具有短连接的可旋转等离子割炬组件的制作方法

本发明涉及一种根据权利要求1所述的割炬组件以及一种根据权利要求6所述的用于割炬的焊炬柄部组件。本发明的系统和方法涉及等离子切割，并且更确切地涉及使用可以安装在机器人臂系统中的焊炬组件的电弧等离子切割。

技术背景

在不同工业中对等离子切割系统的使用已经得到发展，包括使用具有机器人系统的等离子切割系统。在这种应用中，等离子割炬被紧固到使焊炬在许多不同的方向上移动的机器人臂或运动机构上。事实上，在许多机器人应用中，机器人具有许多不同的运动轴线。这种复杂的运动经常需要使焊炬相对于机器人臂移动，这便给予了旋转运动。由于在焊炬上有电连接和冷却液体连接，这种旋转运动必须受到限制以便不打断这些连接。进一步的，在一定量运动之后必须停止操作，从而允许机器人臂解开缠绕，其将来自焊炬连接的任何转矩释放。因此，运动和焊炬控制越复杂，则操作将不得不停止得越频繁以使焊炬解开缠绕。这增加了切割操作的停工时间并且由于一直在加载和卸载扭转应力而可能导致焊炬连接的过早失效。因此，需要焊炬构造来缓解这些问题。

通过常规、传统和所提出的方法与本申请的其余部分中参照附图阐述的本发明的实施例相比较，这些方法的进一步的局限性和缺点对本领域内的技术人员而言将变得明显。

说明

为了克服所提及的限制和缺点，描述了根据权利要求1所述的割炬组件以及根据权利要求6所述的用于割炬的焊炬柄部组件。本发明的优选实施例是从属权利要求的主题。本发明的实施例包括用于使用等离子切割系统的设备和方法，该等离子切割系统采用可旋转等离子焊炬，该可旋转等离子焊炬在用于机器人或自动切割系统时可以容易地旋转，而同时使对焊炬的内部连接的损坏最小化。该焊炬配备有焊炬柄部上的套管结构，其中没有结构或部件定位在套管与焊炬柄部的外部之间。

附图的简要说明

通过参考附图来详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和/或其他方面将会更加清晰，在附图中：

图1是使用本发明的示例性焊炬的示例性系统的图解展示；

图2是本发明的示例性焊炬的图解展示；

图3是本发明的示例性焊炬的一部分的横截面的图解展示；

图4是已经被拆开的示例性焊炬的图解展示；并且

图5是本发明的示例性焊炬底座的横截面的图解展示。

详细说明

下面将参考附图来描述本发明的示例性实施例。所描述的示例性实施例旨在帮助理解本发明、而不旨在以任何方式限制本发明的范围。贯穿全文，类似参考号表示类似的要素。

图1描绘了根据本发明的示例性实施例的使用焊炬200的示例性机器人系统10。出于以下讨论的目的，应注意的是，该系统将作为等离子电弧切割系统来进行讨论。然而，示例性实施例不限于使用在电弧切割系统中。本发明的实施例可以与需要使得类似于焊炬的组件进行其中给予了旋转运动和力的复杂运动的许多系统一起使用。例如，本发明的实施例可以与电弧焊接、电渣焊接、包覆、结合、热丝和附加的制造系统一起使用，而不脱离本发明的精神和范围。作为实例，电弧焊接系统可以具有GMAW、GTAW、SAW、FCAW的类型。进一步的，本发明的示例性实施例可以用于自动、机器人式、半自动和手动系统中。如以上所表明的，本文中所讨论的示例性实施例将使用电弧切割系统作为示例，但这决不旨在进行限制。

如图1中所示出的，焊炬200联接至机器人臂组件10。机器人臂组件10可以根据已知的机器人切割和焊接系统来构造和操作，并且不旨在以任何方式进行限制。如一般所理解的，臂10的运动和操作可以由计算机控制系统(未示出)进行控制并且还可以联接至电源(同样未示出)，该电源提供所使用的电流以在焊炬200中产生等离子电弧来用于切割操作。这种系统的一般构造和操作是已知的，并且无需在本文中进行描述。机器人臂典型地具有工具连接末端20，焊炬200联接至该工具连接末端以用于切割操作。工具连接末端20具有工具连接结构21，该工具连接结构联接至焊炬200并且将焊炬200保持在该工具连接末端中。连接结构21可以通过许多不同的方式进行配置。在许多应用中，工具连接结构21具有内部表面，该内部表面联接至焊炬200的外表面以将该焊炬保持在位。连接结构21可以使用任何数量的不同连接方法来将焊炬200保持在位，这些连接方法包括紧固件、卡夹结构等等。本发明的实施例在此方面不受限制。

