CN104044924A - 有关堆垛机械手的多轴桥架式玻璃在线堆垛机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及玻璃机械和自由度串联机器人及自动控制技术领域，具体地说是一种有关堆垛机械手的多轴桥架式玻璃在线堆垛机，包括机械手控制系统和视觉定位系统及应用工具，该装置由机架、主机、多功能真空抓取系统、视觉定位系统、可旋转平台、控制系统组成，机架横跨在玻璃生产线上方，采用双门型两端悬臂结构，行走横梁支架吊挂在左右两侧门型框架的吊挂支点上，主机安装于机架的行走横梁支架之间上，主机设有四个自由度串联机械手的机械结构，结构为水平行走轴、垂直提升轴、第一旋转轴、第二旋转轴构成抓取玻璃装置。本发明同现有技术相比，其优点在于：采用四个自由度串联机械手的结构，精确定位，增加了结构承载强度，提高了堆垛机的稳定性。

Description

有关堆垛机械手的多轴桥架式玻璃在线堆垛机

[技术领域]

本发明涉及玻璃机械和自由度串联机器人及自动控制技术领域，具体地说是一种有关堆垛机械手的多轴桥架式玻璃在线堆垛机。

[背景技术]

平板玻璃生产线在线堆垛的设备主要有：水平堆垛机、垂直堆垛机、机械手堆垛机。先进的生产线一般高档线居多，对质量要求较高、等级划分较细，大量设置支线；主要堆垛设备为垂直堆垛机、机械手堆垛机。国内的生产线除引进项目外，中低端较多，一般取板、堆垛工作在主线上完成，主要使用水平堆垛机和机械手堆垛机。这三种常规堆垛设备严格来说总存在一些不尽人意的地方：水平堆垛机堆垛规格范围大、操作方便、造价低等，在要求不高的情况特别是重载情况下，在国内得到较大范围的使用；但其堆垛过程为平抓平放，当玻璃满架后需将玻璃由水平翻转为垂直状态，容易造成玻璃擦伤，表面质量不高，且堆垛周期较长，无法满足高档要求。垂直堆垛机轨迹固定，周期快、堆垛精度较高；但需配套复杂的支线、转向、调边等装置进行配合，单台堆垛机只能堆一种规格或品种的玻璃，且维护困难。机械手堆垛机的优点是利用堆垛载体关节式工业机器人灵活自如的空间特性可实现飞行抓取，堆垛周期快、单台设备能分二等堆垛等；但受制于工业机器人的负载能力，一般最大抓取重量＜350kg，主要适用于堆垛中小片，对中大片无能为力，且工业机器人需要进口，价格昂贵。故需要一种集合水平堆垛机、垂直堆垛机、机械手堆垛机的优点于一体式堆垛设备。

[发明内容]

本发明的目的是提出一种拥有4个自由度串联机械手的结构，采用PLC智能控制程序，能实现将生产线上一系列规格、重量的玻璃立式送入玻璃集装架内，并能横跨在生产线冷端堆垛区域的主线上，精度高、周期快，提高生产效率的有关堆垛机械手的多轴桥架式玻璃在线堆垛机。

为了实现上述目的，提供一种有关堆垛机械手的多轴桥架式玻璃在线堆垛机，包括机械手控制系统和视觉定位系统及计算机应用工具，所述的计算机应用工具为PLC编程软件或Halcon或Visual C++6.0软件，该装置由机架1、主机2、多功能真空抓取系统3、视觉定位系统4、可旋转平台6、控制系统5组成，机架1横跨在玻璃生产线上方，采用双门型两端悬臂结构，行走横梁支架102吊挂在左右两侧门型框架101的吊挂支点上，主机2安装于机架1的行走横梁支架102之间上，主机2设有四个自由度串联机械手的机械结构，所述的结构为水平行走轴2-1、垂直提升轴2-2、第一旋转轴2-3、第二旋转轴2-4构成抓取玻璃装置，实现搬运过程，包括以下部分：

a.所述的水平行走轴2-1为直线运动，采用四组滚轮组2-102加双导轨2-101导向，第一齿轮2-104、齿条2-105传动，第一齿轮2-104安装于第一伺服电机减速机2-106输出轴上；导轨2-101、齿条2-105固定在行走横梁支架102上，其它部件固定在行走支架2-103上，目的是调整运动位置；

