CN100450728C - 用带两个机械臂的龙门架遥控机械装卸大而重的工件 - Google Patents

用带两个机械臂的龙门架遥控机械装卸大而重的工件 Download PDF

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Abstract

一种遥控机械系统，在工作空间内装卸传送工件，包括：一条地板上支撑的导轨(20)，导轨上的至少两个沿着导轨相对移动和协同移动的机械臂(50)，每条臂绕数条轴绞连转动以抓住并支撑工件(76)，以及一台控制器(96)联络每条机械臂以控制机械臂的移动和转动，每个钳子(78，80)抓住工件，机械臂将工件抬离地面，沿着导轨传送，钳子在目的地松开该工件。

Description

用带两个机械臂的龙门架遥控机械装卸大而重的工件
和本申请相关的参考文献
本专利申请要求保护2003年7月18日递交的美国临时专利申请号60/488,668的主题，在此引用该申请的所有内容。
技术领域
本发明涉及用协同起重机架(coordinated gantry)对工件进行材料装卸，特别地，本发明涉及一个包括数个可沿着导轨移动的遥控机械(robots)的系统。
背景技术
特制的自动传送设备，重型区域起重机架和重载基座遥控机械都是利用传统技术按照要求在车间地板上短距离传送大而重的工件。
单个的重载遥控机械通常需要硕大的工具来抓住巨大的工件，这严重地影响了可用于工件的有效载荷，同时这种钳子设计非常复杂繁复。工件的尺寸和重量受机械腕轴的惯性限制。如果该遥控机械被固定在地板上，则其工作范围有限，同时，其装卸大工件时无法胜任长距离传送。单个的重载遥控机械若被装到地板，导轨或轨道上，则要实现长距离传送会遇到巨大的物理障碍，他们不能轻易地适用于各种工件尺寸，可能需要额外的工具或装备调整来对工具结构和零件重新配置。
特制的自动传送设备是针对每种用途而定制的，需要大量的设计工作和漫长的订货至交货的时间。这种设备是定型的，或者需要高度复杂的结构以获得所需的适应性。其占有大量空间，安装复杂，需要很长的调试时间，特别是当其大到可以适用于特别巨大的工件。
传统的起重机架不容易支持工件转向和工件传送控制，其一般需要大型工具来抓持大型工件，工具的设计非常复杂繁复，特别是当需要工件转向，且将转向功能被整合到工具中时。传统的起重机架如果使用固定的垂直柱子，则需要很高的顶梁间隔，或者如果使用伸缩式垂直柱子，则成本很高且载荷下降。由于起重机架巨大的结构，其轨迹比有用的移动范围大得多，其需要巨大的空间和安装资源，特别是如果其尺寸适用于特别巨大的工件。
发明内容
本发明提供了一种协同的高载荷六轴龙门架遥控机械(six-axis gantryrobot)，带有方向控制以传送大而重的工件。提升导轨轴为尺寸在很宽范围内的工件提供大范围的移动，因此在不影响地板水平物流的前提下，节约了车间占地面积。
本发明提供了一种移动工件的系统，其带有数个沿着导轨独立和协同移动的遥控机械，按照控制算法控制这些遥控机械，算法以计算机程序的形式储存在连通控制器的存储器内。在控制器的控制下，机械臂使用多个协同移动的遥控机械沿着导轨预定的路径抓紧、抬高、传送、放低和松开各种工件。
在车间装卸并传送工件的遥控机械系统包括一条地板上支撑的导轨，导轨上支撑至少两个沿着导轨独立移动和协同移动的机械臂，每条臂绕数条轴绞接(articulating)以抓住并支撑工件。一台控制器联络每条机械臂以控制机械臂的移动和关节转动。每个钳子在第一位置抓住靠近导轨的工件，用机械臂将该工件抬离地面，沿着导轨传送，钳子在目的地松开该工件。
