CN101844351B - 全自动穿环机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动穿环的机器人，属智能化工业机器人和可编程序控制专用电子设备领域。本发明主要由五大机械模块和三大电子、电器模块组成。机械模块包括：自动送料模块(闭环体自动送料模块、线形材料自动送料模块)、闭环体递进模块、剪线模块、穿绕模块、理线模块等；电子、电器模块主要包括：传感器模块、可编程序控制及通信模块、驱动模块等组成。电子、电器模块设计融入了独创的“硬件极态时的软件迁就技术”，各模块设计以拟人动作仿真和仿人脑感知为前提，融计算机、机械、微电子、软件、机器人等技术为一体，有机融合后成为可以独立完成一系列复杂而标准的动作的机器人系统，实现了完全用机器人代替人，并以全自动模式将线形材料穿绕在闭环体上的功能。本发明可用于多种行业，如用于电子行业穿绕磁环等，颠覆了国际国内一直以来只能依靠手工或半手工半自动化将线材穿绕在环形体上的传统，从根本上提高了相关加工、制造等行业的工作效率和产品附加值。

Description

全自动穿环机器人

一、技术领域

本发明涉及的是一种机器人，尤其涉及的是一种通过仿人脑感知和拟人动作，从而实现自动将线形材料穿绕在各种形状的闭环体上的机器人系统，属于智能化工业机器人和可编程序控制专用电子设备领域。

二、背景技术

今天的中国加工、制造业，在全球化竞争日益加剧的形势下，加工、制造过程的升级优化十分迫切，突破传统技术工艺，实现以高科技手段主导生产过程成为生产实体亟待解决的问题。就拿电子业来说，截至目前国内外在穿绕磁环的一系列工序操作上，一直采用的是手工为主模式，而这种工艺模式不仅依赖于密集型人力，且效率低下，产品一致性和质量无法保障，加大了企业的成本和风险。

三、发明内容

本发明针对的是目前国际国内关于这项技术研究的空白，提供了一种可以自动穿环，完全替代手工作业的机器人。从根本上提高了相关加工、制造业的生产效率和产品质量，实现了生产过程的自动化。显然，本发明对增强我国相关加工、制造行业的综合竞争力具有划时代意义。

本发明的目的是这样实现的，系统主要由五大机械模块和三大电子、电器模块组成，机械模块包括：自动送料模块(线材自动送料模块、闭环体自动送料模块)、闭环体旋转递进模块、线材处理模块、穿绕模块、理线模块等；电子、电器模块主要包括：传感器模块、可编程序控制及通信模块、驱动模块等组成。通过上位机或机器人系统人机界面设定环形体的递进角度、单只产品线材耗用总长度、线材直径或截面积、穿绕圈数等参数后，中央处理器进行数据处理、记忆并按程序规定的步序，向各模块发出动作指令，各模块按CPU(中央处理器)规定的时间顺序和动作幅度工作，再通过传感器模块对各动作准确性的监控，达到各模块工作有序协调配合使线材在闭环体上按设定要求穿绕的目标。

