CN116277004A - 一种用于机器人辅助制造的随动冷却装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人辅助制造技术领域，具体涉及一种用于机器人辅助制造的随动冷却装置及方法。该随动冷却装置包括连接板、控制盒、转向机构、冷却喷嘴和温度传感器，控制盒、转向机构均通过连接板与机器人末端工具连接，冷却喷嘴、温度传感器均安装于转向机构且同步转动；温度传感器用于将实时测量到的工件表面的冷却温度传送至控制盒，控制盒用于根据当前机器人末端工具的轨迹驱动转向机构转动至预设位置，以及，控制盒用于调节外部冷却系统的冷却介质流量。该用于机器人辅助制造的随动冷却装置及方法的目的是解决机器人辅助作业中无法实现局部准确冷却的问题。

Description

一种用于机器人辅助制造的随动冷却装置及方法

技术领域

本发明涉及机器人辅助制造技术领域，具体涉及一种用于机器人辅助制造的随动冷却装置及方法。

背景技术

机器人辅助制造技术广泛应用于工业生产中，以替代恶劣条件下人的体力劳动。在机器人辅助热喷涂、机器人辅助电弧增材制造中，大量热输入导致待加工零件快速升温而影响加工质量。例如：在热喷涂过程中，基体温度通常不超过150℃，温度过高会导致形成较大内应力出现涂层裂纹、分层、剥落等质量问题；在金属材料增材制造过程中，热量的不断累积导致金属凝固过程延长，严重降低成形质量和机械性能。

针对上述工艺要求，需要在机器人辅助制造中实现对加工对象的快速冷却和温度控制。中国专利CN202643819U公布了一种热喷涂冷却装置，该装置设有多组冷却出风口，工作中该装置固定安放于零件一侧，调整出风口对准工件，可以对零件进行大区域范围的冷却。但是无法解决加工区域的局部过热，且固定式安装方式无法与机器人手臂集成以实现作业区域的随动冷却。

中国专利CN111283305A公布了一种随动冷却装置，该装置中冷却喷嘴与工具刚性固定，从而实现当工具移动时，冷却喷嘴随工具移动进行冷却。该装置可以有效的散失增材制造过程中累加的热量，但仅限于单墙壁结构的制造过程，即工具为直线往复式运动。通常受工艺特性影响，直接冷却作业点将影响电弧热源，理想的冷却位置为作业点后方的已加工区域，因此冷却位置与作业点有一定偏置。而当面对复杂零件，工具不以直线往复式方式运动时，上述偏置导致出现冷却位置与加热区域的空间错位，例如工具运动轨迹为弧线时，冷却喷嘴轨迹为不重合的另一条独立弧线。

中国专利CN111270193B公布了一种热喷涂随动冷却装置，该装置以压缩空气为冷却介质，通过在喷枪的四周设置环形的气管族，利用气管族形成的对称的冷却气体流场直接冷却基体。该装置可避免机器人复杂轨迹运动时出现冷却错位问题，但环向冷却结构缺乏指向性，对待喷涂区域的无差别冷却反而可能造成表面水汽污染，出现冷却介质的浪费。

因此，发明人提供了一种用于机器人辅助制造的随动冷却装置及方法。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种用于机器人辅助制造的随动冷却装置及方法，解决了机器人辅助作业中无法实现局部准确冷却的技术问题。

(2)技术方案

本发明的第一方面提供了一种用于机器人辅助制造的随动冷却装置，包括连接板、控制盒、转向机构、冷却喷嘴和温度传感器，所述控制盒、所述转向机构均通过所述连接板与机器人末端工具连接，所述冷却喷嘴、所述温度传感器均安装于所述转向机构且同步转动；其中，

所述温度传感器用于将实时测量到的工件表面的冷却温度传送至所述控制盒；所述控制盒用于根据当前机器人末端工具的轨迹驱动所述转向机构转动至预设位置，所述控制盒用于调节外部冷却系统的冷却介质流量。