比起单个重载基座遥控机械，协同绞接起重机架遥控机械的工具设计大大简化，每个遥控机械的工具可以既小又轻，因此加大了能用于工件的有效载荷。工件的尺寸不受机械腕轴的惯性限制，遥控机械导轨轴提供的机动性使大工件实现了长距离传送，在高处安装的导轨改善了物流和地板水平(at floor level)的工艺流程。协同遥控机械组合在一起获得了高度灵活的自动转换，其能根据不同的零件尺寸和形状调整，利用导轨轴来取得巨大的调整范围，同时其使用连接到独立的六自由度遥控机械上的独立工具，能在最优化的位置和方向抓住不同的工件。
比起特制的自动传送设备，标准遥控机械产品可以以最低限度的定型设计和标准订货至交货的时间用于协同绞接起重机架遥控机械。高度灵活的方案结合了标准的六自由度遥控机械，实现了工具简单化。在高处的安装节省了车间的占地面积。由于多个轻型零件设备的功能结合到了一起而获得的优异功能，安装和调试都变得容易管理。
比起传统的起重机架，借助铰接的协同起重机架遥控机械，能很容易地控制工件的方向和零件传送。工具设计和五金机件得到简化而变轻，其不再整合用于工件转向和方向控制的设备，也不再要求高天花板，系统的轨迹完全处于遥控机械的工作范围之内，节省了车间的空间。
附图说明
本行业的技术人员通过以下的优选的具体实施方式参考附图能很容易地理解本发明的优点：
图1是车间地板上由柱子支撑的导轨的俯视图，根据本发明，导轨在其水平面上以“悬挂”结构支撑铰接的机械臂；
图2是图1中设备的侧视图；
图3是车间地板上由柱子支撑的导轨的侧视图，根据本发明的另一实施例，导轨在其竖直面上以“侧挂”结构支撑铰接的机械臂；
图4是图1和2中设备的侧视图；
图5是图1到3所示机械臂的立体图；
图6是图1和2中的两个机械臂抓住工件时的俯视图；
图7是另一实施例中的双机械臂抓住长工件时的侧视图。
具体实施方式
图1-4描述了悬在工厂车间地板22工作区上方的导轨20。导轨20在靠近两端处由柱子24，26支撑，较佳地，柱子的形状是中空的圆柱形管。凸缘对28，30位于每根柱子的底端，放射状地由柱子向外伸展，凸缘与柱子以及底盘32焊接在一起。位于底盘32的周围的螺钉34将底盘32固定到地板22上，或固定到位于地板平面上或靠近地板平面的支撑面上。当柱子24，26间的跨度超过了预设长度，可以在两端柱子24，26之间增加至少一个附加柱子36，给导轨20提供中间支撑。
图3和4描绘了导轨20用U形螺栓对40，42固定在柱子24，26上，并隔开很短距离，螺栓箍紧柱子的环形轮廓，并由穿在螺栓40，42上的固定器44固定。导轨20包括在一侧的第一侧面46和相对的装有机械臂50第二侧面48。图4中，导轨20的方向是侧面46处于朝上的平面而侧面48朝下。导轨通过表面46上的支架52处的U形螺栓40，42，还有导轨第三短侧面上的U形螺栓40，42固定到柱子24，26上，该第三短侧面面对柱子呈垂直面。机械臂50固定在平面48上，如图1和2，沿着导轨20以“悬挂”的形式移位。
图3中，导轨20相对图4转动了90度，方向是侧面46处于朝向柱子26，28的垂直平面而侧面48背对柱子。机械臂50固定在平面48上，沿着导轨20以“侧挂”的形式移位。
机械臂50为电动伺服驱动机械臂，其沿着导轨20移动而完成物料装卸以及机械维护保养。“侧挂”位置(图3)使机械臂垂直伸展距离最大化，而“悬挂”位置(图4)则将对称的工作范围最大化。机械臂50在导轨20上的移动距离会有差别，较佳地，使用不带电刷的交流电伺服电动机(图中未示)配合齿轮齿条驱动器(图中未示)驱动机械臂50沿着导轨20移动。
