一种具备自翻转功能的雕刻机器人的制作方法

1.本发明属于智能化雕刻技术领域，具体涉及一种具备自翻转功能的雕刻机器人。


背景技术：

2.雕刻，就是由外向内一步一步地通过减去废料，循序渐进地将形体挖掘显现出来的过程。随着人类需求的不断增长，传统的手工雕刻速度慢和效率低的问题日益突出，已经跟不上现代人们的需要，急需提高雕刻的速度和质量，雕刻机器人由此而生。目前的雕刻机器人大多仍处于研发阶段，多见于小批量的教学性质的雕刻。以板式雕刻为例，充当雕刻基体的每片雕刻片尺寸均较小，每次雕刻时需要将雕刻片手动取来后再放在雕刻平台上，随后使用雕刻机器人来完成雕刻工作；每雕刻一片后，手动翻面再激光雕刻另外一面，最终形成雕刻成品。显然，上述雕刻流程繁复冗长，每次翻面均需重新定位基准，且半自动化的雕刻方式也随之带来雕刻效率始终无法达到最优化，亟待解决。


技术实现要素：

3.本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种具备自翻转功能的雕刻机器人，其可实现基于雕刻机器人的智能化和自动化的翻料需求，从而有效提升其雕刻效率。
4.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
5.一种具备自翻转功能的雕刻机器人，其特征在于：包括底座以及布置于底座上的工作台面，工作台面上划分有用于雕刻的雕刻区以及用于翻转雕刻片的翻转区；翻转区处设置翻转料口，且由该翻转料口向下延伸有开口朝上的料仓状的翻料腔；所述翻转料口的中部布置铅垂翻料板，翻料腔的前部腔壁与铅垂翻料板之间区域构成可供雕刻片进料和单向翻转的进料区，而铅垂翻料板与翻料腔的后部腔壁之间区域构成用于取出翻面后的雕刻片的取料区；
6.翻料腔的前部腔壁设有翻料曲面；在铅垂剖面上，以铅垂翻料板的铅垂状延长线与翻料腔的水平状底面所形成的交点为原点建立直角坐标系，翻料曲面所形成的滑动翻转曲线为抛物线，并同时满足以下公式：
7.y=0.07x
2-0.81x 2.29。
8.优选的，所述铅垂翻料板的顶端布置导料斜板，从而与翻转料口配合构成进料区的喇叭口状导料构造。
9.优选的，翻料腔外形呈四方腔体状，翻料腔的宽度等于雕刻片长度，翻料曲面与铅垂翻料板之间距离小于雕刻片宽度。
10.优选的，该雕刻机器人还包括送料组件；送料组件包括固定在机架上的导向槽，机架固定于底座的一侧；所述导向槽内可拆卸的装配有槽长方向彼此同向的料匣，且料匣的匣腔构成可供雕刻片逐层叠合放置的放置腔；雕刻片板面垂直料匣槽长方向，且料匣的顶部槽口构成用于供雕刻片出料的出料口，该出料口贯穿工作台面从而形成供料区；该出料组件还包括可产生沿导向槽槽长方向的升降动作的顶升臂，所述顶升臂的顶升端水平向进
入料匣的槽口后，再铅垂向上延伸并由下而上的托住放置腔内的最下层雕刻片。
11.优选的，所述导向槽与料匣彼此槽口相对；导向槽的槽底处贯穿设置长条状的通行孔或通行槽，所述通行孔的孔型长度方向或通行槽的槽长方向平行导向槽的槽长方向；机架上布置动力部以便驱动顶升臂产生升降动作，所述通行孔或通行槽构成用于避让顶升臂动作路径的避让结构。
12.优选的，所述动力部包括动力电机以及由动力电机驱动的丝杆滑块机构；动力部的动力丝杆回转配合的动力座上，动力座固定在机架处；动力滑块螺纹配合于动力丝杆上，且动力滑块上固定所述顶升臂，从而可使得顶升臂产生铅垂向的往复升降动作。
13.优选的，顶升臂外形呈“l”型杆状，顶升臂的铅垂段的顶端布置用于托撑最下层雕刻片的托板；所述料匣的槽底端布置可供托板由下而上穿过的收口，且该收口同时构成限制最下层雕刻片下行的止口构造；料匣的槽口处布置内翻边，从而形成收口槽结构。
