CN105033998B - 一种机器人自动装配的智能化柔性生产线及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人自动装配的智能化柔性生产线及其运行方法，所述生产线包括工控机、轨道及移动平台、工业机器人、工业机器人控制柜、送钉系统、真空吸屑装置、主控制柜、试刀站和柔性工装，所述工业机器人、工业机器人控制柜、送钉系统、真空吸屑装置、主控制柜安装在所述移动平台上，末端执行器搭载在工业机器人的末端，柔性工作和试刀站设置在所述轨道的一侧。本发明可实现高度智能化控制的加工过程，且对过程控制精准，产品加工质量高且稳定性好，且适用多种类型的产品。

Description

一种机器人自动装配的智能化柔性生产线及其运行方法

技术领域

本发明属于机械加工领域，具体涉及数字化装配技术。

背景技术

目前，装配领域多采用手工装配、半机械化与机械化装配相结合的传统装配方式，使用大量较复杂的专用型架定位和夹紧的非精益化装配方法，技术陈旧、落后，制孔精度、铆接质量、密封质量均靠工人经验保证。今后的产品正在进入构型多、批量少、更新换代快的时代，传统的装配模式与方法已不能满足要求，迫切需要引进一种灵活通用、快速适应、自动化程度高的新装配模式。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种能够实现高度智能控制的柔性生产线及其运行方法，为实现所述技术目的，本发明提供的技术方案为：

一种机器人自动装配的智能化柔性生产线，设有工控机、轨道及移动平台，其特征在于，还包括以下组成部分：

钻铆一体末端执行器，安装在工业机器人上，执行包括制孔、铆接在内的产品加工动作；

工业机器人，安装在所述移动平台上，控制末端执行器整体在各加工动作中的空间定位；

工业机器人控制柜，安装在所述移动平台上，与移动平台、工业机器人分别连接，控制移动平台和工业机器人的运行，并与所述工控机通信连接；

送钉系统，安装在所述移动平台上，实现选钉、送钉，其输送机构与所述末端执行器连接；

真空吸屑装置，安装在所述移动平台上，其气管连接至所述末端执行器，吸走末端执行器加工过程中产生的碎屑或粉尘；

主控制柜，安装在所述移动平台上，与末端执行器、送钉系统、真空吸屑装置分别连接，控制末端执行器、送钉系统和真空吸屑装置的运行，并与所述工控机通信连接；

试刀站，安装在所述轨道的一侧，实现对刀、换刀和试钻，设有控制单元和执行机构，其控制单元与所述工控机通信连接，；

柔性工装，安装在所述轨道的一侧，用于对产品的夹紧和定位，设有控制单元和执行机构，其控制单元与所述工控机通信连接；

激光跟踪仪，与所述工控机连接，用于建立现场坐标系、对机器人进行运动学标定。

进一步的技术方案还包括：

所述轨道为生产线的扩展第七轴，其余六个轴向(包括直线轴、转轴)的运动通过工业机器人完成，工业机器人在所述轨道上实现换站位。

为了提高移动平台在轨道上的位移精度，所述轨道上安装有磁栅尺，所述磁栅尺与主控制柜连接，通过工控机利用PID控制策略实现全闭环检测和控制。

一种用于如上所述的一种机器人自动装配的智能化柔性生产线的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

一)利用激光跟踪仪在工控机中对工业机器人进行运动学标定建立精度补偿数据包，并建立现场坐标系，所述现场坐标系包括世界坐标系、机器人基座坐标系、工装坐标系；

二)将产品数模导入到工控机，利用离线编程软件生成NC加工程序；

三)对生产线的各部件进行自检，若自检结果正常，执行下一步，若自检结果为非正常，执行故障排查步骤；

四)将产品安装到柔性工装上，对产品进行夹紧和定位，工业机器人在Home位置待机；

五)在工控机中执行NC测试程序，控制工业机器人及末端执行机构在试刀站进行试钻操作；

六)将步骤二)生成的NC加工程序导入工控机的系统总控软件中执行，完成加工任务。

进一步的技术方案包括：

利用激光跟踪仪对所述现场坐标系及机器人动作精度定期检测和维护的步骤。

上述步骤二)包括：

采用CATIA二次开发的方式从产品数模中提取出所有孔位的完整设计信息，生成产品设计信息数据文件；

利用Visual C++和OpenGL混合编程开发可视化交互的离线编程软件读取产品设计信息数据文件，对工业机器人任务、末端执行器任务进行离线规划，通过后置处理模块生成符合预定编码格式的NC加工程序；