四、附图说明

图1是本发明总体结构示意图的主视图

图2是本发明总体结构示意图的左视图

图3是本发明机械模块中的自动送料模块的右视图

图4是本发明机械模块中的自动送料模块的主视图

图5是本发明机械模块中的自动送料模块的左视图

图6是本发明机械模块中的闭环体递进模块的右视图

图7是本发明机械模块中的闭环体递进模块的主视图

图8是本发明机械模块中的闭环体递进模块的左视图

图9是本发明机械模块中的穿绕模块的主视图

图10是本发明机械模块中的穿绕模块的俯视图

图11是本发明机械模块中的线材处理模块的主视图

图12是本发明机械模块中的线材处理模块的仰视图

图13是本发明机械模块中的理线模块的主视图

图14是本发明机械模块中的理线模块的左视图

图15是本发明机械模块中的理线模块的俯视图

图16是本发明电子电器模块的工作原理方框图

图17是本发明电子电器模块的软件设计方框图

五、具体实施方案

1、本机器人系统的工作原理

五大模块总体图：图1(主视图)、图2(左视图)。

自动送料模块中闭环体自动送料模块9从排序器10(利用电磁振荡技术排序闭环体)中将闭环体运送到闭环体递进模块1，线材自动送料模块6从线材处理模块2中将线材运送并横置在闭环体的上部，线材自动送料模块6将线材抽头运送到固定线材处固定，实现按指定的四维空间(时间、x、y、z坐标)将线材、闭环体运送至程序指定的位置；理线模块4中的线钩133从闭环体中心穿过并将闭环体的正面上方的线材钩下，穿绕模块8各机械臂、机械手拟人动作，与理线模块4逐圈将线形材料穿绕在闭环体上，理线模块4确保单个闭环体缠绕所需的线材长度和穿绕每圈过程中所有线材的实时轨迹；闭环体递进模块1按预设的排位要求，每穿绕完一圈实时递进，以满足产品的整体线迹排位要求；线材处理模块2依程序规定实时裁剪和处理下一个成品的线材抽头。闭环体按设定要求穿绕结束后，递进轮松开，闭环体自动送料模块9将成品从闭环体递进模块1中取出并放置到成品出料槽11送出成品。空压机5产生压缩空气通过空气过滤器3到电磁阀7再通过控制器分配到各个气缸给各气缸供给动力能源。

2、本机器人系统的各个模块机械构造及工作原理

自动送料模块(线材自动送料模块、闭环体自动送料模块中拿取线材机械手和拿取闭环体机械手的机械构造原理相同)：图3(右视图)、图4(主视图)、图5(左视图)

主要包括：气动平行夹47、连接杆46、花键轴35、直线轴承45、花键轴套34、轴承、同步轮(17、18、25、29、36和41)、同步带(12、16和20)、步进电机(21和24)、滑轮27、传感器(13、37、40、42、43、48和49)、传感器感应器片(23、32和38)、气管信号线22、螺线软管28、滑块(31和39)、机座(15和44)。

连接方式为：气动平行夹47固定在连接杆46上，连接杆46与花键轴35固定，花键轴35与直线轴承45的内圈连接，直线轴承45的外圈与花键轴套34连接，花键轴套34通过轴承与轴承座33连接，轴承座33同时固定机座15、和机座44，被动同步轮17固定在花键轴套34上，被动同步轮17与同步带16连接，同步带16与主动同步轮25连接，主动同步轮25与步进电机24的转轴连接，步进电机24固定在轴承座33上，实现x、y位移(转动)。

被动同步轮41通过轴承与轴承座14连接，轴承座14固定在机座15上，被动同步轮41与同步带12连接，同步带12与中间同步轮的小轮36连接，中间同步轮的大18、小轮36都通过轴承与轴承座19连接，轴承座19固定在机座15上，中间同步轮大轮18与同步带20连接，同步带20与主动同步轮29连接，主动同步轮29与步进电机21的转轴连接，步进电机21固定在机座15上，滑块39固定在花键轴35的一端，滑块39固定在同步带12上，实现z位移。

传感器(13、37、40、42、43、48和49)分布固定在气动平行夹和机座相关的位置上，感应片23固定在步进电机24的转轴上，感应片32与花键轴套34相连接，感应片38固定在花键轴35的一端、气管、信号线穿过螺线软管28和气动平行夹47相连，螺线软管28的一端固定在花键轴35的一端上，螺线软管28与滑轮27相配合，滑轮27通过轴承与轴承座26相连接，轴承座26固定在导轨30上，螺线软管28的中部固定在滑块31上，滑块31固定在同步带12上，滑块31与导轨30相配合，导轨30固定在机座15上，螺线软管的28另一端固定在机座15上，气管信号线22通过螺线软管28、花键轴35连接到气动平行夹47上，和传感器48配合。通过计算机获取各个感应器的数据分析控制步进电机(21和24)实现了按指定的四维空间(时间、x、y、z坐标)顺序将线材、闭环体运送到程序指定的位置。

闭环体递进模块：图6(右视图)、图7(主视图)、图8(左视图)

主要包括：闭合体递进轮(69、70、74和75)、连杆机构(73和76)、直线步进电机(58和63)、主动齿轮(59和62)、被动齿轮(51、52、60和61)、主动同步轮54、被动同步带(50和53)、导向同步轮(56和57)、机座64、连接板65、轴承等组成。

