CN108941947A - 一种激光切割机器人工作站 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光切割机器人工作站，包括机械臂控制柜、手持示教器、机械臂、外部控制柜、电磁阀、氧气罐、激光器、激光输出头、激光切割头、测距传感器、调高传动装置、调高驱动电机、调高驱动器、水冷机以及切割台。该激光切割机器人工作站利用手持示教器对外部控制柜进行实时控制，从而向机械臂控制柜发送相应的控制命令，再由机械臂控制柜对机械臂进行驱动控制，实现了根据现场切割需要设定切割程序，满足不同对象的切割要求；利用测距传感器、调高传动装置、调高驱动电机以及调高驱动器构成切割距离控制激光，确保激光切割头与工件之间保持一定的距离，确保激光切割的稳定性。

Description

一种激光切割机器人工作站

技术领域

本发明创造设计一种切割机器人工作站，尤其是一种激光切割机器人工作站。

背景技术

激光切割技术清洁、安全、无污染，相对于传统的切割工艺方法，激光切割柔性化程度高，切割速度快，生产效率高，产品生产周期短。激光切割无切削力，加工无变形；无刀具磨损，材料适应性好；不管是简单还是复杂零件，都可以用激光一次精密快速成形切割；其切缝窄，切割质量好、自动化程度高，操作简便，劳动强度低，没有污染；可实现切割自动排样、套料，提高了材料利用率，生产成本低，经济效益好。但是传统的激光切割需要操作员近距离操作完成，会对操作人员的健康产生一定的影响。

发明内容

本发明创造要解决的技术问题是传统的激光切割需要操作员近距离操作完成，会对操作人员的健康产生一定的影响。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种激光切割机器人工作站，包括机械臂控制柜、手持示教器、机械臂、外部控制柜、电磁阀、氧气罐、激光器、激光输出头、激光切割头、测距传感器、调高传动装置、调高驱动电机、调高驱动器、水冷机以及切割台；机械臂控制柜分别与机械臂的各个关节驱动器以及外部控制柜电连接，用于分别对机械臂的各个关节驱动器进行控制以及与外部控制柜进行连接通信；手持示教器与外部控制柜连接通信；调高传动装置安装在机械臂的末端，且位于切割台的上方；激光输出头固定安装在调高传动装置上，并通过光纤与激光器相连接收激光信号；激光切割头安装在激光输出头的下方，用于通过内部安装的准直镜片和聚焦镜片将激光输出头输出的激光汇聚至焦点射出；测距传感器安装在激光输出头的侧面，并与外部控制柜电连接，且测距传感器的传感探头的检测方向与激光切割头的激光射出方向相平行；在激光输出头和激光切割头的外部设置有水冷夹套；水冷机通过循环水管与激光器的水冷部件以及水冷夹套相连通；外部控制柜与水冷机的控制器***电连接，用于控制水冷机启停工作；在激光切割头上设有辅助气体入口，氧气罐通过导气管与辅助气体入口相连通，电磁阀串接在导气管上；外部控制柜与电磁阀电连接，用于控制电磁阀的开启和闭合；调高驱动电机安装在调高传动装置上，用于驱动调高传动装置进行升降运动；调高驱动器与调高驱动电机电连接，用于驱动调高驱动电机旋转；外部控制柜与调高驱动器电连接，用于向调高驱动器发送驱动信号。

进一步地，机械臂控制柜、机械臂、电磁阀、氧气罐、激光器、激光输出头、激光切割头、测距传感器、调高传动装置、调高驱动电机、调高驱动器、水冷机以及切割台均设置于安全围栏内。利用安全围栏能够增强切割施工的安全性。

