CN107378607A - 一种基于桁架机械手的自动上下料系统 - Google Patents

一种基于桁架机械手的自动上下料系统 Download PDF

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Abstract

一种基于桁架机械手的自动上下料系统，包括能够旋转的环形料仓，环形料仓上设置有上下料口以及多个料位，每个料位上放置有不同的治具托盘，治具托盘上安装握爪工具盘；所述的上下料口处通过支架设置有桁架机械手，桁架机械手连接能够与握爪工具盘配合的握爪卡盘；桁架机械手的两侧设置有精雕机，桁架机械手通过握爪卡盘给精雕机进行上下料；所述的环形料仓连接料仓控制系统，桁架机械手连接桁架机械手控制系统，精雕机连接机床控制系统；所述的料仓控制系统、桁架机械手控制系统以及机床控制系统均连接用于进行人机交互的监控示教控制系统。本发明采用模块化设计，方便了系统的维护和问题排查。

Description

一种基于桁架机械手的自动上下料系统
技术领域
本发明属于自动化控制领域，具体涉及一种基于桁架机械手的自动上下料系统。
背景技术
近几年，随着我国3C行业的快速发展和人力成本的增加，用户对数控雕刻机自动化的程度要求也越来越高，用机械手代替人工进行数控雕刻机上下料成为趋势。
目前，大多数企业仍采用人工的方式给雕刻机上下料，这种方式效率低，劳动强度大，质量不易保证，且往往发生操作工人被砸伤的事故，直接影响了企业的生产效率和产品质量。采用机械手或关节机器人进行上下料，不仅大大提高了工厂的生产效率，而且大量节省了操作员工的数量，提高了操作人员的安全性和舒适性，同时降低了企业的生产成本。
但是由于关节机器人的各个轴串联连接，其定位精度比较低，不能用于要求精度高的场合，而采用桁架机械手给数控雕刻机进行自动上下料的控制系统较少，仅有少数企业通过进口引进高精度桁架机械手进行数控精雕机上下料。进口的桁架机械手上下料系统专用性比较强，通用性比较差，对环境要求较高，且成本较高，操作习惯不太适合国人，需要经过一段时间的专门培训，而国内已经开发的桁架机械手上下料控制系统，通用性也比较差、抗干扰能力和模块性较差、不能同时加工多种类型的工件，且不利于系统的维护。
为了提高精雕机的利用效率，减少上下料过程中的时耗，亟需开发一种能够快速上下料并能够对多种工件类型同时进行加工的低成本柔性自动上下料系统。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于桁架机械手的自动上下料系统，采用模块化设计，料仓放置不同类型的工件，通过桁架机械手自动抓取工件给数控雕刻机上下料，减少上下料过程的时耗，提高了雕刻机的工作效率，降低生产成本。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
包括能够旋转的环形料仓，环形料仓上设置有上下料口以及多个料位，每个料位上放置有不同的治具托盘，治具托盘上安装握爪工具盘；所述的上下料口处通过支架设置有桁架机械手，桁架机械手连接能够与握爪工具盘配合的握爪卡盘；桁架机械手的两侧设置有精雕机，桁架机械手通过握爪卡盘给精雕机进行上下料；所述的环形料仓连接料仓控制系统，桁架机械手连接桁架机械手控制系统，精雕机连接机床控制系统；所述的料仓控制系统、桁架机械手控制系统以及机床控制系统均连接用于进行人机交互的监控示教控制系统。
