一种小轨迹激光切割装置的制作方法

专利名称：一种小轨迹激光切割装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种利用机器人来实施的加工装置，具体涉及一种小轨迹激光切
割装置。
背景技术：
近年来，包括在汽车的车身自由开孔等加工在内，车身弯曲加工后经常需要在后道工序中对对象物实施小孔加工等操作，特别是使用有机器人的生产线，这类加工更为频繁出现。对于这类利用机器人来实施的切割加工，以及电弧焊接的摇摆轨迹、标记作业等 小轨迹加工来说，如何确保工具的轨迹精度是一大课题。而对于产业用机器人来说，由于其必须对惯性大、刚性低的机器人摇杆端部实施控制，另外，在实施机器人6轴轨迹插补运算后，会产生插补周期长，小轨迹情形下插补间隔不均等问题，因此，通常情况下很难确保足够的轨迹精度。为解决这一问题，确保足够高的轨迹精度，因此需要在机器人的手腕端部安装小轨迹加工装置。图I中所示的小轨迹激光切割装置3，其与机器人本体I独立设置，通过正交的两轴X、I的插补，来对工具2进行控制，从而据此实施标记作业。但是，类似上述使用正交两轴x、y的结构存在如下缺点机器人整体体积大型化，与周边的干涉领域也就随之扩大，同时，对机器人本体I形成的负荷当然也随之增大；直线轴X、y在润滑部件的密封方面是很难确保的；由于第二轴的马达(第二驱动装置)设置于通过第一根轴(第一驱动装置)来驱动的可动部上，因此对第一轴形成的负荷增大；另外电缆处理也相对更麻烦些。请看图2和图3所示的激光切割装置为圆规机构，其与机器人本体I (图中未示)独立设置，基于半径方向移动工具2的T2轴与驱动旋转T2轴的Tl轴画出了一条圆形轨迹，并且，基于T2轴与Tl轴的插补，可实现对圆以外的其它轨迹控制。符号Ml是用于驱动Tl轴的伺服马达，符号M2则是用于驱动T2轴的伺服马达。但是，上述两种圆规机构存在如下缺点由于最终减速段为齿轮4机构，通常存在齿隙，如果是圆形轨迹以外的其它形状，则该齿隙将会随之带来影响，从而导致无法确保精度。而如果想要设法消除该齿隙问题，则装置会变得复杂和大型化，并最终导致高成本的结果。由于是基于齿轮机构实现的一段减速，获取不了大的减速比，因此，导致了马达的大输出，装置则变得大型化及高成本，并且消耗的电力也更高。另外，齿距也会变大，从而导致了插补精度的劣化。如果为了确保减速比而将齿轮机构设置为多段齿轮，则会导致重量增大、装置大型化、齿隙累积、成本增加的结果。如果将这种圆规机构使用于小孔加工等激光切割加工用途，如图3所示，工具2及光纤电缆5的连接部将位于机器人本体中，从而导致日常实施光学系统维护作业变得困难。同样，当将其适用于激光加工的场合下，由于光学系统将位于偏心回转的可动部内侧，再加上可动部的润滑部件难以密封，从而导致润滑部件很容易会对光学系统造成污染。由于属于圆规机构，基于其圆形轨迹，工具2将进行一次回转，而为了防止连接在工具2上的电缆5过度扭曲，则必须使用轴承6等部件来对工具2给予支撑，还要设置旋转止动部件7。发明内容本实用新型的目的是提供一种小轨迹激光切割装置，该装置重量轻、体积小，可以对小轨迹加工实施高精度的控制，同时，该装置的构造确保了不会出现对激光切割工具造成污染的问题，另外，还能够确保电缆、电线或软管等导引部件不至于出现物理性破损。实现上述目的的技术方案是一种小轨迹激光切割装置，安装在机器人的手腕前端部，所述激光切割装置包括基座、激光切割工具、固定于基座上的第一驱动装置和第二驱动装置、与第一驱动装置的减速机输出轴直接连接的第一摇杆及与第二驱动装置的减速机输出轴直接连接的第二摇杆，所述激光切割装置还包括分别与所述第一摇杆、所述第二摇杆及所述激光切割工具活动连接的两根连杆，使所述第一摇杆、第二摇杆、两根连杆及所述基座构成五连杆机构，其中，所述第一驱动装置的输出轴与第二驱动装置的输出轴平行设 置；设定所述第一摇杆、第二摇杆、第一连杆及第二连杆的长度，使所述五连杆机构的一个活动节始终位于第一驱动装置的输出轴线与第二驱动装置的输出轴线之间。