CN107914204A - 一种基于程序复用的机器人五金件砂带磨削单元装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于程序复用的机器人五金件砂带磨削单元装置，该装置包括机械硬件系统、控制系统和标定系统。所述机械硬件系统包括：机器人电柜、操作面板、六自由度机器人、自涨式夹具、砂带磨削机、自动上下料滑台、工装量具和设备安装底座；所述控制系统包括气路控制模块、电路控制模块以及人机界面模块；所述标定系统包括硬件标定装置及软件标定算法。本发明实现了多套机器人砂带磨削单元间的程序复用，以低成本的自动化生产设备代替传统的人工打磨，保证了砂带打磨的质量和效率。

Description

一种基于程序复用的机器人五金件砂带磨削单元装置

技术领域

本发明涉及五金卫浴行业应用机器人于砂带磨削领域，具体涉及一种基于程序复用的机器人五金件砂带磨削单元装置。

背景技术

近年来，随着工业机器人的快速发展，工业机器人的应用已普及到各行各业。在中国传统行业中，汽车零部件的毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、打磨抛光、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业都是劳动密集型的工种，其中，汽车零部件、机械加工、铸造、卫浴、五金等行业中更存在的大量的抛光、打磨、去毛刺、去飞边等作业，而目前针对该种作业国内的生产方式主要是以人工配合简单设备的方式为主，其工作环境恶劣(粉尘、噪音、易爆炸)、高危及劳动强度大，使得“人工荒”、雇佣成本高的问题日益凸显，使得工业机器人的应用成为了必然趋势。但是，在推进五金件砂带磨削机器人应用的过程中存在一些问题，如单套机器人磨削系统打磨程序稳定性不能够得到保证，导致批量打磨质量差；不同机器人磨削单元间打磨同款产品时打磨效果差异大、一致性差；多套机器人磨削单元间的程序不能够进行重复利用，而需要对众多单元进行人工示教编程，非常耗时、换产困难。

专利“一种多带砂抛机，申请号CN201610436377.0”通过在机架两侧设置四条或四条以上不同规格的砂带，从而形成相对独立的闭式砂带磨削系统，其中独立的接触轮与机器人配合，迎合机器人动作，实现对复杂曲面的磨抛。该专利只是通过设置多组砂带轮副，实现复杂曲面的磨抛，没有考虑到该多带砂抛机对同种产品的磨抛差异，而且机器人的磨抛程序不能进行重复利用，换产困难。

专利“五金钳类工具弧面磨削装置及其方法，申请号CN201610063934.9”将XYZ三轴移动平台与弧面磨削头连接，通过多自由度联动驱动机构驱动弧面磨削头进行磨削工作。该专利针对五金钳类工具的弧面进行改进，从而能贴合各种弧度的弧面进行高效的工作，但是适用对象有限，且装置系统较为简单，磨削精度不高，同种产品容易造成磨削差异大的情况。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，尤其解决现有多单元机器人打磨车间打磨程序的继承性差所导致的打磨质量不统一，以及如何快速低成本完成多单元的程序复用、降低工人示教编程难度的问题。本发明以快捷简便且低成本的方式实现多套机器人磨削单元间的程序复用为主线，设计了一套五金件制品砂带机器人磨削系统，保证了砂带打磨的质量和效率。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种基于程序复用的机器人五金件砂带磨削单元装置，其特征在于，该装置包括机械硬件系统、控制系统和标定系统，其中：

所述机械硬件系统包括用于控制六自由度机器人进行磨削工作的机器人电柜、用于完成基本功能操作的操作面板、用于五金件砂带磨削工作的六自由度机器人、用于对工件实施自动抓取、夹持和放下的自涨式夹具、用于对工件进行精磨和粗磨工作的两个砂带磨削机、用于供应打磨单元中的毛坯件和输出产品的自动上下料滑台、用于保证套筒安装一致性，方便工人对水龙头套筒进行上下料工作的工装量具和设备安装底座。

所述控制系统包括气路控制模块、电路控制模块以及人机界面模块，其中：

所述气路控制模块包括2位5通电磁阀、比例阀、电磁阀、节流阀以及气动三联件，用来实现滑台自动上下料、涨紧式夹具自动装夹工件、砂带机自动张紧轮自动涨紧以及砂带机力反馈轮自动伸缩并实现恒力控制功能。

