CN104229702A - 一种圆形桶中心定位装置及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆形桶中心定位装置及其定位方法。该装置包括平动机构、升降机构、旋转机构、抱桶机构。平动机构包括平动支架、一对第一电机、一对第一导轨、一对第一滑块、平动连接座、一对第一滚轴丝杠。两个第一电机分别带动两条第一滚轴丝杠以驱动平动连接座在两条第一导轨上滑动。升降机构包括升降支架、两对第二导轨、升降横梁板、一对第二电机、两条第二滚轴丝杠、两对第二滑块。两个第二电机分别带动两条第二滚轴丝杠以驱动升降支架在两对第二导轨上滑动。旋转机构包括旋转机头、旋转电机。旋转电机带动旋转机头旋转。抱桶机构包括气缸、气爪，气缸的伸缩运动带动气爪的拉杆拉动气爪的抓杆，使抓杆带动贴板实现抱桶运动。

Description

一种圆形桶中心定位装置及其定位方法

技术领域

本发明涉及一种定位装置，具体的说是一种圆形桶中心定位装置以及定位方法。

 背景技术

随着现代工业的发展，许多材料（如石油、化工材料、核废料等）都需要合理的储存，以便运输和处理。其中大部分会采用圆形桶或者类似的容器进行存储。然而，原始的完全依靠人工的灌装，既不能满足现代工业的要求，又对人体的健康带来危害。因而，出现了自动灌装系统。但是在传统的自动灌装装置中，由于很少对容器进行精确的定位，容易产生物料溢出的情况。这不仅浪费材料，而且溢出的物料可能对设备、操作人员带来伤害。

基于这些问题，传统的机械定位方式，其精确度和效率都不能满足现代社会的要求。目前公开的一种视觉寻址定位自动灌装设备，其中包括了一种基于视觉的定位机构。但是，众所周知，图像的处理对于外界条件的依赖性很强。这些因素（如光照强度的变化、水雾的影响等）都会对精确定位造成影响，甚至使系统不能正常的工作。因而急需一种新的中心定位方法，以实现对原料桶中心的精确定位。

发明内容

本发明的目的是提供一种圆形桶中心定位装置及其定位方法。

本发明是这样实现的，一种圆形桶中心定位装置，其用于定位圆形桶的中心位置，该圆形桶中心定位装置包括平动机构、升降机构、旋转机构、抱桶机构；

其中，该平动机构包括平动支架、一对第一电机、一对第一导轨、一对第一滑块、平动连接座、一对第一滚轴丝杠；两条第一导轨相互平行安装于平动支架上，两个第一滑块分别卡合于两条第一导轨上并能相对相应的一导轨滑动，平动连接座固定在两个第一滑块上；两条第一滚轴丝杠安装于平动支架上且与两条第一导轨平行，两个第一电机分别安装在平动支架上用于带动两条第一滚轴丝杠，两条第一滚轴丝杠驱动平动连接座在两条第一导轨上滑动；

该升降机构包括升降支架、两对第二导轨、升降横梁板、一对第二电机、两条第二滚轴丝杠、两对第二滑块；每对第二导轨相互平行安装于升降支架的两侧上，两对第二滑块分别卡合于两对第二导轨上而能相对相应的第二导轨滑动，升降横梁板固定在两对第二滑块上，第二导轨垂直于第一导轨；两条第二滚轴丝杠安装于升降支架上且与两对第二导轨平行，两个第二电机分别安装在升降支架上用于带动两条第二滚轴丝杠，两条第二滚轴丝杠驱动升降支架在两对第二导轨上滑动；

该旋转机构包括旋转机头、旋转电机；该旋转机头包括若干加强板和旋转圆盘，旋转电机和旋转圆盘固定于若干加强板的相对两侧，旋转电机还安装于升降横梁板的中心位置以带动连接于下方的旋转机头进行旋转；

该抱桶机构包括气缸、气爪，该气爪包括若干拉杆、若干抓杆和若干贴板；气缸固定在旋转圆盘的中心，若干抓杆的一端转动连接在旋转圆盘远离旋转电机的一侧上，若干抓杆的另一端与若干贴板固定，若干拉杆的两端分别与气缸、若干抓杆转动连接；气缸的伸缩运动带动若干拉杆拉动若干抓杆，使若干抓杆带动若干贴板实现抱桶运动。

