CN215359197U - 立体石材曲面加工的绳锯机器人设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了立体石材曲面加工的绳锯机器人设备，包括机器人、绳锯、绳锯控制系统及机器人控制系统，绳锯包括刀柄装置、主机架、张紧装置、金刚石串珠绳和驱动装置，主机架上安装有主动轮和导向轮，驱动装置装接在主机架且传动连接主动轮，金刚石串珠绳绕接主动轮和导向轮，张紧装置包括张紧轮、伺服电动缸、传感器机构和连接臂，连接臂一端转动连接主机架，一导向轮转动连接在连接臂另一端且构成上述张紧轮，张紧轮上设有传感器机构，伺服电动缸一端转动连接主机架且另一端转动连接连接臂，绳锯控制系统连接传感器、伺服电动缸和驱动装置。它具有如下优点：智能化程度高、加工效率高并且石材浪费少。

Description

立体石材曲面加工的绳锯机器人设备

技术领域

本实用新型涉及立体石材加工设备，尤其涉及一种立体石材曲面加工的绳锯机器人设备。

背景技术

天然石材矿体形成需要历经上亿年的演变，属于不可再生资源。过去几十年人们对天然石材的几何倍增量开采已导致石材矿产资源存储量急剧下滑，一些名贵石材资源已经面临枯竭。随着我国对生态环境保护加强，对资源节约与保护要求提高，石材行业绿色发展、可持续发展成为产业发展的必由之路。石雕制品在复杂形状轮廓成形过程需要去除大量多余材料方可得到最终成品。如此巨大多余材料若仅是去除而不加以回收利用，必然导致极大浪费、效率低和能耗大，而当前石雕加工行业就恰恰如此，导致石料浪费成为石雕行业的诟病。针对上述不足，有人提出了金刚石绳锯的解决方案，如：

CN202011143000.9公开的一种高效智能绳锯机，其结构包括导轨，两个设在导轨上的绳锯机主体，以及主体驱动装置和串珠绳，飞轮及飞轮驱动装置，飞轮与绳锯机主体转动连接，飞轮驱动装置驱动飞轮转动，串珠绳环绕在两侧的飞轮上，串珠绳上均布若干嵌槽，飞轮的外圆周面上均布若干个第一凸块，第一凸块嵌入嵌槽内部连接。它只能垂直切割，因此不适用大型石材曲面加工。

CN201710025175.1公开的一种用于切割黄岗岩的设备，其结构包括一个机座，在所述的机座上设有左机架和右机架，所述的左机架和右机架之间设有锯框模块，所述的锯框模块通过一个驱动组件驱动其在水平面上往复运动，所述的锯框模块在被驱动组件后拉时，对石材进行切割在前推时，不进行切割，实现对石材的单向切割在锯框模块的下方设有工作台，所述的工作台用于承载石材，工作台在竖直方向进行升降在锯框模块的上方还设有冷却模块，实现在锯切过程中对石材的冷却。它只能在水平面上进行往复切割，不适用大型石材曲面加工。

CN201710622724.3公开的一种雕刻机器人，其结构包括雕刻杆、距离传感器、雕刻杆连接座、连接杆、第一支臂、活动螺栓、第二支臂、固定座、第三支臂，雕刻杆连接于雕刻杆连接座的下端表面，雕刻杆连接座的内部设有距离传感器，连接杆连接于雕刻杆连接座的右侧，第一支臂的左侧连接有连接杆，第一支臂与第二支臂通过活动螺栓相连接，第二支臂与第三支臂相连接，第三支臂焊接于固定座的左侧，它设有距离传感器，实现了该雕刻机器人在使用时拥有可以检测设备与雕刻物之间距离的功能。它以磨削的方式进行雕刻，增加了石材浪费和减少了机器人的加工效率，不适用大型石材曲面加工。

