管切割机器人的复合型操作臂的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种管切割机器人的复合型操作臂，包括通过连杆依次连接的三个移动副、三个转动关节和切割枪头，以左右方向为x方向、上下方向为y方向、前后方向为z方向，以o为坐标原点，第一移动副能够在z方向移动，第二移动副能够在y方向移动，第三移动副能够在x方向移动，第一转动关节和第二转动关节能够在xoy平面内转动，第三转动关节能够在yoz平面内转动，切割枪头的火焰喷射方向为y方向。本实用新型通过设置三个移动副和三个转动关节，能够实现切割枪头围绕待切割圆管整个圆周的转动和在待切割圆管的轴向方向的移动，在一次性安装机器人的前提下实现了对待切割圆管的任意位置进行加工的功能，提高了切割精度和切割效率。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种管切割机器人的操作臂，尤其涉及一种管切割机器人的复合 型操作臂。 管切割机器人的复合型操作臂
【背景技术】
[0002] 近年来，随着我国工业水平和制造业水平的不断进步，大型复杂管桁架结构正在 被越来越广泛的使用，比如工业产房、海洋作业平台、体育场馆、石油运输工程等。管桁架焊 接结构是指圆管杆件在端部相互直接相贯焊接而组成的格子式结构。圆管件的使用使得管 桁架结构用料经济、结构自重轻，易于构成各种外形，满足各种不同建筑形式的要求以适应 不同的用途。
[0003] 切割加工是重工业的必要加工手段之一，数控切割机和切割机器人是切割领域中 应用的两种典型的自动化装备。经过40多年的发展，基于数控技术的切割技术、工艺、配套 软件已经日趋成熟，广泛应用于板材切割、型材切割、管材相贯线切割、3D曲面的数控切割。 数控管切割机多采用具有串联结构的五轴四联动方式，少数采用六轴五联动。其特点是管 材需卡盘定位和伺服回转，必须配备复杂的支撑结构。控制系统基于NC系统设计，无法直 接对相贯线进行编程和轨迹控制，而是通过外部程序提供相贯线的数学模型并根据数控切 割机的结构参数计算出相应的切割轨迹NC文件。该方法采用空间直线段来逼近相贯线轮 廓，因而其割炬的轨迹精度也较低。
[0004] 基于机器人的切割系统则具有更高的灵活性和适应性，因此适用于汽车、航天航 空、造船、海洋平台、钢结构等行业的型材切割、三维曲面切割、柔性切割等方面。管切割机 器人与焊接机器人在结构及控制上均有共通之处。管切割机器人加工是完成切割工艺的手 段中发展迅速且最受人瞩目的一环。但近年来国内外有关机器人在管切割方面应用的报道 甚少，尚无成功经验可供借鉴，目前仍存在很多基础技术问题亟待解决。现对管切割机器人 现有的技术方案做如下介绍：
[0005] 1.天津大学在对已有数控管切割机研究的基础上，已经对相贯线切割机器人作业 单元关键技术进行了探讨，但由于其机械结构的设计方式导致其切割精度及适用范围受到 很大的影响。其主要应用TriVariant-B机器人构建管道相贯线火焰切割作业单元并研究 其应用关键技术。TriVariant-B机器人采用卧式布局，末端执行器为火焰割炬，工作时将圆 管原材料吊装于两组可沿直线轨道滑动的滚轮支架上，由操作人员将圆管推入机器人工作 区域，圆管由滚轮支架支撑且固定不动，机器人带动末端割炬绕管一周完成相贯线切割。切 割完毕后，圆管被推出工作区域并吊离支架。