作为上述方案的进一步改进，该平动机构还包括用于校准圆形桶中心初始位置的机械导向片，机械导向片的内部边缘安装有第一轴承，第一轴承用于减小平动连接座卡入机械导向片时的摩擦力。

作为上述方案的进一步改进，每条第一导轨的两端分别装有行程开关传感器。

作为上述方案的进一步改进，两个第二电机分别安装有电磁刹车装置。

作为上述方案的进一步改进，每条第二导轨的两端分别装有行程开关传感器。

作为上述方案的进一步改进，在每个贴片上安装了至少一个第二轴承，第二轴承确保该气爪能在圆形桶的桶面顺利滑动。

作为上述方案的进一步改进，平动连接座的相对两侧分别安装了导轨滑块。

作为上述方案的进一步改进，在升降支架的底部装有电磁铁。

本发明还涉及上述任意一种所述的圆形桶中心定位装置的定位方法，该定位方法包括以下步骤：

在该圆形桶中心定位装置启动之前，清零初始化进行误差校准，使整个装置处于初始复位状态，该初始复位状态包括该气抓的平动初始位置、升降初始位置、旋转初始位置；

通过驱动旋转电机旋转该旋转机头设定的旋转角度，通过驱动两个第一电机平动该平动连接座设定的平动距离，通过驱动两个第二电机下降该升降支架设定的下降距离；

传输该圆形桶至该气抓的下方，该圆形桶所在的位置应在平动支架的中心线位置，通过驱动气缸张开该气爪设定的张开角度对该圆形桶进行抱桶； 

通过驱动旋转电机来回旋转该旋转机头达到最终旋转设定角度；

定位结束。

作为上述方案的进一步改进，该定位方法包括以下步骤：

通过驱动气缸复位而松开该气爪；

通过驱动旋转电机以最终旋转设定角度反向旋转该旋转机头；

通过驱动两个第二电机复位而上升该升降支架设定的上升距离；

通过驱动两个第一电机复位而平动该平动连接座设定的平动距离；

通过驱动旋转电机复位而旋转该旋转机头设定的旋转角度。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明的圆形桶中心定位装置及其定位方法，主要用于精确定位圆形桶的中心，特别适用于高精度、高性能的圆形桶中心定位。该圆形桶中心装置可用性强、适应性好，通过简单的机械模块的更换，能够适应各种需要进行圆形桶中心定位的场合，能够在现代工业中得到广泛的应用。

附图说明

图1为本发明所述圆形桶中心定位装置的整体结构图；

图2为本发明中平动机构的结构图；

图3为本发明的升降机构的结构图；

图4为本发明的旋转机构及抱桶机构的组合结构图；

图5为本发明所述圆形桶中心定位装置的仰视图；

图6为本发明所述圆形桶中心定位装置进行平动定位时的原理图；

图7为本发明所述圆形桶中心定位装置的控制流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明的圆形桶中心定位装置用于定位圆形桶的中心位置，本实施方式介绍的圆形桶中心定位装置包括平动机构、升降机构、旋转机构、抱桶机构。

请结合图2，该平动机构包括平动支架1、一对第一电机2、一对第一导轨3、一对第一滑块31、平动连接座4、一对第一滚轴丝杠5、用于校准圆形桶中心初始位置的机械导向片6。

两条第一导轨3相互平行安装于平动支架1上，两个第一滑块31分别卡合于两条第一导轨3上而能相对相应的第一导轨3滑动，平动连接座4固定在两个第一滑块31上。两条第一滚轴丝杠5安装于平动支架1上且与两条第一导轨3平行，两个第一电机2分别安装在平动支架1上用于带动两条第一滚轴丝杠5，两条第一滚轴丝杠5驱动平动连接座4在两条第一导轨3上滑动。平动连接座4的相对两侧分别安装了导轨滑块10，机械导向片6的内部边缘安装有第一轴承7，第一轴承7用于减小平动支架1卡入机械导向片6时的摩擦力。机械导向片6的作用在于，初始时通过机械卡位，使得整个平动机构处于平动连接座4的中心线位置，提高平动定位精度。

