一種火焰坡口機器人K型坡口切割裝置的制作方法

本發明屬于鋼結構生產施工中的火焰切割技術領域，尤其涉及一種采用機器人對鋼結構的K型坡口進行火焰切割的火焰坡口機器人K型坡口切割裝置。

背景技術：

隨著國民經濟的發展，要建造更多更大的體育、休閑、展覽、航空港、機庫等大空間和超大空間建筑物的需求十分旺盛。此類建筑形式一般為空間鋼結構，結構型式可分為網架(輕鋼)、空間桁架(重鋼)等。這些建筑物通常都具有跨度大、造型獨特、受力復雜及建成后具有地區標志性意義等特點。

在這些大跨度鋼結構中，需要對鋼板板材工件進行二次坡口切割加工形成如V型坡口、Y型坡口或K型坡口等形狀各異的零件以滿足不同鋼結構需求。目前，材料(主要指普通鋼材)切割技術已經非常成熟和豐富，常用的切割方法包括：等離子切割、激光切割及火焰切割等。等離子切割及激光切割方法精度高，但是成本也高，而且板材的切割厚度受到很大的限制。而單純的火焰切割辦法只能實現平面切割，無法滿足高精度及高質量的要求。

現有常用的火焰切割方法是采用火焰垂直切割用以切斷板材，從而形成形狀各異的零件。而鋼結構零件焊接需要在零件焊接部位切割K型或V型坡口，在此情況下，采用平面切割的火焰切割方式并不能解決上述坡口切割要求，于是需要開發火焰坡口切割機構或者工藝，用以達到零件坡口切割的要求，其中以K型坡口的加工最為復雜。現有的K型坡口的切割成型方式很多，如采用傳統方法分次切割的，此種方法需將零件翻身后進行二次切割，不僅耗費工時，而且很難保證加工精度。

專利號CN 202388088 U中揭示的一種龍門式多頭火焰切割機K型坡口切割裝置，采用雙割嘴同步切割，在減小切割變形的同時增加了割嘴數量，增大設備投入和操作難度，切割風險不可控；同時，由于割嘴的角度選擇各有不同，也極大地影響了切割的效果；而專利號CN 202344098 U中揭示的另一種火焰切割機坡口切割火焰三割炬裝置，采用三割嘴同步切割的方法實現K型坡口加工，該設備除操作要求高及復雜繁瑣外，原材料損耗率較大顯得更不可忽視。

上述現有的多種火焰坡口切割裝置均不能根據不同的板厚和坡口形式自動計算生成加工參數，或者按照合適的加工參數進行切割槍自動定位和坡口切割工作，導致自動化程度不高、加工精度不夠、成本較高、勞動強度大，對操作人員的經驗要求較高；另外，現有的火焰坡口切割槍不能自動旋轉180°，導致加工雙面坡口時需要對工件翻身，加工效率低。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在于提供一種火焰坡口機器人K型坡口切割裝置，旨在其不僅能夠縮短加工時間，降低量產時的生產及人工成本，切割操作直觀、方便、穩定性更佳；而且采用離線編程的方式，自動調節加設在火焰坡口機器人第六軸端部的切割槍的位姿及行走軌跡，能夠使工件無需翻身即可完成坡口的切割加工。

本發明是這樣實現的，一種火焰坡口機器人K型坡口切割裝置，其包括：包括機器人、操作平臺、激光掃描儀、切割槍及控制系統；所述操作平臺用于放置待加工的工件；所述激光掃描儀設置在所述切割槍上并可沿所述切割槍的長度方向移動以對所述切割槍的位姿信息進行掃描從而保證所述切割槍在切割前的切割直線度；所述控制系統內部通過離線編程方式設有所述切割槍的姿態、位置及角度參數信息；所述切割槍與所述機器人的末端連接并可隨所述機器人的末端一起運動；所述控制系統將所述切割槍的實際位姿信息與所述控制系統內部設定的所述切割槍的參數信息進行比較以得出所述實際位姿信息與所設定的參數信息之間的差異，并根據所述比較結果驅動所述機器人自動調整所述切割槍的姿態及行走軌跡以對所述工件進行坡口切割。

