CN103331640A - 拉床上下料机械手系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拉床上下料机械手系统。本发明包括执行机构、驱动机构和液压控制机构，驱动机构包括腰座、大齿轮、小齿轮、步进电机、腰回转轴、圆锥滚子轴承、固定立柱、齿条缸；执行机构包括上升油缸、上升油缸活塞、上升油缸活塞杆、上升导向杆、套筒、升降台、滚动轴承、支撑板、支撑架、平移油缸、平移油缸活塞杆、导向杆、导向套、环形套筒和机械手；机械手包括手爪和伸缩油缸；液压控制机构包括三相交流异步电动机、液压泵、滤油器、油箱、二位二通电磁换向阀、单向阀、先导式溢流阀、三位四通电磁换向阀、调速阀和液压缸。本发明能保证定位控制精度，同时尽量减小冲击、振动，保证了系统的安全性。

Description

拉床上下料机械手系统

技术领域

本发明属于工业机器人应用领域，涉及拉床上下料机械手系统。 

背景技术

拉床是用拉刀对物料进行加工，使物料形成所需形状的机床，在国内很多工厂的拉床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，迫切需设计出一种拉床装卸机械手，用来代替人工工作，替代传统人工上下料的全自动高新技术产品。 

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种拉床上下料机械手系统。 

本发明包括执行机构、驱动机构和液压控制机构，驱动机构包括腰座、大齿轮、小齿轮、步进电机、腰回转轴、圆锥滚子轴承、固定立柱、齿条缸； 

腰座包括上腰座和下腰座，上腰座为两端开放的筒形，内表面设置有环形凸起，两个圆锥滚子轴承设置在上腰座筒形内，且卡在该环形凸起位置，其底面通过螺栓固定在下腰座的顶面；下腰座为一端开放的筒形，且顶面开有两个通孔，位于顶面中心的通孔与上腰座底面连通，其底面通过螺栓固定在安装底座上；所述的安装底座位于拉床床台和生产线之间，位于取/送工件位置、原点位置或装/卸工件位置；

步进电机的输出轴穿过下腰座顶面的另一个通孔，与设置在下腰座筒形内的小齿轮固定连接；腰回转轴为两端开放的筒形，其一端依次穿过圆锥滚子轴承、下腰座顶面中心通孔后与大齿轮固定连接，即腰回转轴通过圆锥滚子轴承固定在上腰座内；大齿轮与小齿轮啮合。

执行机构包括上升油缸、上升油缸活塞、上升油缸活塞杆、上升导向杆、套筒、升降台、滚动轴承、支撑板、支撑架、平移油缸、平移油缸活塞杆、导向杆、导向套、环形套筒和机械手； 

上升油缸和腰回转轴通过螺栓连接，均固定在固定立柱上，所述的固定立柱外侧壁上设置活动连接的U型凸槽，齿条缸设置在该凸槽内，上升油缸活塞、上升油缸活塞杆、上升导向杆、套筒均设置在上升油缸内，上升导向杆设置在上升油缸活塞杆和套筒之间，上升导向杆的两端通过螺栓固定在上升油缸两端，上升油缸上端通过螺栓连接固定于升降台下表面；上升油缸活塞杆的一端依次穿过升降台的通孔、上升油缸上端面进入上升油缸内，上升油缸活塞杆的另一端通过螺栓固定于支撑板的下表面；

平移油缸外侧壁固定在支撑板上表面，平移油缸活塞杆的一端穿过平移油缸的一个端面进入平移油缸内，另一端固定在支撑架上，支撑架通过滚动轴承固定在支撑板，导向杆、导向套设置在平移油缸内，导向杆设置在导向套内，导向套的两端通过螺栓固定在平移油缸两端，且与平移油缸活塞杆平行；