所述桁架机械手包括机械手X轴、机械手Z轴以及安装握爪卡盘的机械手C轴。
所述环形料仓通过转轮以及链条带动旋转，环形料仓的上下料口处设置有料位定位机构。
治具托盘上安装无线射频发射模块，环形料仓的上下料口处设置有无线射频接收模块。
所述的监控示教控制系统与桁架机械手控制系统之间通过RS485接口进行通信，桁架机械手控制系统与料仓控制系统之间通过RS485接口进行通信，桁架机械手控制系统与机床控制系统之间通过I/O编码接口进行通信。
所述的机床控制系统包括与精雕机连接的清洁模块及快换模块。
所述的桁架机械手控制系统包括主控PLC模块以及控制握爪卡盘沿不同方向进行运动的绝对伺服电机，料仓控制系统包括料仓PLC模块以及增量伺服电机。
所述的桁架机械手上设有用于控制握爪卡盘实现夹紧或松开的气动回路。
所述的环形料仓上均匀分布有12个料位。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：采用环形料仓，环形料仓上设置有上下料口以及多个料位，每个料位上放置有不同的治具托盘，通过设置在环形料仓上的料位能够为精雕机提供不同的物料。本发明环形料仓、桁架机械手以及两个精雕机采用模块化设计，将以往的桁架机械手上下料系统划分为桁架机械手控制系统、料仓控制系统、机床控制系统以及监控示教控制系统，每个系统独立控制，通过信号进行交互，有利于各个模块的更换和问题排查，当某个精雕机在加工的过程中出现问题时，能够随时脱离整个系统，不影响另一台精雕机上下料的正常运行，同时实现系统的模块化，方便了系统的维护。本发明操作简单，监控示教控制系统利于操作人员的示教、操作和监控，上手难度低，可靠性好。
进一步的，本发明的治具托盘上安装无线射频发射模块，环形料仓的上下料口处设置有无线射频接收模块，通过对料仓上下料位置的精确定位，能满足高精度工件的加工要求。环形料仓的上下料口处设置有料位定位机构，能够消除链条的反向间隙。
进一步的，本发明桁架机械手控制系统实时监控桁架机械手末端握爪卡盘的实际位置，桁架机械手的各个轴采用绝对伺服电机进行驱动，系统上电后，直接通过读取各个轴的绝对位置坐标，进行与精雕机以及料仓的实时碰撞检查，提高了系统的安全性。
附图说明
图1本发明桁架机械手上下料结构示意图；
图2本发明环形料仓的结构示意图；
图3本发明桁架机械手上下料控制系统框图；
图4本发明监控示教控制系统功能框图；
图5本发明控制系统回零流程图；
图6第一精雕机上料流程图；
图7第一精雕机下料流程图；
附图中：1-第一精雕机；2-桁架机械手；3-机械手C轴；4-机械手Z轴；5-机械手X轴；6-第二精雕机；7-环形料仓；8-握爪卡盘；9-无线射频接收模块；10-治具托盘；11-握爪工具盘；12-料位定位机构；13-无线射频发射模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1-2，本发明基于桁架机械手的自动上下料系统由第一精雕机1、第二精雕机6、桁架机械手2以及环形料仓7四部分组成，桁架机械手2具有三个自由度，分别为机械手X轴5、机械手Z轴4和机械手C轴3，在机械手C轴3的末端安装有握爪卡盘8。环形料仓7为单自由度，有12个料位，在上下料两个料位处安装有料位定位机构12，用来消除链条反向间隙，每个料位用来放置治具托盘10，治具托盘10上装有握爪工具盘11，桁架机械手2通过握爪卡盘8与握爪工具盘11的配合，给两台精雕机进行上下料。