上述的小轨迹激光切割装置，其中，所述激光切割工具安装在所述五连杆机构的另一个活动节上，以使所述激光切割工具上的一部分部件可兼作该另一个活动节的构造部件。上述的小轨迹激光切割装置，其中，所述第一驱动装置的润滑部件及第二驱动装置的润滑部件均采用O形圈及油封实现完全密封。本实用新型的小轨迹激光切割装置是基于两个驱动装置与五连杆机构来对工具的轨迹实现控制，即两根摇杆与两根连杆受第一驱动装置及第二驱动装置驱动后确定激光切割工具的位置，因此，其整体构造较为简化并可以实现正确的控制。由于第一驱动装置、第二驱动装置都是固定于装置的基座上的，因此确保了某一方的驱动装置不会对另一方驱动装置形成负荷，另外，摇杆或连杆在移动时的惯性也会因此而减小。五连杆机构的一个活动节始终位于第一驱动装置的输出轴线与第二驱动装置的输出轴线之间这样的结构，消除了夹持激光切割工具的两根连杆并排在一条直线上而导致激光切割工具无法移动的死点位置。由摇杆、连杆及基座构成的五连杆机构共同实现了小轨迹激光切割装置的轻量化以及袖珍化的目标。而将激光切割工具一侧部件的其中一部分兼用作为活动节一侧的构造部件这样的结构则不仅实现了小轨迹激光切割装置的轻量化与袖珍化，更达到了成本降低的要求。至于第一驱动装置及第二驱动装置中的润滑部件的完全密封构造，则起到了防止激光切割工具污染的作用。

图I为第一种现有技术的小轨迹激光切割装置的立体图；图2为第二种现有技术的小轨迹激光切割装置的结构示意图；图3为第三种现有技术的小轨迹激光切割装置的结构示意图；图4为本实用新型的小轨迹激光切割装置的立体图；图5为本实用新型的小轨迹激光切割装置的正面图(部分剖面);[0020]图6为本实用新型的小轨迹激光切割装置的俯视图；图7为本实用新型的小轨迹激光切割装置中五连杆机构的结构图；图8为本实用新型的小轨迹激光切割装置的运行动作原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
进行详细说明参阅图4至图8，本实用新型的小轨迹激光切割装置3，其安装在了机器人本体I的手腕端部。小轨迹激光切割装置3中包括如下部件基座8、第一驱动装置9、第二驱动装置10、第一摇杆11、第二摇杆12、第一连杆13、第二连杆14以及激光切割工具2。第一驱动装置9与第二驱动装置10安装固定在基座8上，在进行安装时，让第一驱动装置9与第二驱动装置10各自的输出轴线al、a2处于平行，且让第一驱动装置9的输出轴线al与第二驱动装置10输出轴线a2尽可能接近后再行固定。第一驱动装置9由第一伺服马达Ml与 第一减速机Dl所构成，而第二驱动装置10则由第二伺服马达M2与第二减速机D2所构成，在伺服马达Ml、M2的输出轴上分别连接有减速机Dl、D2的输入轴。在减速机Dl的输出轴15中固定有第一摇杆11的基部Ila (底部)，在减速机D2的输出轴16上固定有第二摇杆12的基部12a,第一摇杆11在与第一驱动装置9的输出轴线al正交的面上进行旋转，第二摇杆12在与第二驱动装置10输出轴线a2正交的面上进行旋转。另外，在第一摇杆11的另一端Ilb则与第一连杆13的基部活动连接，且可保证第一连杆13的基部自由旋转，而在第二摇杆12的另一端12b则与第二连杆14的基部活动连接，此外，第一连杆13的另一端与第二连杆14的另一端活动连接，第一摇杆11、第二摇杆12、第一连杆13、第二连杆14及基座8全体构成五连杆机构。