本發明屬于工業自動化生產設備技術領域，涉及一種金屬智能切割設備輔助裝置，具體涉及一種小圓孔切割輔助裝置。

背景技術：

激光切割技術是利用經聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質，從而實現將工件割開。激光切割屬于熱切割方法之一。激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割和激光劃片與控制斷裂四類。

激光切割與其他熱切割方法相比較有許多優點。

1)切割速度快。用功率為1200w的激光切割2mm厚的低碳鋼板，切割速度可達600cm/min；切割5mm厚的聚丙烯樹脂板，切割速度可達1200cm/min。材料在激光切割時不需要裝夾固定，既可節省工裝夾具，又節省了上、下料的輔助時間。

2)切割效率高。由于激光的傳輸特性，激光切割機上一般配有多臺數控工作臺，整個切割過程可以全部實現數控。操作時，只需改變數控程序，就可適用不同形狀零件的切割，既可進行二維切割，又可實現三維切割。

3)切割質量好。由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能夠獲得較好的切割質量。激光切割切口細窄，切縫兩邊平行并且與表面垂直，切割零件的尺寸精度可達±0.05mm。切割表面光潔美觀，表面粗糙度只有幾十微米，甚至激光切割可以作為最后一道工序，無需機械加工，零部件可直接使用。材料經過激光切割后，熱影響區寬度很小，切縫附近材料的性能也幾乎不受影響，并且工件變形小，切割精度高，切縫的幾何形狀好，切縫橫截面形狀呈現較為規則的長方形。

4)非接觸式切割。激光切割時割炬與工件無接觸，不存在工具的磨損。加工不同形狀的零件，不需要更換“刀具”，只需改變激光器的輸出參數。激光切割過程噪聲低，振動小，無污染。

5)切割材料的種類多。與氧乙炔切割和等離子切割比較，激光切割材料的種類多，包括金屬、非金屬、金屬基和非金屬基復合材料、皮革、木材及纖維等。但是對于不同的材料，由于自身的熱物理性能及對激光的吸收率不同，表現出不同的激光切割適應性。

大多數激光切割機都由數控程序進行控制操作或做成切割機器人。激光切割作為一種精密的加工方法，幾乎可以切割所有的材料，包括薄金屬板的二維切割或三維切割。

在汽車制造領域，小汽車頂窗等空間曲線的切割技術都已經獲得廣泛應用。德國大眾汽車公司用功率為500w的激光器切割形狀復雜的車身薄板及各種曲面件。在航空航天領域，激光切割技術主要用于特種航空材料的切割，如鈦合金、鋁合金、鎳合金、鉻合金、不銹鋼、氧化鈹、復合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有發動機火焰筒、鈦合金薄壁機匣、飛機框架、鈦合金蒙皮、機翼長桁、尾翼壁板、直升機主旋翼、航天飛機陶瓷隔熱瓦等。

一般情況下，加工大平面的板材、整根的線材使用臺式激光切割機比較方便，使用cnc進行編程。加工較為復雜的三維曲面使用激光切割機器人比較靈活方便。

但是，在使用激光切割機器人切割金屬板時存在這樣的問題，特別是在汽車制造領域，往往需要在金屬板上切割很小直徑的小圓孔，使用機器人編程也可以使激光器沿著圓形切割，機器人系統的計算機是通過方程計算確定圓形的軌跡，在方程的取值范圍內取有限個點計算出多個點的坐標，把多個點的坐標依次連接起來組成一個近似的圓，所畫出的圓是按多邊形處理的，當圓孔的直徑較大，比如大于10mm時，多邊形的頂點數量較多，看起來是圓的，但是當圓孔的直徑較小時，比如小于3mm時，多邊形的邊數往往較少，切割出的小圓孔用肉眼就可以看出不是圓，而是一個多邊形，比如八邊形、六邊形，影響了產品的質量。再則，加工工件尺寸較大時，機器人的型號加大，其精度往往變低，重復定位精度也往往較低，特別是在運動中的定位精度更低，如果機器人的手臂固定住不動，重復定位精度相對較高一些。