b.所述的垂直提升轴2-2为直线运动，采用直线导轨2-204加滑块2-203导向，齿轮齿条传动，第二伺服电机减速机2-201驱动；滑块2-203、第二伺服电机减速机2-201固定在行走支架2-103上，其他部件固定在提升支架2-202上，目的是调整运动位置；

c.第一旋转轴2-3旋转关键元件为外齿式回转支撑架2-302，第一旋转轴2-3固定于提升支架2-202的末端；驱动元件为第三伺服电机减速机2-301，第三伺服电机减速机2-301固定在提升支架2-202上，通过第三齿轮2-303啮合直接传动；该关节实现360°任意旋转，调整运动姿态，旋转支架2-402水平安装面安装在外齿式回转支撑架2-302的下部安装面上；旋转支架2-402右侧的垂直安装面通过销轴2-404、轴承座2-403与多功能真空抓取系统联接，旋转支架左侧固定在第四伺服电机减速机2-401的输出法兰轴上，第四伺服电机减速机2-401固定在多功能真空抓取系统的吊耳上；该轴实现多功能抓取装置围绕第二旋转轴2-4旋转±90°；

d.多功能真空抓取装置3与第二旋转轴2-4联接，通过四个自由度组合：实现视觉定位装置4获取玻璃7的实际坐标后调整主机2的位置及姿态使得多功能真空抓取装置3的工具坐标系与原点在玻璃中心的玻璃中心坐标系X轴平行、Y轴重合；最终实现第一旋转轴2-3旋转到90°的位置，当玻璃宽度小于长度则无需旋转；

e.第二旋转轴2-4旋转84°，通过调整运动姿态变化将玻璃7的水平姿态变为堆垛时的与水平面成84°的夹角且长边在下的姿态，将玻璃7立式送入玻璃集装架8；

f.堆垛机械手控制系统采用PLC控制，机械手的四个自由度的伺服电机通过RS-232接口电路与控制系统PLC连接，另外RS-232接口电路还连接有显示屏、键盘、机械手控制电路、视觉定位控制系统；其中显示屏、键盘、机械手控制电路、视觉定位控制系统构成智能示范盒，对不同堆垛作业方式通过智能示范盒的人机接口界面进行选择，所述的计算机应用工具为PLC编程软件、Halcon、Visual C++6.0。

双门型两端悬臂结构行走横梁102吊挂在两侧门型框架101的吊挂支点上，垂直提升支架2-202设置在行走横梁102的移动空间。

垂直提升轴2-2采用直线导轨2-204加滑块2-203导向替换为采用四组滚轮组架双导轨导向。

第一旋转轴2-3上的外齿式回转支撑架2-302替换为内齿式或摆线针轮减机，水平行走轴2-1和垂直提升轴2-2主要用于调整运动位置；第一旋转轴2-3和第二旋转轴2-4主要用于调整运动姿态；四个方向的自由度组合运动可实现将玻璃7立式放入玻璃集装架8内。

在第一旋转轴2-3和第二旋转轴2-4之间设有一旋转支架2-402；旋转支架2-402上平面安装在外齿式回转支撑架2-302上，左右两侧通过轴2-404、轴承座2-403与多功能真空抓取装置3联接；第四伺服电机减速机2-401安装在多功能真空抓取装置3上，输出法兰轴安装在旋转支架2-402上。

机架上或抓取装置上设有一套视觉定位装置4，视觉定位装置4向堆垛机提供玻璃7在堆垛坐标系中的实际位置，所述的视觉定位装置4包括摄像头、光电开关、视觉定位控制处理电路、图像处理软件halcon或VC++6构成。

多功能真空抓取装置与第二旋转轴联接用于吸取玻璃，所述的抓取装置上设有真空泵或真空发生器，所述的第二旋转轴采用矩管加铝型材作为骨架，吸盘装载铝型材上，铝型材卡扣在矩形钢管上，根据需求移动，吸盘组分区控制，适应重量100-1200kg、规格1200X900-5000X4800mm的玻璃抓取。

本发明同现有技术相比，其优点在于：可在线实现玻璃动态取片，既能水平堆垛又能垂直堆垛，能实现像关节式工业机器人一样将玻璃灵活自如的送入玻璃集装架内，无需翻转，并且精确定位，周期快，价格低廉，从而有效对玻璃有序的采装，采用伺服电机替代普通电机，提高吸盘架行走的精确性，采用PLC智能控制程序，实现玻璃位置和行走距离及运动位置的自动调整和控制，采用四个自由度串联机械手的结构，增加了结构承载强度，解决工人作业的危险，提高了堆垛机的稳定性。