進一步地，前述的工件可以單一的或者批量的放置在所述操作平臺上并處于所述機器人的工作范圍內，所述工件的坡口的待切割面與所述機器人的世界坐標系的坐標軸平行。

進一步地，前述的機器人為工業六軸機器人，所述激光掃描儀為三維激光掃描儀；所述激光掃描儀的排列方向與所述切割槍的長度方向平行以便使所述激光掃描儀具有沿所述切割槍的長度方向移動的充足行程，所述激光掃描儀沿所述切割槍的長度方向移動的行程范圍為50-100mm；所述切割槍連接在所述機器人的第六軸的末端。

進一步地，前述的切割槍切割的電壓由切割電源提供，所述切割電源上設置有水冷裝置以用于降低所述切割電源的溫度，防止所述切割槍因溫度過高而發生安全事故；所述切割槍與所述第六軸末端位于一條直線上或者處于相互平行的狀態，所述切割槍的型號可根據坡口切割的需求進行調整，且與切割氧及燃燒氣體的壓力相匹配。

進一步地，前述的控制系統包括離線編程模塊、校準模塊及機器人控制器；所述離線編程模塊與所述校準模塊及所述機器人控制器電性連接，相互間能進行數據傳遞；所述離線編程模塊用于根據帶有所述工件標準坐標的三維CAD模型生成所述工件的加工路徑及利用預先建立或者已有的機器人模型以及選定的機器人路徑生成機器人離線數據代碼；所述校準模塊根據所述激光掃描儀掃描得到的所述切割槍的位姿信息與內部通過離線編程所設定的所述切割槍的參數信息進行比較以得出所述實際位姿信息與所設定的參數信息之間的差異，并將比較結果傳送給所述機器人控制器；所述機器人控制器根據所述比較結果修正所述機器人及所述切割槍的加工路徑。

進一步地，前述的切割裝置還包括驅動裝置，所述驅動裝置與所述機器人及所述激光掃描儀連接并根據所述控制系統傳遞的信息驅動所述機器人前進、后退、升降、旋轉等運動而帶動所述切割槍自動調整所述切割槍的姿態及行走軌跡；所述機器人控制器負責控制所述機器人、所述激光掃描儀及所述切割槍的動作；所述機器人控制器通過所述工件的厚度和坡口坐標自動計算生成所述機器人及所述切割槍的定位數據，該定位數據包括所述驅動裝置的位置參數；所述機器人在所述驅動裝置的作用下帶動所述切割槍旋轉180°，對所述工件進行無翻身的內側坡口及外側坡口的切割。

進一步地，前述的離線編程模塊包括輸入及讀取模塊、離線數據生成模塊、仿真模塊及輸入控制模塊；所述輸入及讀取模塊、所述離線數據生成模塊、所述仿真模塊及所述輸入控制模塊分別連接，且相互之間能進行數據傳遞；所述輸入及讀取模塊用于輸入帶有工件標準坐標的三維CAD模型，及在所述CAD中讀取其二維圖形設計文件并對文件中的所述工件設置坡口特征。

進一步地，前述的離線數據生成模塊用于打開設置好的工件坡口的特征文件，并利用預先建立或者已有的機器人模型以及選定的機器人路徑，生成不同的機器人離線數據代碼；所述仿真模塊用于對所生成的離線數據代碼進行計算機模擬、仿真和防碰撞數據驗證，然后輸出給所述輸入控制模塊；所述輸入控制模塊用于接收所述仿真模塊輸出的所述機器人離線數據代碼，并將其傳輸到所述機器人控制器中以控制所述機器人帶動所述切割槍對所述工件進行坡口切割。

進一步地，前述的機器人的路徑產生后，所述離線數據生成模塊根據在工件坐標系下所述機器人路徑各點的坐標，該路徑的路徑方向，該路徑的坡口角度，計算該路徑上每一點的機器人直角坐標空間的位姿以及各關節的旋轉角度；通過采用齊次坐標變換來描述機器人機械手各關節坐標之間以及工件與機器人之間的關系，并生成所述機器人離線數據代碼；所述工件的實際坐標數據與所述機器人離線數據代碼內的坐標值一致。