技術實現要素：

本發明的目的在于改進現有技術的不足之處，提供一種固定在機器人手臂上能專門畫圓、不按多邊形處理畫圓程序、切割小圓孔精度較高的小圓孔切割輔助裝置。

本發明是通過以下技術方案來實現的：

一種小圓孔切割輔助裝置，包括旋轉組件、支架組件、激光器組件和旋轉驅動裝置；

旋轉組件包括導向電缸、旋轉支架、連桿、大齒輪、直線滑塊和直線導軌一，導向電缸包括導桿-導套的組合、電缸伺服電機、電缸體和電缸桿，電缸桿末端固定有缸桿末端板，導套和電缸體固定連接，導桿和缸桿末端板固定連接，電缸伺服電機和電缸體內的傳動機構連接，當電缸伺服電機通電旋轉時，驅動缸桿末端板平移；電缸體、大齒輪和直線導軌一分別和旋轉支架固定連接，旋轉支架上還設有環狀v形軌道，直線導軌一和缸桿末端板平移的方向相垂直，環狀v形軌道所在的圓環面與缸桿末端板平移的方向相垂直，環狀v形軌道的軸心線是旋轉中心線；缸桿末端板和連桿的一端通過鉸鏈一組成鉸鏈連接，連桿的另一端和直線滑塊通過鉸鏈二組成鉸鏈連接，直線滑塊和直線導軌一組成直線導軌副；當驅動缸桿末端板平移時，直線滑塊沿著與缸桿末端板平移方向相垂直的方向平移；直線滑塊上固定有深溝球軸承,深溝球軸承的內外圈相互繞轉的中心線是軸承中心線，軸承中心線和旋轉中心線平行；

支架組件包括下支架、三至八個槽形軸承、直線導軌二和機器人連接法蘭，三至八個槽形軸承分別通過三至八個軸承固定軸與下支架固定連接，三至八個槽形軸承圍成圓形，槽形軸承的外圓上有v形槽，與旋轉支架上的v形軌道嵌合，旋轉支架在三至八個槽形軸承的共同約束下只能旋轉運動，即旋轉組件通過三至八個槽形軸承和支架組件之間組成了旋轉副，旋轉支架繞旋轉中心線轉動；

旋轉驅動裝置包括旋轉伺服電機、小齒輪和電機支架，旋轉伺服電機的固定法蘭和電機支架固定連接，小齒輪和旋轉伺服電機的輸出軸固定連接，小齒輪和大齒輪嚙合，電機支架和下支架固定連接；當旋轉伺服電機通電旋轉時，通過小齒輪-大齒輪的組合驅動旋轉組件繞旋轉中心線旋轉；

激光器組件包括激光器支架、直線導軌三和十字滑塊，激光器支架上設有鉸鏈孔，深溝球軸承的外圈和鉸鏈孔配合組成轉動副；十字滑塊上有兩個滑槽，分別是方向垂直的上滑槽和下滑槽，上滑槽和直線導軌三組成直線導軌副，下滑槽與直線導軌二組成直線導軌副，直線導軌三和直線導軌二保持垂直狀態，直線導軌三和直線導軌二分別垂直于旋轉中心線；在上滑槽-直線導軌三組成的直線導軌副和下滑槽-直線導軌二組成的直線導軌副的共同約束作用下，激光器組件相對于支架組件只能沿直線導軌三或/和直線導軌二平移，不能做旋轉運動；

軸承中心線和旋轉中心線平行，兩者之間的距離是r；導向電缸的缸桿末端板伸出不同的長度，則連桿就處于不同的角度位置，連桿就推動直線滑塊沿與缸桿末端板運動方向相垂直的方向滑動到不同的位置，軸承中心線和旋轉中心線就有不同的距離r，并且缸桿末端板的位置坐標與軸承中心線和旋轉中心線之間距離r之間是一一對應的函數關系；當旋轉伺服電機通過小齒輪-大齒輪的組合驅動旋轉組件旋轉一圈時，軸承中心線就繞旋轉中心線旋轉一圈，深溝球軸承就通過鉸鏈孔帶動激光器組件在原地抖動一下，即激光器組件上的任何一個點在原地繞半徑r平動地旋轉一圈，當激光器組件上固定有激光器時，激光器的激光發射孔就繞半徑r畫圓形軌跡，并在附近的金屬板上切出一個小圓孔。本發明的支架組件上還設有機器人連接法蘭，用于與機器人手臂末端連接。