图2描绘了本发明的示例性焊炬组件200。在许多方面中，焊炬组件200除了本文中详细描述的区别之外与已知的等离子焊炬构造类似地来构造和操作。因此，焊炬构造和操作的许多已知的方面在本文中不进行详细讨论。如所示出的，本发明的示例性实施例具有焊炬头部部分201。焊炬头部部分201代表焊炬200的远端，等离子从该远端推进以用于切割操作。在图2中，在远端中没有示出防护罩，但是经常在焊炬头部201的远端上放置防护罩。焊炬头部201联接至焊炬本体203。在所示出的示例性实施例中，螺纹连接套环202将焊炬头部201联接至焊炬本体203。焊炬本体203典型地具有许多电接触和连接，这些电接触和联接将电流和冷却液体和/或保护气体从上游源联接至焊炬头部。与焊炬本体203联接的是焊炬柄部205。焊炬柄部205典型地螺纹拧紧到焊炬本体203上并且用于将焊炬200紧固到机器人系统或连接部分21上。由此，如果焊炬需要维修或更换，则焊炬头部201和焊炬本体203可以容易地从焊炬柄部205移除，而不使焊炬柄部205从其连接移除。如在图2和图3中所示出的，焊炬柄部具有外壳，该外壳典型地是金属的并且对焊炬柄部205内部的部件进行保护。

如在示例性实施例中示出的，焊炬200还包括旋环套环210，该旋转套环相对于焊炬柄部205的表面360度自由旋转。当被安装到机器人或其他运动控制装置上时，旋转套环210的外表面联接至连接结构21。例如，在所示出的实施例中，连接结构可以是卡夹机构，该卡夹机构卡夹到套环210的外表面上，从而将焊炬200紧固到机器人(或塔架等)上。套环是圆柱形结构，该圆柱形结构具有的内径略微大于焊炬柄部205的外径，从而使得套环210相对于柄部205自由周转。因此，当机器人、塔架或无论什么运动控制结构移动和旋转时，焊炬200(从旋转角度来说)保持相对静止。由此，不必使机器人移动来使焊炬“解开缠绕”，并且很少或没有扭转力被施加给焊炬连接(在图2中未示出)。进一步的，如以下更全面解释的，套环210在纵向方向上紧固到焊炬柄部205上，使得焊炬200不能滑入和滑出套环210，而这将影响焊炬200的切割精确度。这在以下进行更全面的解释。

图3描绘了套环210和焊炬柄部205的特写图，其中套环210以横截面示出。如以上所描述的，套环210的尺寸被确定成使得其内径略微大于焊炬柄部205的外壳的外径。然而，在套环210与焊炬柄部205之间的间隙不应过大以至使焊炬200没有以稳定方式来支撑。在本发明的示例性实施例中，在套环210的内表面与焊炬柄部205的外表面之间的间隙在0.0005英寸与0.002英寸的范围内。该间隙在一些应用中可以更大，然而该间隙不应过大以至使切割操作的精确度受到影响。焊炬柄部的外壳的外表面在其外表面中具有两个凹槽301，其中这些凹槽301被定位在套环210的各对应远端处。在所示出的实施例中，这些凹槽301围绕焊炬柄部205的整个直径，但是在其他示例性实施例中，这些凹槽301无需围绕整个直径。在这些凹槽301的每一者中放置了一个锁定环310，其中这些锁定环310的内径位于相应凹槽301之内，而这些锁定环310的每一者的外径突出到焊炬柄部205的外表面之外。因此，一旦被定位在其相应的凹槽301的每一者中，这些锁定环310就纵向地沿焊炬柄部205的长度将套环210保持在位。通过这种构造，没有结构或部件定位在套环210的内表面与柄部205的外表面之间。也就是说，在整个的套环210的内表面与柄部205的外表面之间不存在结构或部件。这提供了超越更加复杂的旋转连接的显著优点，这些更加复杂的旋转连接具有若干旋转元件或者不能容易地与已知的机器人连接进行连接。这些元件有可能磨损或以另外方式受到折衷、尤其是在通常与切割和金属制造相关的环境中。因此，本发明的实施例提供了高度可靠的旋转连接，该旋转连接极大地改善了焊炬200的使用和寿命。