所述电路控制模块包括PLC与机器人的通讯模块、PLC与变频器、气孔电磁阀以及操作盒的通讯模块。

所述人机界面模块包括手动运行模块和自动运行模块。所述手动运行模块用来对各个电气路部分进行启停调试；所述自动运行模块用来对机器人要打磨产品的程序进行选择，并设定产品的打磨数量以反馈系统停止运行信号并对砂带机进行换砂带处理。

所述标定系统包括硬件标定装置和软件标定算法。其中：

所述硬件标定装置包括上位计算机、机器人标定杆、定位板以及标定平台；所述软件标定算法过程为：①测量源打磨单元与新打磨单元的砂带机用户坐标系；②计算转换矩阵；③通过轨迹点换算个参数，计算得出新打磨系统的程序。

进一步地，所述两个砂带磨削机为粗砂砂带机和细砂砂带机，在这2台砂带机上分别挂60#和180#的砂带，分别完成粗磨和细磨两个工作。

进一步地，所述砂带磨削机由砂带、小接触轮、大接触轮、力反馈接触轮、张紧调偏机构组成。

进一步地，所述小接触轮用来打磨一些曲率较大的弧面；所述大接触轮用来打磨一些平面或者曲率较小的表面；所述力反馈接触轮通过精密的气路控制，驱动接触轮伸缩，用来磨削关键的表面，实现对工件的恒力磨削；所述张紧调偏机构用来张紧砂带及纠偏砂带。

进一步地，所述自动上下料滑台包括两个托板、弹簧式行程开关传感器、推拉气缸和控制气柜；所述两个托板用于放置工件，每个托板可以放置8个工件。所述弹簧式行程开关传感器用于确保工件是否已经完成夹取和放下；所述推拉气缸用于将打磨好的托板推出打磨单元以及将新的毛坯件送入打磨单元；所述控制气柜用于控制整个自动上下料滑台的开始、停止等工作。

进一步地，所述标定系统中标定步骤为：

S1：在源打磨单元里即原始单元1，将机器人标定杆安装在机器人法兰上，并将定位板及标定平台按要求安装于砂带机上，以保证标定平台与砂带机的安装位置；

S2：驱动机器人运动，使其标定杆上尖点依次对准接触到标定参考板上的“标定特征点1”至“标定特征点3”(由于机器人的绝对定位精度的问题，在姿态变化较大的情况下，其示教盒中的点信息与其实际的点信息可能会有误差，所以三点的姿态尽量保持一致)，并点选触摸屏的按钮，使PLC读取机器人对应的末端坐标值，并传送到上位计算机上；

S3：在上位计算机里，通过编程的软件计算，算出基于这三个点设计的一个坐标系，作为砂带机上的用户坐标系{R}。

而当需要将程序复制到其他打磨单元时，则需要进行如下操作：

S1：在需要进行程序复用单元即复用单元2的砂带机上进行上述标定操作，用相同的方法标定出对应的砂带机上的用户坐标系{U}；

S2：使用上位机软件计算这两个坐标系之间的变换矩阵；

S3：上位机软件利用该变换矩阵，将源程序打磨单元的打磨程序计算、转换到新打磨单元里，生产新的打磨程序，应用于新的打磨单元里。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、本套机器人磨削系统打磨稳定性高，批量打磨质量较高；

2、不同机器人磨削单元间打磨同款产品时打磨效果差异小、具有很好的一致性；

3、多套机器人磨削单元间的程序能够进行重复利用，换产简单。

附图说明

图1是本发明的基于程序复用的机器人五金件砂带磨削单元装置中机械硬件系统一个具体实施例的结构示意图。

图2为本发明的一个具体实施方式中砂带磨削机的结构示意图。

图3为本发明的一个具体实施方式中自动上下料滑台的结构示意图。

图4为本发明的一个具体实施方式中标定系统的硬件标定装置的结构示意图。

图5为本发明的一个具体实施方式中程序复用的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进行更加详细与完整的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