机械手包括手爪和伸缩油缸，手爪与伸缩油缸滑动连接，伸缩油缸滑设置在环形套筒内，环形套筒通过螺栓与平移油缸固定连接。

所述的液压控制机构包括三相交流异步电动机、液压泵、滤油器、油箱、二位二通电磁换向阀、单向阀、先导式溢流阀、三位四通电磁换向阀、调速阀和液压缸； 

三相交流异步电动机的输出端与液压泵的进口相连接，液压泵的第一输出端与第一单向阀的进口相连接，第一单向阀的出口同时与第二滤油器和第一先导式溢流阀的一端相连接，第二滤油器的另一端同时与油箱、第一三位四通电磁换向阀的第一端口、第二三位四通电磁换向阀的第一端口、第三三位四通电磁换向阀的第一端口相连接，第一先导式溢流阀的另一端与二位二通电磁换向阀的一端相连接，二位二通电磁换向阀的另一端与油箱相连接；液压泵的第二输出端与第一滤油器的一端相连接，第一滤油器的另一端与油箱相连接；第一三位四通电磁换向阀、第二三位四通电磁换向阀、第三三位四通电磁换向阀的第二端口相互连接；第一三位四通电磁换向阀的第三端口同时与第二单向阀的进口、第一调速阀的一端相连接，第一液压缸的一端与第四单向阀的进口、第一调速阀的另一端、第二单向阀的出口相连接，第一液压缸的另一端与第二调速阀的一端相连接，第二调速阀的另一端与第一三位四通电磁换向阀的第四端口相连接；

第二三位四通电磁换向阀的第三端口与第二液压缸的一端相连接，第二液压缸的另一端与第三调速阀的一端相连接，第三调速阀的另一端与第二三位四通电磁换向阀的第四端口相连接；

第三三位四通电磁换向阀的第三端口与第三单向阀的进口、第二先导式溢流阀的一端相连接，第三单向阀的出口、第二先导式溢流阀的另一端均与第三液压缸的一端相连接，第三液压缸的另一端与第四调速阀的一端相连接，第四调速阀的另一端与第三三位四通电磁换向阀的第四端口相连接；

所述的第一三位四通电磁换向阀、第二三位四通电磁换向阀、第三三位四通电磁换向阀分别实现机械手升降功能、机械手水平收缩功能、机械手抓取功能，另外升降油缸采用两个单向油缸和两个调速阀构成的背压回路，以平衡下降时的重力影响。

本发明的有益效果是： 

采用步进电机驱动机械手腰部旋转运动，可以保证定位控制精度；采用电液伺服液压缸进行驱动，可以保证水平手臂和垂直手臂具有伺服定位能力；本发明中的液压控制系统使用三位四通电磁换向阀，使整个回路结构简单有效，减少修维护成本，电磁换向阀的换向效率较高，使系统的效率增加，同时，三位四通电磁换向阀的换位快速准确，避免了液压系统中的液压冲击，对油管起到很好的保护作用；垂直油缸采用背压平衡回路，使系统上下运动过程平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证了系统的安全性。

主要功能是在拉床加工过程中对加工工件进行上下料操作，从而提高劳动生产率，降低事故发生率，直接保护工人的人身安全 

附图说明

图1是本发明执行机构部分结构示意图。 

图2是本发明工作室示意图。 

图3是本发明工作布局图。 

图4是本发明液压驱动示意图。 

图中，安装底座1、腰座2、大齿轮3、小齿轮4、步进电机5、腰回转轴6、圆锥滚子轴承7、固定立柱8、齿条缸9、上升油缸活塞10、上升油缸活塞杆11、上升导向杆12、套筒13、升降台14、滚动轴承15、支撑板16、支撑架17、平移油缸18、平移油缸活塞杆19、导向杆20、导向套21、环形套筒22、伸缩油缸23、手爪24、三相交流异步电动机I1、液压泵I2、第一滤油器I3、油箱I4、二位二通电磁换向阀I5、第一单向阀I6、第一先导式溢流阀I7、第二滤油器I8、第一三位四通电磁换向阀I9、第二三位四通电磁换向阀I10、第三三位四通电磁换向阀I11、第二单向阀I12、第一调速阀I13、第二调速阀I14、第三调速阀I15、第三单向阀I16、第二先导式溢流阀I17、第四调速阀I18、第四单向阀I19、第一液压缸I20、第二液压缸I21、第三液压缸I22。 

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。 

如图1、图2、图4所示，拉床上下料机械手系统，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种拉床上下料机械手系。 

本发明包括执行机构、驱动机构和液压控制机构，驱动机构包括腰座2、大齿轮3、小齿轮4、步进电机5、腰回转轴6、圆锥滚子轴承7、固定立柱8、齿条缸9； 

腰座2包括上腰座和下腰座，上腰座为两端开放的筒形，内表面设置有环形凸起，两个圆锥滚子轴承7设置在上腰座筒形内，且卡在该环形凸起位置，其底面通过螺栓固定在下腰座的顶面；下腰座为一端开放的筒形，且顶面开有两个通孔，位于顶面中心的通孔与上腰座底面连通，其底面通过螺栓固定在安装底座1上；如图3所示，所述的安装底座位于拉床床台和生产线之间，位于取/送工件位置、原点位置或装/卸工件位置；