这些锁定环310可以与对开垫圈相类似地进行构造，其中这些环近似为圆形但是在环的两个末端之间具有间隙，因而该间隙允许将环310放置到凹槽301中。这些凹槽301具有的深度和形状应该使得允许这些环充分入座，从而使得这些环310可以将套环210和因此的焊炬200相对于彼此保持在纵向固定位置中。套环210和环310各自可以由黄铜、不锈钢等金属制成，只要它们在运行期间具有足够的强度来支撑焊炬200。

应注意的是，在图3中示出的实施例中，在焊炬柄部205的外壳中示出了单对凹槽。然而，在其他示例性实施例中，焊炬柄部205在焊炬柄部205的外壳中可以多对凹槽301。每对相应的凹槽301应以所需距离分隔开，从而容纳套环210，如在图3中所示出的。然而，每一对可以彼此移位预定增量(例如，0.5英寸、1英寸等等)。在将焊炬组件200安装到特定机器人上或用于特定操作时，这种实施例将给使用者提供灵活性。也就是说，使用者于是可以通过调整在焊炬柄部中使用哪一对凹槽301来调整焊炬组件从机器人安装件等突出的量。这是通过如所期望的使用这些对凹槽301来沿焊炬柄部205壳体的长度改变套环210的位置来完成的。使用者可以移除环310并且将套环210滑动至所期望的该对凹槽并且然后将环310安装在对应的凹槽301处。这将给焊炬200的使用提供额外的灵活性。这种构型还可以允许取决于所期望的应用来使用具有不同长度的套环。

此外，在进一步的示例性实施例中，可以使用从焊炬柄部205壳体的表面的至少一个突出部来约束套环210。例如，在套环210的上游末端处，突出部可以从焊炬柄部205的表面径向地延伸出，从而与套环210的上游末端接合，并且可以在套环210的下游末端处使用凹槽和环约束构型，从而允许移除和替换套环210。

图4描绘了如本文中描述的示例性焊炬200的部件。如之前所解释的，焊炬200由多个主部件构成。如在图4中所示出的，焊炬头部201具有螺纹套环202，该螺纹套环将焊炬头部紧固到焊炬本体203的焊炬部分204上。焊炬本体203还具有多个焊炬连接401，这些焊炬连接与焊炬头部201内的对应连接对准。这些连接401允许切割/保护气体、焊炬冷却剂和电流从焊炬本体203移至焊炬头部201。同样，这些连接401中的一些焊炬连接可以用于使头部201与本体203对准成使得其连接具有适当的对准。进一步的，焊炬本体203还具有多个上游连接403，这些上游连接用于与如上所讨论的焊炬连接401类似的目的。然而，这些连接将焊炬本体联接到焊炬柄部205内的连接上。由于在切割和等离子电弧引发过程中经受了高电流，在已知的焊炬构造中，这些连接是非常长的。也就是说，这些连接403是长的，从而在高电压脉冲过程中防止在焊炬的内部部件之间产生火花或电弧作用。然而，因为这些连接是长的，它们在运行过程中易于由于焊炬200的扭转运动而损坏。如以下进一步解释的，本发明的实施例消除了这些顾虑并且能够使用较不易于磨损和损坏的短得多的连接长度。这是关于图5来进一步解释的。

图5是本发明的示例性焊炬本体203的截面视图。与已知的焊炬不同，焊炬本体203由两个焊炬部件构成，一个主焊炬本体部分510和一个介电焊炬本体部分520。主焊炬部分510是金属的，使用了用于焊炬本体构造的已知金属，而介电焊炬本体部分520由非导电介电材料制成，例如塑料树脂等等。理想地，由于切割环境，介电部分520由耐受于高水平的热量的非导电材料制成。介电部分520被插入到主焊炬本体部分510的空腔部分511中。介电部分可以压力配合或螺纹拧紧到空腔511中。当然，还可以使用其他方法，只要介电部分520充分地紧固到空腔511中即可。进一步的，主部分510还具有分离器部分513，该分离器部分使空腔511与下游空腔512分离。分离器部分513在其中具有多个开口，从而允许电连接、冷却剂连接和防护连接以及管穿过分离器513，如所示出的。在示例性实施例中，当部分520插入到空腔511中时，介电部分520的远端521抵靠在分离器513上。介电部分520具有上游末端部分523，该上游末端部分具有螺纹部分524，其中该螺纹部分524螺纹拧紧到焊炬柄部205的下游末端中。