为了避免定位机构平动时超出导轨行程，分别在第一导轨3的初始端和末端装有行程开关传感器8和9。当定位机构平动压上任意一个限位开关，定位机构将会紧急停止运动。也就是说，每条第一导轨3的两端可分别装有行程开关传感器。

由于左右方向存在小幅度误差，需通过抱桶机构来校准该误差。因此在平动连接座4上安装了导轨滑块10，导轨滑块10用于定位机构在左右方向小幅度滑动，从而实现通过抱桶校准左右方向的误差。

平动机构主要实现定位装置的平动。在初始状态时，通过机械导向片6将平动机构机械卡位与平动连接座4的中心线位置，保证左右方向的零初始状态。在第一滚轴丝杠5的两端可分别装有限位开关，当平动连接座4平动时触发限位开关，则立即停止，保护机构不受损坏。初始限位开关在系统复位的时候，还起初始化平动机构的作用。由于平动采用双电机（即两个第一电机2并行驱动，虽然经过差补算法能保证其驱动的一致性，但可能会由于期间断电或故障造成二者之间存在误差，因此，每一次复位时都通过初始限位开关对两边初始位置进行复位，保证误差不会累积，也是整个平动机构能够长期运行的关键。

平动时平动机构所处的位置，可以通过第一电机2驱动器读取电机码盘值换算得知。由于电机码盘和滚轴丝杠的精度都非常高，所以可以保证平动的精度在正负1mm以内。控制程序中已经将控制第一电机2的脉冲数和脉冲频率转换成平动的距离和速度，因此只需设置平动的距离和速度就可以实现对平动的控制。

本发明在进行实际的定位过程中，首先便是设置平动的速度和最大距离，让平动机构向前端平动。其在具体使用的过程中，可以在平动机构上安装用于检测圆形桶的反射激光传感器（图中未示出），以及用于测量圆形桶弦长的激光传感器（图中未示出），把反射激光传感器检测到的圆形桶和激光传感器在平动机构测出扫过的圆形桶的对应弦长进行对比计算并得出修正值，修正后便实现了圆形桶中心和平动机构中心前后方向的一致性。

所述的平动定位使用的激光传感器为反射型开关传感器，其斑点小（1mm左右）精度高。在平动时，通过记录检测到弦的两个端点时的平动位置，再相减即可得到所测弦的长度。

该升降机构包括升降支架11、两对第二导轨12、升降横梁板14、一对第二电机15、两条第二滚轴丝杠16、两对第二滑块32。每对第二导轨12相互平行安装于升降支架11的两侧上，两对第二滑块32分别卡合于两对第二导轨12上而能相对相应的第二导轨12滑动。升降横梁板14固定在两对第二滑块32上，第二导轨12垂直于第一导轨3。两条第二滚轴丝杠16安装于升降支架11上且与两对第二导轨12平行，两个第二电机15分别安装在升降支架11上用于带动两条第二滚轴丝杠16，两条第二滚轴丝杠16驱动升降支架11在两对第二导轨12上滑动。

为了避免升降机构的升降超出第二导轨12的行程，分别在第二导轨12的初始端和末端装有行程开关传感器17。当平动机构跟随升降机构升降压上任意一个限位开关（即行程开关传感器17），定位机构将会紧急停止运动。

所述的升降结构的第二电机15附带有电磁刹车装置，防止在突然断电或发生故障时，由于升降部分机构自身的重量而下滑，对装置造成不可恢复的损坏。

升降机构主要实现定位装置的升降。升降机构的驱动和控制形式和平动装置一样，也是双电机（即两个第二电机15）驱动，以及在始末端通过限位开关进行限位和初始化。同样只需设定相应的升降距离和速度，即可实现平动机构的升降运动。

在进行升降运动时，主要通过事先计算好桶的高度以及需要下降的距离，然后让平动机构直接下降到设定位置即可。

该旋转机构包括旋转机头、旋转电机19。该旋转机头包括若干加强板20和旋转圆盘21，旋转电机19和旋转圆盘21固定于若干加强板20的相对两侧，旋转电机19还安装于升降横梁板14的中心位置以带动连接于下方的旋转机头进行旋转。由于有线缆和旋转机构相连（旋转电机19需要用到线缆），所以对旋转机构的旋转角度有所限制，否则会由于旋转角度太大对线缆造成损伤甚至损坏。