14.优选的，所述导向槽的槽壁处凸设有止口板，料匣的外侧槽壁设置用于与止口板间形成铅垂向的止口配合的配合板，该配合板沿料匣外壁延伸至内翻边处；导向槽的槽口处布置用于在料匣卡入后避免料匣脱出的压板，所述压板的一端水平铰接在导向槽的其中一个槽口处，压板的另一端在产生铰接动作后卡在位于导向槽另一个槽口处的卡口处。
15.优选的，该出料组件包括用于监控最上层雕刻片位置的检测传感器；该出料组件还包括用于手动调节顶升臂所在高度的切换按钮。
16.优选的，该雕刻机器人还包括用于放置当前雕刻后的雕刻片的成品输出区，所述供料区、翻转区、雕刻区及成品输出区沿雕刻机械臂的工作端的动作路径依序均布；在成品输出区的旁侧还布置用于展示雕刻片的成品展示区。
17.本发明的有益效果在于：
18.1)、通过上述方案，本发明提供了一种基于现有雕刻机器人的改良型方案，也即通过布置翻转结构，来实现对双面雕刻的雕刻片的在线自主翻转目的。实际操作时，通过在工作台面上单独开辟出翻转区，并通过设计翻转料口来实现雕刻片的正面进料和反面出料目的，可显著提升其雕刻效率，翻转动作的可靠性和稳定性亦可得到有效保证。
19.2)、进一步的，本发明在基于上述结构的基础上，还提供了一种送料组件；一方面，通过顶升臂相对料匣的由下而上的顶料作业，可使得逐层叠合的雕刻片能一片片的按需顶出料匣或顶至指定高度处，从而满足雕刻机械臂的快速抓料需求。另一方面，通过料匣与导向槽的可拆卸式构造，使得料匣形成类似弹匣的功能；也即由于料匣与导向槽的可拆装性，使得料匣形成了可替换性设计，可同时准备多个放满雕刻片的料匣备用，待导向槽内的料匣中雕刻片用完后，可快速替换。
20.3)、作为本发明的进一步优选方案，料匣可以是采用导轨构造或套管构造来导向配合在导向槽内，也可以如本发明所述，采用彼此槽口相对的插接构造。本发明的槽口相对的导向槽与料匣的配合方式，使得顶升臂可以布置在整个组件的内侧也即机架上，从而空出外部区域以便于拆装料匣；工作时，顶升臂从通行孔伸入放置腔，即可实现雕刻片的顶升目的，从而提升其使用便捷性。
21.4)、对于动力部而言，可以是动力气缸，也可以是曲柄动力滑块甚至是齿轮齿条结构等。本发明优选采用丝杆滑块机构，从而一方面利用丝杆滑块机构搭配相应动力电机，来确保整体体积的小巧性和紧凑性；另一方面，丝杆滑块机构具备优良的自锁性，也保证了雕
刻片的上升稳定性，一举多得。
22.5)、实际装配时，导向槽与料匣之间必然是存在间隙的，此时通过止口板和配合板的配合，一方面可保证料匣在放入导向槽后，料匣在重力作用下自然的通过配合板由上而下的挂在导向槽的止口板处，匣腔内的雕刻片则被托板由下而上的托住；另一方面，料匣本身的收口和内翻边，也保证了雕刻片一旦放入就只能沿料匣的槽长方向被托出槽体。同时，止口板的设置，也能保证在导向槽槽腔尺寸不变的前提下，料匣尺寸可随雕刻片尺寸的变小而变小，只需确保止口板尺寸对应变化，从而使得止口板始终抵紧在导向槽槽腔上即可，因此可实现多套不同尺寸的料匣来配合同一型号的导向槽的设计目的。
23.6)、检测传感器，用于控制最上层雕刻片的位置；如需要每次最上层雕刻片始终处于与雕刻台同等高度时，可将检测传感器布置在于雕刻台等高处即可。切换按钮则用于当第一套料匣内雕刻片使用完毕时，直接按动切换按钮使顶升臂复位，此时顶升臂退出料匣，随后可实现新料匣的装入；甚至在必要时，还可以通过按动切换按钮，使顶升臂处托板重新由下而上的伸入料匣内，直至最上层雕刻片上升至检测传感器处，以保证后续该出料组件的工作效率及稳定性。
附图说明
24.图1为本发明其中一种实施例的立体结构示意图；
25.图2为翻料腔的结构剖视图；
26.图3为雕刻片相对翻料腔的翻面动作流程图；
27.图4为送料组件的立体结构示意图；
28.图5为送料组件的剖视图；