CN201811153845.9公开的一种大尺度石材雕刻机器人总成，包括安装在地面上的雕刻物移动固定系统，设置于雕刻物移动固定系统相对两侧的雕刻机器人本体和一套中央控制器，中央控制器控制雕刻物移动固定系统和雕刻机器人本体雕刻机器人本体底部的中心点位于以雕刻物移动固定系统基座的中心点为圆点的坐标轴上雕刻机器人本体包括基座，以及安装于基座上的转动摆臂机构，转动摆臂机构末端与雕刻机连接运动组件连接，雕刻机安装于雕刻机连接运动组件上。它以磨削的方式进行雕刻，增加了石材浪费和减少了机器人的加工效率，不适用大型石材复杂形状的粗加工。

CN201510268112.X公开的一种六自由度混联式水射流雕刻机器人，其结构包括底座、立柱组件、升降装置、两自由度摇臂、三自由度并联刀架和射流雕刻装置。在底座内设有水槽，两自由度摇臂在升降装置的驱动下可沿着立柱升降，三自由度并联刀架套装在两自由度摇臂上并可沿着两自由度摇臂上横移，射流雕刻装置中的喷枪安装在三自由度并联刀架上，且具有空间六个运动自由度。雕刻机器人在雕刻作业时作用力小，不适用石材加工。

实用新型内容

本实用新型提供了立体石材曲面加工的绳锯机器人设备，其克服了背景技术中所存在的不足。

本实用新型解决其技术问题的所采用的技术方案是：立体石材曲面加工的绳锯机器人设备，包括机器人、绳锯、连接绳锯的绳锯控制系统及连接机器人的机器人控制系统，机器人控制系统和绳锯控制系统连接；该绳锯包括刀柄装置、主机架、张紧装置、金刚石串珠绳和驱动装置，通过刀柄装置将主机架装接在机器人，主机架呈倒V形结构或倒三角形，主机架上安装有主动轮和导向轮，驱动装置装接在主机架且传动连接主动轮，金刚石串珠绳绕接主动轮和导向轮且在驱动装置带动下循环活动，张紧装置包括张紧轮、伺服电动缸、用于检测张紧轮各方向力大小的传感器机构和连接臂，连接臂一端转动连接主机架，一导向轮转动连接在连接臂另一端且构成上述张紧轮，张紧轮上设有传感器机构，伺服电动缸一端转动连接主机架且另一端转动连接连接臂，绳锯控制系统连接传感器、伺服电动缸和驱动装置以通过传感器调整伺服电动缸实现张紧力度控制。

一实施例之中：该导向轮设有三个，位于上侧一导向轮为上述张紧轮，另两导向轮分别设置在倒V形结构或倒三角形的两下端，主动轮和三个导向轮分别布置在呈上大下小的倒梯形的四个点上。

一实施例之中：该传感器机构包括装接在连接臂的定位轴台和设于定位轴台的传感器，张紧轮通过轴承连接在传感器外。

一实施例之中：该机器人包括底座、能绕Z轴转动连接在底座上的转盘、能绕X轴转动连接在转盘上的大臂、能绕X轴转动连接在大臂上的小臂、能绕Y轴转动连接在小臂的机械手前端、机械手中端、机械手末端和电主轴；底座上安装有第一驱动电机，第一驱动电机的输出轴与转盘形成第一转动副；转盘上安装有第二驱动电机，第二驱动电机的输出轴与大臂形成第二转动副；大臂上安装有第三驱动电机，第三驱动电机输出轴与小臂形成第三转动副；小臂上安装有第四驱动电机，第四驱动电机输出轴与机械手前端形成第四转动副；机械手前端上安装有第五驱动电机，第五驱动电机的输出轴与机械手中端形成第五转动副；机械手中端上安装有第六驱动电机，第六驱动电机的输出轴与机械手末端形成第六转动副；机械手末端与电主轴通过螺栓连接的方式相连；该机器人控制系统连接第一、第二、第三、第四、第五、第六驱动电机；通过刀柄装置将主机架装接在电主轴。

一实施例之中：该电主轴设有相对固定的气压吸附结构和连接座，通过螺栓连接连接座与机械手末端；该刀柄装置包括相对固定的连接面和刀柄，通过螺栓连接连接面与主机架；气压吸附结构和刀柄能吸附连接。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

