料车，完成上料准备工作；利用夹紧机构对所有待清洗管材进行同步排列、定位后，释放夹紧的待清洗管材；

步骤二，抓取机械臂根据控制系统的程序移动至待清洗管材正上方，气动手指上的夹爪张开，利用夹爪内撑的方式抓取待清洗管材，并将待清洗管材放置于气动卡盘的固定夹爪上，气动卡盘带动固定夹爪收紧，完成固定；

步骤三，清洗机械臂按照程序移动至待清洗管材端口附近，使气动卡盘转动而清洗机械臂保持不动，气动卡盘转动一周后即完成对管材一处端口的清洗工作；

步骤四，待待清洗管材的端口清洗完成后，利用抓取机械臂的夹爪抓取管材的中部，抓取机械臂的末端旋转180°，完成对待清洗管材的翻转动作，之后把清洗完成的端口置于气动卡盘上固定，准备进行另一处端口的清洗工作；

步骤五，重复激光清洗过程，完成对待清洗管材上下两端口的清洗工作；

步骤六，待清洗结束后，由抓取机构将清洗后的待清洗管材放置于小车承载台的原位置处，之后抓取另一待清洗管材，重复步骤二～步骤六工序；

步骤七，直到小车承载台上的待清洗管材全部清洗完成后；固定框架上的销钉气缸解锁，由操作者对清洗质量进行检查，检查完毕后将小车推离固定位置，进行下一批次待清洗管材的清洗工作。

本发明提出的激光清洗自动化辅助装置解决了传统人工清洗操作及传统自动激光除锈装置的诸多问题，能够提高现有激光清洗设备的工作效率，实现薄壁管材上料、清洗、下料等流程的自动化作业。同时本装置具有柔性化作业的特点，能够实现不同长度、不同直径的管材激光清洗作业，且不会在夹取与固定过程中对管材端口造成损伤。能够实现不同规格薄壁管材的自动化激光清洗作业，提高生产效率、降低劳动强度、保证产品质量一致性。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种薄壁管材激光清洗自动化辅助装置，其特征在于，包括：

供料车，承载多个任意长度的待清洗管材，并通过夹紧机构对待清洗管材进行同步排列、定位；

抓取机构，自由抓取待清洗管材并可180°翻转移动待清洗管材；

工作转台，承接并定位所述抓取机构抓取的待清洗管材，沿着待清洗管材的轴向对其进行旋转；

清洗机构，与所述工作转台上的待清洗管材相配合对待清洗管材的端口及外壁进行清洗；

控制系统，控制所述供料车、抓取机构、工作转台、清洗机构联动对待清洗管材进行自动化清洗。

2.根据权利要求1所述的薄壁管材激光清洗自动化辅助装置，其特征在于：所述夹紧机构在供料车上形成夹板组，夹板组上具有若干个独立且可同步调整开度的开口，调整时，所有待清洗管材在开口内进行同步排列、定位。

3.根据权利要求1或2所述的薄壁管材激光清洗自动化辅助装置，其特征在于：所述夹紧机构的夹板组包括活动连接在供料车上的第一夹板以及固定连接在供料车上的第二夹板，第一夹板水平位移以同步调整其与第二夹板之间开口的开度。

4.根据权利要求3所述的薄壁管材激光清洗自动化辅助装置，其特征在于：所述第一夹板和第二夹板之间的开口朝上，第一夹板和第二夹板的下方安放有水平的承载台，承载台与开口相互配合以在垂直方向上承载待清洗管材。

5.根据权利要求3所述的薄壁管材激光清洗自动化辅助装置，其特征在于：所述夹紧机构包括对称分布在供料车的车架两侧的光轴，每个光轴上至少具有一个滑块，滑块上连接有一横板并可带动横板进行水平位移，两个横板之间连接有所述夹板组的第一夹板；光轴的前端处安装有对滑块进行缓冲的聚氨脂垫，光轴的后端处安装有对滑块进行复位的弹簧。

6.根据权利要求5所述的薄壁管材激光清洗自动化辅助装置，其特征在于：所述供料车还包括固定框架，固定框架位于车架的旁侧，固定框架上设有推杆气缸，推杆气缸上连接有顶板，顶板连接在两个横板的端部上，推杆气缸动作时，驱动第一夹板活动调整与第二夹板之间的开口大小。

7.根据权利要求1所述的薄壁管材激光清洗自动化辅助装置，其特征在于：所述抓取机构包括抓取机械臂、底座、气动手指以及夹爪，抓取机械臂的下端连接在底座上，抓取机械臂的上端连接气动手指，气动手指连接夹爪用以配合完成抓取及翻转待清洗管材的操作。

8.根据权利要求1所述的薄壁管材激光清洗自动化辅助装置，其特征在于：所述工作转台的工作台架上安装有工作面板，工作面板的底部安装有伺服电机和圆盘，伺服电机输出轴上的齿轮与圆盘啮合以驱动圆盘转动，圆盘上安装有气动卡盘，气动卡盘上安装有固定夹爪用以配合完成对待清洗管材的轴向旋转，圆盘的旁侧的工作面板上安装有位置传感器，工作面板上还安装有摄像头。

9.根据权利要求8所述的薄壁管材激光清洗自动化辅助装置，其特征在于：所述清洗机构包括清洗机械臂，清洗机械臂的端部连接有激光清洗头，激光清洗头与所述工作转台上的待清洗管材相配合对待清洗管材的端口及外壁进行清洗。

10.一种薄壁管材激光清洗自动化辅助装置的工作方法，其特征在于：所述工作方法包括以下步骤：

步骤一，操作者将待清洗管材置于小车承载台上，同时根据清洗对象设定控制系统的程序；之后将供料车推至定位槽处，固定架上的销钉气缸卡住供料车，完成上料准备工作；利用夹紧机构对所有待清洗管材进行同步排列、定位后，释放夹紧的待清洗管材；

步骤二，抓取机械臂根据控制系统的程序移动至待清洗管材正上方，气动手指上的夹爪张开，利用夹爪内撑的方式抓取待清洗管材，并将待清洗管材放置于气动卡盘的固定夹爪上，气动卡盘带动固定夹爪收紧，完成固定；

步骤三，清洗机械臂按照程序移动至待清洗管材端口附近，使气动卡盘转动而清洗机械臂保持不动，气动卡盘转动一周后即完成对管材一处端口的清洗工作；

步骤四，待待清洗管材的端口清洗完成后，利用抓取机械臂的夹爪抓取管材的中部，抓取机械臂的末端旋转180°，完成对待清洗管材的翻转动作，之后把清洗完成的端口置于气动卡盘上固定，准备进行另一处端口的清洗工作；

步骤五，重复激光清洗过程，完成对待清洗管材上下两端口的清洗工作；

步骤六，待清洗结束后，由抓取机构将清洗后的待清洗管材放置于小车承载台的原位置处，之后抓取另一待清洗管材，重复步骤二～步骤六工序；

步骤七，直到小车承载台上的待清洗管材全部清洗完成后；固定框架上的销钉气缸解锁，由操作者对清洗质量进行检查，检查完毕后将小车推离固定位置，进行下一批次待清洗管材的清洗工作。

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