进一步地，还包括一个与外部控制柜电连接的警报器，用于发出告警信号。能够在测距传感器测量超出切割范围时发出警报。

进一步地，调高传动装置包括柱体外壳、U形连接座、角度调节电机、升降驱动螺杆、升降滑块、固定安装板以及激光头安装板；U形连接座固定安装在柱体外壳的后侧面上，用于将调高传动装置安装在机械臂的末端上；调高驱动电机固定安装在柱体外壳的顶部；在柱体外壳的内部竖向设有长方体形空腔；升降驱动螺杆竖向旋转式安装在长方体形空腔内，且升降驱动螺杆的上端与调高驱动电机的输出轴相对接；在柱体外壳的前侧竖向设有与内部长方体形空腔相连通的条形窗口；在升降滑块上设有与升降驱动螺杆螺纹旋合的驱动螺纹孔；升降滑块的前侧边伸出条形窗口外，并在伸出的前侧边上安装有电机安装板；角度调节电机安装在电机安装板上，且角度调节电机输出轴的轴线与升降驱动螺杆的轴线相垂直；激光头安装板垂直固定设置在固定安装板上，固定安装板固定安装在角度调节电机的输出轴端部上；外部控制器还与角度调节电机的驱动器电连接，用于控制角度调节电机的旋转量；水冷夹套固定安装在激光头安装板上。利用调高传动装置能够实现升降和旋转两个自由度的调节，与五自由度的机械臂共同实现七个自由度的切割需求；利用水冷夹套能够对激光输出头和激光切割头进行冷却，确保激光输出头和激光切割头能够长时间可靠运行。

进一步地，在长方体形空腔的后侧面上竖向设有T形滑槽；在升降滑块的后侧边上设有滑动式嵌于T形滑槽内的T形滑块。利用T形滑槽与T形滑块的配合，能够增强升降滑块的升降过程的稳定性。

进一步地，在条形窗口上且位于升降滑块的上下两侧均设有一个折叠式护板；上侧的折叠式护板的上侧边与条形窗口的上侧边固定安装，下侧边与升降滑块的上侧面固定安装；下侧的折叠式护板的上侧边与升降滑块的下侧面固定安装，下侧边与条形窗口的下侧边固定安装。利用折叠式护板能够对内部的升降驱动螺杆进行有效防护。

进一步地，在条形窗口处竖向设置有导向滑杆；在升降滑块上竖向设有导向滑孔；在折叠式护板的每层折叠板上均设有限位孔；导向滑杆贯穿导向滑孔以及各个限位孔。利用导向滑杆、导向滑孔以及限位孔构成升降导向结构，确保折叠式护板在升降过程中不会出现外凸和内凹的问题，能够对内部的升降驱动螺杆进行有效防护。

进一步地，手持示教器包括显示屏、微控制器、控制按键、存储器以及电源模块；微控制器分别与显示屏、存储器以及控制按键电连接；微控制器与外部控制柜中的PLC控制器连接通信；电源模块分别为显示屏、微控制器、控制按键以及存储器供电。采用存储器能够方便存储各种切割对象的控制程序，从而满足不同切割对象的切割控制需要。

进一步地，手持示教器还包括一个与微控制器电连接的主无线通信模块；在外部控制柜中安装有一个与PLC控制器电连接的从无线通信模块；主无线通信模块与从无线通信模块无线通信，从而实现微控制器与PLC控制器的连接通信。利用主无线通信模块与从无线通信模块无线通信从而实现远程无线控制。

进一步地，外部控制柜包括柜体、设置在柜体顶部的控制按钮以及设置于柜体内的PLC控制器；PLC控制器分别与测距传感器、调高驱动器以及电磁阀电连接。

本发明创造的有益效果在于：利用手持示教器对外部控制柜进行实时控制，从而向机械臂控制柜发送相应的控制命令，再由机械臂控制柜对机械臂进行驱动控制，实现了根据现场切割需要设定切割程序，满足不同对象的切割要求；利用测距传感器、调高传动装置、调高驱动电机以及调高驱动器构成切割距离控制激光，确保激光切割头与工件之间保持一定的距离，确保激光切割的稳定性。