绳锯机器人设备包括机器人、绳锯、绳锯控制系统及机器人控制系统，机器人控制系统和绳锯控制系统连接，绳锯包括刀柄装置、主机架、张紧装置、金刚石串珠绳和驱动装置，其一，能更方便、快捷、省材地对石材毛坯进行高效率加工切割；其二，智能化程度高、加工效率高并且石材浪费少，粗加工切割剩余的石材可二次利用；其三，运动自由度多、结构紧凑、工作稳定可靠、操作维护便捷、整机成本低、智能、安全性高；其四，能加工中大型石材；其五，可实现对石材曲面的造型切割。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

图1是具体实施方式的绳锯机器人的结构示意图；

图2是具体实施方式的绳锯的立体示意图；

图3是具体实施方式的绳锯的主视示意图；

图4是具体实施方式的快换装置的结构示意图；

图5是具体实施方式的伺服电动缸的结构示意图；

图6是具体实施方式的驱动装置的结构示意图；

图7-1是图7-2的A-A剖面示意图；

图7-2是具体实施方式的传感器机构的结构示意图；

图7-3是图7-2的B-B剖面示意图；

图8是具体实施方式的加工方法的流程图。

具体实施方式

请查阅图1，一种立体石材曲面加工的绳锯机器人设备，包括六自由度串联的机器人1、绳锯2、绳锯控制系统3及机器人控制系统4。该机器人控制系统4 连接机器人1以控制机器人1运动姿态，该机器人1带动绳锯2进行石材加工；该绳锯控制系统3连接绳锯2以控制绳锯加工状态；绳锯控制系统3与机器人控制系统4进行通讯，以高效与智能实现绳锯机器人设备加工。

请查阅图2，机器人包括底座101、能绕Z轴转动连接在底座101上的转盘103、能绕X轴转动连接在转盘103上的大臂105、能绕X轴转动连接在大臂105 上的小臂107、能绕Y轴转动连接在小臂107的机械手前端109、机械手中端111、机械手末端113和电主轴114；底座101上安装有第一驱动电机102，第一驱动电机102的输出轴与转盘103形成第一转动副；转盘103上安装有第二驱动电机104，第二驱动电机104的输出轴与大臂105形成第二转动副；大臂105上安装有第三驱动电机106，第三驱动电机106输出轴与小臂107形成第三转动副；小臂107 上安装有第四驱动电机108，第四驱动电机108输出轴与机械手前端109形成第四转动副；机械手前端109上安装有第五驱动电机110，第五驱动电机110的输出轴与机械手中端111形成第五转动副；机械手中端111上安装有第六驱动电机 112，第六驱动电机112的输出轴与机械手末端113形成第六转动副；机械手末端 113与电主轴114通过螺栓连接的方式相连。其中：该机器人控制系统4连接第一、第二、第三、第四、第五、第六驱动电机，机器人1的第一转动副、第二转动副、第三转动副用于大角度转动，第四转动副、第五转动副、第六转动副用于小位姿调整，机器人1的运动与位姿调整是通过机器人控制系统4进行控制。

请查阅图3，绳锯包括刀柄装置201、主机架202、张紧装置203、金刚石串珠绳204和驱动装置205。主机架202通过刀柄装置201与电主轴114连接，以通过机器人将其输送至加工位置；主机架202呈能加强整体稳定性的倒V形结构或倒三角形，下面以V形为例进行说明，主机架202上安装一个主动轮205a和三个导向轮205，四个轮分别布置在呈上大下小的倒梯形的四个点上，采用倒梯形能增大串珠绳204与主动轮205a包角，以免主动轮带动串珠绳产生打滑现象，主动轮、导向轮上均设置有用于安放串珠绳204的环形凹槽；其中，位于上侧的两个轮中，一个为主动轮205a，另一个为张紧轮，位于下侧的两个轮为从动导向轮；驱动装置205包括伺服电机205b，伺服电机205b装接在主机架202上，主动轮205a与伺服电机205b过键连接方式相连，通过伺服电机205b带动主动轮205a转动，进而带动串珠绳204绕四个轮循环旋转。串珠绳通过主机架下方的开口对石材进行切割，最大切割长度和垂直切割深度如分别为1000mm、800mm，可用于中大型石材毛坯复杂形状粗加工。