优选地，如图1和2所示，每条导轨20上支撑一个以上的机械臂50，或者多条导轨可以贴近地布设，每条导轨支撑一条机械臂50或多条机械臂，上述的两种情况下，受控的机械臂50相互协调抓住大工件并将其从地板22上的拾起位置传送到放下位置。机械臂50可以到达导轨20的两端以获取更大的工作空间，或者每个机械臂可以不同另一个机械臂协作，在单个机械臂的载荷和工作范围内装卸单个工件。
优选地，如图5所示，机械臂50通过在多个轴60，62，64，66，68绞接可具有六自由度，并可沿着导轨20的轴70做线性移动。在臂50的自由端有一个腕72，其上可固定一个随腕一起移动的钳子。钳子可以采用任何在机械臂上常用的技术来抓取，升高，传送和放开工件，用到的技术包括(但不仅限于)磁性的，液压的，真空的和机械的技术。
图6显示了钳子78，80抓住的工件76，每个钳子由一条机械臂50上的腕72支撑，机械臂互相协同传送工件。较佳地，两个机械臂50都由同一条导轨20支撑。当工件76具有均匀的质量分布，比如工字梁或压制部件，则钳子78，80在相对的两端抓住工件76，每个机械臂大致承受二分之一的工件重量而不会对腕72产生很大的力矩。
当机械臂50由同一条导轨支撑而工件76相对较长时，臂50可以和导轨一样在横向延伸，而工件可以相对导轨轴70以横向，垂直或倾斜方式传送。但是当工件82相对较短，双臂遥控机械的臂50`优选地是如图7所示，与导轨20的横向相反，工件与导轨垂直，沿着导轨从拾起位置传送到放下位置。例如，在图2中，钳子在地板22上任何要求的拾起位置90拾起工件76，82，将其沿着导轨20传送到任何要求的放下位置92，然后放松工件。
机械臂50，50`在每根轴上有驱动电动机84，86，87以使臂分别绕每根轴绞接转动。另一个电动机85使臂沿着导轨20的轴70移动。移动和枢轴转动(articulate)机械臂50，50`的电动机由导管94连接，该导管连接到电源和基于微处理器的控制器96(图5)，控制器96连接到存有算法的电子存储器并且协调机械臂的移动，控制臂互相协调着抬高、抓持、传送和松开工件。该控制算法使系统能自我调整形状以装卸任何长度的工件，使工件传送时能有足够空间，该传送空间是由导轨的长度决定的。除了抬高和传送工件76，82，机械臂50，50`能互配合相转动改变工件相对导轨20的位置，这使得工件76，82能从拾起位置90被移动到放下位置或终点92，并能使工件在放下位置的姿态位置与拾起位置不同。
比方说，图6显示了机械臂50抓住了工件76的两末端，机械腕72已经从图2所示的位置发生转动，这样钳子78，80就能牢固地把持住工件。机械腕72使钳子78，80的方向顺着导轨20的纵轴70的方向，这样钳子就能沿着一条与导轨纵轴平行的纵轴传送工件76。在图7中，机械腕72使钳子78，80的方向垂直于导轨20的轴，垂直于纵轴70传送工件82。
钳子72能装卸具有不同的几何形状、尺寸和重量的复杂零件而不会像传统钳子一样受到重量和尺寸的限制。多个钳位使每个钳子都能得到优化而胜任特殊的钳位。这改善了本发明系统的遥控机械的举重效率。
本发明对于尺寸，重量，复杂度或者钳位(钳子抓起工件的地方)的数量的确没有限制。机械臂50，50`协同装卸和传送普通工件，适用于重量和长度超过单个机械臂能力的又重又长的工件。
按照专利法的规定，这里用较佳的实施例来描述本发明，但要注意的是本发明能以不同于实施例的方式实施，而不偏离本发明的构思或范围。