减速机Dl的输出轴15与第一摇杆11的基部Ila之间的联结点形成了第一活动节J1，减速机D2的输出轴16与第二摇杆12的基部12a之间的联结点形成了第二活动节J2，第一摇杆11的另一端Ilb与第一连杆13的基部之间的联结点形成了第三活动节J3，第二摇杆12的另一端12b与第二连杆14的基部之间的联结点形成了第四活动节J4，而第一连杆13的另一端与第二连杆14的另一端之间的联结点则形成了第五活动节J5。其中第三活动节至第五活动节即J3 J5属于在运行过程中会改变位置的活动节，它们相互结合在一起，且各自都可经由径向轴承17实现顺畅、无阻碍的旋转运动。为了让第四活动节J4始终位于第一驱动装置9的输出轴线al与第二驱动装置10的输出轴线a2之间,应对第一摇杆11的长度LI、第二摇杆12的长度L2、第一连杆13的长度L3、第二连杆14的长度L4进行适当的设定。激光切割工具2为激光切割用加工头，其上连接着引导部件为光纤电缆。激光切割工具2安装在第五活动节J5上，这种安装方式确保激光切割工具2的一部分部件可兼用作为第五活动节J5的构造部件。也就是说，激光切割工具2的器体19安装在第五活动节J5上，利用螺栓20固定安装在第二连杆14的另一端上，但此时介于第五活动节J5上的第一连杆13的另一端与第二连杆14的另一端之间的径向轴承17的内轮21则利用设置于器体19上端的法兰盘22而被紧压固定住。另外，通过从外部通过内嵌于第二连杆13的另一端中而被固定的轴承压盖24则用于固定径向轴承17的外轮23。将与五连杆机构有关的各种符号按图8确定下来后，安装在第五活动节J 5上的激光切割工具2相对于第一活动节Jl的位置(X，y)将由如下公式来得出X = LlX sin Θ 1+L3 X sin θ 3 · · ①y = LI X cos Θ 1+L3 X cos θ 3 · · ②因此，当Θ 3及LI、L3为已知值，以及作为第一摇杆11的旋转角度Θ I和第二摇杆12的旋转角度Θ 2的函数为[f O]时，则可以通过第一驱动装置9和第二驱动装置10来对激光切割工具2的位置进行控制。以下是Θ 3 = f (L0、L1、L2、L3、L4、Θ I、Θ 2)的相关说明。在图8的情况下，下面所示两个公式③、④是成立的L0+L1 X cos Θ 1-L2 X cos Θ 2-L3 X cos Θ 3-L4 X cos θ 4=0 · · ③LI X sin Θ 1-L2X sin Θ 2+L3X sin Θ 3-L4X sin θ 4=0 · ④ 但是第四活动节J4始终位于第一驱动装置的输出轴线与第二驱动装置的输出轴线之间，将公式③、④中与Θ 4有关的系数均移动至等号左边，得到以下两公式L4X cos Θ 4=L0+Llcos Θ 1-L2 X cos Θ 2-L3 X cos θ 3 · · ⑤L4X sin Θ 4=L1 X sin Θ 1-L2X sin Θ 2+L3X sin θ 3 · · · 在⑤、⑥公式的等号左边和右边分别平方并相加后，获得如下公式cos Θ 3 X (2L1 XL3X cos Θ 3—2L2 XL3X cos Θ 2+2L0 X L3) +sin θ 3 X (-2L1 X L3sin Θ 1+2L2 X L3sin Θ 2)=L02+L12+L22-L42+L32+2L0X LI X cos Θ I-2L0XL2Xcos Θ 2_2LlXL2Xcos( Θ I-Θ 2)· ⑦由于公式⑦是由左边的cos Θ 3、sin θ 3的系数及等号右边的已知值或设定值所构成，因此可得到A = (2L1 XL3X cos Θ 3—2L2 XL3X cos Θ 2+2L0 X L3)B = (-2L1 XL3X sin Θ 1+2L2 XL3X sin θ 2)如C =右边，则获得下面公式Acos Θ 3+Bsin Θ 3=C· ⑧因此得到如下公式Θ 3=cos_1 [C/ (A2+B2) 1/2] +tan-1 (B/A) · · ⑨也就是说，只要设定好第一驱动装置9的旋转角度和第二驱动装置10的旋转角度，即可实现对激光切割工具2的运行轨迹的控制。