以上所述的導向電缸是現代工業自動化中使用相當成熟的產品，是將電缸伺服電機、導桿-導套組合與絲杠-螺母的組合一體化設計的模塊化產品，將電缸伺服電機的旋轉運動轉換成直線運動，同時將電缸伺服電機最佳優點-精確轉速控制、精確轉數控制、精確扭矩控制轉變成-精確線速度控制、精確位置控制、精確推力控制，是實現高精度直線運動系列的全新革命性產品。導向電缸的特點：閉環伺服控制，控制精度達到0.01mm；精密控制推力，控制精度可達0.1%；具有導向功能，不再需要配置其它的導向機構；導向電缸很容易通過伺服控制器與計算機等控制系統連接，實現高精密運動控制，導向電缸噪音低、節能、干凈、高剛性、抗沖擊能力強、超長壽命、操作維護簡單，導向電缸可以在惡劣環境下長期無故障運行，防護等級可以達到ip66。適應長期工作，并且實現高強度、高速度、高精度定位，運動平穩，噪音低。電缸伺服電機的控制方式有扭矩控制、轉數控制和轉速控制，相應地導向電缸的控制方式有力控制、位移控制和線速度控制。所以可以廣泛的應用在實驗儀器、造紙行業、化工行業、汽車行業、電子行業、機械自動化行業、焊接行業等。

以下說明本發明的使用過程：

1)機器人手臂帶動本實施例移動使激光發射孔靠近待切小圓孔的金屬板附近；

2)啟動電缸伺服電機，則電缸體內的傳動機構驅動缸桿末端板平移，通過連桿將上下平移運動轉換成了直線滑塊沿直線導軌一的左右平移運動，軸承中心線和旋轉中心線之間的距離r就隨著變化，調整r至需要的大小；

3)激光器點火，則激光發射孔發射激光開始切割金屬板；

4)啟動旋轉伺服電機，則通過小齒輪-大齒輪的組合的傳動作用，旋轉組件繞旋轉中心線旋轉一圈；

5)在上滑槽-直線導軌三組成的直線導軌副和下滑槽-直線導軌二組成的直線導軌副的共同約束作用下，激光器組件相對于支架組件只能沿直線導軌三或直線導軌二平移；于是深溝球軸承通過鉸鏈孔帶動激光器組件以旋轉中心線為軸心線，以軸承中心線和旋轉中心線之間的距離r為半徑在原地平動地抖動一圈，激光器組件上的任意一點都在原地抖動一圈，即激光器組件上的任何一個點在原地繞半徑r平動地旋轉一圈，激光器的激光發射孔也同樣地在原地繞半徑r平動地旋轉一圈，于是激光器在金屬板上切割出一個直徑是2xr的小圓孔，達到切割小圓孔的目的；

6)激光器熄火，機器人手臂帶動本發明移動到另一個待切圓孔的位置；

7)重復步驟2)至6)則在金屬板上又切割出另一個小圓孔。

本發明的有益效果：

1)能輔助機器人切割出直徑很小的圓孔，孔的形狀非常精確，原理是使激光發射孔在原地以孔半徑r作畫圓運動，但不是通過方程式上取有限個點坐標計算圓形軌跡，所以畫出的圓形不是一個多邊形，而是一個真正的圓，孔的形狀非常精確。

2)不妨礙激光切割機器人做其它的工作，比如在切割長的平直直線時，本實施例就當作是一個剛性的結構件，把激光器35固定連接在機器人手臂上。

附圖說明

圖1是本發明實施例的三維結構示意圖；

圖2是本發明實施例的正視圖；

圖3是圖2中a向視圖；

圖4是圖3中沿b-b線的剖視圖；

圖5是旋轉組件1的三維結構示意圖；

圖6是旋轉組件1的正視圖，旋轉支架12剖開的狀況；

圖7是激光器組件3的三維結構示意圖；

圖8是支架組件2和旋轉驅動裝置4組合的三維結構示意圖；

圖9是十字滑塊34的三維結構示意圖；

圖10是圖4中i處的局部放大示意圖；

圖中所示：1.旋轉組件；11.導向電缸；111.導桿-導套組合；112.電缸伺服電機；113.電缸體；114.缸桿末端板；m.缸桿末端板114平移的方向；115.旋轉中心線；12.旋轉支架；13.鉸鏈一；14.連桿；15.大齒輪；16.鉸鏈二；17.直線滑塊；n.缸桿末端板114平移時直線滑塊17的移動方向；171.深溝球軸承；172.軸承中心線；18.直線導軌一；19.v形軌道；r.偏心半徑；2.支架組件；21.下支架；22.槽形軸承；23.直線導軌二；24.機器人連接法蘭；25.軸承固定軸；3.激光器組件；31.激光器支架；32.鉸鏈孔；33.直線導軌三；34.十字滑塊；341.上滑槽；342.下滑槽；35.激光器；351.激光發射孔；4.旋轉驅動裝置；41.旋轉伺服電機；42.小齒輪；43.電機支架。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明：