进一步地，所述控制盒内安装有通讯模块、温度控制模块及驱动模块；

所述通讯模块用于获取所述机器人末端工具的运动轨迹信息；

所述温度控制模块分别与所述温度传感器、外部冷却系统连接，且用于向所述外部冷却系统反馈当前冷却温度以实现对冷却介质流量调控的闭环控制；

所述驱动模块用于在所述通讯模块的指令下，根据当前机器人末端工具的轨迹驱动所述转向机构转动至预设位置。

进一步地，两个所述转向机构对称安装于所述连接板的两侧，所述连接板上开设有用于安装所述机器人末端工具的安装孔。

进一步地，每个所述转向机构均通过对应的所述驱动模块调整对应的所述冷却喷嘴、所述温度传感器转动至所述预设位置。

进一步地，所述冷却喷嘴为不锈钢万向管，且用于连接外部压缩空气气源。

进一步地，所述温度传感器为红外测温传感器，且用于测量冷却区域内的表面温度点信息。

进一步地，所述通讯模块为ARM单片机。

进一步地，所述温度控制模块通过加装电磁阀，与所述温度传感器构成冷却介质控制系统。

本发明的第二方面提供了一种利用上述的用于机器人辅助制造的随动冷却装置的冷却方法，包括以下步骤：

将所述随动冷却装置与外部冷却系统连接；

根据工艺要求，通过转向机构调整冷却喷嘴的初始冷却位置及温度传感器的测量位置；

启动工业机器人执行加工程序至加工完成。

进一步地，所述启动工业机器人执行加工程序至加工完成，具体为：

所述工业机器人启动加工程序，所述转向机构根据解析的运动文件调整匹配目标冷却区域，反馈调整冷却介质流量，重复上述过程直至加工任务完成。

(3)有益效果

综上，本发明的随动冷却装置结构简单清晰，易与现有工业机器人进行集成；针对热喷涂、金属增材制造工艺，可以增加高价值冷却介质的利用率，有效地减少局部热输入大快速累积，减少因温度升高、内应力过大引起的加工质量问题，提高成形精度与使用性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种用于机器人辅助制造的随动冷却装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种随动冷却装置的电器元件的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种随动冷却装置与工业机器人的安装结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种冷却方法的流程示意图；

图5是本发明实施例提供的一种冷却方法的具体流程示意图。

图中：

100-机器人末端工具；200-工业机器人；300-外部冷却系统；400-随动冷却装置；500-工件；600-加工轨迹；1-连接板；2-控制盒；201-通讯模块；202-温度控制模块；203-驱动模块；3-转向机构；4-冷却喷嘴；5-温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1是本发明实施例提供的一种用于机器人辅助制造的随动冷却装置的结构示意图，如图1-3所示，该随动冷却装置可以包括连接板1、控制盒2、转向机构3、冷却喷嘴4和温度传感器5，控制盒2、转向机构3均通过连接板1与机器人末端工具100连接，冷却喷嘴4、温度传感器5均安装于转向机构3且同步转动，温度传感器5用于将实时测量到的工件表面的冷却温度传送至控制盒2；控制盒2用于根据当前机器人末端工具100的轨迹驱动转向机构3转动至预设位置，以及，控制盒2用于调节外部冷却系统300的冷却介质流量。

在上述实施方式中，该随动冷却装置400的结构简单清晰，易与现有的工业机器人200进行集成；针对热喷涂、金属增材制造工艺，可以增加高价值冷却介质的利用率，有效地减少局部热输入大快速累积，减少因温度升高、内应力过大引起的加工质量问题，提高成形精度与使用性能。

同时，通过调整冷却介质的类型(例如可以选择惰性气体为冷却介质)便于在进行冷却的同时进行气氛保护，从而避免高温区域的氧化问题。

随动冷却装置400与机器人末端工具100同时安装于工业机器人200的末端，随动冷却装置400随机器人末端工具100一同移动，避免固定式冷却装置只作用于特定区域而无法满足满足结构复杂零件的冷却需求，实现机器人辅助作业的在线冷却。