连接方式1为：直线步进电机58固定在机座64上，直线步进电机58的轴与连杆机构76的一端铰链77相连接，连杆机构76的另一端铰链71和主动齿轮62一起通过轴承与机座64相连接，递进轮75和被动齿轮61一起通过轴承与连杆机构76的延伸段相连接，递进轮70和被动齿轮52一起通过轴承与连杆机构76的另一延伸段相连接，直线步进电机63固定在机座64上，直线步进电机63的轴与连杆机构73的一端铰链72相连接，连杆机构73的另一端铰链68和主动齿轮59一起通过轴承固定在机座64上，递进轮74和被动齿轮60一起通过轴承与连杆机构73的延伸段相连接，递进轮69和被动齿轮51一起通过轴承与连杆机构73的另一延伸段相连接。通过计算机获取各个感应器的数据，并分析、处理控制两个直线步进电机(77和82)实现了四个递进轮相对位置的调节(夹持、放开闭环体)。

主动齿轮62和被动同步轮53通过轴承与机座64相连接，主动齿轮59和被动同步轮50通过轴承与机座64相连接，导向同步轮57通过轴承与机座64相连接，导向同步轮56通过轴承与机座64相连接，主动同步轮54固定在步进电机66的转轴上，步进电机66固定在减速器67上，减速器67固定在连接板65上，机座64与连接板65固定为一体，同步带55连接主动同步轮54、被动同步轮(50和53)和导向轮(56和57)。通过计算机获取各个感应器的数据，并依此控制步进电机85的角位移量即控制了闭环体上线材的缠绕轨迹。

连接方式2为：分别用两气动活塞代替两步进电机，其它连接方式相同。

连接方式3为：用弹簧代替其中一个气动活塞，其它连接方式相同。

连接方式4为：用弹簧代替其中一个直线步进电机，其它连接方式相同。

穿绕模块：图9(主视图)、图10(俯视图)

主要包括：气动平行机械夹89、连接杆79、连接套80、旋转气缸82、连接板88、感应器(78、83和91)、感应片(84和90)、气缸85、气缸活塞87、机座86。

连接方式：气缸85固定在机座86上，气缸活塞端87通过连接板88固定旋转气缸82，旋转气缸82的旋转活塞81通过连接套80、连接杆79固定气动平行夹89，感应器78固定在气动平行夹89上，感应器83固定在旋转气缸82上，感应片84固定在旋转活塞81的另一端，感应器91固定在机座86上，感应片90固定在连接板88上，计算机获取各个感应器的数据，并分析控动力阀从而控制各个气缸在四维空间(时间、x、y、z坐标)按规定位移与其他模块协调实现线材穿绕在闭环体的目的。

线材处理模块：图11(主视图)、图12(仰视图)

主要包括：滑轮114、张力器98、夹紧器97、过线器96、隔离导管94、线材导向机构座113、气缸(103和105)、轴向径向同步位移气缸95、电磁铁103、切刀底座92、滑块(101和104)、滑轨(102和115)、机座(105和112)。

其连接方式为：滑轮114通过轴承与线材导向机构座113相连接，张力器98固定在线材导向机构座113上，夹线器97的静端固定在线材导向机构座113上，夹线器97的动端固定在电磁铁103上，过线器96固定在线材导向机构座113上，隔离导管94固定在线材导向机构座113上，隔离导管94与静刀93相配合(穿越静刀中心孔在拉取线材时使线材与刀不接触不损伤线材)，电磁铁103固定在机座113上，轴向径向同步位移气缸座95固定在机座112上，动刀99固定在轴向径向同步位移气缸的活塞端100上，静刀93固定在切刀底座92上，切刀底座92固定在滑块101上、滑块101与导轨102相配合、导轨102穿越弹簧固定在机座112上，切刀底座92随气缸同步径向、轴向位移，与线材导向机构的夹线器97配合实现线材切断并在固定的空间处留出线头，气缸活塞端107固定在连接板106上，连接板106固定在连接板109上，连接板109固定在滑块104上，滑块104和滑轨115相配合，滑轨115固定在机座105上，气缸座108固定在机座105上，气缸座110固定在连接板109上，气缸的活塞端111固定在机座112上，在气缸、活塞、电磁铁等具有机械运动的部件相关部位都布有感应器。通过计算机获取各个感应器的数据分析控制电磁阀从而控制各个气缸在四维空间(时间、x、y、z坐标)位移实现所要求的线材的运行轨迹。