實施例：參見圖1至圖10。

一種小圓孔切割輔助裝置，包括旋轉組件1、支架組件2、激光器組件3和旋轉驅動裝置4；

旋轉組件1包括導向電缸11、旋轉支架12、連桿14、大齒輪15、直線滑塊17和直線導軌一18，導向電缸11包括導桿-導套的組合111、電缸伺服電機112、電缸體113和電缸桿，電缸桿末端固定有缸桿末端板114，導套和電缸體113固定連接，導桿和缸桿末端板114固定連接，電缸伺服電機112和電缸體113內的傳動機構連接，當電缸伺服電機112通電旋轉時，驅動缸桿末端板114沿方向m平移，或者反向平移；電缸體113、大齒輪15和直線導軌一18分別和旋轉支架12固定連接，旋轉支架12上還設有環狀v形軌道19，直線導軌一18和缸桿末端板114平移的方向m相垂直，環狀v形軌道19所在的圓環面與缸桿末端板114平移的方向m相垂直，環狀v形軌道19的軸心線是旋轉中心線115；缸桿末端板114和連桿14的一端通過鉸鏈一13組成鉸鏈連接，連桿14的另一端和直線滑塊17通過鉸鏈二16組成鉸鏈連接，直線滑塊17和直線導軌一18組成直線導軌副；當驅動缸桿末端板114沿方向m平移時，或者反向平移時，直線滑塊17沿著與m相垂直的方向n平移；直線滑塊17上固定有深溝球軸承171,深溝球軸承171的內外圈相互繞轉的中心線是軸承中心線172，軸承中心線172和旋轉中心線115平行；

支架組件2包括下支架21、四個槽形軸承22、直線導軌二23和機器人連接法蘭24，四個槽形軸承22分別通過四個軸承固定軸25與下支架21固定連接，四個槽形軸承22圍成圓形，槽形軸承22的外圓上有v形槽，與旋轉支架12上的v形軌道19嵌合，旋轉支架12在四個槽形軸承22的共同約束下只能旋轉運動，即旋轉組件1通過四個槽形軸承22和支架組件2之間組成了旋轉副，它的旋轉中心線是旋轉中心線115；

旋轉驅動裝置4包括旋轉伺服電機41、小齒輪42和電機支架43，旋轉伺服電機41的固定法蘭和電機支架43固定連接，小齒輪42和旋轉伺服電機41的輸出軸固定連接，小齒輪42和大齒輪15嚙合，電機支架43和下支架21固定連接；當旋轉伺服電機41通電旋轉時，通過小齒輪42-大齒輪15的組合驅動旋轉組件1繞旋轉中心線115旋轉；

激光器組件3包括激光器支架31、直線導軌三33和十字滑塊34，激光器支架31上設有鉸鏈孔32，深溝球軸承171的外圈和鉸鏈孔32配合組成轉動副；十字滑塊34上有兩個滑槽，分別是方向垂直的上滑槽341和下滑槽342，上滑槽341和直線導軌三33組成直線導軌副，下滑槽342與直線導軌二23組成直線導軌副，直線導軌三33和直線導軌二23保持垂直狀態，直線導軌三33和直線導軌二23分別垂直于旋轉中心線115；在上滑槽341-直線導軌三33組成的直線導軌副和下滑槽342-直線導軌二23組成的直線導軌副的共同約束作用下，激光器組件3相對于支架組件2只能沿直線導軌三33或/和直線導軌二23平移，不能做旋轉運動；

