專利名稱：帶有結(jié)構(gòu)光檢測的三割炬h型鋼雙端自動切割機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機器人技術(shù)，具體涉及一種鋼材自動切割裝置。
背景技術(shù)：
基于H型鋼設(shè)計的大型結(jié)構(gòu)框架，被廣泛應(yīng)用于各種建筑領(lǐng)域，如陸地或海上石 油鉆井平臺、大型超市和體育場館、橋梁以及電視或通訊信號塔等。為方便施工，在框架搭 建前往往需要在H型鋼端頭切出適合焊接的接頭，比如在H型鋼的一個腹板和兩個翼板3 個平面上完成切割直線、曲線、圓弧、工藝孔、坡口等。由于H型鋼在軋制過程中存在尺寸 或形位公差，因此需要對被切割的H型鋼進行形狀和位置檢測。但是目前對H型鋼材兼具 檢測和切割的技術(shù)方法或裝置尚未見到。 目前對于簡單型材的切割技術(shù)較為普及，其中不乏已有用于生產(chǎn)的成品。大部分 切割機均采用火焰切割，將割炬固定在切割機構(gòu)的末端。上海建設(shè)焊割機具廠生產(chǎn)的H型 鋼切割機，是單車、單割炬切割，割炬自由度較低，一般用于切斷操作。2003年歐洲公開了 一種3割炬切割機的發(fā)明專利申請(H Beam StyleAuto Cutting Machine)，可以同時對H 型鋼的腹板、翼板進行切割。但此設(shè)備的割炬自由度較低，很難完成復雜的操作。上述提到 的兩種切割機均不能進行誤差檢測。由于H型鋼在三個面以及長度方向均存在彎曲或扭曲 形變，這些形變將直接影響切割質(zhì)量，甚至造成割炬和型鋼碰撞致使設(shè)備損壞。上海交通大 學、江南造船(集團)有限責任公司提出了一種激光定距方法的專利申請(型鋼機器人切 割與劃線系統(tǒng)的激光定距方法)，屬于單割炬切割。這種方法需要在機器人末端安裝激光檢 測設(shè)備，通過掃描的方式獲取型鋼的尺寸特征，然后根據(jù)所測數(shù)據(jù)對割炬軌跡進行修正。激 光掃描的方法，需要掃描多次才可獲得H型鋼詳細的尺寸，因此在一定程度上增加了輔助 時間，更主要的是不具備三割炬切割技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是將檢測和切割容為一體，提供一種帶有結(jié)構(gòu)光檢測的三割炬機器 人H型鋼雙端自動切割裝置。 以下結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)原理進行說明。本發(fā)明是一個帶有結(jié)構(gòu)光檢測H型鋼 形變、具有三個割炬(槍)對H型鋼兩端進行自動切割的裝置。三個割炬操作均由三個切 割機器人完成，其中兩個切割機器人具有四個自由度(3個平動1個轉(zhuǎn)動)，即沿X、 Y、 Z三 個軸線的平動；繞各自復合絲杠軸線的轉(zhuǎn)動；另一個切割機器人具有五個自由度(3個平動 2個轉(zhuǎn)動)，即沿X、Y、Z三個軸線的平動；繞復合絲杠軸線的轉(zhuǎn)動和繞聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動。其中 一號和三號切割機器人由大臂、小臂、復合絲杠和割炬組成，二號切割機器人的組成結(jié)構(gòu)與 一號和三號基本相同，區(qū)別是在復合絲杠和割炬之間加裝了一個聯(lián)軸器。結(jié)構(gòu)光檢測器由 結(jié)構(gòu)光發(fā)生器和圖像采集器組成。 在結(jié)構(gòu)上加工平臺平面固定設(shè)置兩根導軌，導軌縱向(X軸方向)和加工平臺縱 向一致，滑動平臺置于導軌上并可沿導軌縱向移動。橫梁通過立柱固定在滑動平臺上，橫梁和立柱組成作為支撐三個切割機器人的托架，其前側(cè)(X軸正方向)與加工平臺縱向平行， 作為被切割加工的H型鋼用夾具固定于滑動平臺上面，H型鋼縱向與加工平臺縱向平行。在 橫梁的前側(cè)開有導軌凹槽，一號和三號大臂的一端安裝在導軌凹槽內(nèi)構(gòu)成移動副，臂梁可 沿導軌凹槽左右滑移。 