[附图说明]

图1为本发明构造示意图；

图2为本发明实施例将玻璃送入集装架时的状态示意图；

图3为本发明图1中I处放大示意图；

图4为本发明图1中II处放大示意图；

图5为本发明控制系统硬件组成框图；

图中：1、机架2、主机3、多功能真空抓取系统4、视觉定位系统5、控制系统6、可旋转平台7、玻璃8、玻璃集装架9、输送辊道101、门型框架102、行走横梁支架2-1、水平行走轴2-2、垂直提升轴2-3、第一旋转轴2-4、第二旋转轴2-101、双导轨2-102、滚轮组2-103、行走支架2-104、第一齿轮2-105、齿条2-106、第一伺服电机减速机2-201、第二伺服电机减速机2-202、提升支架2-203、滑块2-204、直线导轨2-301、第三伺服电机减速机2-302、外齿式回转支撑架2-303、第三齿轮2-401、第四伺服电机减速机2-402、旋转支架2-403、轴承座2-404、销轴；

指定图5作为本发明的摘要附图。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作进一步说明，这种装置的结构和原理对本专业的人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

结合附图，对本发明的进行具体说明，其中堆垛机的制造技术包括控制系统的技术对本专业的人来说是清楚的：

本发明可实现全自动堆垛，如图1、图2所示，本发明由机架1、主机2(包括：水平行走轴2-1、垂直提升轴2-2、第一旋转轴2-3、第二旋转轴2-4)、多功能真空抓取系统3、视觉定位系统4、控制系统5组成；其它为生产线装置：集装架承载台6、玻璃集装架8、输送辊道9，玻璃7。

机架1横跨在玻璃生产线上方，外观为双门型两端悬臂结构，行走横梁支架102吊挂在两侧门型框架101的吊挂支点上。此门型吊点结构有利于行走横梁支架102的整体刚性，有利于垂直提升支架2-202在行走横梁支架102的移动空间。

如图3、图4所示，主机2由四个自由度组成：水平行走轴2-1、垂直提升轴2-2、第一旋转轴2-3、第二旋转轴2-4。水平行走轴2-1、垂直提升轴2-2主要用于调整运动位置，第一旋转轴2-3、第二旋转轴2-4主要用于调整运动姿态。水平行走轴2-1采用四组滚轮组2-102加双导轨导向2-101，第一齿轮2-104、齿条2-105传动，第一齿轮2-104安装于第一伺服电机减速机2-106输出轴上；导轨2-101、齿条2-104固定在行走横梁直接102上，其他固定在行走支架2-103上；可在行走横梁101上任意位置移动和精确定位。垂直提升轴2-2采用直线导轨2-204加滑块2-203导向(也可采用四组滚轮组加双导轨导向)，齿轮齿条传动，第二伺服电机减速机2-201驱动；滑块2-203、第二伺服电机减速机2-201固定在行走支架2-103上，其他固定在提升支架2-202上；可在垂直于车间地面的方向上下移动和精确定位。第一旋转轴2-3旋转关键元件为外齿式回转支撑2-302，也可为内齿或摆线针轮减速机，其一面固定于提升支架2-202的末端；驱动元件为第三伺服电机减速机2-301，固定在提升支架2-202上，通过第三齿轮2-303啮合直接传动；该关节可实现360°任意旋转，但根据实际功能需求一般只需旋转±90°。第一旋转轴2-3与第二旋转轴2-4的轴线是垂直的，旋转支架2-402水平安装面安装在回转支撑2-302的下安装面上；旋转支架2-402一侧的垂直安装面通过销轴2-404、轴承座2-403与多功能真空抓取系统联接，一侧固定在第四伺服电机减速机2-401的输出法兰轴上，第四伺服电机减速机2-401固定在多功能真空抓取系统的吊耳上；该轴可实现多功能抓取装置围绕第二旋转轴2-4旋转±90°。

多功能真空抓取装置3：用于吸取玻璃，此部分可采用真空泵产生真空，也可选择真空发生器。采用钢材加铝型材作为骨架，吸盘为分区控制，可适应重量100～1200kg、规格1200X900～5000X4880mm玻璃的抓取。