同时每一个治具托盘10上安装有无线射频发射模块13，通过料仓上的无线射频接收模块9识别所加工料的信息，传送给机床，决定进行相应的加工环节。
如图3所示，本发明桁架机械手上下料控制系统由桁架机械手控制系统Ⅰ、料仓控制系统Ⅱ、机床控制系统Ⅲ、监控示教控制系统Ⅳ四部分组成。桁架机械手控制系统Ⅰ作为主控系统，负责整个上下料系统的时序处理，桁架机械手控制系统Ⅰ与料仓控制系统Ⅱ之间通过RS485接口进行通信，桁架机械手控制系统Ⅰ与监控示教控制系统Ⅳ之间通过RS485接口进行通信，桁架机械手控制系统Ⅰ与机床控制系统Ⅲ通过I/O编码的方式进行通信。如图4所示，监控示教控制系统Ⅳ作为人机交互单元，其功能包括桁架操作、桁架示教、料仓操作、料仓示教、参数设置、状态监控、急停、安全设置、提示与报警信息以及报警履历。
桁架机械手控制系统Ⅰ能够实现点动运行模式、寸动运行模式、回原点运行模式和自动运行模式。在点动运行模式中，X/Z/C轴每点动一次能够运行指定的增量距离；在寸动运行模式中，X/Z/C轴能够进行连续运动；在回原点运行模式中，桁架机械手2的各轴能够进行各个轴的回零操作；在自动运行模式中，桁架机械手2进行自动运行；在寸动或点动运行模式下，桁架机械手2能够进行各个位置点的示教和握爪手动操作。料仓控制系统Ⅱ分为自动运行模式和手动运行模式，环形料仓7在手动模式下能够进行点动运行、寸动运行、定位操作和示教，在自动运行模式中，环形料仓7进行自动选料和上下料料位定位。
如图5所示，桁架机械手2和环形料仓7进行回零操作，由于此系统为高精度上下料系统，为了避免累积误差造成上下料的偏差较大，需要在每次上电和定期对桁架机械手2进行回零；同时由于环形料仓7为增量控制系统，需要在每次上电和操作人员给料仓换料完成后对环形料仓进行回零。桁架机械手系统回零包括以下步骤：
步骤一，控制系统进行上电，上电完成后主控PLC通过通信模块读取机械手X轴5和机械手C轴3的位置，判断桁架机械手2是否在第一精雕机1或第二精雕机6内，如果在第一精雕机1或第二精雕机6内，在寸动模式下将桁架机械手X轴、C轴移动到精雕机外。
步骤二，主控PLC通过通信模块读取机械手Z轴4的位置，判断机械手Z轴4是否过低，如果机械手Z轴4过低，在寸动模式下将机械手Z轴4向上移动，直到满足要求。
步骤三，判断桁架机械手2的握爪卡盘8是否打开到位，如果握爪卡盘8没有打开到位，在点动和寸动模式下，把握爪卡盘8打开到位。
步骤四，判断桁架机械手2是否处于回原点模式下，如果桁架机械手2没有处于回原点模式下，把桁架机械手2设置到回原点模式下。
步骤五，进行桁架机械手Z轴回零，回零完成后，进行桁架机械手C轴90度避让；
步骤六，进行桁架机械手X轴回零。
步骤七，进行桁架机械手C轴回零。
步骤八，桁架机械手C轴回零完成后，指示桁架机械手系统回零完成。
环形料仓系统回零包括以下步骤：
步骤一，控制系统进行上电，上电完成后，与主控PLC通信，通过主控PLC通信读取机械手Z轴4的位置，判断机械手Z轴4是否过低，如果机械手Z轴4过低，将机械手Z轴4向上移动，直到满足要求。
步骤二，判断料仓料位的定位模块是否打开到位，如果没有打开到位，在料仓手动模式下，把定位模块打开到位。
步骤三，判断环形料仓7是否处于手动模式下，否则把环形料仓7设置到手动模式下。
步骤四，进行料仓回零，回零完成后指示环形料仓系统回零完成。