附图说明

图1为本发明创造的整体结构连接关系图；

图2为本发明创造的调高传动装置结构示意图。

具体实施方式

如图1和2所示，本发明创造提供了一种激光切割机器人工作站包括：机械臂控制柜、手持示教器、机械臂、外部控制柜、电磁阀、氧气罐、激光器、激光输出头17、激光切割头24、测距传感器23、调高传动装置、调高驱动电机2、调高驱动器、水冷机以及切割台；机械臂控制柜分别与机械臂的各个关节驱动器以及外部控制柜电连接，用于分别对机械臂的各个关节驱动器进行控制以及与外部控制柜进行连接通信；手持示教器与外部控制柜连接通信；调高传动装置安装在机械臂的末端，且位于切割台的上方；激光输出头17固定安装在调高传动装置上，并通过光纤16与激光器相连接收激光信号；激光切割头24安装在激光输出头17的下方，用于通过内部安装的准直镜片和聚焦镜片将激光输出头输出的激光汇聚至焦点射出；测距传感器23安装在激光输出头17的侧面，并与外部控制柜电连接，且测距传感器23的传感探头的检测方向与激光切割头24的激光射出方向相平行；在激光输出头17和激光切割头24的外部设置有水冷夹套22；水冷机通过循环水管与激光器的水冷部件以及水冷夹套22的进水口20和出水口18相连通；外部控制柜与水冷机的控制器***电连接，用于控制水冷机启停工作；在激光切割头24上设有辅助气体入口25，氧气罐通过导气管与辅助气体入口25相连通，电磁阀串接在导气管上；外部控制柜与电磁阀电连接，用于控制电磁阀的开启和闭合；调高驱动电机2安装在调高传动装置上，用于驱动调高传动装置进行升降运动；调高驱动器与调高驱动电机电连接，用于驱动调高驱动电机旋转；外部控制柜与调高驱动器电连接，用于向调高驱动器发送驱动信号。图1中，氧气输送路线为虚线所示，冷却水循环路线为粗实线所示，电控信号传输路线为细实线所示。

进一步地，机械臂控制柜、机械臂、电磁阀、氧气罐、激光器、激光输出头17、激光切割头24、测距传感器23、调高传动装置、调高驱动电机2、调高驱动器、水冷机以及切割台均设置于安全围栏内。还包括一个与外部控制柜电连接的警报器，用于发出告警信号。

如图2所示，调高传动装置包括柱体外壳1、U形连接座5、角度调节电机3、升降驱动螺杆4、升降滑块7、固定安装板15以及激光头安装板21；U形连接座5固定安装在柱体外壳1的后侧面上，用于将调高传动装置安装在机械臂的末端上；调高驱动电机2固定安装在柱体外壳1的顶部；在柱体外壳1的内部竖向设有长方体形空腔6；升降驱动螺杆4竖向旋转式安装在长方体形空腔6内，且升降驱动螺杆4的上端与调高驱动电机2的输出轴相对接；在柱体外壳1的前侧竖向设有与内部长方体形空腔6相连通的条形窗口8；在升降滑块7上设有与升降驱动螺杆4螺纹旋合的驱动螺纹孔；升降滑块7的前侧边伸出条形窗口8外，并在伸出的前侧边上安装有电机安装板9；角度调节电机3安装在电机安装板9上，且角度调节电机3输出轴的轴线与升降驱动螺杆4的轴线相垂直；激光头安装板21垂直固定设置在固定安装板15上，固定安装板15固定安装在角度调节电机3的输出轴端部上；外部控制器还与角度调节电机3的驱动器电连接，用于控制角度调节电机3的旋转量；水冷夹套22固定安装在激光头安装板21上。

进一步地，在长方体形空腔6的后侧面上竖向设有T形滑槽12；在升降滑块7的后侧边上设有滑动式嵌于T形滑槽12内的T形滑块13。在条形窗口8上且位于升降滑块7的上下两侧均设有一个折叠式护板11；上侧的折叠式护板11的上侧边与条形窗口8的上侧边固定安装，下侧边与升降滑块7的上侧面固定安装；下侧的折叠式护板11的上侧边与升降滑块7的下侧面固定安装，下侧边与条形窗口8的下侧边固定安装。在条形窗口8处竖向设置有导向滑杆10；在升降滑块7上竖向设有导向滑孔14；在折叠式护板11的每层折叠板上均设有限位孔；导向滑杆10贯穿导向滑孔以及各个限位孔。