张紧装置203包括张紧轮、伺服电动缸、传感器机构206和连接臂207；传感器机构测量串珠绳204对张紧轮各方向力大小；连接臂207一端转动连接主机架202且另一端连接传感器机构206，伺服电动缸一端转动连接主机架且另一端转动连接在连接臂，张紧轮连接在传感器机构206，绳锯控制系统连接传感器、伺服电动缸和驱动装置以通过传感器机构调整伺服电动缸实现张紧力度控制；伺服电动缸选用平行式伺服电动缸，并通过单片尾铰的安装方式相连在主机架202，伺服电动缸包括动力源203a和连接动力源203a的电动缸203b，该电动缸203b 连接传感器机构206。

图7-1至图7-3为传感器机构示意图，该传感器机构包括装接在连接臂的定位轴台208和设于定位轴台的传感器，张紧轮通过轴承209连接在传感器210外。其中：A-A截面显示定位轴台结构，该处与连接臂固接且保证传感器轴向的水平 (x轴)和垂直(y轴)方向的位置精度，保证传感器安装无倾斜角度；传感器两端与螺帽连接锁死，中间位置内部结构布置传感元器件210，传感元器件通过接线与信号采集仪(连接绳锯控制系统)连接。张紧轮通过轴承209连接在传感器 210外，如设计为H7/k6的过渡配合，轴承外圈与张紧轮相配合，最终实现张紧轮在传感器上转动。其中：传感器反馈串珠绳工作时受到切割石材施加的张力，通过把张力反馈信号传递给绳锯控制系统，并通过绳锯控制系统控制伺服电动缸的伸缩，以此实时调节串珠绳的张紧，从而实现闭环控制。在切割时可实时采集串珠绳张紧力的反馈信息，绳锯控制系统通过反馈信息对串珠绳张紧与切削速度进行实时调整，并且机器人控制系统与绳锯控制系统是实时通讯，所以机器人可根据反馈信息进行实时调整位姿情况，以提高绳锯器人加工时的稳定性与加工效果；本实用新型使用特质电主轴与刀柄接口，也可实现机器人自动换刀；由于采用绳锯对石材毛坯进行加工，在切割过程中产生的粉尘少且很快被水流带走，不会发生粉尘污染，而且本实用新型切边准确、切面干净光滑，绳锯所使用的串珠绳直径小于5mm，使得切口间隙很窄，不仅节约材料，也易于实现加工精度切割深度和切割力的控制。

图4为快换装置示意图，电主轴114设有连接座114b，连接座与机械手末端 113通过螺栓连接，电主轴的接口包括气压吸附结构114a，气压吸附结构可直接吸附刀柄装置201的刀柄201a，刀柄装置201与主机架202是通过螺栓在连接面 201b连接。机器人控制系统4直接控制电主轴114实现自动换刀。由于电主轴114 为定制电主轴，机器人控制系统4二次开发，并与绳锯控制系统3进行通讯，以便实现绳锯机器人加工的高效与智能。具体结构中，电主轴包括机壳、主轴、转子部分、定子部分、前轴承、后轴承和端盖，主轴可承受150kg负载及可实现自动换刀。

该绳锯控制系统包括串珠绳线速度控制系统与张紧控制系统，两个控制系统的目的都是为了使绳锯达到更好的切割效果，将两个控制系统集成为绳锯控制系统以实时控制串珠绳张紧力与速度，绳锯控制系统选用的控制器为PLC控制器。

图8为加工方法图，加工方法包括：

关系研究部分，它包括：

步骤11，应用串珠绳变形检测系统(CN104108138B所述技术方案)采集不同姿态串珠绳的线弓数据，应用传感器机构检测得到当前串珠绳的张紧力数据，对比分析采集的线弓数据与张紧力数据，得到张紧力与线弓数学模型，并建立数据库；