理线模块：图13(主视图)、图14(左视图)、图15(俯视图)

主要包括：牵引机械手气缸116、连接板117、线材储存架119、线材定位杆118、连接板120、连接板(121和122)、侧挡线板123、气动平行夹124、连接杆125、滑块(128和130)、被动同步轮127、轴承座(126、132和38)、同步带129、线钩133、穿线机械手气缸135、穿线机械手活塞134、固定机械手气缸131、定滑轮137、动滑轮气缸140、动滑轮导杆141、机座136、机架轮147、主动同步轮143、导轨(153和157)、位置检测(148、149、150、151、152和154)、理线手(155、156、158、159和160)。

连接方式为：牵引机械手气缸116同定在连接板121上，连接板121通过连接板122固定在滑块130上，滑块130与导轨(153和157)相配合，导轨(153和157)固定在机座136上，被动同步轮127通过轴承与轴承座126相连接，轴承座126固定在机座136上，主动同步轮143固定在步进电机142的转轴上，步进电机142固定在机座136上，同步带127连接主动同步轮143和被动同步轮127，机架轮147安装在机座136上，滑块128与导轨(153和157)连接，气动平行夹124通过连接杆125与滑块128相连接，滑块128与同步带129相连接，底挡线板154固定在机座136上，侧挡线板123固定底挡线板154上，理线手(155、156、158、159和160)分别固定在侧挡线板123的相应位置上。

定滑轮137通过轴承固定在轴承座(132和138)上，轴承座固定在机座136上，气缸活塞139(动滑轮)与气缸座140连接，气缸座140固定在导杆141上，导杆141固定在气缸活塞145上，气缸活塞145与气缸座146连接，气缸座146固定在连接板144上，连接板144固定在连接板117上，连接板117固定在机座136上。

电子、电器模块：图16(工作原理方框图)、图17(软件设计方框图)

硬件极态时的软件迁就技术是该模块设计的核心之一，设计原理如下：多机系统设计原则，用一只嵌入式计算机IC专门监控、管理各模块工作状态及进行故障诊断、分析、提示。将各功率驱动器件和负载的极限参数，以常数形式存入ROM，由传感器模块实时捕捉各功率器件和负载的工作状态(电压、电流、力矩、温升、频率等)，并将相关参数与相关常数进行对比，当采集数值与相关常数成一定比例时，激活软件的负反馈指令，使硬件负反馈电路按软件要求工作在相应深度，达到保障系统稳定性的目标。

Claims (10)

1.一种全自动穿环机器人，主要由五大机械模块和三大电子、电器模块组成，所述机械模块包括：具有线材自动送料模块(6)和闭环体自动送料模块(9)的自动送料模块、闭环体递进模块(1)、线材处理模块(2)、穿绕模块(8)、理线模块(4)；所述电子、电器模块主要包括：传感器模块、可编程序控制及通信模块、驱动模块，上述各模块有机组合；其特征在于：通过上位机或机器人人机界面设定环形体的递进角度、单只产品线材耗用总长度、线材直径或截面积、穿绕圈数参数后，中央处理器(CPU)进行数据处理、记忆并按程序规定的步序，向各模块发出动作指令，各模块按中央处理器(CPU)规定的时序和动作幅度工作，最终通过传感器模块对各动作准确性的监控，达到各模块工作有序协调配合使线材在闭环体上按设定要求穿绕的目标。

2.根据权利要求1所述的全自动穿环机器人，其特征是：各模块的位置能够根据不同的匹配方式进行改变，整体结构形状随之改变。

3.根据权利要求1所述的全自动穿环机器人，其特征是：所述电子、电器模块设计融入了“硬件极态时的软件迁就技术”。

4.根据权利要求1所述的全自动穿环机器人，其特征是：所述自动送料模块的连接方式为：气动平行夹(47)固定在连接杆(46)上，连接杆(46)与花键轴(35)固定，花键轴(35)与直线轴承(45)的内圈连接，直线轴承(45)的外圈与花键轴套(34)连接，花键轴套(34)通过轴承与第一轴承座(33)连接，第一轴承座(33)同时固定第一机座(15)和第二机座(44)，第一被动同步轮(17)固定在花键轴套(34)上，第一被动同步轮(17)与第一同步带(16)连接，第一同步带(16)与第一主动同步轮(25)连接，第一主动同步轮(25)与第一步进电机(24)的转轴连接，第一步进电机(24)固定在第一轴承座(33)上，实现x、y轴转动位移；