一號和三號大臂的另一端均與各自小臂的一端活動軸連接，小臂可 分別繞其大臂的安裝端水平轉(zhuǎn)動。 一號和三號小臂的另一端分別安裝各自的復合絲杠，復 合絲杠既可以沿Z軸方向平動和繞其軸線轉(zhuǎn)動又可以是上述兩種運動的合成，復合絲杠的 下端固定連接各自的割炬，割炬與加工平臺平行。 二號切割機器人組成結(jié)構(gòu)與一號和三號基本相同。但二號大臂的一端與橫梁的上 端面固定軸連接安裝，大臂可繞軸沿橫梁上端面水平轉(zhuǎn)動。在其復合絲杠的下端與聯(lián)軸器 連接，而且聯(lián)軸器的旋轉(zhuǎn)軸線與二號復合絲杠的軸線垂直；聯(lián)軸器的另一端與二號割炬活 動軸連接。二號割炬可繞聯(lián)軸器的旋轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動，且二號切割機器人的復合絲杠的軸線應(yīng) 在二號割炬轉(zhuǎn)動所形成的平面內(nèi)。 —號與三號切割機器人用來切割H型鋼兩側(cè)的翼板；二號切割機器人用于切割H 型鋼的腹板。機器人在切割機裝置的設(shè)置上為一號和三號兩個切割機器人位于切割機橫 梁的兩端，二號切割機器人位于一、三號兩個切割機器人之間。三個大臂的臂梁均與加工平 臺平面平行。 橫梁的上端面裝有結(jié)構(gòu)光檢測器支架，在該支架上裝有結(jié)構(gòu)光發(fā)生器和圖像采集 器。結(jié)構(gòu)光檢測器支架可隨著托架沿型鋼的縱向移動，從而結(jié)構(gòu)光發(fā)生器和圖像采集器可 對型鋼的多個X軸截面進行檢測。結(jié)構(gòu)光發(fā)生器將結(jié)構(gòu)光(一條光帶)照射到型鋼表面，當 該光帶遇到型鋼后，被型鋼遮擋，在該光帶面上顯示出H型鋼外形輪廓，然后由圖像采集器 采集圖像。圖像采集器將型鋼(H型鋼是型鋼中的一種)表面或截面形狀的圖像采入。結(jié) 構(gòu)光光源為紅外光。 結(jié)構(gòu)光發(fā)生器發(fā)出的結(jié)構(gòu)光與型鋼X軸垂直，豎直照射到型鋼表面，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)
光帶的寬度大于型鋼翼板外側(cè)面的距離。圖像采集器放置在結(jié)構(gòu)光發(fā)生器一側(cè)并與結(jié)構(gòu)光
面保持一定角度。有關(guān)系式如下 11 = 1hl = hXsin4) 其中1為與型鋼腹板縱向平面相垂直的長度；11為由圖像采集器采集到的型鋼 腹板平面與型鋼縱向垂直方向的長度；h為與腹板垂直方向的長度；hl為由圖像采集器采 集到的與腹板垂直方向的長度；小為圖像采集器與結(jié)構(gòu)光之間的夾角(如圖2與圖3)。上 述關(guān)系式顯示了圖像采集器采集的長度與實際長度的關(guān)系。 由圖像采集器采集到型鋼X軸向截面的實際形狀與待切割型鋼理想截面形狀進 行比較，可計算出型鋼的尺寸誤差、形位偏差(包括位移偏差和扭轉(zhuǎn)偏差)。由檢測到的誤 差信息可對割炬軌跡進行修正，從而形成正確的切割軌跡。


附圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理軸側(cè)圖。
附圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)光檢測裝置正視圖。
附圖3為本發(fā)明結(jié)構(gòu)光檢測裝置俯視圖。
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附圖4為本發(fā)明實施例需切割出H型鋼一種端頭的形式。
具體實施例方式