進一步地，前述的離線數據生成模塊計算所述機器人路徑上每一點的機器人直角坐標空間的位姿以及各關節的旋轉角度的過程包括：所述切割槍切割所述工件的坡口過程中，所述切割槍沿著坡口邊的方向運動，并且所述切割槍與所述工件外側面的坡口邊所形成的夾角為設定的工件坡口角度，以得到所述機器人的末端在工件坐標系下的位姿；再根據所述機器人的末端在工件坐標系下機器人路徑中各點的坐標及位姿，將工件坐標系下路徑中各點的坐標及位姿轉化為機器人基坐標系下的坐標及位姿；根據所述機器人基坐標系下各點的坐標及位姿，解機器人逆運動學方程求出機器人各關節的旋轉角度。

本發明與現有技術相比，有益效果在于：本發明實施方式提供的火焰坡口機器人K型坡口切割裝置，通過離線編程的方式調節加設在火焰坡口機器人第六軸端部的切割槍的位姿及行走軌跡，零件無需翻身即可完成K型坡口的切割加工；相對于傳統火焰切割裝置，不僅可以降低設備投入及材料損耗，而且操作更顯直觀、簡單；更為重要的是，機器人離線編程可實現無間斷生產，程序化命令使零件的加工質量具有很高的穩定性，可明顯的縮短加工時間，量產的情況下更能極大的降低人工成本。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的火焰坡口機器人K型坡口切割裝置的結構示意圖。

圖2是圖1中的火焰坡口機器人K型坡口切割裝置的控制系統的結構示意圖。

圖3是圖1中的火焰坡口機器人K型坡口切割裝置的切割槍在切割K形坡口的內側坡口時的姿態及位置示意圖。

圖4是圖1中的火焰坡口機器人K型坡口切割裝置的切割槍在切割K形坡口的外側坡口時的姿態及位置示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

請參閱圖1至圖2所示，本發明提供的火焰坡口機器人K型坡口切割裝置用于對鋼結構中的K型坡口進行火焰切割。所述火焰坡口機器人K型坡口切割裝置包括機器人1、操作平臺2、激光掃描儀3、切割槍4、驅動裝置(未標號)及控制系統5。所述操作平臺2用于放置待加工的工件6。所述激光掃描儀3設置在所述切割槍4上并可沿所述切割槍4的長度方向移動以對所述切割槍4的位姿信息進行掃描，從而保證所述切割槍4在切割前的切割直線度，同時將掃描到的所述切割槍4的位姿信息傳遞給所述控制系統5。所述切割槍4與所述機器人1的末端連接并可隨所述機器人1的末端一起運動。所述控制系統5的內部通過離線編程方式設有所述切割槍4的姿態、位置及角度參數信息。所述控制系統5將所述切割槍4的實際位姿信息與其內部設定的所述切割槍4的參數信息進行比較以得出所述實際位姿信息與所設定的參數信息之間的差異，并將所述比較結果傳遞給所述驅動裝置。所述驅動裝置與所述機器人1及所述激光掃描儀3連接并根據所述控制系統5傳遞的信息驅動所述機器人1前進、后退、升降、旋轉等運動而帶動所述切割槍4自動調整所述切割槍4的姿態及行走軌跡以對所述工件6進行坡口切割。所述工件6可以單一的或者批量的放置在所述操作平臺2上并處于所述機器人1的工作范圍內，所述工件6的坡口的待切割面與所述機器人1的世界坐標系X/Y軸平行。