桁架机械手上下料控制系统的自动运行模式中，按具体执行过程可分为第一精雕机首次上料过程、第一精雕机换料过程、第二精雕机首次上料过程、第二精雕机换料过程四个执行过程，第一精雕机1与第二精雕机6的首次上料和换料执行过程相同。
如图6所示，第一精雕机上料具体执行过程包括以下步骤：
步骤一，第一精雕机1关闭自动门，等待自动门关闭到位。
步骤二，第一精雕机1快换清洁,等待清洁完成。
步骤三，第一精雕机1主轴避让,等待主轴避让完成。
步骤四，第一精雕机1运动到上下料位置，等待第一精雕机1运动到上下料位置。
步骤五，第一精雕机1快换打开，同时打开自动门，等待第一精雕机1快换打开到位。
步骤六，第一精雕机1发送请求上料信号，等待桁架机械手2是否处于空闲状态。
步骤七，桁架机械手2处于空闲状态后，桁架机械手2运动到第一精雕机1的上下料起始点，主控给料仓发送第一精雕机1的上料请求信号。
步骤八，料仓定位模块打开，打开完成后料仓选料位，同时将握爪卡盘8打开。
步骤九，选料完成后，对第一精雕机1上下料位定位。
步骤十，第一精雕机1上下料位定位完成后，桁架机械手2运动到料仓抓料处。
步骤十一，桁架机械手1上的握爪卡盘8夹紧，当桁架机械手1上的握爪卡盘8夹紧到位后，桁架机械手1运动到料仓上料高点。
步骤十二，桁架机械手1运动到料仓上料高点后，主控给料仓输出上料完成信号，同时料仓给主控所加工料的信息，然后桁架机械手2运动到第一精雕机1的上下料位处。
步骤十三，到位后桁架机械手2上的握爪卡盘8松开，等待松开完成。
步骤十四，松开完成后，桁架机械手2运动到第一精雕机1的上下料位高点处，第一精雕机1收到放料到达信号，第一精雕机1快换关闭，同时主控给第一精雕机所加工料的信息。
步骤十五，桁架机械手2继续运动到第一精雕机1的上下料起始点，到位后主控给第一精雕机1输出上料完成信号，然后第一精雕机1自动门关闭。
步骤十六，自动门关闭到位后，整个上料过程完成，第一精雕机1根据所加工料的信息，调用相应的加工程序进行加工。
如图7所示，第一精雕机1下料具体执行过程包括以下步骤：
步骤一，第一精雕1机关闭自动门，自动门关闭到位后，第一精雕机1清洁治具托盘10。
步骤二，治具托盘10清洁完成后，第一精雕机1主轴进行避让。
步骤三，主轴避让完成后，第一精雕机1运动到上下料位置。
步骤四，运动到位后，第一精雕机1快换打开，同时打开自动门。
步骤五，打开到位后，第一精雕机1输出请求换料信号。
步骤六，桁架机械手2处于空闲状态时，主控给料仓发送第一精雕机1下料请求信号，然后桁架机械手2上的握爪卡盘8松开，料仓定位模块打开。
步骤七，料仓开始选料位，桁架机械手2运动到第一精雕机1下料抓取点，桁架机械手2运动到位后，桁架机械手2上的握爪卡盘8夹紧。
步骤八，握爪卡盘8夹紧到位后，桁架机械手2运动到第一精雕机1的上下料位高点。
步骤九，运动到位后第一精雕机1吹气打开，第一精雕机1运动清理托盘治具10底面。
步骤十，清理完成后，桁架机械手2运动到第一精雕机料仓上下料位高点。
步骤十一，料仓料位选料完成后，料仓第一精雕机上下料料位定位。
步骤十二，定位完成后，桁架机械手2运动到第一精雕机料仓上下料位点。
步骤十三，运动到位后，桁架机械手2上的握爪卡盘8松开。
步骤十四，握爪卡盘8松开后，桁架机械手2运动到第一精雕机料仓上下料位高点附近。
步骤十五，运动到位后第一精雕机1关闭自动门，关闭到位后，第一精雕机1进行快换清洁，发送第一精雕机1上料请求信号，料仓打开定位模块，打开到位后，料仓开始选料。