作为一种可选的实施方式，如图2所示，控制盒2内安装有通讯模块201、温度控制模块202及驱动模块203。

具体地，通讯模块201在工业机器人200的作业过程中，与机器人控制系统建立通讯连接，获取机器人末端工具100的运动轨迹信息。

温度控制模块202分别与温度传感器5、外部冷却系统300连接，且用于向外部冷却系统300反馈当前冷却温度以实现对冷却介质流量调控的闭环控制，减少冷却不足或过冷却现象的出现。

驱动模块203用于在通讯模块201的指令下，根据当前机器人末端工具100的轨迹驱动转向机构3转动至预设位置，以避免冷却喷嘴4偏离局部热源后方的预设冷却区域。

作为一种可选的实施方式，如图1所示，两个转向机构3对称安装于连接板1的两侧，连接板1上开设有用于安装机器人末端工具100的安装孔。

具体地，转向机构3可实现轴向转动，并与冷却喷嘴4、温度传感器5相连。在驱动模块203驱动下，实现冷却喷嘴4的喷涂、温度传感器5绕机器人末端工具100的轴向转动。转向机构3通过调整固定夹具实现冷却喷嘴4、温度传感器5的初始安装位置的实时调整。

作为一种可选的实施方式，冷却喷嘴4为不锈钢万向管，且用于连接外部压缩空气气源。

作为一种可选的实施方式，温度传感器5为红外测温传感器，且用于测量冷却区域内的表面温度点信息。其中，如图3所示，温度传感器5通过非接触温度测量技术，实时测量工件500表面的冷却温度，并将温度信息变送至温度控制模块202。

如图3所示，该随动冷却装置400的工作原理为：通讯模块201为ARM单片机，在工业机器人200的作业过程中，与机器人控制系统建立TCP/IP连接，解析机器人运动文件。温度控制模块202与温度传感器5、外部冷却系统300连接，向外部冷却系统300反馈当前冷却温度以实现对冷却介质流量调控的闭环控制。驱动模块203在通讯模块201的指令下，根据当前工具轨迹驱动转向机构3，转动至需要位置。温度传感器5通过非接触温度测量技术，实时测量工件500表面的冷却温度，并将温度信息变送至温度控制模块202。

作为一种可选的实施方式，温度控制模块202通过加装电磁阀，与温度传感器5构成冷却介质控制系统，适用于匹配无流量控制功能的冷却源。

具体地，温度控制模块202用于根据温度传感器5所反馈的喷涂表面实时温度信息及时进行电磁阀开启大小的控制，最终通过电磁阀实现对于外部冷却系统300输出的冷却介质流量的调节。

图4是本发明实施例提供的一种利用上述的用于机器人辅助制造的随动冷却装置的冷却方法的流程示意图，如图4所示，该方法可以包括以下步骤：

S100、将随动冷却装置与外部冷却系统连接；

S200、根据工艺要求，通过转向机构3调整冷却喷嘴4的初始冷却位置及温度传感器5的测量位置；

S300、启动工业机器人200执行加工程序至加工完成。

在上述实施方式中，通过安装孔将随动冷却装置与等离子喷枪固定，随后将冷却装置连接板螺栓安装于ABB机器人腕口法兰；检查通信线缆、冷却管避免与机器人手臂缠绕；将控制盒内通讯模块与IRC5机器人控制系统的Ethernet接口进行电控连接，导入并解析.mod机器人运动路径文件。

将冷却系统的外部温度触发接口与温度控制模块连接，设定目标冷却温度阈值范围，检查温度信号反馈是否正常；将冷却喷嘴同冷却源通过冷却管连接，检查是否存在泄露。

根据工艺要求，调松冷却喷嘴的紧固螺丝，调整冷却喷嘴的初始冷却位置至喷枪作业中心点后方，调整温度传感器旋转角度，对齐温度测量位置至冷却区域。

启动机器人执行加工程序、启动外部冷却系统，转动机构根据解析的运动文件调整匹配目标冷却区域，温度控制模块反馈并调节冷却介质流量，重复上述过程直至加工任务完成。

图5是本实施例提供的一种用于机器人辅助制造的随动冷却装置实时过程示意图，以说明本发明的随动冷却方法。在本实施方式中，随动冷却装置启动后，冷却位置初始化后设置冷却喷嘴的旋转角度r为0，并与机器人控制柜建立通信连接，并逐行解析当前加载的机器人运动文件。