在本實施例中，所述機器人1為工業六軸機器人，所述激光掃描儀3為三維激光掃描儀。所述激光掃描儀3的排列方向與所述切割槍4的長度方向平行以便使所述激光掃描儀3具有沿所述切割槍4的長度方向移動的充足行程，且所述激光掃描儀3沿所述切割槍4的長度方向移動的行程范圍為50-100mm。所述切割槍4連接在所述機器人1的第六軸10的末端。所述切割槍4切割的電壓由切割電源提供，所述切割電源上設置有水冷裝置(未圖示)以用于降低所述切割電源的溫度，防止所述切割槍4因溫度過高而發生安全事故。所述切割槍4與所述第六軸10末端位于一條直線上或者處于相互平行的狀態，所述切割槍4的型號可根據坡口切割的需求進行調整，且與切割氧及燃燒氣體的壓力相匹配。所述驅動裝置為變頻步進電機。

所述控制系統5包括離線編程模塊50、校準模塊51及機器人控制器52。所述離線編程模塊50與所述校準模塊51及所述機器人控制器52電性連接，且相互間能進行數據傳遞。所述離線編程模塊50用于根據帶有所述工件6標準坐標的三維CAD模型生成所述工件6的加工路徑及利用預先建立或者已有的機器人模型以及選定的機器人路徑生成機器人離線數據代碼，所述校準模塊51根據所述掃描儀3掃描得到的所述切割槍4的位姿信息與內部通過離線編程所設定的所述切割槍4的參數信息進行比較以得出所述切割槍4的實際位姿信息與所設定的參數信息之間的差異，并將比較結果傳送給所述機器人控制器52，所述機器人控制器52根據所述比較結果修正所述機器人1及所述切割槍4的加工路徑。

所述機器人控制器52負責控制所述機器人1、所述激光掃描儀3及所述切割槍4的動作。所述機器人控制器52能夠通過所述工件6的厚度和坡口坐標自動計算生成所述機器人1及所述切割槍4的定位數據，該定位數據包括所述驅動裝置的位置參數，所述機器人1在所述驅動裝置的作用下帶動所述切割槍4旋轉180°，對所述工件6進行無翻身的內側坡口及外側坡口的切割。

所述離線編程模塊50包括輸入及讀取模塊500、離線數據生成模塊501、仿真模塊502及輸入控制模塊503。所述輸入及讀取模塊500、所述離線數據生成模塊501、所述仿真模塊502及所述輸入控制模塊503分別連接，且相互之間能進行數據傳遞。所述輸入及讀取模塊500用于輸入帶有工件標準坐標的三維CAD模型，及在所述CAD中讀取其二維圖形設計文件并對文件中的所述工件6設置坡口特征。

所述離線數據生成模塊501用于打開設置好的工件坡口的特征文件，并利用預先建立或者已有的機器人模型以及選定的機器人路徑，生成不同的機器人離線數據代碼；所述仿真模塊502用于對所生成的離線數據代碼進行計算機模擬、仿真和防碰撞數據驗證，然后輸出給所述輸入控制模塊503。

所述輸入控制模塊503用于接收所述仿真模塊502輸出的機器人離線數據代碼，將其傳輸到所述機器人控制器52中，從而控制所述機器人1帶動所述切割槍4完成對所述工件6的坡口切割。

在所述機器人1的路徑產生后，所述離線數據生成模塊501根據在工件坐標系下所述機器人路徑各點的坐標，該路徑的路徑方向，該路徑的坡口角度，計算該路徑上每一點的機器人直角坐標空間的位姿以及各關節的旋轉角度；通過采用齊次坐標變換來描述機器人機械手各關節坐標之間以及工件與機器人之間的關系，從而生成機器人離線數據代碼。在本實施例中，所述工件6的實際坐標與所述機器人離線數據代碼內的坐標值一致。