軸承中心線172和旋轉中心線115平行，兩者之間的距離是r；導向電缸11的缸桿末端板114沿方向m伸出不同的長度，則連桿14就處于不同的角度位置，連桿14就推動直線滑塊17沿方向n滑動到不同的位置，軸承中心線172和旋轉中心線115就有不同的距離r，并且缸桿末端板114的位置坐標與軸承中心線172和旋轉中心線115之間距離r之間是一一對應的函數關系；當旋轉伺服電機41通過小齒輪42-大齒輪15的組合驅動旋轉組件1旋轉一圈時，軸承中心線172就繞旋轉中心線115旋轉一圈，深溝球軸承171就通過鉸鏈孔32帶動激光器組件3在原地抖動一下，即激光器組件3上的任何一個點在原地繞半徑r平動地旋轉一圈，當激光器組件3上固定有激光器35時，激光器35的激光發射孔351就繞半徑r畫出圓形軌跡，并在附近的金屬板上切出一個小圓孔。本實施例的支架組件2上還設有機器人連接法蘭24，用于與機器人手臂末端連接。

以上所述的導向電缸是現代工業自動化中使用相當成熟的產品，是將電缸伺服電機、導桿-導套組合與絲杠-螺母的組合一體化設計的模塊化產品，將電缸伺服電機的旋轉運動轉換成直線運動，同時將電缸伺服電機最佳優點-精確轉速控制、精確轉數控制、精確扭矩控制轉變成-精確線速度控制、精確位置控制、精確推力控制，是實現高精度直線運動系列的全新革命性產品。導向電缸的特點：閉環伺服控制，控制精度達到0.01mm；精密控制推力，控制精度可達0.1%；具有導向功能，不再需要配置其它的導向機構；導向電缸很容易通過伺服控制器與計算機等控制系統連接，實現高精密運動控制，導向電缸噪音低、節能、干凈、高剛性、抗沖擊能力強、超長壽命、操作維護簡單，導向電缸可以在惡劣環境下長期無故障運行，防護等級可以達到ip66。適應長期工作，并且實現高強度、高速度、高精度定位，運動平穩，噪音低。電缸伺服電機的控制方式有扭矩控制、轉數控制和轉速控制，相應地導向電缸的控制方式有力控制、位移控制和線速度控制。所以可以廣泛的應用在實驗儀器、造紙行業、化工行業、汽車行業、電子行業、機械自動化行業、焊接行業等。

以切割2mm的小圓孔為例說明本實施例的使用過程：

1)機器人手臂帶動本實施例移動使激光發射孔351靠近待切小圓孔的金屬板附近；

2)啟動電缸伺服電機112，則電缸體113內的傳動機構驅動缸桿末端板114沿方向m平移，通過連桿14將上下平移運動轉換成了直線滑塊17沿方向n的左右平移運動，軸承中心線172和旋轉中心線115之間的距離r就隨著變化，調整r至1mm；

3)激光器35點火，則激光發射孔351發射激光開始切割金屬板；

4)啟動旋轉伺服電機41，則通過小齒輪42-大齒輪15的組合的傳動作用，旋轉組件1繞旋轉中心線115旋轉一圈；

5)在上滑槽341-直線導軌三33組成的直線導軌副和下滑槽342-直線導軌二23組成的直線導軌副的共同約束作用下，激光器組件3相對于支架組件2只能沿直線導軌三33或直線導軌二23平移；于是深溝球軸承171通過鉸鏈孔32帶動激光器組件3以旋轉中心線115為軸心線，以r=1mm為半徑在原地平動地抖動一圈，激光器組件3上的任意一點都在原地抖動一圈，即激光器組件3上的任何一個點在原地繞半徑r=1mm平動地旋轉一圈，激光器35的激光發射孔351也同樣地在原地繞半徑r=1mm平動地旋轉一圈，于是激光器35在金屬板上切割出一個直徑是2mm的小圓孔，達到切割小圓孔的目的；

6)激光器35熄火，機器人手臂帶動本實施例移動到另一個待切圓孔的位置；

7)重復步驟2)至6)則在金屬板上又切割出另一個小圓孔。

本實施例的有益效果：

1)能輔助機器人切割出直徑很小的圓孔，孔的形狀非常精確，原理是使激光發射孔351在原地以孔半徑r作畫圓運動，但不是通過方程式上取有限個點坐標計算圓形軌跡，所以畫出的圓形不是一個多邊形，而是一個真正的圓，孔的形狀非常精確。

2)不妨礙激光切割機器人作其它的工作，比如在切割長的平直直線時，本實施例就當作是一個剛性的結構件，把激光器35固定連接在機器人手臂上。