参见图1，本发明的一种基于程序复用技术的机器人五金件砂带磨削单元装置的机械硬件系统包括机器人电柜1、操作面板2、六自由度机器人3、自涨式夹具4、粗砂砂带磨削机5、细砂砂带机6、自动上下料滑台7、工装量具8、设备安装底座9；

所述机器人电柜1与操作面板2相连，当控制面板2发送相关操作指令时，机器人电柜1接收相应的指令，并将指令转换过为电信号，传送至六自由度机器人3，与六自由度机器人3连接的自涨式夹具4抓取自动上下料滑台6上的工件进行磨削工作，磨削时，自涨式夹具4先将工件在粗砂砂带磨削机5上的60#砂带进行粗打，然后再在细砂砂带磨削机6上的180#砂带进行细磨。

参见图2，所述砂带磨削机包括小接触轮5-1、力反馈接触轮5-2、大接触轮5-3、张紧调偏机构5-4，其中：

所述小接触轮5-1在打磨过程中保持固定，用来打磨一些曲率较大的弧面；所述大接触轮5-3在打磨过程中保持固定，用来打磨一些平面或者曲率较小的表面；所述力反馈接触轮5-2通过精密的气路控制，驱动接触轮伸缩，用来磨削关键的表面，实现对工件的恒力磨削；所述张紧调偏机构5-4用来张紧砂带及纠偏砂带。通过调整调偏调节杆5-6，可调整张紧调偏轮5-5的角度，从而实现对砂带的纠偏，而张紧气缸5-7则趋势砂带以适当的张紧力实现张紧。

参见图3，所述自动上下料滑台包括左托板7-2、右托板7-1、弹簧式行程开关传感器7-3、推拉气缸7-4和控制气柜7-5。当所述六自由度机器人3上的自涨式夹具4抓取右托板7-1上的工件时，会使用工件触碰弹簧式行程开关传感器7-3，确保已经完成夹取，避免工件夹取不当的意外出现；当工件打磨完成后，自涨式夹具4松开工件，之后自涨式夹具4再移动到弹簧式行程开关传感器7-3旁边检测，检测确保工件已经放下。当左托板7-2的工件打磨完毕，左托板7-2滑出到打磨房外，六自由度机器人3夹取右托板7-1的工件进行打磨。工人将左托板7-2的成品取下，放上新的毛坯件，左托板7-2将工件送入打磨单元里。

参见图4，所述标定系统中硬件标定装置包括上位计算机1、机器人标定杆2、定位板3以及标定平台4。

所述上位计算机1与机器人连接，通过编程的软件计算，计算出基于三个标定特征点的用户坐标系，所述机器人标定杆2安装在机器人法兰上，当机器人驱动时，机器人标定杆2上尖点依次对准接触到标定平台4上的“标定特征点4-1”、“标定特征点4-2”、“标定特征点4-3”。所述定位板3以及标定平台4与砂带机连接，用于进行用户坐标系的标定操作。

所述标定系统中标定的步骤为：

S1：在源打磨单元里即原始单元a，将机器人标定杆2安装在机器人法兰上，并将定位板3及标定平台4按要求安装于砂带机上，以保证标定平台与砂带机的安装位置；

S2：驱动机器人运动，使机器人标定杆2上尖点依次对准接触到标定平台4上的“标定特征点4-1”至“标定特征点4-3”(由于机器人的绝对定位精度的问题，在姿态变化较大的情况下，其示教盒中的点信息与其实际的点信息可能会有误差，所以三点的姿态尽量保持一致)，并点选触摸屏的按钮，使PLC读取机器人对应的末端坐标值，并传送到上位计算机1上；