为了保证第一驱动装置9和第二驱动装置10旋转产生的轨迹即为激光切割工具2的运行轨迹，应使激光切割工具2的光轴与J5轴中心轴线重合，为了保证其同轴度，设计了特制激光加工头，通过对其在X和Y方向的微调旋转最终实现其同轴的目标，同时，激光切割工具2的光纤线缆通过J5轴的空心轴。机器人本体I与小轨迹激光切割装置3独立运行。针对加工对象物，首先，根据机器人本体I来确定好手腕的位置，并同步驱动小轨迹激光切割装置。利用控制装置，当第一马达Ml、第二马达M2驱动之后，通过第一减速机D1、第二减速机D2，使得第一摇杆11仅限在角度Θ I、第二摇杆12仅限在角度Θ 2内摆动。于是，通过连接在第一摇杆11的第一连杆13与连接在第二摇杆12上的第二连杆14，使得激光切割工具2的位置被确定在上述公式①、②的位置(X，y)，这一动作是连续执行的，从而使得激光切割工具2据此执行小轨迹加工。[0054]此时，第一摇杆11、第二摇杆12将分别通过第一减速机Dl、第二减速机D2而开始旋转，因此，相对于马达的旋转角度来说，由于减速机上的输出轴的旋转角度会变得非常之小，因此，可以对小轨迹加工时的插补间隔实现精密的设定。第一驱动装置9的马达Ml和第二驱动装置9的马达M2都是市售的产品，至于第一减速机Dl和第二减速机D2也同样是市售产品。另外，由于第一驱动装置9和第二驱动装置10中的润滑部件全部都是无偏心的旋转式结构，因此，可以利用常规的O形圈或油封来进行完好密封。另外，如果将第一活动节Jl与第二活动节J 2配置于同一轴线上，并将图8所示的第一活动节Jl与第二活动节J2之间的距离LO设为O的情形下，前述的五连杆机构将变成为四连杆机构，不过，两者在动作方面的差异并不明显，仍然可以发挥出本实用新型的作用效果。但是，如果将第一驱动装置9、第二驱动装置10配置在同一轴线上，则形成的机构会变得复杂，并且会导致机构大型化。本实用新型的小轨迹激光切割装置是基于两个驱动装置及五连杆机构的构造来对激光切割工具的轨迹实现控制的，即两个摇杆与两根连杆受第一驱动装置及第二驱动装置驱动后确定激光切割工具的位置，因此，其整体构造较为简化，可以实现正确的控制。 由于第一驱动装置、第二驱动装置都是固定于装置的基座上的，因此确保了其中一方的驱动装置不会对另一方驱动装置形成负荷，另外，摇杆或连杆在移动时的惯性也会因此而减小。另外，对于激光切割工具的导引部件(光纤线缆)不至于会被过度扭曲。再者，现有技术中的圆规机构中所必须的旋转止动部件也不再是必需的，从而可以避免因旋转止动部件所引起的干扰问题。由于两个驱动装置使用了减速机，因此可以利用减速比较大、输出较小的马达来实现驱动。另外，由于来自于减速机的输出并非经过齿轮等部件，而是直接连结的，因此，齿隙相对更小，刚性相对更高。为此，可以利用其实现高精度的小轨迹加工。小型马达及减速机可以直接利用市售的部件，因此相对成本更低一些。由于激光切割工具与驱动装置中的润滑部件等污染源相分离，因此，激光切割工具不用担心光学系统会受到污染。另外，在日常实施光学系统维护作业时，在拆卸与安装光纤电缆及激光切割工具时也会因此相对更为方便一些。由于实用新型的小轨迹激光切割装置属于五节连杆机构且为向内侧收缩的状态，因此，加工装置的体积更为袖珍，另外，由于是向内侧收缩的状态，消除了夹持激光切割工具的两侧连杆并排在一条直线上而导致激光切割工具无法移动的死点位置，因此，与向外侧扩张的五节连杆机构为了避免此类死点状态而必须始终将激光切割工具保持在向前方伸出的状态相比，其更可以确保驱动装置整体构造的小型化。