所述離線數據生成模塊501計算該路徑上每一點的機器人直角坐標空間的位姿以及各關節的旋轉角度的過程包括：所述機器人1通過所述切割槍4在切割所述工件6的坡口的過程中，所述切割槍4沿著坡口邊的方向運動，并且所述切割槍4與所述工件6外側面的坡口邊所形成的夾角為設定的工件坡口角度，如此就得到了所述機器人1的末端在工件坐標系下的位姿；再根據所述機器人1的末端在工件坐標系下機器人路徑中各點的坐標及位姿，將工件坐標系下路徑中各點的坐標及位姿轉化為機器人基坐標系下的坐標及位姿；根據所述機器人基坐標系下各點的坐標及位姿，解機器人逆運動學方程求出機器人各關節的旋轉角度即關節變量。由于所生成的機器人離線數據代碼是以機器人的各關節角度為基礎的，在生成離線數據代碼之前就能對這些關節變量進行判斷并選擇所述機器人1能夠實現的位置姿態，因此所述切割裝置在對所述工件6進行實際切割加工前就可以模擬出所述機器人1的全部工作姿態和路徑。

所述機器人控制器52在獲得所述離線數據生成模塊501傳遞的所述機器人離線數據代碼后，通過所述驅動裝置驅動所述機器人1及所述切割槍4按照所述離線數據對所述工件6進行坡口切割加工，同時所述激光掃描儀3適時掃描所述切割槍4的姿態、位置及角度等參數信息，并將掃描到的參數信息傳遞給所述校準模塊51，所述校準模塊51通過計算將所述位姿信息與所述離線編程數據進行比較以確定所述切割槍4的坐標是否存在偏差值，若存在偏差，則通過所述機器人控制器52適時調整所述機器人1及所述切割槍4的加工路徑以改變所述切割槍4的位姿及行走軌跡，從而修正所述切割槍4的實際加工路徑，直至能按照所述工件6的實際需求準確地加工出坡口。在本實施例中，所述工件6的坡口為K型坡口，所述切割裝置加工所述K型坡口的加工順序為先加工內側坡口，所述內側坡口加工完成后根據所述激光掃描儀3掃描的實際數據以及所述脫機數據，實時調整所述切割槍4的姿態和位置，以進行外側坡口的加工。

所述切割裝置切割K型坡口的加工過程如下：(1)待加工工件上料：將待加工工件6安裝在操作平臺2的加工區；(2)離線編程：通過人工標定同時在離線系統內進行模坡口切割過程的離線編程，并對切割過程內所述切割槍的姿態、位置及角度等參數進行記錄以形成離線數；通過所述離線編程模塊501通過輸入帶有工件標準坐標的三維CAD模型以及所述操作平臺2的坐標，在離線編程系統內建模并進行坐標轉換，生成工件加工路徑；(3)三維掃描：所述激光掃描儀3掃描所述切割槍4，得到相應的位姿信息以保證所述切割槍4在切割前的切割直線度，根據所述校準模塊51確定所述切割槍4的坐標偏差值，修正所述切割槍4的實際加工路徑并對所述工件6進行切割加工；(4)產品下料：將加工后的所述工件6從所述操作平臺2的加工區取下。

請參閱圖3所示，當所述切割槍4切割K型坡口的內側時，先找出所述工件6的K型坡口的中間線A，切割前先將切割槍4設置為垂直于所述工件6預熱，即圖3中的位置姿態100；當預熱結束，切割坡口時，所述切割槍4為圖3中的位置姿態101；切割結束后，所述切割槍4為圖3中的位置姿態102。

請參閱圖4所示，當所述切割槍4切割K型坡口的外側時，先找出所述工件6的K型坡口的外側基準線B，切割前先將切割槍4設置為垂直于所述工件6的外側基線B預熱，即圖4中的位置姿態100’；當預熱結束，對坡口進行切割時所述切割槍4為圖4中的位置姿態101’；切割結束后，所述切割槍4為圖4中的位置姿態102’。

本發明實施方式提供的火焰坡口機器人K型坡口切割裝置，通過離線編程的方式，調節加設在火焰坡口機器人第六軸端部切割槍頭的位姿、行走軌跡及其火焰峰線的狀態，零件無需翻身即可完成K型坡口的切割加工；相對于傳統火焰切割裝置，不僅可以降低設備投入及材料損耗，而且操作更顯直觀、簡單；更為重要的是，機器人離線編程可實現無間斷生產，程序化命令使零件的加工質量具有很高的穩定性，可明顯的縮短加工時間，量產的情況下更能極大的降低人工成本。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。