进一步地，手持示教器包括显示屏、微控制器、控制按键、存储器以及电源模块；微控制器分别与显示屏、存储器以及控制按键电连接；微控制器与外部控制柜中的PLC控制器连接通信；电源模块分别为显示屏、微控制器、控制按键以及存储器供电。手持示教器还包括一个与微控制器电连接的主无线通信模块；在外部控制柜中安装有一个与PLC控制器电连接的从无线通信模块；主无线通信模块与从无线通信模块无线通信，从而实现微控制器与PLC控制器的连接通信。外部控制柜包括柜体、设置在柜体顶部的控制按钮以及设置于柜体内的PLC控制器；PLC控制器分别与测距传感器23、调高驱动器以及电磁阀电连接。

本发明创造提供的激光切割机器人工作站中，机械臂为五自由度机器臂，机械臂控制柜机械臂是配套设备，采用现有的机器臂机器控制柜即可，由五自由度机器臂和调高传动装置共同构成七自由度控制；外部控制柜为设置有PLC控制器和控制按键的控制柜，用于与机械臂控制柜进行通信，实现了在安全围栏外部对机械臂进行实时启停控制；电磁阀用于在外部控制柜的控制下对导气管进行通断控制；手持示教器由显示屏、微控制器、控制按键、存储器、主无线通信模块以及电源模块构成，其中，微控制器采用单片机，用于接收控制按键的控制信号，便于操作人员在安全围栏外对机械臂进行远程控制，从而根据不同的切割对象对机械臂进行实时动作控制，满足不同对象的切割要求；从无线通信模块和主无线通信模块均采用ZigBee无线通信模块，完成无线通信；存储器用于存储相应的控制程序，从而满足不同切割对象的切割方案切换；水冷机通过压缩机、冷凝器、蒸发器、节流减压装置、制冷剂等进行配合实现制冷效果，用于给激光器进行降温，采用现有的水冷机能够接收外部控制柜的温度控制信号即可。

本发明创造提供的激光切割机器人工作站在使用时，机械臂控制柜是与机械臂配套电连接的，用于对机械臂进行驱动控制，外部控制柜用于根据设定的控制程序对机械臂控制柜发送相应的控制命令，同时还对电磁阀、调高驱动器以及角度调节电机3的驱动器进行控制；在手持示教器的存储器中存储有各种类型切割对象的控制程序，操作员根据放置在切割台上的待切割对象通过控制按键选择相应的控制程序，然后运行控制程序并将控制命令发送给外部控制柜，由外部控制柜向机械臂控制柜发送相应的控制命令，从而实现对机械臂进行适应性控制，满足各种切割对象的切割要求；测距传感器23实时采集距离信号，从而由外部控制柜计算出激光切割头24与待切割工件的距离，并控制调高驱动电机2和角度调节电机3，使得激光与工件切割面始终保持一定的角度和距离，确保激光切割的可靠性；在进行切割时，外部控制柜水冷机和电磁阀进行水冷控制和氧气输送控制，利用激光切割头吹出氧气，能够实现激光切割助燃和吹出切割时的熔渣，加快待切割工件的加工速度，利用水冷机能够对激光器、激光输出头以及激光切割头进行降温。

Claims (10)

1.一种激光切割机器人工作站，其特征在于：包括机械臂控制柜、手持示教器、机械臂、外部控制柜、电磁阀、氧气罐、激光器、激光输出头、激光切割头、测距传感器、调高传动装置、调高驱动电机、调高驱动器、水冷机以及切割台；机械臂控制柜分别与机械臂的各个关节驱动器以及外部控制柜电连接，用于分别对机械臂的各个关节驱动器进行控制以及与外部控制柜进行连接通信；手持示教器与外部控制柜连接通信；调高传动装置安装在机械臂的末端，且位于切割台的上方；激光输出头固定安装在调高传动装置上，并通过光纤与激光器相连接收激光信号；激光切割头安装在激光输出头的下方，用于通过内部安装的准直镜片和聚焦镜片将激光输出头输出的激光汇聚至焦点射出；测距传感器安装在激光输出头的侧面，并与外部控制柜电连接，且测距传感器的传感探头的检测方向与激光切割头的激光射出方向相平行；在激光输出头和激光切割头的外部设置有水冷夹套；水冷机通过循环水管与激光器的水冷部件以及水冷夹套相连通；外部控制柜与水冷机的控制器***电连接，用于控制水冷机启停工作；在激光切割头上设有辅助气体入口，氧气罐通过导气管与辅助气体入口相连通，电磁阀串接在导气管上；外部控制柜与电磁阀电连接，用于控制电磁阀的开启和闭合；调高驱动电机安装在调高传动装置上，用于驱动调高传动装置进行升降运动；调高驱动器与调高驱动电机电连接，用于驱动调高驱动电机旋转；外部控制柜与调高驱动器电连接，用于向调高驱动器发送驱动信号。