从三个方面判读运动指令：(1)判断工具中心点(TCP)运动类型是否为线性运动或圆弧运动，根据提取的关键路径点，生成冷却喷嘴旋转角度与时间的变化曲线；(2)判断运动方向，依照前置冷却/后置冷却类型选择开启对应位置的冷却喷嘴；(3)判断工具中心点(TCP)在运动过程中是否有末端腕关节的旋转，若存在旋转则计算冷却喷嘴的旋转角度补偿量。在上述判断的基础上，生成随动冷却的旋转运动文件，在机器人运动信号输入至冷却系统后，开启执行冷却程序，完成对指定区域的随动冷却。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种用于机器人辅助制造的随动冷却装置，其特征在于，包括连接板(1)、控制盒(2)、转向机构(3)、冷却喷嘴(4)和温度传感器(5)，所述控制盒(2)、所述转向机构(3)均通过所述连接板(1)与机器人末端工具(100)连接，所述冷却喷嘴(4)、所述温度传感器(5)均安装于所述转向机构(3)且同步转动；其中，

所述温度传感器(5)用于将实时测量到的工件表面的冷却温度传送至所述控制盒(2)，所述控制盒(2)用于根据当前机器人末端工具(100)的轨迹驱动所述转向机构(3)转动至预设位置，以及，所述控制盒(2)用于调节所述外部冷却系统(300)的冷却介质流量。

2.根据权利要求1所述的用于机器人辅助制造的随动冷却装置，其特征在于，所述控制盒(2)内安装有通讯模块(201)、温度控制模块(202)及驱动模块(203)；

所述通讯模块(201)用于获取所述机器人末端工具(100)的运动轨迹信息；

所述温度控制模块(202)分别与所述温度传感器(5)、所述外部冷却系统(300)连接，且用于向所述外部冷却系统(300)反馈当前冷却温度以实现对冷却介质流量调控的闭环控制；

所述驱动模块(203)用于在所述通讯模块(201)的指令下，根据当前机器人末端工具(100)的轨迹驱动所述转向机构(3)转动至预设位置。

3.根据权利要求1所述的用于机器人辅助制造的随动冷却装置，其特征在于，两个所述转向机构(3)对称安装于所述连接板(1)的两侧，所述连接板(1)上开设有用于安装所述机器人末端工具(100)的安装孔。

4.根据权利要求2所述的用于机器人辅助制造的随动冷却装置，其特征在于，每个所述转向机构(3)均通过对应的所述驱动模块(203)调整对应的所述冷却喷嘴(4)、所述温度传感器(5)转动至所述预设位置。

5.根据权利要求1所述的用于机器人辅助制造的随动冷却装置，其特征在于，所述冷却喷嘴(4)为不锈钢万向管，且用于连接外部压缩空气气源。

6.根据权利要求1所述的用于机器人辅助制造的随动冷却装置，其特征在于，所述温度传感器(5)为红外测温传感器，且用于测量冷却区域内的表面温度点信息。

7.根据权利要求2所述的用于机器人辅助制造的随动冷却装置，其特征在于，所述通讯模块(201)为ARM单片机。

8.根据权利要求2所述的用于机器人辅助制造的随动冷却装置，其特征在于，所述温度控制模块(202)通过加装电磁阀，与所述温度传感器(5)构成冷却介质控制系统。

9.一种利用如权利要求1-8中任一项所述的用于机器人辅助制造的随动冷却装置的冷却方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

将所述随动冷却装置与外部冷却系统连接；

根据工艺要求，通过转向机构(3)调整冷却喷嘴(4)的初始冷却位置及温度传感器(5)的测量位置；

启动工业机器人(200)执行加工程序至加工完成。

10.根据权利要求9所述的冷却方法，其特征在于，所述启动工业机器人(200)执行加工程序至加工完成，具体为：

所述工业机器人(200)启动加工程序，所述转向机构根据解析的运动文件调整匹配目标冷却区域，反馈调整冷却介质流量，重复上述过程直至加工任务完成。

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