29.图6和图7为送料组件的结构爆炸图；
30.图8为翻料曲面所形成的曲线公式的坐标系图。
31.本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：
32.a-雕刻片 b-激光器
33.a-雕刻区 b-翻转区 c-供料区 d-成品输出区 e-成品展示区
34.10-底座 11-雕刻机械臂 20-工作台面 30-翻料腔
35.31-翻转料口 32-铅垂翻料板 32a-导料斜板 33-翻料曲面
36.40-送料组件 41-导向槽 41a-通行孔 41b-止口板
37.42-料匣 42a-收口 42b-内翻边 42c-配合板
38.43-顶升臂 43a-托板
39.44a-动力丝杆 44b-动力座 44c-动力滑块
40.45a-压板 45b-卡口
41.46-检测传感器 47-切换按钮 48-机架
具体实施方式
42.为便于理解，此处结合图1-8，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：
43.本发明的具体结构如图1-7所示，其主要结构包括底座10以及位于底座10上的工
作台面20。与传统雕刻机器人类似，工作台面20上均设置有用于雕刻的雕刻区a；图1所示为采用激光雕刻时的实施例示意图，可显然看出，雕刻区a为激光雕刻台，因此在雕刻区a下方布置激光器b，从而配合雕刻机械臂11来实现雕刻片的在线雕刻目的。
44.在上述结构的基础上，本发明一方面增加了翻转料口31，从而利用翻料腔30内独特的翻料曲面33的构造，从而实现了雕刻片在重力作用下的自翻面功能，以便于机器能自主的完成对雕刻片的双面雕刻目的。另一方面，本发明还增加有送料组件，进一步的确保了本发明从进料至雕刻至翻面至出料的一系列动作的全自动化工作效果。其中：
45.一、翻料腔30
46.翻转料口31如图1所示的位于工作台面20处，并布置在翻转区b 上，从而与供料区c、雕刻区a、成品输出区d和成品展示区e共同配合形成罗列在工作台面20上的各个工作区域。实际设计时，翻转料口 31实际上就是如图2-3所示的翻料腔30的顶部的仓口。
47.对于翻料腔30而言，其是本发明的一个重点构造。翻料腔30整体呈现四方形料仓状，翻料腔30的左右两侧壁之间距离也即仓体宽度与雕刻片的长度吻合，从而在放入及取出雕刻片时，雕刻片均不会在翻料腔30内产生回转动作；当然，如果雕刻片是横向放入的，那么仓体宽度也可以与雕刻片的宽度吻合，此处就不多作赘述。
48.在翻料腔30的左右侧壁确定后，翻料腔30的前后侧壁也需定义尺寸。在图2-3所示结构中，可看出，翻料腔30的后侧壁为垂直壁，方便取料，前侧壁的一段为曲面壁，也即翻料曲面33，从而方便雕刻片落料和翻面。为进一步的提升翻料曲面33对雕刻片的翻面效果，本发明还在翻转料口31处布置带有导料斜板32a的铅垂翻料板32，具体参照图2所示。工作时，铅垂翻料板32能与翻料腔30的腔壁配合，实现雕刻片的重力作用下的自翻转功能，结构简单、实用性高。
49.翻料曲面33的布置有所讲究，尤其是末端，要保证即使将雕刻片静止放在末端，雕刻片a也可以因为重力因素而自动滑落，以避免发生该段因趋于水平而导致的明显的降速卡停的状况，从而提升雕刻片的翻转可靠性。翻料曲面33的上述初始阶段接近竖直的设计方式，也可起到明显的加速效果，且该部分空间设计的比雕刻片a宽度小，以便在雕刻片翻转后，可避免再次翻转。通过前半段的接近垂直的加速后，雕刻片可顺利通过翻料曲面33的过渡段进入末端，从而落入仓底。
50.优选的，在铅垂剖面上，以铅垂翻料板的铅垂状延长线与翻料腔的水平状底面所形成的交点为原点建立直角坐标系，所述滑动翻转曲线满足以下公式：
51.y=0.07x