如图3所示，所述的安装底座位于拉床床台和生产线之间，位于取/送工件位置、原点位置或装/卸工件位置；且本发明实现从生产线拿到工件后，横移一定的距离后把工件给拉床进行加工，加工完成后再送回生产线，具体动作顺序如下：

待料（即起始位置。手指闭合，待夹料立放） →手臂前伸 → 手指张开 → 手指夹料 → 手臂上升 →立柱转90°→ 手臂前伸 →手臂下降→手指松开→手臂缩回（暂停，拉床开始加工至加工完成）→手臂前伸→手指闭合 → 手臂缩回 → 手臂下降 →手臂反转90°（上料机械手复位） → 立柱回移（回到起始位置） → 待料（一个循环结束）卸荷。

步进电机5的输出轴穿过下腰座顶面的另一个通孔，与设置在下腰座筒形内的小齿轮4固定连接；腰回转轴6为两端开放的筒形，其一端依次穿过圆锥滚子轴承7、下腰座顶面中心通孔后与大齿轮3固定连接，即腰回转轴6通过圆锥滚子轴承7固定在上腰座内；大齿轮3与小齿轮4啮合。 

如图1、图2所示，执行机构包括上升油缸、上升油缸活塞10、上升油缸活塞杆11、上升导向杆12、套筒13、升降台14、滚动轴承15、支撑板16、支撑架17、平移油缸18、平移油缸活塞杆19、导向杆20、导向套21、环形套筒22和机械手； 

上升油缸和腰回转轴6通过螺栓连接，均固定在固定立柱8上，所述的固定立柱8外侧壁上设置活动连接的U型凸槽，齿条缸9设置在该凸槽内，上升油缸活塞10、上升油缸活塞杆11、上升导向杆12、套筒13均设置在上升油缸内，上升导向杆12设置在上升油缸活塞杆11和套筒13之间，上升导向杆12的两端通过螺栓固定在上升油缸两端，上升油缸上端通过螺栓连接固定于升降台14下表面；上升油缸活塞杆11的一端依次穿过升降台14的通孔、上升油缸上端面进入上升油缸内，上升油缸活塞杆11的另一端通过螺栓固定于支撑板16的下表面；

平移油缸外侧壁固定在支撑板16上表面，平移油缸活塞杆19的一端穿过平移油缸的一个端面进入平移油缸内，另一端固定在支撑架17上，支撑架17通过滚动轴承15固定在支撑板16，导向杆20、导向套21设置在平移油缸内，导向杆20设置在导向套21内，导向套21的两端通过螺栓固定在平移油缸18两端，且与平移油缸活塞杆19平行；

如图2所示，机械手包括手爪24和伸缩油缸23，手爪与伸缩油缸滑动连接，伸缩油缸滑设置在环形套筒22内，环形套筒22通过螺栓与平移油缸固定连接。

如图4所示，所述的液压控制机构包括三相交流异步电动机、液压泵、滤油器、油箱、二位二通电磁换向阀、单向阀、先导式溢流阀、三位四通电磁换向阀、调速阀和液压缸； 

三相交流异步电动机I1的输出端与液压泵I2的进口相连接，液压泵I2的第一输出端与第一单向阀I6的进口相连接，第一单向阀I6的出口同时与第二滤油器I8和第一先导式溢流阀I7的一端相连接，第二滤油器I8的另一端同时与油箱、第一三位四通电磁换向阀I9的第一端口、第二三位四通电磁换向阀I10的第一端口、第三三位四通电磁换向阀I11的第一端口相连接，第一先导式溢流阀I7的另一端与二位二通电磁换向阀I5的一端相连接，二位二通电磁换向阀I5的另一端与油箱I4相连接；液压泵I2的第二输出端与第一滤油器I3的一端相连接，第一滤油器I3的另一端与油箱I4相连接；第一三位四通电磁换向阀I9、第二三位四通电磁换向阀I10、第三三位四通电磁换向阀I11的第二端口相互连接；第一三位四通电磁换向阀I9的第三端口同时与第二单向阀I12的进口、第一调速阀I13的一端相连接，第一液压缸I20的一端与第四单向阀19的进口、第一调速阀I13的另一端、第二单向阀I12的出口相连接，第一液压缸I20的另一端与第二调速阀I14的一端相连接，第二调速阀I14的另一端与第一三位四通电磁换向阀I9的第四端口相连接；

第二三位四通电磁换向阀I10的第三端口与第二液压缸I21的一端相连接，第二液压缸I21的另一端与第三调速阀I15的一端相连接，第三调速阀I15的另一端与第二三位四通电磁换向阀I10的第四端口相连接；