旋转机构主要实现平动机构的旋转。该旋转机构主要由一个高精度的旋转电机19直接驱动，能满足某些场合的高精度需求。为了保证安全性，将旋转结构的旋转角度限制在0~360°以内。其控制形式也已经转换成旋转角度和角速度的形式，可以直接设置相应的值进行控制。由于旋转角度对中心定位有非常大的影响，因此此处采用高精度的旋转电机19，可以把旋转角度误差控制在很小的范围内，保证定位的准确性。

该抱桶机构包括气缸22、气爪，该气爪包括若干拉杆24、若干抓杆23和若干贴板25。

气缸22固定在旋转圆盘21的中心，若干抓杆23的一端转动连接在旋转圆盘21远离旋转电机19的一侧上，若干抓杆23的另一端与若干贴板25固定，若干拉杆24的两端分别与气缸22、若干抓杆23转动连接；气缸22的伸缩运动带动若干拉杆24拉动若干抓杆23，使若干抓杆23带动若干贴板25实现抱桶运动。

抱桶机构主要用于抱桶修正平动机构和圆形桶左右方向的误差。由于圆形桶的位置在左右方向上不会有很大的误差，为了减少结构的复杂性，本发明直接使用一个气爪式结构进行修正定位。只需控制气缸22的伸缩，即可实现抱桶修正定位。

为了实现抱桶修正左右误差，平动机构通过一定行程的导轨滑块10和平动连接座4相连，因此旋转机头可以在一定范围内自由滑动。当气爪抱桶时，由于抱桶的反作用力即可将平动机构拉到和圆形桶中心对准的位置，最终实现整个定位机构的中心和圆形桶的中心对准。

在抱桶的时候，为了能保证定位机构的中心和桶的中心对准，我们让整个旋转机构抱着桶来回的旋转几次，以磨合左右方法的误差。因此在贴片25上安装了轴承26，确保气爪能在桶面顺利的滑动。

所述抱桶机构的气缸22，应根据圆形桶的大小，事先调节好伸缩行程，保证气爪抱住桶时的力度合适，既可实现修正定位，也不会损坏设备。

由于某些场合需要旋转机头旋转完成某些操作，因此，在所述抱桶机构的贴板上装有轴承，以实现在气爪抱着桶的同时还可以来回旋转。在旋转或者张开气爪的时候，由于机械弹性或外部振动，易使旋转机头又偏离中心位置。因此，在升降支架11的底部装有电磁铁18用于位置锁定。这样，当通过抱桶结构对桶中心的左右位置进行对准后，可防止张开气爪时，由于机械弹性或外部干扰而使定位机构偏离桶中心位置，在升降支架11底部的电磁铁18能锁定左右方向的位置。

该设计结构简单，性能稳定，能极大程度的降低某些工业生产的人力成本和时间成本，提高生产效率。各种安全防护措施保证了设备的安全性，高精度的结构和传感器保证了这个定位装置的可靠性，以及简单的控制方式保证了装置的易用性。

下面对该圆形桶中心定位装置的定位方法进行详细介绍。在定位装置启动之前，整个装置处于初始复位状态。平动初始位置通过平动初始限位开关8进行清零校准，升降初始位置通过升降限位开关17进行清零校准，而旋转的清零校准直接通过旋转电机自初始相位校准即可。

首先将需要定位的圆形桶通过传送带或某种方式传送至定位机构的右下方，如图1所示，并将其固定在此处。在定位装置启动时，其所在的位置应在平动支架的中心线位置，根据实际情况（比如桶直径的大小）设置的激光传感器的位置，先将旋转电机19转到相应的角度，并事先测出在该角度激光传感器所在圆环与平动方向平行的弦的长度为L1，如图5所示。当定位机构向前运动，通过激光传感器扫描测得圆形桶对应的弦长为L2，因此只需修正(L2-L1)/2的距离即可将平动机构的中心位置和圆形桶的中心位置在前后方向上对准。