[0006] TriVariant-B机器人为5自由度混联机器人，其由一个2自由度球坐标型并联机 构和一端装有2自由度转头并通过滑移副与并联机构串接的主动支链（P支链）组成。其 中，2自由度并联机构由一条2自由度的从动支链（U支链）和两条无约束主动支链（UPS 支链）组成。机构中U支链一端与连架虎克铰内圈固接，另一端与两条UPS支链末端连接。 如图4中b所示，P支链通过丝杆/螺母副与虎克铰内圈连接，螺母与虎克铰内圈固接，中 空管背部开有槽窗，两侧镶有导轨，导轨与虎克铰内圈构成滑移副，进而在伺服电机的驱动 下，可使P支链沿导轨作相对U支链的主动滑移运动。两自由度转头的旋转轴线相互垂直 相交，安装于P支链的UPS支链和U支链铰接侧的末端，且近平台旋转轴线与U支链的中心 轴线重合。
[0007] TriVariant-B机器人的缺陷在于：机器人采用了 5自由度混联的方式，并联机构 对控制系统的要求较高，同时切割运动还应配合串联机构，所以切割精度控制难度大；由于 机器人切割加工时位于圆管前端，且鉴于其机械结构，其无法加工圆管中段的任意位置，即 无法同时加工出零件的两端；由于机器人只能位于原料管端加工，难以完成圆管零件的排 样切割，故无法进行排样处理。
[0008] 2.哈尔滨工程大学研制了一种自对心可旋式管端切割机器人，其在圆管圆周方向 上的运动主要是通过回转臂的旋转来实现。
[0009] 为了使机器人的切割火焰走出合理的管端切割曲线，需要满足4个自由度的要 求：与圆管同轴的空间旋转运动，圆管半径方向运动，圆管轴线方向运动，割炬平面摆动。 [0010] 四个自由度的相应的运动机构情况如下：
[0011] 空间旋转机构：空间旋转机构通过伺服电机带动减速机来控制悬臂的旋转。机器 人其它的运动机构均安装在悬臂上。悬臂的空间旋转带动并配合其它运动机构完成圆管的 切割；
[0012] 割炬摆动机构：在实际工程应用中，所切割的管端口型要考虑管搭接结构中各个 位置坡口角度和深度的问题，为了切出理想的坡口，因此加入了割炬摆动机构，它可以在平 面180°范围内以枪摆轴心为中心进行摆动；
[0013] 轴线方向伸缩机构：轴线方向运动机构是沿着圆管的轴线方向进行运动的，割炬 运动机构安装在该机构上，对轴线伸缩机构进行控制可以实现割炬的轴向进给；
[0014] 半径升降机构：半径升降机构是沿圆管半径方向运动的，负责割炬的半径方向进 给，主要功能是使割炬和工件之间保持合适的距离。
[0015] 上述四自由度机器人的缺陷在于：由于其在圆管圆周方向上的运动主要是通过回 转臂的旋转来实现，导致被切割管件长度与机械臂长度有直接的关联，要是被切割管件较 长，则机械臂需要设计较长的结构，所以整个机器人结构比较庞大；如果被切割管件较长， 在管件中间位置需放置支撑架，此时在加工远离机器人方向的圆管管端是将会产生干涉， 必须重新装夹，所以机器人无法在不变换装夹的情况下加工出零件的两端；高质量的加工 必须保证回转臂的旋转位置精确。所以对回转轴的平行度有很高的要求，所以，这种机器人 对加工环境的要求较高，特别是回转轴与地面和圆管轴线的平行度。
[0016] 3.哈尔滨工程大学研制的五自由度切割机器人。其主要通过控制软件的编写，以 求机器人能根据工艺要求跟踪切割曲线，如相贯曲线、圆、样条曲线等，最终完成相应的切 割加工。
[0017] 此五自由度切割机器人的缺陷在于：由于此机器人采用了 5个关节串联的方式， 且其中的4个关节均为旋转副，增加了对机器人控制的要求，其控制难度大；由于机器人只 有一个关节是移动副，在管径方向上无法提供更大的工作空间，故机器人无法加工管径较 大的圆管；鉴于机器人的结构设计，其将在一次性加工圆管圆周运动上产生干涉，无法一次 性对圆管管端进行完整加工。
[0018] 4.江苏科技大学根据船用管马鞍形切割和焊接生产的实际情况，制定了船用管切 割和焊接技术要求，设计了机器人船用管马鞍形切割和焊接系统。