2.根据权利要求1所述的激光切割机器人工作站，其特征在于：机械臂控制柜、机械臂、电磁阀、氧气罐、激光器、激光输出头、激光切割头、测距传感器、调高传动装置、调高驱动电机、调高驱动器、水冷机以及切割台均设置于安全围栏内。

3.根据权利要求1所述的激光切割机器人工作站，其特征在于：还包括一个与外部控制柜电连接的警报器，用于发出告警信号。

4.根据权利要求1所述的激光切割机器人工作站，其特征在于：调高传动装置包括柱体外壳、U形连接座、角度调节电机、升降驱动螺杆、升降滑块、固定安装板以及激光头安装板；U形连接座固定安装在柱体外壳的后侧面上，用于将调高传动装置安装在机械臂的末端上；调高驱动电机固定安装在柱体外壳的顶部；在柱体外壳的内部竖向设有长方体形空腔；升降驱动螺杆竖向旋转式安装在长方体形空腔内，且升降驱动螺杆的上端与调高驱动电机的输出轴相对接；在柱体外壳的前侧竖向设有与内部长方体形空腔相连通的条形窗口；在升降滑块上设有与升降驱动螺杆螺纹旋合的驱动螺纹孔；升降滑块的前侧边伸出条形窗口外，并在伸出的前侧边上安装有电机安装板；角度调节电机安装在电机安装板上，且角度调节电机输出轴的轴线与升降驱动螺杆的轴线相垂直；激光头安装板垂直固定设置在固定安装板上，固定安装板固定安装在角度调节电机的输出轴端部上；外部控制器还与角度调节电机的驱动器电连接，用于控制角度调节电机的旋转量；水冷夹套固定安装在激光头安装板上。

5.根据权利要求4所述的激光切割机器人工作站，其特征在于：在长方体形空腔的后侧面上竖向设有T形滑槽；在升降滑块的后侧边上设有滑动式嵌于T形滑槽内的T形滑块。

6.根据权利要求4所述的激光切割机器人工作站，其特征在于：在条形窗口上且位于升降滑块的上下两侧均设有一个折叠式护板；上侧的折叠式护板的上侧边与条形窗口的上侧边固定安装，下侧边与升降滑块的上侧面固定安装；下侧的折叠式护板的上侧边与升降滑块的下侧面固定安装，下侧边与条形窗口的下侧边固定安装。

7.根据权利要求6所述的激光切割机器人工作站，其特征在于：在条形窗口处竖向设置有导向滑杆；在升降滑块上竖向设有导向滑孔；在折叠式护板的每层折叠板上均设有限位孔；导向滑杆贯穿导向滑孔以及各个限位孔。

8.根据权利要求1所述的激光切割机器人工作站，其特征在于：手持示教器包括显示屏、微控制器、控制按键、存储器以及电源模块；微控制器分别与显示屏、存储器以及控制按键电连接；微控制器与外部控制柜中的PLC控制器连接通信；电源模块分别为显示屏、微控制器、控制按键以及存储器供电。

9.根据权利要求8所述的激光切割机器人工作站，其特征在于：手持示教器还包括一个与微控制器电连接的主无线通信模块；在外部控制柜中安装有一个与PLC控制器电连接的从无线通信模块；主无线通信模块与从无线通信模块无线通信，从而实现微控制器与PLC控制器的连接通信。

10.根据权利要求1所述的激光切割机器人工作站，其特征在于：外部控制柜包括柜体、设置在柜体顶部的控制按钮以及设置于柜体内的PLC控制器；PLC控制器分别与测距传感器、调高驱动器以及电磁阀电连接。