下面根據(jù)附圖詳細說明本發(fā)明的實施例。如附圖所示。帶有結(jié)構(gòu)光檢測的三割 炬H型鋼雙端自動切割機，具有加工平臺1、導軌2、滑動平臺3、橫梁4、立柱5、托架6、H型 鋼7、結(jié)構(gòu)光檢測器支架8、結(jié)構(gòu)光發(fā)生器9、圖像采集器10、導軌凹槽11、一號切割機器人 12-1、一號大臂13-1、一號小臂14-1、一號絲杠15-1、一號割炬16-1、二號切割機器人12-2、 二號大臂13-2、二號小臂14-2、二號絲杠15-2、聯(lián)軸器17、二號割炬16-2、三號切割機器人 12-3、三號大臂13-3、三號小臂14-3、三號絲杠15-3、三號割炬16-3、H型鋼翼板17和H型 鋼腹板18等。具體結(jié)構(gòu)為加工平臺l平面固定設(shè)置兩根導軌2，兩根導軌2平行且與加 工平臺l縱向(X軸方向)平行?；瑒悠脚_3置于導軌2并可沿導軌縱向移動。立柱5下 端固定在滑動平臺3上，橫梁4固定在立柱5上端，橫梁4與立柱5組成托架6，且托架6的 前側(cè)與X軸正向相同。H型鋼7用夾具固定于滑動平臺3上面。橫梁4的上端面裝有結(jié)構(gòu) 光檢測器支架8，在結(jié)構(gòu)光檢測器支架上裝有結(jié)構(gòu)光發(fā)生器9和圖像采集器10，結(jié)構(gòu)光檢測 器支架8可隨所述托架6沿H型鋼7縱向(X軸)移動，結(jié)構(gòu)光光源為紅外光。在橫梁4的 前側(cè)開有導軌凹槽ll。 —號、三號切割機器人12-1、 12-3由各自對應(yīng)的一號和三號大臂13-1、13-3、一號 和三號小臂14-1、14-3、一號和三號復合絲杠15-1、 15-3和一號和三號割炬16-1、16-3組 成。 一號和三號大臂13-l、13-3的一端安裝在導軌凹槽11內(nèi)構(gòu)成移動副，臂梁可沿導軌凹 槽左右滑移。 一號和三號大臂13-l、13-3的另一端均與一號和三號小臂14-l、14-3的一端 活動軸連接，一號和三號小臂14-1、14-3可分別繞其一號和三號大臂13-1、13-3的安裝端 水平轉(zhuǎn)動；一號和三號小臂14-l、14-3的另一端分別安裝一號和三號復合絲杠15-1、15-3， 一號和三號復合絲杠15-l、15-3的軸線與Z軸平行。復合絲杠既可以沿Z軸方向平動和繞 其軸線轉(zhuǎn)動，又可以是平動和繞軸兩種運動的合成，兩個復合絲杠15-l、15-3的下端分別 與一號和三號割炬16-l、16-3的活動軸連接，割炬與加工平臺平行。 二號切割機器人12-2由二號大臂13-2、二號小臂14-2、二號絲杠15_2、聯(lián)軸器17 和二號割炬16-2組成。二號大臂13-2的一端與橫梁4的上端面固定軸連接安裝，二號大 臂可繞軸沿橫梁4上端面水平轉(zhuǎn)動；二號大臂13-2的另一端與二號小臂14-2的一端活動 軸連接，二號小臂14-2可繞其二號大臂13-2的安裝端水平轉(zhuǎn)動；二號小臂14-2另一端安 裝二號復合絲杠15-2。 二號復合絲杠15-2的軸線與Z軸平行，二號復合絲杠的下端與聯(lián) 軸器17 —端固定連接，聯(lián)軸器軸線與二號復合絲杠垂直。聯(lián)軸器17的另一端與二號割炬 16-2活動軸連接，二號割炬16-2可繞聯(lián)軸器17的軸線轉(zhuǎn)動，且二號復合絲杠15-2的軸線 在二號割炬16-2轉(zhuǎn)動所形成的平面內(nèi)。 —號和三號割炬16-1、 16-3具有四個自由度其中3個平動1個轉(zhuǎn)動，即沿X、 Y、 Z軸的平動和繞一號和三號復合絲杠15-1、15-3軸線的轉(zhuǎn)動；二號割炬16-2具有五個自由 度其中3個平動和2個轉(zhuǎn)動，即沿X、 Y、 Z軸的平動；繞著二號復合絲杠15-2軸線的轉(zhuǎn)動 和繞著聯(lián)軸器17的轉(zhuǎn)動。三個大臂13-1 13-3的臂梁均與加工平臺1平面平行。 一號 切割機器人12-1用來切割H型鋼翼板17其中的一邊；三號切割機器人12-3用于切割翼板 17的另一邊；二號切割機器人12-2用于切割H型鋼腹板18。在機器人的安裝位置上，二號切割機器人12-2位于一號和三號兩個切割機器人12-l、12-3之間。絲杠的運動形式為只 轉(zhuǎn)動不上下移動、只上下移動不轉(zhuǎn)動、移動加轉(zhuǎn)動。 由于托架6固定在滑動平臺3上，所以能夠沿著H型鋼X軸縱向移動。當切割完H 型鋼的一端后，不用移動H型鋼，只需要移動托架，便可到達H型鋼的另一端對其進行切割。 同時托架可以停留在H型鋼X軸縱向的任意位置對其進行切割作業(yè)，這種設(shè)計可有效提高 了生產(chǎn)率。 結(jié)構(gòu)光檢測器支架8固定在托架6的后側(cè)，結(jié)構(gòu)光發(fā)生器9與水平面垂直，即結(jié)構(gòu)