步骤十六，第一精雕机1快换清洁完成后，第一精雕机1运动到上下料位置，然后打开自动门，料仓选料完成后，桁架机械手2进行抓料，抓料完成后，桁架机械手2运动到第一精雕机1的料仓上下料位高点，同时料仓给主控所加工料的信息。
步骤十七，自动门打开到位，桁架机械手运动到精雕机上下料位处，料仓定位模块打开。
步骤十八，桁架机械手2运动到位后，桁架机械手2上的握爪卡盘8松开。
步骤十九，松开完成后，桁架机械手2运动到第一精雕机1上下料位高点处，第一精雕机1收到放料到达信号，第一精雕机1快换关闭，同时第一精雕机1接收所加工料的信息。
步骤二十，桁架机械手2继续运动到第一精雕机1上下料起始点，到位后主控给第一精雕机1输出换料完成信号，然后第一精雕机1的自动门关闭。
步骤二十一，自动门关闭到位后，整个上料过程完成，第一精雕机1根据所加工料的信息，调用相应的加工程序进行加工。

Claims (9)

1.一种基于桁架机械手的自动上下料系统，其特征在于：包括能够旋转的环形料仓(7)，环形料仓(7)上设置有上下料口以及多个料位，每个料位上放置有不同的治具托盘(10)，治具托盘(10)上安装握爪工具盘(11)；所述的上下料口处通过支架设置有桁架机械手(2)，桁架机械手(2)连接能够与握爪工具盘(11)配合的握爪卡盘(8)；桁架机械手(2)的两侧设置有精雕机，桁架机械手(2)通过握爪卡盘(8)给精雕机进行上下料；
所述的环形料仓(7)连接料仓控制系统(Ⅱ)，桁架机械手(2)连接桁架机械手控制系统(Ⅰ)，精雕机连接机床控制系统(Ⅲ)；所述的料仓控制系统(Ⅱ)、桁架机械手控制系统(Ⅰ)以及机床控制系统(Ⅲ)均连接用于进行人机交互的监控示教控制系统(Ⅳ)。
2.根据权利要求1所述基于桁架机械手的自动上下料系统，其特征在于：所述桁架机械手(2)包括机械手X轴(5)、机械手Z轴(4)以及安装握爪卡盘(8)的机械手C轴(3)。
3.根据权利要求1所述基于桁架机械手的自动上下料系统，其特征在于：所述的环形料仓(7)通过转轮以及链条带动旋转，环形料仓(7)的上下料口处设置有料位定位机构(12)。
4.根据权利要求1所述基于桁架机械手的自动上下料系统，其特征在于：治具托盘(10)上安装无线射频发射模块(13)，环形料仓(7)的上下料口处设置有无线射频接收模块(9)。
5.根据权利要求1所述基于桁架机械手的自动上下料系统，其特征在于：所述的监控示教控制系统(Ⅳ)与桁架机械手控制系统(Ⅰ)之间通过RS485接口进行通信，桁架机械手控制系统(Ⅰ)与料仓控制系统(Ⅱ)之间通过RS485接口进行通信，桁架机械手控制系统(Ⅰ)与机床控制系统(Ⅲ)之间通过I/O编码接口进行通信。
6.根据权利要求1所述基于桁架机械手的自动上下料系统，其特征在于：所述的机床控制系统(Ⅲ)包括与精雕机连接的清洁模块及快换模块。
7.根据权利要求1所述基于桁架机械手的自动上下料系统，其特征在于：所述的桁架机械手控制系统(Ⅰ)包括主控PLC模块以及控制握爪卡盘(8)沿不同方向进行运动的绝对伺服电机，料仓控制系统(Ⅱ)包括料仓PLC模块以及增量伺服电机。
8.根据权利要求1所述基于桁架机械手的自动上下料系统，其特征在于：所述的桁架机械手(2)上设有用于控制握爪卡盘(8)实现夹紧或松开的气动回路。
9.根据权利要求1所述基于桁架机械手的自动上下料系统，其特征在于：所述的环形料仓(7)上均匀分布有12个料位。
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