[0019] 工作站系统采用1个可以在直线导轨上移动的6轴机器人+1台开口钳式机器人 变位机为主导设备，驱动滚轮架及从动滚轮架均采用液压升降的方式，在升降的同时，滚轮 合拢或张开，以适应不同管径的管子，驱动滚轮架采用电动驱动，从动滚轮架无驱动，从动 滚轮架位于电动驱动平台上，可电动调整其在轨道上的位置，以适应不同长度的管子。工作 站系统共8轴联动，是用于船用中型主管、支管的马鞍形火焰切割、焊接的两用工位。工作 站系统配备火焰切割装置、数字化焊接电源、水电气丝等管线系统、清枪剪丝装置、换枪装 置、安全装置等，可实现火焰割枪和焊枪的自动更换。
[0020] 这种机器人的缺陷在于：机器人切割精度更难控制，控制难度大；由于采用了 6自 由度串联的方式，且均采用旋转副，误差较大，而且关节间误差将累积给末端执行器，所以 切割精度控制难度大；鉴于机器人的结构设计，其将在一次性加工圆管圆周运动上产生干 涉，无法一次性对圆管管端进行完整加工。
[0021] 综上所述，现有的管切割机器人，主要由于其操作臂的结构原因，普遍存在控制难 度大、难以一次性对圆管管端进行完整加工、难以实现圆管中段的切割加工的问题。 实用新型内容
[0022] 本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种管切割机器人的复合型 操作臂，这种操作臂可以帮助管切割机器人实现更容易控制、可以一次性对圆管管端进行 完整加工、可以在圆管任意位置切割加工的效果。
[0023] 本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：
[0024] -种管切割机器人的复合型操作臂，包括通过连杆依次连接的第一移动副、第二 移动副、第三移动副、第一转动关节、第二转动关节、第三转动关节和切割枪头，以左右方向 为X方向、上下方向为y方向、前后方向为z方向，以〇为坐标原点，所述第一移动副能够在 z方向移动，所述第二移动副能够在y方向移动，所述第三移动副能够在X方向移动，所述第 一转动关节和所述第二转动关节能够在x〇y平面内转动，所述第三转动关节能够在平 面内转动，所述切割枪头的火焰喷射方向为y方向。
[0025] 应用时，将安装本操作臂的机器人置于待切割圆管的旁边，待切割圆管的轴向方 向为Z方向，第一移动副和第二移动副位于待切割圆管的旁边，其它操作臂部件均位于待 切割圆管的上方，第一移动副的移动可以实现整个操作臂在待切割圆管的轴向方向的移 动，第二移动副的移动可以实现切割枪头的上下移动，第三移动副的移动可以实现切割枪 头的左右移动，第一转动关节、第二转动关节和第三转动关节的转动可以实现切割枪头在 x〇y平面内的切割方向的任意变化，第二移动副、第三移动副、第一转动关节、第二转动关节 和第三转动关节相互配合则能够实现切割枪头围绕待切割圆管整个圆周的转动。
[0026] 上述第一移动副、第二移动副、第三移动副和对应连杆共同组成笛卡尔操作臂，第 一转动关节、第二转动关节、第三转动关节和对应连杆共同组成铰链型操作臂，两种操作臂 共同组成复合型操作臂。
[0027] 为了实现精确切割，所述切割枪头的火焰喷射出口位置与所述第三转动关节的轴 心位置在同一轴线上。
[0028] 本实用新型的有益效果在于：
[0029] 本实用新型通过设置三个移动副和三个转动关节，能够实现切割枪头围绕待切割 圆管整个圆周的转动和在待切割圆管的轴向方向的移动，从而在一次性安装机器人的前提 下实现了对待切割圆管的管端完整加工、圆管轴向任意位置切割加工、便于控制、能够切割 大径圆管的功能，同时提高了切割精度和切割效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1是本实用新型所述管切割机器人的复合型操作臂的坐标系结构示意图；