第二被动同步轮(41)通过轴承与第二轴承座(14)连接，第二轴承座(14)固定在第一机座(15)上，第二被动同步轮(41)与第二同步带(12)连接，第二同步带(12)与中间同步轮的小轮(36)连接，中间同步轮的大轮(18)、小轮(36)都通过轴承与第三轴承座(19)连接，第三轴承座(19)固定在第一机座(15)上，中间同步轮的大轮(18)与第三同步带(20)连接，第三同步带(20)与第二主动同步轮(29)连接，第二主动同步轮(29)与第二步进电机(21)的转轴连接，第二步进电机(21)固定在第一机座(15)上，第一滑块(39)固定在花键轴(35)的一端，第一滑块(39)固定在第二同步带(12)上，实现z轴位移；

传感器(13、37、40、42、43、48、49)固定在气动平行夹(47)和第一机座(15)、第二机座(44)相关的位置上，第一感应片(23)固定在第一步进电机(24)的转轴上；第二感应片(32)与花键轴套(34)相连接；第三感应片(38)固定在花键轴(35)的一端，气管、信号线穿过螺线软管(28)和气动平行夹(47)相连，螺线软管(28)的一端固定在花键轴(35)的一端上，螺线软管(28)的中部固定在第二滑块(31)上，螺线软管的(28)另一端固定在第一机座(15)上，螺线软管(28)与滑轮(27)相配合，滑轮(27)通过轴承与第四轴承座(26)相连接，第四轴承座(26)固定在导轨(30)上，第二滑块(31)固定在第二同步带(12)上，第二滑块(31)与导轨(30)相配合，导轨(30)固定在第一机座(15)上，这样的连接方式通过传感器模块、可编程序控制模块、驱动模块与所述机械模块的相互协调配合实现气动平行夹(47)空间的位移定位。

5.根据权利要求1所述的全自动穿环机器人，其特征是：闭环体递进模块的连接方式有四种，

连接方式一为：第一直线步进电机(58)固定在机座(64)上，第一直线步进电机(58)的轴与第一连杆机构(76)的一端铰链(77)相连接，第一连杆机构(76)的另一端铰链(71)和第一主动齿轮(62)一起通过轴承与机座(64)相连接，第一递进轮(75)和第一被动齿轮(61)一起通过轴承与第一连杆机构(76)的一延伸段相连接，第二递进轮(70)和第二被动齿轮(52)一起通过轴承与第一连杆机构(76)的另一延伸段相连接；第二直线步进电机(63)固定在机座(64)上，第二直线步进电机(63)的轴与第二连杆机构(73)的一端铰链(72)相连接，第二连杆机构(73)的另一端铰链(68)和第二主动齿轮(59)一起通过轴承固定在机座(64)上，第三递进轮(74)和第三被动齿轮(60)一起通过轴承与第二连杆机构(73)的一延伸段相连接，第四递进轮(69)和第四被动齿轮(51)一起通过轴承与第二连杆机构(73)的另一延伸段相连接，两个上述直线步进电机(58、63)的调节实现了四个上述递进轮(75、70、74、69)在夹持闭环体、旋转递进闭环体及松开闭环体时相对位置的调节；

第一主动齿轮(62)和第一被动同步轮(53)通过轴承与机座(64)相连接，第二主动齿轮(59)和第二被动同步轮(50)通过轴承与机座(64)相连接，第一导向同步轮(57)通过轴承与机座(64)相连接，第二导向同步轮(56)通过轴承与机座(64)相连接，主动同步轮(54)固定在第三步进电机(66)的转轴上，第三步进电机(66)固定在连接板(65)上，机座(64)与连接板(65)固定为一体，同步带(55)连接主动同步轮(54)、第一被动同步轮(53)、第二被动同步轮(50)、第一导向同步轮(57)和第二导向同步轮(56)；