S3：在上位计算机1里，通过编程的软件计算，算出基于这三个点设计的一个坐标系，作为砂带机上的用户坐标系{R}。

而当需要将程序复制到其他打磨单元时，则需要进行如下操作：

S1：在需要进行程序复用单元即复用单元b的砂带机上进行上述标定操作，用相同的方法标定出对应的砂带机上的用户坐标系{U}。

S2：使用上位计算机1的软件计算这两个坐标系之间的变换矩阵；

S3：上位计算机1的软件利用该变换矩阵，将源程序打磨单元的打磨程序计算、转换到新打磨单元里，生产新的打磨程序，应用于新的打磨单元里。

参照图5，具体实现如下：

(1)在源打磨单元里，机器人的基坐标系下，使用标准的工具和标定装置，测量源打磨单元砂带机用户坐标系{R}的标定特征点坐标并记录为标定特征点1：P_r1(x_r1，y_r1，z_r1)，标定特征点2：P_r2(x_r2，y_r2，z_r2)，标定特征点3：P_r3(x_r3，y_r3，z_r3)，其中，P_r1为原点，以标定特征点P_r1和P_r2连线为X轴，方向为标定特征点P_r1指向标定特征点P_r2，标定特征点P_r3为坐标系第一象限上的点，x_ri，y_ri，z_ri(i＝1，2，3)分别表示源打磨系统中3个标定特征点的X、Y、Z值。这三个点可以表征源打磨单元的砂带机用户坐标系{R}。

(2)将标定装置安装到新打磨单元的砂带机上，用同样的方法即可测量出新打磨单元砂带机用户坐标系{U}标定特征点坐标并记录为标定特征点1’：P_r1′(x_r1′，y_r1′，z_r1′)，标定特征点2′：P_r2′(x_r2′，y_r2′，z_r2′)，标定特征点3′：P_r3′(x_r3′，y_r3′，z_r3′)，P_r1′为原点，以标定特征点P_r1′和P_r2′连线为X轴，方向为标定特征点P_r1′指向标定特征点P_r2′，标定特征点P_r3′为坐标系第一象限上的点，x_ri′，y_ri′，z_ri(i＝1，2，3)分别表示新打磨系统中3个标定特征点的X、Y、Z值。这三个点可以表征源打磨单元的砂带机用户坐标系{U}。

(3)计算转换矩阵T_U ^R及T_U ^R′源打磨单元的砂带机用户坐标系为{R}，新打磨系统中砂带机用户坐标系为{U}。

计算从{R}到{U}的齐次转换矩阵记T_U ^R：

计算出新打磨系统中砂带机参考坐标系{U}的齐次坐标值如下：

其中，从坐标系{R}到坐标系{U}的旋转变换中绕定坐标系{R}的XYZ轴分别转动了θ，角度，而P_x，P_y，P_z分别表示从坐标系{R}到坐标系{U}的原点偏移值；

根据方程式

计算源打磨系统的变换矩阵T_U ^R

根据方程式计算新打磨系统的变换矩阵T_U ^R′

(4)轨迹点换算

在源打磨单元中，通过人工示教的方法完成了工件的打磨轨迹示教，轨迹点的位姿信息以x_ti，y_ti，z_ti，α_ti，β_ti，γ_ti的形式保存。其中，x_ti，y_ti，z_ti表示该轨迹点相对于机器人基座标的XYZ偏移值，α_ti，β_ti，γ_ti表示绕动坐标系的XYZ轴旋转角度，i＝1，2，3...表示第i个轨迹点。

以齐次坐标表达，即

记新打磨系统轨迹点齐次坐标值为P_ti′由公式T_U ^RP_ti＝T_U ^R′P_ti′可计算出新打磨系统的轨迹点，以齐次坐标表达，即

通过上述方程，解出新打磨系统各个轨迹点的XYZ偏移值x_ti′，y_ti′，z_ti′和分别绕动坐标系的XYZ轴旋转角度α_ti′，β_ti′，γ_ti′共6个参数，计算得出新打磨系统的程序。

Claims (6)

1.一种基于程序复用的机器人五金件砂带磨削单元装置，其特征在于，该装置包括机械硬件系统；

所述机械硬件系统包括机器人电柜、操作面板、六自由度机器人、自涨式夹具、两个砂带磨削机、自动上下料滑台、工装量具和设备安装底座；其中，

所述机器人电柜用于控制六自由度机器人进行打磨工作；所述操作面板用于完成基本功能操作；所述六自由度机器人用于五金件砂带磨消工作；所述自涨式夹具用于对工件实施自动抓取、夹持和放下；所述两个砂带磨削机用于对工件进行精磨和粗磨工作；所述自动上下料滑台用于供应打磨单元中的毛坯件和输出产品；所述工装量具和设备安装底座用于保证套筒安装一致性，方便工人对水龙头套筒进行上下料工作。