依托Delmia软件及其二次开发功能，建立NC加工程序的仿真任务并进行碰撞干涉检查。

上述步骤五)中的试钻过程如下：

A1)控制移动平台在轨道上移动，带动机器人转至试刀站站位；

A2)将工业机器人定位至试刀站的换刀位，通过试刀站的换刀模块将加工刀具换至工业机器人上的末端执行器上；

A3)将工业机器人定位至试刀站的对刀位，通过测量获得工控机系统总控软件中标定的虚拟刀尖点和实际刀尖点之间的关系，并反馈至工控机进行刀偏补偿；

A4)将工业机器人定位至试刀站的基准检测坐标系标定位，通过测量对末端执行器上的基准检测模块进行坐标系标定(相对于世界坐标系)；

A5)将工业机器人定位至试刀站的试钻位，利用末端执行器的法向找正模块，使钻孔刀具垂直于试钻板的试钻孔位；

A6)将真空吸屑装置打开，控制末端执行器将压力脚推出压住试钻板，将末端执行器转到钻孔工位在试钻板上进行试钻；

A7)检测试钻结果是否正常，若不正常，反馈至工控机对加工参数进行修正，若合格则执行下一步；

上述步骤六)中的加工任务包括：

B1)控制移动平台在轨道上移动，带动工业机器人转换至安装了产品的工装站位，利用末端执行器的基准检测模块对产品进行基准检测，建立待加工产品在系统总控软件中的理论坐标系和实际坐标系之间的联系，依据该联系修正NC加工程序中的待加工孔位数据；

B2)利用上述步骤一)中建立的精度补偿包对修正后的待加工孔位数据进行再次修正；

B3)将工业机器人按照步骤B2)修正后的待加工孔位数据进行定位，利用末端执行器上的法向找正模块，使加工刀具垂直于产品的待加工孔位；

B4)打开真空吸屑装置，控制末端执行器将压力脚推出压住产品，将末端执行器转换至钻孔工位进行钻孔、锪窝，完成一次制孔；

B5)将末端执行器转至锪窝检测工位对该孔进行锪窝检测；

B6)送钉系统选择相应铆钉，并将铆钉通过气管输送至末端执行器；

B7)末端执行器接到送钉系统输出的铆钉后，在其涂胶工位中，对该铆钉进行涂胶；

B8)末端执行器转换至铆接工位，将涂胶后的铆钉在完成锪窝检测的孔上进行铆接；

B9)转换加工位置，重复循环步骤B3)至B8)，直到完成产品上所有位置的加工；在该循环过程中，如需换刀，控制移动平台移动，将工业机器人定位至试刀站的换刀位，通过试刀站的换刀模块将指定加工刀具换至末端执行器上，再将移动平台转至安装产品的工装站位上，从步骤B3)进入循环。

上述B1)步骤中的基准检测利用多个预设在产品上的基准孔进行操作，过程如下：

将工业机器人定位至其中一个基准孔位，保持工业机器人不动，利用安装在末端执行器上的电机驱动2D扫描仪动作获取该基准孔位的二维坐标，同时结合安装在该驱动电机导轨上的磁栅尺的读数构成关于该基准孔的三维坐标，按照该方式依次扫描剩余基准孔，通过分析多个基准孔的三维坐标建立产品实际坐标系和理论坐标系的关系。

控制末端执行器在试刀站换刀后，将工业机器人定位至试刀站的对刀位，将刀尖推至预设的对刀点，利用多个距离传感器获得刀尖点的实际位置，建立刀尖点的实际位置与工控机系统总控软件中标定的虚拟刀尖点之间的联系，进行刀偏补偿。