光垂直的投射到H型鋼表面，圖像采集器10與結(jié)構(gòu)光束保持45° ，如圖2及圖3所示，即圖
中的①等于45° 。有如下關(guān)系 11=1 hl = hXsin45。 為了對本發(fā)明原理進行更詳細的說明，以下對一種普遍的H型鋼接頭形式進行切 割工藝的實施例(雙端切割)。 圖4所示為需將H型鋼一端所切割出的形式，翼板上開有坡口 ，腹板上需切出工藝 孔、圓角和開坡口，另一端形式亦如此。 H型鋼7置于加工平臺l，根據(jù)鋼材型號生成數(shù)控程序，此時結(jié)構(gòu)光檢測裝置開始 工作，對H型鋼X軸的多個截面進行檢測并得出誤差對軌跡進行修正。此后托架6到達H 型鋼一端，一、三號割炬同時動作，切除端頭腹板18上部的翼板17，此時二號割炬停在遠離 端頭的位置。 一號割炬切割完成后，離開端頭，三號割炬繼續(xù)動作切除腹板18下部的同側(cè) 翼板17，完成后離開端頭停止工作。 一、三號割炬退出后，二號割炬開始動作，對H型鋼腹 板18進行切割，起始位置為靠近一號割炬所切翼板的過焊孔起點A，當運行到第一個圓角 終點B時(如圖4)，一號割炬又開始動作，切除腹板18下側(cè)的翼板17，畢后一、二號割炬退 到遠離端頭的位置，切割工作即完成。托架6移動到H型鋼的另一端進行切割(過程略)， 切割作業(yè)完成。 本發(fā)明的特點及有益效果是，結(jié)構(gòu)光檢測裝置的存在提高了切割的精度，提高了 切割系統(tǒng)對不同型鋼的適應(yīng)性，兩個四自由度機器人用于切割翼板，五自由度機器人用于 切割腹板。每個切割機器人的多自由度保證了在工作區(qū)域切出需要的形狀。三個機器人獨 立控制，可對腹板、翼板同時切割，在保證切割精度基礎(chǔ)上，有效提高了H型鋼的切割效率。
權(quán)利要求
帶有結(jié)構(gòu)光檢測的三割炬H型鋼雙端自動切割機，具有加工平臺、導軌、滑動平臺、橫梁、立柱、托架、H型鋼、結(jié)構(gòu)光檢測器支架、結(jié)構(gòu)光發(fā)生器、圖像采集器、導軌凹槽、切割機器人、大臂、小臂、絲杠、割炬、聯(lián)軸器、H型鋼翼板、H型鋼腹板，其特征是加工平臺(1)平面固定設(shè)置兩根導軌(2)，滑動平臺(3)置于導軌(2)上并可沿導軌縱向移動，橫梁(4)通過立柱(5)固定在滑動平臺(3)上，橫梁和立柱組成作為支撐三個切割機器人的托架(6)，托架(6)也固定于滑動平臺(3)，托架前側(cè)與加工平臺(1)縱向平行，H型鋼(7)用夾具固定于滑動平臺(3)上面，橫梁(4)的上端面裝有結(jié)構(gòu)光檢測器支架(8)，在結(jié)構(gòu)光檢測器支架上裝有結(jié)構(gòu)光發(fā)生器(9)和圖像采集器(10)，在橫梁(4)的前側(cè)開有導軌凹槽(11)，一號、三號切割機器人(12-1、12-3)由各自對應(yīng)的一號和三號大臂(13-1、13-3)、一號和三號小臂(14-1、14-3)、一號和三號復合絲杠(15-1、15-3)和一號和三號割炬(16-1、16-3)組成，一號和三號大臂(13-1、13-3)的一端安裝在導軌凹槽(11)內(nèi)構(gòu)成移動副，臂梁可沿導軌凹槽左右滑移，一號和三號大臂(13-1、13-3)的另一端均與一號和三號小臂(14-1、14-3)的一端活動軸連接，一號和三號小臂(14-1、14-3)可分別繞其一號和三號大臂(13-1、13-3)的安裝端水平轉(zhuǎn)動；一號和三號小臂(14-1、14-3)的另一端分別安裝一號和三號復合絲杠(15-1、15-3)，復合絲杠既可以沿Z軸方向平動和繞其軸線轉(zhuǎn)動，又可以是平動和繞軸兩