视觉定位装置4：鉴于玻璃规格的变化和辊道的结构以及堆垛工艺流程，在抓取玻璃前需要对玻璃进行精确定位，为了保证堆垛质量，本系统抛弃了传统的机械定位，采用先进的视觉技术。该系统包括摄像头、光电开关、处理器、图像处理等其他软件；摄像头安装于机架上，也可安装与多功能真空抓取系统上，在抓取玻璃前获取玻璃的位置图像，通过光电开关转换成电信号，然后进入图像处理电路及图像处理软件halcon或VC++6转化为位置信息，结合玻璃的一致外形尺寸，从而可获取玻璃在堆垛坐标系中的实际位置，进而对四自由度串联组成机械手抓取姿态进行监控。所述的图像处理电路采用ADSP-BF609双核处理或其它图像采集卡电路。

控制系统5：由PC机+PLC控制电路+伺服驱动控制，支配机械手按规定的程序运动，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，拥有人机操作界面，通过通信网络来获取视觉定位系统的监控信息。

集装架承载台6：可有两种形式，一种为固定台，安装在车间地面上，一种为旋转式换架机构，安装在车间地面上，可在水平面旋转±180°；当玻璃堆满后，通过转台回转，将空架转到堆垛侧，以保证生产的连续性，对浮法生产线没有任何干扰。

本发明具体操作如下：

当玻璃7运行到堆垛机处时,冷端线控控制输送辊道9停止，玻璃7停片，对玻璃7进行初步预定位。视觉定位系统4通过图像处理获取玻璃7的位置信息，并计算其在堆垛坐标系中的实际坐标；控制系统获取玻璃7实际坐标信息后并调整主机2的位置及姿态使得多功能真空抓取系统3的工具坐标系与原点在玻璃中心的玻璃中心坐标系X轴平行、Y轴重合，并根据玻璃前进方向的位置信息计算垂直提升轴2-2放片时的提升高度及水平行走轴2-1的行走距离；垂直提升轴2-2电机驱动多功能真空抓取系统3落在玻璃上通过真空吸取玻璃，垂直提升轴2-2电机驱动提升玻璃，安全距离后水平行走轴2-1开始驱动行走，向堆垛集装架8方向运动；同时第一旋转轴2-3旋转到90°的位置(如玻璃宽度小于长度则无需旋转)、第二旋转轴2-4旋转84°，通过姿态变化将玻璃7的水平姿态变为堆垛时的与水平面成84°的夹角且长边在下的姿态，到达集装架8后放置玻璃，多功能真空抓取系统3破除真空，主机2返回，各轴复位，等待下个任务。

Claims (7)

1.一种有关堆垛机械手的多轴桥架式玻璃在线堆垛机，包括机械手控制系统和视觉定位系统及计算机应用工具，所述的计算机应用工具为PLC编程软件或Halcon或Visual C++6.0软件，其特征在于该装置由机架(1)、主机(2)、多功能真空抓取系统(3)、视觉定位系统(4)、可旋转平台(6)、控制系统(5)组成，机架(1)横跨在玻璃生产线上方，采用双门型两端悬臂结构，行走横梁支架(102)吊挂在左右两侧门型框架(101)的吊挂支点上，主机(2)安装于机架(1)的行走横梁支架(102)之间上，主机(2)设有四个自由度串联机械手的机械结构，所述的结构为水平行走轴(2-1)、垂直提升轴(2-2)、第一旋转轴(2-3)、第二旋转轴(2-4)构成抓取玻璃装置，实现搬运过程，包括以下部分：

a.所述的水平行走轴(2-1)为直线运动，采用四组滚轮组(2-102)加双导轨(2-101)导向，第一齿轮(2-104)、齿条(2-105)传动，第一齿轮(2-104)安装于第一伺服电机减速机(2-106)输出轴上；导轨(2-101)、齿条(2-105)固定在行走横梁支架(102)上，其它部件固定在行走支架(2-103)上，目的是调整运动位置；

b.所述的垂直提升轴(2-2)为直线运动，采用直线导轨(2-204)加滑块(2-203)导向，齿轮齿条传动，第二伺服电机减速机(2-201)驱动；滑块(2-203)、第二伺服电机减速机(2-201)固定在行走支架(2-103)上，其他部件固定在提升支架(2-202)上，目的是调整运动位置；