本发明的有益效果：

本发明一种机器人自动装配的智能化柔性生产线及其运行方法可实现高度智能化控制的加工过程，且过程控制精准，产品加工质量高且稳定性好，适用多种类型的产品，且利用伴随末端执行器运动的真空吸屑装置实时除尘，有效避免对生产过程对工作环境的污染。

附图说明

图1为本发明的加工流程示意图。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

一种机器人自动装配的智能化柔性生产线，该生产线包括工控机、轨道及重载移动平台、末端执行器、工业机器人、送钉系统、真空吸屑装置、工业机器人控制柜、主控制柜、试刀站、柔性工装以及激光跟踪仪。所述工业机器人、送钉系统、真空吸屑装置、工业机器人控制柜、主控制柜均安装在所述重载移动平台上，随着工业机器人移动，末端执行器搭载在所述工业机器人上、柔性工装及试刀站设置在所述轨道的一侧。

所述轨道作为生产线系统的扩展第七轴，轨道上安装有磁栅尺，所述磁栅尺与主控制柜连接，利用PID控制策略实现全闭环检测和控制。

工控机负责生产线的总体控制，与工业机器人控制柜、主控制柜、试刀站控制单元、柔性工装控制单元、激光跟踪仪进行实时通信。

所述末端执行器设设有多个单元加工机构，分别设置在不同的工位，完成不同的加工动作，包括基准检测、制孔(包括钻孔和锪窝)、锪窝检测、涂胶、铆接等。

工业机器人安装在重载移动平台的前端，根据加工动作调整末端执行器在在多个轴向上的定位。

工业机器人控制柜安装在工业机器人的后方，位于重载移动平台的一侧，方便对机器人端的控制和故障排查。工业机器人控制柜与移动平台、工业机器人分别连接，控制移动平台的运动和工业机器人的动作，并将相关信息实时反馈至工控机。

送钉系统采用FESTO门架系统结合气缸实现选钉、送钉的功能，放置在重载移动平台的后侧，方便钉床的更换，其送钉气管与所述末端执行器的涂胶工位连接。

真空吸屑装置气管连接至所述末端执行器的制孔工位，用于吸走加工过程中产生的碎屑或粉尘。

所述主控制柜设置在工业机器人控制柜的后方，位于重载移动平台的左侧或右侧，方便对其系统的通断电和故障进行排查。主控制柜与末端执行器、送钉系统、真空吸屑装置分别连接，控制末端执行器、送钉系统和真空吸屑装置的运行，并将运行信息实施反馈至工控机。

所述试刀站设有控制单元和执行机构，主要用于实现对刀、换刀和试钻，其控制单元对对刀、换刀和试钻进行实时控制，并将相关信息实施反馈至工控机。

所述柔性工装设有控制单元和执行机构，主要实现对产品柔性定位，其控制单元与工控机通信连接。

所述激光跟踪仪用于在加工开始前，对工业机器人进行运动学标定建立精度补偿数据包，提高工业机器人的绝对定位精度，并建立现场坐标系，后期定期对工业机器人的定位精度和现场坐标系的进行检测和维护。

以加工飞机腹材部件产品为例，如上所述的机器人自动装配的智能化柔性生产线可通过以下运行方法进行控制，所述运行方法包括以下步骤：

一)利用激光跟踪仪在工控机中建立现场坐标系，对工业机器人进行运动学标定，采用基于相似度的空间插值方法采样随着末端执行器运动刀具中心点的空间位置建立精度补偿数据包，从而为实现工业机器人定位精度的提升奠定基础，所述现场坐标系包括世界坐标系、机器人基座坐标系、工装坐标系等；