[0031] 图2是本实用新型所述复合型操作臂的应用状态示意图之一；
[0032] 图3是本实用新型所述复合型操作臂的应用状态示意图之二；
[0033] 图4是本实用新型所述复合型操作臂的应用状态示意图之三。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
[0035] 如图1所示，本实用新型所述管切割机器人的复合型操作臂包括通过连杆2依次 连接的第一移动副1、第二移动副3、第三移动副4、第一转动关节5、第二转动关节6、第三 转动关节7和切割枪头8,以左右方向为X方向、上下方向为y方向、前后方向为z方向，以 〇为坐标原点，第一移动副1能够在z方向移动，第二移动副3能够在y方向移动，第三移 动副4能够在X方向移动，第一转动关节5和第二转动关节6能够在xoy平面内转动，第三 转动关节7能够在yoz平面内转动，切割枪头8的火焰喷射方向为y方向；切割枪头8的火 焰喷射出口位置（即图1中切割枪头8的下端）与第三转动关节7的轴心位置在同一轴线 上。
[0036] 上述移动副、转动关节、连杆2、切割枪头8以及操作臂与机器人其它部件的连接 结构均采用管切割机器人的常规结构实现，在此不作具体描述。下面结合本操作臂的使用 状态对本操作臂的结构作进一步详细说明：
[0037] 如图2所示，应用时，将安装本操作臂的机器人（图中未示出）置于待切割圆管9 的旁边，待切割圆管9的轴向方向为前后方向即z方向（参照图1坐标），图2示出了切割 枪头8在待切割圆管9的右侧移动完成切割的状态，图3示出了切割枪头8在待切割圆管9 的左侧移动完成切割的状态，图4示出了切割枪头8在待切割圆管9的下侧移动完成切割 的状态，切割枪头8在待切割圆管9的上侧移动完成切割更容易实现，所以未在图中示出。
[0038] 从图2、图3和图4可以看出，利用转动副相对于对应连杆2的移动，或者利用连杆 2相对于对应移动副的移动，可以实现切割枪头8在X方向和y方向的位置变化，利用，转动 关节相对于对应连杆2的转动，可以实现切割枪头8在待切割圆管9的圆周方向的位置变 化；其中，如图2中的切割枪头8相对于第三转动关节7的转轴的位置与图1相同，图3和 图4中的切割枪头8相对于第三转动关节7的转轴的位置与图1相反，是利用第三转动关 节7转动180°后的位置。上述方向参照图1坐标。
[0039] 上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限 制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入 本实用新型专利的权利保护范围内。
【权利要求】
1. 一种管切割机器人的复合型操作臂，其特征在于：包括通过连杆依次连接的第一移 动副、第二移动副、第三移动副、第一转动关节、第二转动关节、第三转动关节和切割枪头， 以左右方向为X方向、上下方向为y方向、前后方向为z方向，以〇为坐标原点，所述第一移 动副能够在z方向移动，所述弟_移动副能够在y方向移动，所述弟二移动副能够在X方向 移动，所述第一转动关节和所述第二转动关节能够在x〇y平面内转动，所述第三转动关节 能够在y〇z平面内转动，所述切割枪头的火焰喷射方向为y方向。
2. 根据权利要求1所述的管切割机器人的复合型操作臂，其特征在于：所述切割枪头 的火焰喷射出口位置与所述第三转动关节的轴心位置在同一轴线上。
【文档编号】B23K7/10GK203887368SQ201420316438
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】徐雷, 殷国富, 黄世游 申请人:徐雷, 殷国富, 黄世游