然后再通过升降机构将平动机构下降设定的距离，此过程中应将抱桶气爪张开。当下降完成后，再通过抱桶气爪实施抱桶校准，此时应将锁定的电磁铁18松开，让旋转机头处于左右可滑动状态。抱桶完成后，再通过旋转电机19将抱桶气爪来回旋转一定角度，以便平动机构的中心能和圆形桶的中心更好的对准。此时锁定电磁铁18，保证后续的工业生产动作不会让二者中心偏离。至此，整个定位流程便顺利完成。

在完成所需的工业生产流程之后，需要将定位机构回复至初始位置，包括平动回位，升降回位以及旋转回位。在回位的过程中，一般按照以下顺序执行，避免各个机构之间因相互干涉而不能正常回位。回位顺序为：先张开气爪，防止在上升的时候气爪没松开，将桶一起带着上升；然后再旋转至一个设定的角度，保证在该角度不会存在与任意机构之间的相互干涉（尤其是气爪和其他部分的干涉）；然后再上升，通过升降限位开关判断上升完成后，进行升降清零初始化；接着平动回位，同样通过平动限位开关判断平动完成后，需要进行平动清零初始化；最后再将旋转机构旋转回初始位置，进行旋转清零初始化。至此，整个定位装置又回到了初始状态，可以进行下一轮的定位操作。整个定位的控制流程图如图6所示，复位控制流程如图7所示。

也就是说圆形桶中心定位装置在抱桶时需要操作包含以下的步骤：

一、在该圆形桶中心定位装置启动之前，清零初始化进行误差校准，使得整个装置处于初始复位状态，该初始复位状态包括该气抓的平动初始位置、升降初始位置、旋转初始位置；

二、通过驱动旋转电机19旋转该旋转机头设定的旋转角度，通过驱动两个第一电机2平动该平动连接座4设定的平动距离，通过驱动两个第二电机15下降该升降支架11设定的下降距离；

三、传输该圆形桶至该气抓的下方，该圆形桶所在的位置应在平动支架1的中心线位置，通过驱动气缸22张开该气爪设定的张开角度对该圆形桶进行抱桶； 

四、通过驱动旋转电机19来回旋转该旋转机头达到最终旋转设定角度；

五、定位结束。

该圆形桶中心定位装置在松开复位时需要操作包含以下的步骤：

一、通过驱动气缸22复位而松开该气爪；

二、通过驱动旋转电机19以最终旋转设定角度反向旋转该旋转机头；

三、通过驱动两个第二电机15复位而上升该升降支架11设定的上升距离；

四、通过驱动两个第一电机2复位而平动该平动连接座4设定的平动距离；

五、通过驱动旋转电机19复位而旋转该旋转机头设定的旋转角度。

综上所述，本发明的圆形桶中心定位装置是能够自动对圆形桶中心进行精确定位，并使得旋转机头运动到圆形桶中心位置的装置。本设计实用性强，对于各种自动灌装系统都可以采用这种中心定位装置进行桶中心的精确定位，提高灌装的效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种圆形桶中心定位装置，其用于定位圆形桶的中心位置，其特征在于：该圆形桶中心定位装置包括平动机构、升降机构、旋转机构、抱桶机构；

其中，该平动机构包括平动支架（1）、一对第一电机（2）、一对第一导轨（3）、一对第一滑块（31）、平动连接座（4）、一对第一滚轴丝杠（5）；两条第一导轨（3）相互平行安装于平动支架（1）上，两个第一滑块（31）分别卡合于两条第一导轨（3）上并能相对相应的第一导轨（3）滑动，平动连接座（4）固定在两个第一滑块（31）上；两条第一滚轴丝杠（5）安装于平动支架（1）上且与两条第一导轨（3）平行，两个第一电机（2）分别安装在平动支架（1）上用于带动两条第一滚轴丝杠（5），两条第一滚轴丝杠（5）驱动平动连接座（4）在两条第一导轨（3）上滑动；