二)将飞机腹材部件产品的数模导入到工控机，利用离线编程软件生成NC加工程序；

三)对生产线进行通信接口、气源气阀状态、电主轴状态、总线状态、传感器状态等进行自检，若自检结果正常，执行下一步，若自检结果为非正常，执行故障排查步骤；

四)将产品安装到柔性工装上，对产品进行夹紧和定位，控制工业机器人回到Home位置(初始站位)待机；

五)将NC测试程序导入工控机，执行NC测试程序，控制工业机器人及末端执行机构在试刀站进行试钻操作；

六)将步骤二)生成的NC加工程序导入工控机的系统总控软件中并执行，依次完成加工任务。

后期还可利用激光跟踪仪对步骤一)中的现场坐标系及机器人动作精度定期检测和维护。

上述步骤二)具体包括：

采用CATIA二次开发的方式从产品数模中提取出所有孔位的完整设计信息，生成产品设计信息数据文件；

利用Visual C++和OpenGL混合编程开发可视化交互的离线编程软件读取产品设计信息数据文件，对工业机器人任务、末端执行器任务以及特殊工艺事件进行离线规划，通过后置处理模块生成符合预定编码格式的NC加工程序；

依托Delmia软件及其二次开发功能，建立NC加工程序的仿真任务并进行碰撞干涉检查，以确保NC加工程序的准确性与可靠性。

上述步骤五)中的试钻操作过程如下：

A1)控制移动平台在轨道上移动，带动机器人转至试刀站站位；

A2)将工业机器人定位至试刀站的换刀位，通过试刀站的换刀模块将加工刀具换至工业机器人上的末端执行器上；

A3)将工业机器人定位至试刀站的对刀位，通过测量获得系统总控软件中标定的虚拟刀尖点和实际刀尖点之间的关系，并反馈至工控机进行刀偏补偿；

A4)将工业机器人定位至试刀站的基准检测坐标系标定位，通过测量对末端执行器上的基准检测模块进行坐标系标定(相对于世界坐标系)；

A5)将工业机器人定位至试刀站的试钻位，利用末端执行器的法向找正模块，使钻孔刀具垂直于试钻板的试钻孔位；

A6)将真空吸屑装置打开，控制末端执行器将压力脚推出压住试钻板，将末端执行器转到钻孔工位在试钻板上进行试钻；

A7)检测试钻结果是否正常，若不正常，反馈至工控机对其设定的加工参数进行修正，若正常则执行下一步；

上述步骤六)中的加工任务包括：

B1)控制移动平台在轨道上移动，带动工业机器人转换至安装了飞机腹材产品的工装站位，利用末端执行器的基准检测模块对产品进行基准检测，建立待加工产品在系统总控软件中标定的理论坐标系和实际坐标系之间的联系，依据该联系修正NC加工程序中的待加工孔位数据；

B2)利用上述步骤一)中建立的精度补偿包对修正后的待加工孔位数据进行再次修正；

B3)将工业机器人按照步骤B2)修正后的待加工孔位数据进行定位，利用末端执行器上的法向找正模块，使加工刀具垂直于产品的待加工孔位；

B4)打开真空吸屑装置，控制末端执行器将压力脚推出压住产品，将末端执行器转换至钻孔工位进行钻孔、锪窝，完成一次制孔；

B5)将末端执行器转至锪窝检测工位对该孔进行锪窝检测；

B6)送钉系统根据NC加工程序的设定，选择相应铆钉，并将铆钉通过气管输送至末端执行器；

B7)末端执行器接到送钉系统输出的铆钉后，在其涂胶工位中，对该铆钉进行涂胶；

B8)末端执行器转换至铆接工位，将涂胶后的铆钉在完成锪窝检测的孔上进行铆接；

B9)转换加工位置，重复循环步骤B3)至B8)，直到完成产品上所有位置的加工；在该循环过程中，如需换刀，控制移动平台移动，将工业机器人定位至试刀站的换刀位，通过试刀站的换刀模块将指定加工刀具换至末端执行器上，再将移动平台转至安装产品的工装站位上，从步骤B3)进入循环。

上述B1)步骤中的基准检测利用四个预设在产品上的基准孔进行操作，过程如下：

将工业机器人定位至其中一个基准孔位，保持工业机器人不动，利用安装在末端执行器上的电机驱动2D扫描仪动作获取该基准孔位的二维坐标，同时结合安装在该驱动电机导轨上的磁栅尺的读数构成关于该基准孔的三维坐标，按照该方式依次扫描剩余的三个基准孔，通过分析这四个基准孔的三维坐标建立产品实际坐标系和理论坐标系的关系。