连接方式二为：分别用两气动活塞代替两直线步进电机，其它连接方式相同，

连接方式三为：用弹簧代替其中一个气动活塞，其它连接方式相同，

连接方式四为：用弹簧代替其中一个直线步进电机，其它连接方式相同。

6.根据权利要求1所述的全自动穿环机器人，其特征是：线材处理模块的连接方式为：滑轮(114)通过轴承与线材导向机构座(113)相连接，张力器(98)固定在线材导向机构座(113)上，夹线器(97)的静端固定在线材导向机构座(113)上，夹线器(97)的动端固定在电磁铁(103)上，过线器(96)固定在线材导向机构座(113)上，隔离导管(94)固定在线材导向机构座(113)上，隔离导管(94)与静刀(93)相配合，在穿越静刀中心孔在拉取线材时使线材与刀不接触从而不损伤线材，第一气缸活塞端(107)固定在第一连接板(106)上，第一连接板(106)固定在第二连接板(109)上，第二连接板(109)固定在第一滑块(104)上，第一滑块(104)和滑轨(115)相配合，滑轨(115)固定在第一机座(105)上，第一气缸座(108)固定在第一机座(105)上；第二气缸座(110)固定在第二连接板(109)上，第二气缸活塞端(111)固定在第二机座(112)上，电磁铁(103)固定在线材导向机构座(113)上，轴向径向同步位移气缸座(95)固定在第二机座(112)上，动刀(99)固定在轴向径向同步位移气缸的活塞端(100)上，静刀(93)固定在切刀底座(92)上，切刀底座(92)固定在第二滑块(101)上，第二滑块(101)与导轨(102)相配合，导轨(102)穿越弹簧固定在第二机座(112)上，切刀底座(92)随气缸同步径向、轴向位移，与线材导向机构的所述夹线器(97)配合实现线材切断并在固定的空间处留出线头。

7.根据权利要求1所述的全自动穿环机器人，其特征是：穿绕模块、理线模块的连接方式为：旋转气缸(82)固定在第一机座(86)上，旋转气缸活塞端(87)通过连接板(88)固定旋转气缸(82)，旋转气缸(82)的旋转活塞(81)通过连杆(79)固定第一气动平行夹(89)，实现第一气动平行夹的空间位移，牵引机械手气缸(116)固定在第一连接板(121)上，第一连接板(121)固定在第一滑块(130)上，第一滑块(130)与导轨(153、157)相配合，导轨(153、157)固定在第二机座(136)上，第二气动平行夹(124)通过连接杆(125)与第二滑块(128)相连接，第二滑块(128)与同步带(129)相连接，侧挡线板(123)固定底挡线板(154)上，理线手(155、156、158、159、160)固定在侧挡线板(123)的相应位置上，底挡线板(154)固定在第二机座(136)上，被动同步轮(127)通过轴承与轴承座(126)相连接，轴承座(126)固定在第二机座(136)上，主动同步轮(143)固定在步进电机(142)的转轴上，步进电机(142)固定在第二机座(136)上，同步带(129)连接主动同步轮(143)、被动同步轮(127)，机架轮(147)安装在第二机座(136)上，定滑轮(137)通过轴承固定在轴承座(132、138)上，轴承座(132、138)固定在第二连接板(120)上，第二连接板(120)固定在第二机座(136)上，第一气缸(139)活塞通过动滑轮与第一气缸座(140)连接，第一气缸座(140)固定在导杆(141)上，导杆(141)固定在第二气缸活塞(145)上，第二气缸活塞(145)与第二气缸座(146)连接，第二气缸座(146)固定在第三连接板(144)上，第三连接板(144)固定在第二机座(136)上。

8.根据权利要求4所述的全自动穿环机器人，其特征是：递进轮的大小及数量能够根据闭环体的尺寸、形状、递进所需力矩进行增减。

9.根据权利要求2-7任一项所述的全自动穿环机器人，其特征是：各模块中的机械臂、机械手可以使用气动模式，也可以使用电动模式或液压模式；各电动机可以使用步进电机，也可以使用伺服电机或其它电机。

10.根据权利要求2-7任一项所述的全自动穿环机器人，其特征是：各模块的组成和连接方式能够改变，并不影响系统的功能。

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