Claims (11)

1.一种龙门架遥控机械系统，在有地板的车间装卸和传送具有不同尺寸、重量和形状的大而重的工件，包括：
导轨(20)，其具有纵向延伸的侧面(48)，并由间隔开的第一和第二柱子(24，26)固定支撑于地板(22)上，其中所述柱子(24，26)固定于地板(22)上，而所述导轨(20)固定于所述柱子(24，26)上；
至少两个机械臂(50)，其在导轨(20)上沿所述侧面(48)彼此相对移动和协同移动，每条机械臂都支撑一个钳子，并能沿所述导轨(20)的一个线性轴(70)移动和绕五个旋转轴(60，62，64，66，68)枢轴转动，使钳子抓住并每次支撑一个工件(76)，其中所述机械臂(50)定位到所述导轨(20)的所述侧面(48)上；和
控制器(96)，其联络每条机械臂(50)以在六个自由度上控制机械臂的移动和枢轴转动，使机械臂使用所述钳子将工件(76)抬离地面，沿着导轨(20)传送，使钳子松开该工件。
2.按照权利要求1所述的系统，其中所述机械臂(50)在所述导轨(20)上的定位进一步包括：
第一和第二柱子(34，36)沿着导轨(20)间隔设置，从地板向上延伸，并于底座(32)处固定在地板上；且
其中，导轨邻接柱子且包括固定到柱子上的第一表面(46)和所述侧面(48)，该侧面(48)为与所述第一表面相对的竖直平面。
3.按照权利要求1所述的系统，其中所述机械臂(50)在所述导轨(20)上的定位进一步包括：
第一和第二柱子(34，36)沿着导轨(20)间隔设置，从地板向上延伸，并于底座(32)处固定在地板上；且
其中，导轨邻接柱子且包括固定到柱子上的第一表面(46)和所述侧面(48)，该侧面(48)为与所述第一表面相对的水平平面。
4.按照权利要求1所述的系统，其中，机械臂(50)包括：
五个旋转轴(60，62，64，66，68)，其沿着机械臂(50)分布，并使机械臂(50)绕旋转轴(60，62，64，66，68)枢轴转动；和位于机械臂(50)末端的腕(72)，以支撑其上的钳子。
5.按照权利要求1所述的系统，其中，每个钳子都分别固定在相应的机械臂(50)上以随之移动，每个钳子都有一个抓持工件的表面，这就防止当钳子抓住工件时，工件相对钳子发生移动。
6.按照权利要求1所述的系统，其中，每个钳子借助电磁，液压，真空和机械驱动的其中之一抓住并支撑工件。
7.一种用龙门架遥控机械系统移动大而重的工件的方法，包括以下步骤：
a.提供导轨(20)，其具有纵向延伸的侧面(48)，并由间隔开的第一和第二柱子(24，26)固定支撑于地板(22)上，其中所述柱子(24，26)固定于地板(22)上，而所述导轨(20)固定于所述柱子(24，26)上；
b.在导轨的侧面(48)上支撑至少两个枢轴转动的机械臂(50)，其沿着导轨(20)彼此相对移动和协同移动，每条机械臂都包括一个钳子并具有提供六个自由度的一个线性轴(70)和五个旋转轴(60，62，64，66，68)；
c.将所述机械臂(50)以悬挂或侧挂方式定位到所述侧面(48)上；
d.使用钳子在相互间错位置上抓住大而重的工件(76)；
e.钳子抓住工件后，用机械臂(50)将工件抬离地面；
f.当钳子支撑住工件时机械臂沿着导轨(20)移动，并枢轴转动机械臂以改变工件相对导轨的位置；和
g.钳子松开工件。
8.按照权利要求7所述的方法，进一步包括以下步骤：
使用控制器(96)使机械臂(50)转动，这样钳子就抓住工件并用机械臂把持住工件；和
当钳子把持住工件时，使用控制器(96)控制机械臂(50)沿着导轨(20)移动。
9.一种在车间内用龙门架遥控机械系统移动大而重的工件的方法，包括以下步骤：
a.用所需长度的导轨(20)横跨车间，该导轨由间隔开的第一和第二柱子(24，26)固定于车间之上，其中所述柱子(24，26)固定于地板(22)上，而所述导轨(20)固定于所述柱子(24，26)上，导轨(20)在抓取工件的第一位置(90)和送达工件的第二位置(92)之间伸展；
b.在导轨的侧面(48)上安装至少两个枢轴转动的机械臂(50)，每个机械臂都具有五个旋转轴(60，62，64，66，68)和一个钳子；
c.在第一位置(90)使钳子抓住工件(76)；
d.将工件沿着导轨传送到第二位置(92)；和
e.使钳子在第二位置(92)松开工件。
10.按照权利要求9所述的方法，进一步包括以下步骤：
使用控制器(96)使机械臂(50)枢轴转动，这样钳子就在第一位置抓住工件并用机械臂把持住工件；和
当钳子把持住工件时，使用控制器(96)控制机械臂(50)沿着导轨(20)从第一位置(90)移动到第二位置(92)。
11.按照权利要求9所述的方法，其中，传送步骤进一步包括在钳子把持工件的同时，协调机械臂(50)沿导轨(20)的移动和转动。
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