2-0.81x 2.29。
52.如图8所示可看出，整个进料区，其实可细分为由导料斜板32a构成的起始段坡线、由铅垂翻料板32a构成的抑制线以及由翻料曲面33 构成的滑动翻转曲线，其中滑动翻转曲线是翻转成功率的保证。更具体的：
53.1)、起始坡段的角度，确定了雕刻片a的起始状态及初始速度。滑动翻转曲线采用抛物线设计，以抑制线延长线与翻料腔30的水平底面的交点为原点，设计出曲线方程为：y=0.07x
2-0.81x 2.29的曲线，采用该滑动翻转曲线使得上半部分陡坡段坡度大，与起始坡段形成的夹角为 25
°
，并远小于45
°
。而在雕刻片a的底边落到滑动翻转曲线时，重力及压力的合力方向呈一定角度向下，且与水平方向夹角又不小于45
°
，有利于雕刻片趋于竖直方向滑落转变；
54.2)、抑制线为竖直设计，可使雕刻片保持竖直状态，且可避免雕刻片a产生反向翻转，并倾向于滑落至滑动翻转曲线的缓坡段，使雕刻片 a最终翻转完成，水平滑落至翻料腔30的水平状底面处。
55.3)、实践证明，上述曲线方程所形成的翻料曲面33，可完全避免雕刻片a接触到滑动翻转曲线的陡坡段时出现卡住现象，接触的同时还可以实现雕刻片a的持续变向，趋于竖直状态滑落，能够有很好的加速阶段；该滑动翻转曲线的下半部分为缓坡段，可以使竖直的雕刻片趋于水平状态，进而实现雕刻片的持续翻转。此外，陡坡段所集聚的动能，足以使雕刻片a顺利通过缓坡段实现雕刻片a的完全翻转及平稳落下。也即，上述滑动翻转曲线实现了雕刻片a的能量转换，由静止高势能的雕刻片，转变为低势能高动能状态，最终为低势能低动能状态。
56.在实践验证时，下表为雕刻片的翻转失败次数/总进料次数统计表：
[0057][0058]
表1雕刻片的翻转失败次数/总进料次数统计表
[0059]
从表1中可看出，通过试验室的不间断连续测试，使用本发明所述的曲线方程所形成的翻转曲面33，其结合起始段坡线和抑制线的角度设计，能够实现雕刻片a的100％的翻转成功率，成效显著。
[0060]
实际验证时，也可以获知本发明的工作效果：常规的雕刻片a的长宽高为51
×
28
×
1mm，而进料区的主要设计参数包括抑制线底端到滑动翻转曲线的垂直距离l和抑制线底端到滑动翻转曲线的竖直距离h两部分，设计时均期望两者均能小于雕刻片a的宽度，并大于雕刻片a宽度的的一半，即:b/2＜l＜b,b/2＜h＜b,同时需满足h＞l，抑制线为x＝0。显然，匹配本发明的上述曲线方程后，可得出此时的l、h符合条件，也应证了上述曲线方程的有效性。
[0061]
二、送料组件
[0062]
对于送料组件40而言，其外形参照图1及图4-7所示，包括用于约束雕刻片a使其呈现层叠布置的约束构件以及用于推动约束构件内的雕刻片a产生升程动作的推力构件。其中：
[0063]
约束构件包括固定在机架48上的槽口朝外的导向槽41，导向槽41 的槽腔可拆卸的安装有槽口朝内的料匣42,料匣42的槽腔如图3所示布置相应的雕刻片a。导向槽41和料匣42的外形参照图4-7所示，也即两者槽长一致且槽口相对。为保证料匣42相对导向槽41的固定效果，料匣42外壁布置外凸的配合板42c，而导向槽41槽腔处布置外凸的止口板41b，当料匣42卡入导向槽41时，止口板41b由上而下的止口配合在配合板42c处，从而限制料匣42产生轴向的持续下行动作。同时，导向槽41的槽口处如图4所示的铰接有压板45a，并通过压板45a与卡口45b的配合，来实现如图1所示卡接状态，从而限制料匣42由导向槽41槽口径向
的脱出导向槽41。料匣42的槽背处可布置把手，以提升其拆装便捷性。
[0064]