第三三位四通电磁换向阀I11的第三端口与第三单向阀I16的进口、第二先导式溢流阀I17的一端相连接，第三单向阀I16的出口、第二先导式溢流阀I17的另一端均与第三液压缸I22的一端相连接，第三液压缸I22的另一端与第四调速阀I18的一端相连接，第四调速阀I18的另一端与第三三位四通电磁换向阀I11的第四端口相连接；

所述的第一三位四通电磁换向阀I9、第二三位四通电磁换向阀I10、第三三位四通电磁换向阀I11分别实现机械手升降功能、机械手水平收缩功能、机械手抓取功能，另外升降油缸采用两个单向油缸和两个调速阀构成的背压回路，以平衡下降时的重力影响。

本发明具体工作过程如下： 

机械手的运动由电机、液压复合驱动，液压缸由电磁阀控制。整个机械手在工作中能够实现上升/下降、伸出/缩回、夹紧/放松功能。

机械手腰部的旋转运动由步进电机驱动实现；因为采用液压执行缸来做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液压驱动；同时考虑随着机床加工的工件的不同，水平手臂伸出长度是不同的。水平手臂要求具有伺服定位能力，因此水平手臂（水平油缸）采用电液伺服液压缸进行驱动。手爪的张开和夹紧通过液压柱塞缸活塞（伸缩油缸）与中间滑槽杠杆式手爪配合来实现手指张开和闭合。 

如图4所示，当接通电源时，液压回路中的三相交流异步电动机开始工作，油经单向阀进入液压系统的方向控制第二三位四通电磁换向阀I10，再到液压缸。通过第二三位四通电磁换向阀I10的调节作用，使液压缸两侧产生油压差, 从而推动液压缸作伸缩运动。当油缸伸至生产线产品位置，第三三位四通电磁换向阀I11的6YA或5YA得电，由于液压缸与手爪滑动连接，故液压缸的伸缩运动能够直接引导手爪完成张开、闭合及抓取动作。当抓取完毕，第一三位四通电磁换向阀I9的3YA得电，液压油通过单向阀、过滤器、第一三位四通电磁换向阀I9右边回路、调速阀进入油缸，使油缸系统上升；当机械手上升至设定位置，步进电机启动，逆时针转动90度，电机停止工作，第二三位四通电磁换向阀I10的4YA得电，机械手伸出至拉床上方；第一三位四通电磁换向阀I9的2YA得电，工作油缸下降到拉床工作台，当工作油缸将工件送达工作台时，第三三位四通电磁换向阀I11的5YA得电，机械手张开，同时，第二三位四通电磁换向阀I10中的YA4得电，机械手收缩，这时拉床开始加工，在预设定的加工时间结束后，电磁阀YA4得电，机械手伸出至工件处，第三三位四通电磁换向阀I11的6YA得电，机械手抓紧工件，第一三位四通电磁换向阀I9的3YA得电，工作油缸上升，到预定高度后，步进电机启动，顺时针转动90度后，电机停止工作，电磁换向阀9的2YA得电，工作油缸下降，当油缸下降至起始位置，第三三位四通电磁换向阀I11的5YA得电，机械手张开，将加工好的零件置于生产线，完成一个工作循环。其中，液压系统工作原理如图4所示，液压泵I2由三相交流异步电动机M拖动；系统压力由第一先导式溢流阀I7调定；1YA的得失电决定了动力源的投入与摘除。考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的两个单向调速阀。当5YA得电时，工作液体经由第四调速阀I18进入柱塞缸（伸缩油缸），实现手爪的轻缓抓紧；当6YA失电时，工作液体进入柱塞缸中，实现手爪迅速松开。另外，由于机械手垂直升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致，下降时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证系统的安全性，采用第二单向阀I12、第三单向阀19、第一调速阀I13、第二调速阀I14构成的平衡回路，使上升油缸下腔提供一定的排油背压，以平衡重力负载。本发明水平油缸为电液伺服液压缸，能保证水平手臂具有伺服定位能力；液压控制系统使用三位四通电磁换向阀，使整个回路结构简单有效，减少修维护成本，三位四通电磁换向阀的换向效率较高，使系统的效率增加，同时，三位四通电磁换向阀的换位快速准确，避免了液压系统中的液压冲击，对油管起到很好的保护作用；垂直油缸采用背压平衡回路，使系统上下运动过程平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证了系统的安全性。 

Claims (1)