c.第一旋转轴(2-3)旋转关键元件为外齿式回转支撑架(2-302)，第一旋转轴(2-3)固定于提升支架(2-202)的末端；驱动元件为第三伺服电机减速机(2-301)，第三伺服电机减速机(2-301)固定在提升支架(2-202)上，通过第三齿轮(2-303)啮合直接传动；该关节实现360°任意旋转，调整运动姿态，旋转支架(2-402)水平安装面安装在外齿式回转支撑架(2-302)的下部安装面上；旋转支架(2-402)右侧的垂直安装面通过销轴(2-404)、轴承座(2-403)与多功能真空抓取系统联接，旋转支架左侧固定在第四伺服电机减速机(2-401)的输出法兰轴上，第四伺服电机减速机(2-401)固定在多功能真空抓取系统的吊耳上；该轴实现多功能抓取装置围绕第二旋转轴(2-4)旋转±90°；

d.多功能真空抓取装置(3)与第二旋转轴(2-4)联接，通过四个自由度组合：实现视觉定位装置(4)获取玻璃(7)的实际坐标后调整主机(2)的位置及姿态使得多功能真空抓取装置(3)的工具坐标系与原点在玻璃中心的玻璃中心坐标系X轴平行、Y轴重合；最终实现第一旋转轴(2-3)旋转到90°的位置，当玻璃宽度小于长度则无需旋转；

e.第二旋转轴(2-4)旋转84°，通过调整运动姿态变化将玻璃(7)的水平姿态变为堆垛时的与水平面成84°的夹角且长边在下的姿态，将玻璃(7)立式送入玻璃集装架(8)；

f.堆垛机械手控制系统采用PLC控制，机械手的四个自由度的伺服电机通过RS-232接口电路与控制系统PLC连接，另外RS-232接口电路还连接有显示屏、键盘、机械手控制电路、视觉定位控制系统；其中显示屏、键盘、机械手控制电路、视觉定位控制系统构成智能示范盒，对不同堆垛作业方式通过智能示范盒的人机接口界面进行选择，所述的计算机应用工具为PLC编程软件、Halcon、Visual C++6.0。

2.如权利要求1所述的一种有关堆垛机械手的多轴桥架式玻璃在线堆垛机，其特征在于双门型两端悬臂结构行走横梁(102)吊挂在两侧门型框架(101)的吊挂支点上，垂直提升支架(2-202)设置在行走横梁(102)的移动空间。

3.如权利要求1所述的一种有关堆垛机械手的多轴桥架式玻璃在线堆垛机，其特征在于垂直提升轴(2-2)采用直线导轨(2-204)加滑块(2-203)导向替换为采用四组滚轮组架双导轨导向。

4.如权利要求1所述的一种有关堆垛机械手的多轴桥架式玻璃在线堆垛机，其特征在于第一旋转轴(2-3)上的外齿式回转支撑架(2-302)替换为内齿式或摆线针轮减机，水平行走轴(2-1)和垂直提升轴(2-2)主要用于调整运动位置；第一旋转轴(2-3)和第二旋转轴(2-4)主要用于调整运动姿态；四个方向的自由度组合运动可实现将玻璃(7)立式放入玻璃集装架(8)内。

5.如权利要求1所述的一种有关堆垛机械手的多轴桥架式玻璃在线堆垛机，其特征在于在第一旋转轴(2-3)和第二旋转轴(2-4)之间设有一旋转支架(2-402)；旋转支架(2-402)上平面安装在外齿式回转支撑架(2-302)上，左右两侧通过轴(2-404)、轴承座(2-403)与多功能真空抓取装置(3)联接；第四伺服电机减速机(2-401)安装在多功能真空抓取装置(3)上，输出法兰轴安装在旋转支架(2-402)上。

6.如权利要求1所述的一种有关堆垛机械手的多轴桥架式玻璃在线堆垛机，其特征在于机架上或抓取装置上设有一套视觉定位装置(4)，视觉定位装置(4)向堆垛机提供玻璃(7)在堆垛坐标系中的实际位置，所述的视觉定位装置(4)包括摄像头、光电开关、视觉定位控制处理电路、图像处理软件halcon或VC++6构成。

7.如权利要求1所述的一种有关堆垛机械手的多轴桥架式玻璃在线堆垛机，其特征在于多功能真空抓取装置与第二旋转轴联接用于吸取玻璃，所述的抓取装置上设有真空泵或真空发生器，所述的第二旋转轴采用矩管加铝型材作为骨架，吸盘装载铝型材上，铝型材卡扣在矩形钢管上，根据需求移动，吸盘组分区控制，适应重量100-1200kg、规格1200X900-5000X4800mm的玻璃抓取。