步骤12，将不同曲率的线弓近似成不同曲率的曲线，使用Matlab软件对不同曲线进行不同方向的扫掠，从而得到形状各异的曲面，将这些曲面输入到数据库中；

加工策略部分，它包括：步骤2，加工对加工工件的曲面进行划分，并与数据库内的曲面进行对比，从而获得当前线弓形状与机器人加工路径，再获得当前工况所需的最优张紧力。

本具体实施方式的绳锯机器人设备及加工方法具有灵活性高、运动精度高、承载能力强(最高承受负载为240kg)、运动空间大等优点，它带动变结构绳锯对立体石材进行曲面加工；机器人控制系统可准确控制机器人动作和姿态，也可完成机器人运动路径规划；变结构绳锯加工方式与传统绳锯机加工方式相似，都是通过金刚石串珠绳与石材相互磨损从而对石材进行切割，其通过自动换刀装置与机器人末端机械手相连；绳锯控制系统与机器人控制系统进行通讯，可根据不同的切割姿态自动调节不同的切割速度与其适应，也可进行实时监测和调节金刚石串珠绳张力。

以上所述，仅为本实用新型较佳实施例而已，故不能依此限定本实用新型实施的范围，即依本实用新型专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖的范围内。

Claims (5)

1.立体石材曲面加工的绳锯机器人设备，包括机器人、绳锯、连接绳锯的绳锯控制系统及连接机器人的机器人控制系统，机器人控制系统和绳锯控制系统连接；其特征在于：该绳锯包括刀柄装置、主机架、张紧装置、金刚石串珠绳和驱动装置，通过刀柄装置将主机架装接在机器人，主机架呈倒V形结构或倒三角形，主机架上安装有主动轮和导向轮，驱动装置装接在主机架且传动连接主动轮，金刚石串珠绳绕接主动轮和导向轮且在驱动装置带动下循环活动，张紧装置包括张紧轮、伺服电动缸、用于检测张紧轮各方向力大小的传感器机构和连接臂，连接臂一端转动连接主机架，一导向轮转动连接在连接臂另一端且构成上述张紧轮，张紧轮上设有传感器机构，伺服电动缸一端转动连接主机架且另一端转动连接连接臂，绳锯控制系统连接传感器、伺服电动缸和驱动装置以通过传感器调整伺服电动缸实现张紧力度控制。

2.根据权利要求1所述的立体石材曲面加工的绳锯机器人设备，其特征在于：该导向轮设有三个，位于上侧一导向轮为上述张紧轮，另两导向轮分别设置在倒V形结构或倒三角形的两下端，主动轮和三个导向轮分别布置在呈上大下小的倒梯形的四个点上。

3.根据权利要求1所述的立体石材曲面加工的绳锯机器人设备，其特征在于：该传感器机构包括装接在连接臂的定位轴台和设于定位轴台的传感器，张紧轮通过轴承连接在传感器外。

4.根据权利要求1所述的立体石材曲面加工的绳锯机器人设备，其特征在于：该机器人包括底座、能绕Z轴转动连接在底座上的转盘、能绕X轴转动连接在转盘上的大臂、能绕X轴转动连接在大臂上的小臂、能绕Y轴转动连接在小臂的机械手前端、机械手中端、机械手末端和电主轴；底座上安装有第一驱动电机，第一驱动电机的输出轴与转盘形成第一转动副；转盘上安装有第二驱动电机，第二驱动电机的输出轴与大臂形成第二转动副；大臂上安装有第三驱动电机，第三驱动电机输出轴与小臂形成第三转动副；小臂上安装有第四驱动电机，第四驱动电机输出轴与机械手前端形成第四转动副；机械手前端上安装有第五驱动电机，第五驱动电机的输出轴与机械手中端形成第五转动副；机械手中端上安装有第六驱动电机，第六驱动电机的输出轴与机械手末端形成第六转动副；机械手末端与电主轴通过螺栓连接的方式相连；该机器人控制系统连接第一、第二、第三、第四、第五、第六驱动电机；通过刀柄装置将主机架装接在电主轴。

5.根据权利要求4所述的立体石材曲面加工的绳锯机器人设备，其特征在于：该电主轴设有相对固定的气压吸附结构和连接座，通过螺栓连接连接座与机械手末端；该刀柄装置包括相对固定的连接面和刀柄，通过螺栓连接连接面与主机架；气压吸附结构和刀柄能吸附连接。

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