1. 拉床上下料机械手系统，其特征在于：包括执行机构、驱动机构和液压控制机构；

所述的驱动机构包括腰座、大齿轮、小齿轮、步进电机、腰回转轴、圆锥滚子轴承、固定立柱、齿条缸；

腰座包括上腰座和下腰座，上腰座为两端开放的筒形，内表面设置有环形凸起，两个圆锥滚子轴承设置在上腰座筒形内，且卡在该环形凸起位置，其底面通过螺栓固定在下腰座的顶面；下腰座为一端开放的筒形，且顶面开有两个通孔，位于顶面中心的通孔与上腰座底面连通，其底面通过螺栓固定在安装底座上；

步进电机的输出轴穿过下腰座顶面的另一个通孔，与设置在下腰座筒形内的小齿轮固定连接；腰回转轴为两端开放的筒形，其一端依次穿过圆锥滚子轴承、下腰座顶面中心通孔后与大齿轮固定连接，即腰回转轴通过圆锥滚子轴承固定在上腰座内；大齿轮与小齿轮啮合；

所述的执行机构包括上升油缸、上升油缸活塞、上升油缸活塞杆、上升导向杆、套筒、升降台、滚动轴承、支撑板、支撑架、平移油缸、平移油缸活塞杆、导向杆、导向套、环形套筒和机械手；

上升油缸和腰回转轴通过螺栓连接，均固定在固定立柱上，所述的固定立柱外侧壁上设置活动连接的U型凸槽，齿条缸设置在该凸槽内，上升油缸活塞、上升油缸活塞杆、上升导向杆、套筒均设置在上升油缸内，上升导向杆设置在上升油缸活塞杆和套筒之间，上升导向杆的两端通过螺栓固定在上升油缸两端，上升油缸上端通过螺栓连接固定于升降台下表面；上升油缸活塞杆的一端依次穿过升降台的通孔、上升油缸上端面进入上升油缸内，上升油缸活塞杆的另一端通过螺栓固定于支撑板的下表面；

平移油缸外侧壁固定在支撑板上表面，平移油缸活塞杆的一端穿过平移油缸的一个端面进入平移油缸内，另一端固定在支撑架上，支撑架通过滚动轴承固定在支撑板，导向杆、导向套设置在平移油缸内，导向杆设置在导向套内，导向套的两端通过螺栓固定在平移油缸两端，且与平移油缸活塞杆平行；

机械手包括手爪和伸缩油缸，手爪与伸缩油缸滑动连接，伸缩油缸滑设置在环形套筒内，环形套筒通过螺栓与平移油缸固定连接；

所述的液压控制机构包括三相交流异步电动机、液压泵、滤油器、油箱、二位二通电磁换向阀、单向阀、先导式溢流阀、三位四通电磁换向阀、调速阀和液压缸；

三相交流异步电动机的输出端与液压泵的进口相连接，液压泵的第一输出端与第一单向阀的进口相连接，第一单向阀的出口同时与第二滤油器和第一先导式溢流阀的一端相连接，第二滤油器的另一端同时与油箱、第一三位四通电磁换向阀的第一端口、第二三位四通电磁换向阀的第一端口、第三三位四通电磁换向阀的第一端口相连接，第一先导式溢流阀的另一端与二位二通电磁换向阀的一端相连接，二位二通电磁换向阀的另一端与油箱相连接；液压泵的第二输出端与第一滤油器的一端相连接，第一滤油器的另一端与油箱相连接；第一三位四通电磁换向阀、第二三位四通电磁换向阀、第三三位四通电磁换向阀的第二端口相互连接；第一三位四通电磁换向阀的第三端口同时与第二单向阀的进口、第一调速阀的一端相连接，第一液压缸的一端与第四单向阀的进口、第一调速阀的另一端、第二单向阀的出口相连接，第一液压缸的另一端与第二调速阀的一端相连接，第二调速阀的另一端与第一三位四通电磁换向阀的第四端口相连接；

第二三位四通电磁换向阀的第三端口与第二液压缸的一端相连接，第二液压缸的另一端与第三调速阀的一端相连接，第三调速阀的另一端与第二三位四通电磁换向阀的第四端口相连接；

第三三位四通电磁换向阀的第三端口与第三单向阀的进口、第二先导式溢流阀的一端相连接，第三单向阀的出口、第二先导式溢流阀的另一端均与第三液压缸的一端相连接，第三液压缸的另一端与第四调速阀的一端相连接，第四调速阀的另一端与第三三位四通电磁换向阀的第四端口相连接；

所述的第一三位四通电磁换向阀、第二三位四通电磁换向阀、第三三位四通电磁换向阀分别实现机械手升降功能、机械手水平收缩功能、机械手抓取功能，另外升降油缸采用两个单向油缸和两个调速阀构成的背压回路，以平衡下降时的重力影响。

Images