由于料匣42与导向槽41的可拆装性，使得料匣42形成了可替换性设计，可同时准备多个放满雕刻片的料匣42备用，待导向槽41内的料匣42中雕刻片用完后，可快速替换。同时，料匣42只要是外形一致均可使用本组件，甚至外形不同也可以通过配合板42c设计来适配导向槽41的槽腔，具有很强的兼容性。
[0065]
实际安装时，雕刻片a如图5所示叠放在料匣42内，从而使得料匣42呈现了类似弹匣的装配状态。料匣42的底部槽端布置收口42a，以确保雕刻片a不会由该处掉出料匣42。料匣42的槽口布置内翻边42b，从而形成缩颈槽状。料匣42的底部的收口42a可供推力构件处的托板 43a穿过，而内翻边42b之间预留出的间隙也形成了可供推力组件的顶升臂43动作的避让通道。
[0066]
对于推力构件而言，如图5-7所示，包括具备动力电机的丝杆滑块机构；丝杆滑块机构则包括安装在动力座44b上的动力丝杆44a以及动力滑块44c。动力滑块44c上固接顶升臂43的水平段，顶升臂43的铅垂段固接上述托板43a。工作时，如图5-7所示，顶升臂43先水平穿过导向槽41上的通行孔41a，再由下而上的铅垂向的伸入料匣42内，从而通过托板43a来实现对料匣42内雕刻片a的由下而上的托料和自动化送料功能。
[0067]
在上述结构的基础上，也可以考虑在约束构件上布置检测传感器 46，以便于监控最上层雕刻片的位置。切换按钮47用于当第一套料匣内雕刻片使用完毕时，直接按动切换按钮47使顶升臂43复位，此时顶升臂43退出空料匣，随后可执行空料匣的拆卸和新料匣的装入操作。甚至在必要时，还可以通过按动切换按钮47，使顶升臂43处托板43a 重新由下而上的伸入料匣42内，直至最上层雕刻片上升至检测传感器 46处，以保证后续该出料组件的工作效率及稳定性。
[0068]
为便于进一步理解本发明，此处给出本发明的具体工作流程如下：
[0069]
1)、按下切换按钮47，动力电机开始工作，驱动丝杆滑块机构带动顶升臂43下降至下限位；之后，打开压板45a，取出空料匣42，放入满料匣42；
[0070]
2)、关上压板45a，按下切换按钮47，丝杆滑块机构带动顶升臂43 上升，同步带动满料匣42内的雕刻片沿料匣42的槽腔上升，直至最上层雕刻片被检测传感器46检测到时，顶升臂43动作停止；
[0071]
3)、工作时，始终保持检测传感器46检测到当前的最上层雕刻片的状态；每当雕刻机械臂11取出最上层的雕刻片a后，动力电机就带动丝杆滑块机构动作一次，将第二层雕刻片顶升至再次被检测传感器46 检测到，随后动力电机停止动作。此时，原本的第二层雕刻片变成当前的最上层雕刻片，从而保持雕刻片始终统一的待取高度处。
[0072]
雕刻片翻转过程：每当雕刻片a的一面雕刻完成，而需翻转该雕刻片a时，通过带有吸盘的雕刻机械臂11将雕刻片a吸至图3所示的初始位置自然释放。随后，雕刻片a经由图3所示的各个自由下降阶段，使得雕刻片a姿态沿既定方向发生变化；以图3为例，此时雕刻片a逐渐由水平姿态转变为左侧朝下姿态并下落，随后以一定速度沿翻料曲线向右滑下，最终掉落进翻料腔30的仓底处，即可等待雕刻机械臂11再行取出至雕刻区a进行反面雕刻。
[0073]
当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现的相同或类似结构。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明
的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0074]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0075]
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。