種運動的合成，兩個復合絲杠(15-1、15-3)的下端分別與一號和三號割炬(16-1、16-3)的活動軸連接，割炬與加工平臺平行，二號切割機器人(12-2)由二號大臂(13-2)、二號小臂(14-2)、二號絲杠(15-2)、聯(lián)軸器(17)和二號割炬(16-2)組成，二號大臂(13-2)的一端與橫梁(4)的上端面固定軸連接安裝，二號大臂可繞軸沿橫梁(4)上端面水平轉(zhuǎn)動，二號大臂(13-2)的另一端與二號小臂(14-2)的一端活動軸連接，二號小臂(14-2)可繞其二號大臂(13-2)的安裝端水平轉(zhuǎn)動；二號小臂(14-2)的另一端與二號復合絲杠(15-2)的上端連接，二號復合絲杠(15-2)的軸線與Z軸平行，二號復合絲杠的下端與聯(lián)軸器(17)一端固定連接，聯(lián)軸器軸線與二號復合絲杠垂直，聯(lián)軸器(17)的另一端與二號割炬(16-2)活動軸連接，二號割炬(16-2)可繞聯(lián)軸器(17)的軸線轉(zhuǎn)動，且二號復合絲杠(15-2)的軸線在二號割炬(16-2)轉(zhuǎn)動所形成的平面內(nèi)。
2. 按照權(quán)利要求1所述的帶有結(jié)構(gòu)光檢測的三割炬H型鋼雙端自動切割機，其特征是 所述一號切割機器人(12-1)用來切割H型鋼翼板(17)其中的一邊；所述三號切割機器人 (12-3)用于切割翼板(17)的另一邊；二號切割機器人(12-2)用于切割H型鋼腹板(18)。
3. 按照權(quán)利要求1或2所述的帶有結(jié)構(gòu)光檢測的三割炬H型鋼雙端自動切割機，其特 征是所述二號切割機器人(12-2)位于一號和三號兩個切割機器人(12-l、12-3)之間，所述 三個大臂(13-1 13-3)的臂梁均與加工平臺(1)平面平行。
4. 按照權(quán)利要求1所述的帶有結(jié)構(gòu)光檢測的三割炬H型鋼雙端自動切割機，其特征是 所述一號和三號割炬(16-1、16-3)具有四個自由度3個平動1個轉(zhuǎn)動，割炬沿X、Y、Z軸平 動與繞一號和三號復合絲杠(15-l、15-3)軸線的轉(zhuǎn)動；所述二號割炬(16-2)具有五個自由 度3個平動和2個轉(zhuǎn)動，割炬沿X、Y、Z軸平動，同時繞著二號復合絲杠(15-2)軸線轉(zhuǎn)動和 繞著聯(lián)軸器(17)轉(zhuǎn)動。
5. 按照權(quán)利要求1所述的帶有結(jié)構(gòu)光檢測的三割炬H型鋼雙端自動切割機，其特征是 所述結(jié)構(gòu)光檢測器支架(8)可隨所述托架(6)沿H型鋼(7)X軸向移動，所述結(jié)構(gòu)光光源為紅外光。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶有結(jié)構(gòu)光檢測的三割炬機器人H型鋼雙端自動切割系統(tǒng)，系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)光檢測及切割機器人等組成。切割機器人由大臂、小臂、絲杠和割炬組成。加工平臺設(shè)置兩根導軌，滑動平臺置于導軌上。橫梁通過立柱固定在滑動平臺上，托架亦固定于滑動平臺。橫梁上端面裝有結(jié)構(gòu)光檢測器支架，在支架上裝有結(jié)構(gòu)光發(fā)生器和圖像采集器，在橫梁的前側(cè)開有導軌凹槽。兩個機器人大臂的一端安裝在導軌凹槽內(nèi)構(gòu)成移動副，大臂、小臂、復合絲杠及割炬順序連接。另一機器人大臂接于橫梁上端面。其中兩個切割機器人具有四個自由度；另一個具有五個自由度。三個機器人獨立控制，可對腹板、翼板同時切割，在保證切割精度基礎(chǔ)上，有效提高了H型鋼的切割效率。
文檔編號B25J19/00GK101698263SQ200910070940
公開日2010年4月28日 申請日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者宋偉科, 李曉奇, 楊暉, 洪鷹, 王剛, 王國棟, 肖聚亮 申請人:天津大學