另外，向内侧收缩形态的五节连杆构造由于在运行过程中也不会出现摇杆与连杆的活动节超出至第一驱动装置或第二驱动装置与摇杆之间的活动节之外的情况，因此，即使是在周围全是墙壁式的狭窄场所中，也可以确保在较少受干扰的前提下使用本实用新型的加工装置。由于马达及减速机等驱动装置全部都被固定在了基座上，因此，驱动装置本身不至于会对其它驱动装置形成负荷，其结果是，可以减小摇杆等可动部分的惯性，除了前述作用效果之外，还能同时提升其控制性能。另外，由于驱动装置是不移动的，因此，对于与它们连接的电缆等相对处理时会更方便一些。[0062]在前述作用效果的基础上，同时还实现了部件的兼用，节省了更多的空间，从而有望实现更小型化以及更低的成本。驱动装置中的润滑机构可以更方便地做成O形圈或油封的密封构造，使润滑油等不会泄漏出来，除了可实现前述作用效果之外，更可以防止工具受到污染。本实用新型的小轨迹激光切割装置配合6轴机器人不仅可以实现小轨迹图形的精确切割，同时亦可以满足较大工件的激光切割要求。同时，通过6轴机器人姿态的调整改变小轨迹激光切割装置的空间位置，可实现曲面的激光切割需求，通过控制系统的识别控制，可以实现6轴机器人联动或五连杆机构运动的切换。即当加工小轨迹图形时，可以通过本实用新型的小轨迹激光切割装置的五连杆机构来实现，当加工大轨迹的图形时，可以通过机器人的6轴来实现，由机器人控制系统自动识别判定来实现两者之间的自动切换。以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限定。
权利要求1.一种小轨迹激光切割装置，安装在机器人的手腕前端部，所述激光切割装置包括基座、激光切割工具、固定于基座上的第一驱动装置和第二驱动装置、与第一驱动装置的减速机输出轴直接连接的第一摇杆及与第二驱动装置的减速机输出轴直接连接的第二摇杆，所述激光切割装置还包括分别与所述第一摇杆、所述第二摇杆及所述激光切割工具活动连接的两根连杆，使所述第一摇杆、第二摇杆、两根连杆及所述基座构成五连杆机构，其特征在于， 所述第一驱动装置的输出轴与第二驱动装置的输出轴平行设置； 设定所述第一摇杆、第二摇杆、第一连杆及第二连杆的长度，使所述五连杆机构的一个活动节始终位于第一驱动装置的输出轴线与第二驱动装置的输出轴线之间。
2.根据权利要求I所述的小轨迹激光切割装置，其特征在于，所述激光切割工具安装在所述五连杆机构的另一个活动节上，以使所述激光切割工具上的一部分部件可兼作该另一个活动节的构造部件。
3.根据权利要求I所述的小轨迹激光切割装置，其特征在于，所述第一驱动装置的润滑部件及第二驱动装置的润滑部件均采用O形圈及油封实现完全密封。
专利摘要本实用新型公开了一种安装在机器人的手腕前端部的小轨迹激光切割装置，包括基座、激光切割工具、固定于基座上的第一驱动装置和第二驱动装置、与第一驱动装置的减速机输出轴直接连接的第一摇杆、与第二驱动装置的减速机输出轴直接连接的第二摇杆及分别与第一摇杆、第二摇杆及激光切割工具活动连接的两根连杆，使第一摇杆、第二摇杆、两根连杆及基座构成五连杆机构；第一驱动装置的输出轴与第二驱动装置的输出轴平行设置；设定第一摇杆、第二摇杆、第一连杆及第二连杆的长度使五连杆机构的一个活动节始终位于第一驱动装置的输出轴线与第二驱动装置的输出轴线之间。本小轨迹激光切割装置重量轻、体积小，能对激光切割工具的轨迹实施高精度的控制。
文档编号B23K26/36GK202780235SQ20122029789
公开日2013年3月13日 申请日期2012年6月25日 优先权日2012年6月25日
发明者钱晖, 童梁, 朱浩翔, 孔萌 申请人:上海发那科机器人有限公司