所述工控机的系统总控软件包括NC加工程序管理、机器人控制、系统管理、测量单元管理、用户权限管理等功能，其上位层集成控制软件方案设计过程中可参考成熟商业化软件开发模式，采用用户界面层与逻辑功能层相分离的设计思想。用户界面层选用Duilib界面设计工具，按生产线功能划分为NC加工总控、机器人控制、末端执行器控制、测量控制和系统管理五个模块，并以分层页面的形式加以设计和管理。其核心功能管理层包含逻辑控制、算法调用、数据库管理、报警管理、日志管理、通信控制等模块，设置统一功能入口供用户界面层高效调用上述功能模块。同时可重点开发其通信控制模块，选用正确、高效的通信方式和协议实现上位层集成控制软件与下位层机器人控制程序(Ethernet)、中间层PLC控制程序(EtherCAT)之间的紧密关联，为切实发挥工控机系统控制软件的核心主导地位提供保障。所述系统总控软件融合了机器人精度补偿包和工艺数据包，其中机器人精度补偿包用于提高机器人的绝对定位精度，工艺数据包用于对加工过程中的加工参数进行修正。

上述运行方法实施例中，所述末端执行器在试刀站换刀后均需要对刀，将工业机器人定位至试刀站的对刀位，将刀尖推至预设的对刀点，利用至少三个距离传感器获得刀尖点的实际位置，建立刀尖点的实际位置与工控机系统总控软件中标定的虚拟刀尖点之间的联系，用于进行刀偏补偿。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种机器人自动装配的智能化柔性生产线的运行方法，其特征在于：