如在图5中示出的，在示例性实施例中，介电部分520具有上游末端523，该上游末端延伸到主部分510的最上游末端之外，这提供了额外的绝缘益处。进一步，如所示出的，介电部分520具有接触分离器513的长度，使得介电部分520覆盖空腔511的壁的整个内表面。

在本发明的一些示例性实施例中，介电部分520具有空腔525，该空腔延伸穿过部分520的长度并且这个空腔填充有介电材料，例如灌封材料。这给焊炬本体和导管530提供了附加的绝缘和稳定性。进一步的，介电部分520具有的总体长度处于焊炬本体203从主部分510的远端测量至介电部分520的上游末端的总体长度的35％至75％的范围内。

焊炬本体203还具有多个导管530，该多个导管用于使电流、冷却剂和/或保护气体穿过焊炬本体203直至焊炬头部201以利于切割操作。主导管531从上游末端523延伸得最远并且可以用于将电流和冷却剂递送穿过焊炬本体203。

在用于高安培数的应用的已知焊炬构造中，高压脉冲引线531是非常长的。例如，在已知的焊炬中，高压脉冲引线531具有至少1.5英寸的长度L(从上游末端523测量)。在已知的焊炬中需要这个长度，从而在高压脉冲引线531的连接部分532与焊炬本体壳体上的末端523之间提供足够的距离。如之前所解释的，已知的焊炬本体壳体是金属的。由此，如果长度L过短，则在高压电脉冲过程中(例如在电弧引发过程中)，电弧可能从连接器532跳跃至焊炬本体壳体的末端。这种跳弧可能引起对焊炬部件的显著损坏。因此，已知的焊炬必须具有较长的长度L来防止跳弧事件。然而，如以上所解释的，这些较长的长度易于弯曲和扭转损坏。

与已知的焊炬不同，因为本发明的实施例采用以上所描述的构造，可以可观地使长度L缩短，意味着这些导管较不易受扭转和弯曲损坏。例如，在本发明的实施例中，高压脉冲引线531的长度L在长度方面处于0.25英寸至0.75英寸的范围内。这显著地改善了引线531的耐久性。这在操作/切割电流水平为100安培及更高的焊炬中尤其如此。本发明的实施例在以100安培或更高来运行的焊炬或焊炬系统中尤其有利，因为电弧引发是通过使用高压脉冲的。如所解释的，这典型地需要较长的引线，并且如此可以实现来自本发明的实施例的优点。

进一步的，与高压脉冲引线531非常相似，冷却剂导管533在长度方面与已知的焊炬相比也可以显著缩短。在本发明的示例性实施例中，冷却剂导管533可以具有在2英寸至6.5英寸的范围内的长度L，如从末端523测量至连接器534的尖端，该连接器将导管533连接至焊炬柄部205内的冷却剂供应连接。在其他示例性实施例中，长度L处于2英寸至4英寸的范围内。

此外，由于所讨论的实施例的优点，焊炬柄部205在长度方面还可以显著缩短，从而极大地缩短了焊炬组件200的总体长度。

尽管已参考本发明示例性实施例具体地展示并描述了本发明，但是本发明不限于这些实施例。本领域普通技术人员应理解的是，可以做出形式上和细节上的多种不同改变而并不背离如以下权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

参考号

10机器人系统/机器人臂组件 524螺纹部分

20工具连接末端 525空腔

21连接结构 530导管

200焊炬 531主导管

201焊炬头部部分 532连接部分

202连接套环 533冷却剂导管

203焊炬本体 534连接器

204螺纹部分 L长度

205焊炬柄部

210旋转套环

301凹槽

310锁定环

401焊炬连接

403上游连接

510主焊炬部分

511空腔部分

512下游空腔

513分离器部分

520介电焊炬本体部分

521远端

523末端部分