该升降机构包括升降支架（11）、两对第二导轨（12）、升降横梁板（14）、一对第二电机（15）、两条第二滚轴丝杠（16）、两对第二滑块（32）；每对第二导轨（12）相互平行安装于升降支架（11）的两侧上，两对第二滑块（32）分别卡合于两对第二导轨（12）上而能相对相应的第二导轨（12）滑动，升降横梁板（14）固定在两对第二滑块（32）上，第二导轨（12）垂直于第一导轨（3）；两条第二滚轴丝杠（16）安装于升降支架（11）上且与两对第二导轨（12）平行，两个第二电机（15）分别安装在升降支架（11）上用于带动两条第二滚轴丝杠（16），两条第二滚轴丝杠（16）驱动升降支架（11）在两对第二导轨（12）上滑动；

该旋转机构包括旋转机头、旋转电机（19）；该旋转机头包括若干加强板（20）和旋转圆盘（21），旋转电机（19）和旋转圆盘（21）固定于若干加强板（20）的相对两侧，旋转电机（19）还安装于升降横梁板（14）的中心位置以带动连接于下方的旋转机头进行旋转；

该抱桶机构包括气缸（22）、气爪，该气爪包括若干拉杆（24）、若干抓杆（23）和若干贴板（25）；气缸（22）固定在旋转圆盘（21）的中心，若干抓杆（23）的一端转动连接在旋转圆盘（21）远离旋转电机（19）的一侧上，若干抓杆（23）的另一端与若干贴板（25）固定，若干拉杆（24）的两端分别与气缸（22）、若干抓杆（23）转动连接；气缸（22）的伸缩运动带动若干拉杆（24）拉动若干抓杆（23），使若干抓杆（23）带动若干贴板（25）实现抱桶运动。

2.如权利要求1所述的圆形桶中心定位装置，其特征在于：该平动机构还包括用于校准圆形桶中心初始位置的机械导向片（6），机械导向片（6）的内部边缘安装有第一轴承（7），第一轴承（7）用于减小平动连接座（4）卡入机械导向片（6）时的摩擦力。

3.如权利要求1所述的圆形桶中心定位装置，其特征在于：每条第一导轨（3）的两端分别装有行程开关传感器。

4.如权利要求1所述的圆形桶中心定位装置，其特征在于：两个第二电机（15）分别安装有电磁刹车装置。

5.如权利要求1所述的圆形桶中心定位装置，其特征在于：每条第二导轨（12）的两端分别装有行程开关传感器。

6.如权利要求1所述的圆形桶中心定位装置，其特征在于：在每个贴片（25）上安装了至少一个第二轴承（26），第二轴承（26）确保该气爪能在圆形桶的桶面顺利滑动。

7.如权利要求1所述的圆形桶中心定位装置，其特征在于：平动连接座（4）的相对两侧分别安装了导轨滑块（10）。

8.如权利要求1所述的圆形桶中心定位装置，其特征在于：在升降支架（11）的底部装有电磁铁（18）。

9.一种如权利要求1至8中任意一项所述的圆形桶中心定位装置的定位方法，其特征在于：该定位方法包括以下步骤：

在该圆形桶中心定位装置启动之前，清零初始化进行误差校准，使整个装置处于初始复位状态，该初始复位状态包括该气抓的平动初始位置、升降初始位置、旋转初始位置；

通过驱动旋转电机（19）旋转该旋转机头设定的旋转角度，通过驱动两个第一电机（2）平动该平动连接座（4）设定的平动距离，通过驱动两个第二电机（15）下降该升降支架（11）设定的下降距离；

传输该圆形桶至该气抓的下方，该圆形桶所在的位置应在平动支架（1）的中心线位置，通过驱动气缸（22）张开该气爪设定的张开角度对该圆形桶进行抱桶； 

通过驱动旋转电机（19）来回旋转该旋转机头达到最终旋转设定角度；

定位结束。

10.如权利要求9中所述的圆形桶中心定位装置的定位方法，其特征在于：该定位方法包括以下步骤：

通过驱动气缸（22）复位而松开该气爪；

通过驱动旋转电机（19）以最终旋转设定角度反向旋转该旋转机头；

通过驱动两个第二电机（15）复位而上升该升降支架（11）设定的上升距离；

通过驱动两个第一电机（2）复位而平动该平动连接座（4）设定的平动距离；

通过驱动旋转电机（19）复位而旋转该旋转机头设定的旋转角度。