所述机器人自动装配的智能化柔性生产线，设有工控机、轨道、安装在轨道上的移动平台及以下组成部分：

末端执行器，安装在工业机器人上，执行包括制孔、铆接在内的产品加工动作；

工业机器人，安装在所述移动平台上，实现末端执行器在各加工动作中的空间定位；

工业机器人控制柜，安装在所述移动平台上，与移动平台、工业机器人分别连接，控制移动平台和工业机器人的运行，并与所述工控机通信连接；

送钉系统，安装在所述移动平台上，实现选钉、送钉，其输送机构与所述末端执行器连接；

真空吸屑装置，安装在所述移动平台上，其气管连接至所述末端执行器，吸走末端执行器加工过程中产生的碎屑或粉尘；

主控制柜，安装在所述移动平台上，与末端执行器、送钉系统、真空吸屑装置分别连接，控制末端执行器、送钉系统和真空吸屑装置的运行，并与所述工控机通信连接；

试刀站，安装在所述轨道的一侧，实现对刀、换刀和试钻，设有控制单元和执行机构，其控制单元与所述工控机通信连接；

柔性工装，安装在所述轨道的一侧，用于对产品的夹紧和定位，设有控制单元和执行机构，其控制单元与所述工控机通信连接；

激光跟踪仪，与所述工控机连接，用于建立现场坐标系、对机器人进行运动学标定；

所述运行方法包括以下步骤：

一）利用激光跟踪仪在工控机中对工业机器人进行运动学标定建立精度补偿数据包，并建立现场坐标系，所述现场坐标系包括世界坐标系、机器人基座坐标系、工装坐标系；

二）将产品数模导入到工控机，利用离线编程软件生成NC加工程序；

三）对生产线的各部件进行自检，若自检结果正常，执行下一步，若自检结果为非正常，执行故障排查步骤；

四）将产品安装到柔性工装上，对产品进行夹紧和定位，工业机器人在Home位置待机；

五）在工控机中执行NC测试程序，控制工业机器人及末端执行器在试刀站进行试钻操作，试钻过程如下：

A1）控制移动平台在轨道上移动，带动机器人转至试刀站站位；

A2）将工业机器人定位至试刀站的换刀位，通过试刀站的换刀模块将加工刀具换至工业机器人上的末端执行器上；

A3）将工业机器人定位至试刀站的对刀位，通过测量获得工控机系统总控软件中标定的虚拟刀尖点和实际刀尖点之间的关系，反馈至工控机进行刀偏补偿；

A4）将工业机器人定位至试刀站的基准检测坐标系标定位，通过测量对末端执行器上的基准检测模块进行坐标系标定；

A5）将工业机器人定位至试刀站的试钻位，利用末端执行器的法向找正模块，使钻孔刀具垂直于试钻板的试钻孔位；

A6）将真空吸屑装置打开，控制末端执行器将压力脚推出压住试钻板，将末端执行器转到钻孔工位在试钻板上进行试钻；

A7）检测试钻结果是否正常，若不正常，反馈至工控机对加工参数进行修正，若正常则执行下一步；

六）将步骤二）生成的NC加工程序导入工控机的系统总控软件中执行，完成加工任务。

2.根据权利要求1所述的运行方法，其特征在于，包括利用激光跟踪仪对所述现场坐标系及机器人动作精度定期检测和维护的步骤。

3.根据权利要求1所述的运行方法，其特征在于，所述步骤二）包括：

采用CATIA二次开发的方式从产品数模中提取出所有孔位的完整设计信息，生成产品设计信息数据文件；

利用Visual C++和OpenGL混合编程开发可视化交互的离线编程软件读取产品设计信息数据文件，对工业机器人任务、末端执行器任务进行离线规划，通过后置处理模块生成符合预定编码格式的NC加工程序；

依托Delmia软件及其二次开发功能，建立NC加工程序的仿真任务并进行碰撞干涉检查。

4.根据权利要求1所述的运行方法，其特征在于，上述步骤六）中的加工任务包括：

B1）控制移动平台在轨道上移动，带动工业机器人转换至安装了产品的工装站位，利用末端执行器的基准检测模块对产品进行基准检测，建立待加工产品在系统总控软件中的理论坐标系和实际坐标系之间的联系，依据该联系修正NC加工程序中的待加工孔位数据；

B2）利用上述步骤一）中建立的精度补偿包对修正后的待加工孔位数据进行再次修正；

B3）将工业机器人按照步骤B2）修正后的待加工孔位数据进行定位，利用末端执行器上的法向找正模块，使加工刀具垂直于产品的待加工孔位；

B4）打开真空吸屑装置，控制末端执行器将压力脚推出压住产品，将末端执行器转换至钻孔工位进行钻孔、锪窝，完成一次制孔；

B5）将末端执行器转至锪窝检测工位对该孔进行锪窝检测；

B6）送钉系统选择相应铆钉，并将铆钉通过气管输送至末端执行器；

B7）末端执行器接到送钉系统输出的铆钉后，在其涂胶工位中，对该铆钉进行涂胶；

B8）末端执行器转换至铆接工位，将涂胶后的铆钉在完成锪窝检测的孔上进行铆接；

B9）转换加工位置，重复循环步骤B3)至B8)，直到完成产品上所有位置的加工；在该循环过程中，如需换刀，控制移动平台移动，将工业机器人定位至试刀站的换刀位，通过试刀站的换刀模块将指定加工刀具换至末端执行器上，再将移动平台转至安装产品的工装站位上，从步骤B3)进入循环。

5.根据权利要求4所述的运行方法，其特征在于，上述B1)步骤中的基准检测利用多个预设在产品上的基准孔进行操作，过程如下：

将工业机器人定位至其中一个基准孔位，保持工业机器人不动，利用安装在末端执行器上的电机驱动2D扫描仪动作获取该基准孔位的二维坐标，同时结合安装在该电机导轨上的磁栅尺的读数构成关于该基准孔的三维坐标，按照该方式依次扫描剩余基准孔，通过分析多个基准孔的三维坐标建立产品实际坐标系和理论坐标系的关系。

6.根据权利要求1所述的运行方法，其特征在于，包括末端执行器在试刀站换刀后，将工业机器人定位至试刀站的对刀位，将刀尖推至预设的对刀点，利用多个距离传感器获得刀尖点的实际位置，建立刀尖点的实际位置与工控机系统总控软件中标定的虚拟刀尖点之间的联系，进行刀偏补偿的步骤。