2.一种应用权利要求1所述的一种基于程序复用的机器人五金件砂带磨削单元装置实现的控制系统与标定系统，其特征在于，所述控制系统包括气路控制模块、电路控制模块以及人机界面模块，其中：

所述气路控制模块包括2位5通电磁阀、比例阀、电磁阀、节流阀以及气动三联件，用来实现滑台自动上下料、涨紧式夹具自动装夹工件、砂带机自动张紧轮自动涨紧以及砂带机力反馈轮自动伸缩并实现恒力控制功能；

所述电路控制模块包括PLC与机器人的通讯模块、PLC与变频器、气孔电磁阀以及操作盒的通讯模块；

所述人机界面模块包括手动运行模块和自动运行模块；所述手动运行模块用来对各个电气路部分进行启停调试；所述自动运行模块用来对机器人要打磨产品的程序进行选择，并设定产品的打磨数量以反馈系统停止运行信号并对砂带机进行换砂带处理；

所述标定系统包括硬件标定装置及软件标定算法，其中：

所述硬件标定装置包括上位计算机、机器人标定杆、定位板以及标定平台；

所述软件标定算法过程为：①测量源打磨单元与新打磨单元的砂带机用户坐标系；②计算转换矩阵；③通过轨迹点换算个参数，计算得出新打磨系统的程序。

3.根据权利要求1所述的一种基于程序复用的机器人五金件砂带磨削单元装置，其特征在于，所述两个砂带磨削机为粗砂砂带机和细砂砂带机，在这2台砂带机上分别挂60#和180#的砂带，分别完成粗磨和细磨两个工作；所述砂带磨削机由砂带、小接触轮、大接触轮、力反馈接触轮、张紧调偏机构组成。

4.根据权利要求1所述的一种基于程序复用的机器人五金件砂带磨削单元装置，其特征在于，所述自动上下料滑台包括两个托板、弹簧式行程开关传感器、推拉气缸和控制气柜；所述两个托板用于放置工件，每个托板可以放置8个工件；所述弹簧式行程开关传感器用于确保工件是否已经完成夹取和放下；所述推拉气缸用于将打磨好的托板推出打磨单元以及将新的毛坯件送入打磨单元；所述控制气柜用于控制整个自动上下料滑台的开始、停止等工作。

5.根据权利要求2所述的一种基于程序复用的机器人五金件砂带磨削单元装置，其特征在于，所述标定系统中标定过程包括以下步骤：

S1：在源打磨单元里即原始单元a，将机器人标定杆安装在机器人法兰上，并将定位板及标定平台按要求安装于砂带机上，以保证标定平台与砂带机的安装位置；

S2：驱动机器人运动，使其标定杆上尖点依次对准接触到标定参考板上的“标定特征点1”至“标定特征点3”，并点选触摸屏的按钮，使PLC读取机器人对应的末端坐标值，并传送到上位计算机上；

S3：在上位计算机里，通过编程的软件计算，算出基于这三个点设计的一个坐标系，作为砂带机上的用户坐标系{R}；

而当需要将程序复制到其他打磨单元时，则需要进行如下操作：

S1：在需要进行程序复用单元即复用单元b的砂带机上进行上述标定操作，用相同的方法标定出对应的砂带机上的用户坐标系{U}；

S2：使用上位机软件计算这两个坐标系之间的变换矩阵；

S3：上位机软件利用该变换矩阵，将源程序打磨单元的打磨程序计算、转换到新打磨单元里，生产新的打磨程序，应用于新的打磨单元里。

6.根据权利要求3所述的一种基于程序复用的机器人五金件砂带磨削单元装置，其特征在于，所述小接触轮用来打磨一些曲率较大的弧面；所述大接触轮用来打磨一些平面或者曲率较小的表面；所述力反馈接触轮通过精密的气路控制，驱动接触轮伸缩，用来磨削关键的表面，实现对工件的恒力磨削；所述张紧调偏机构用来张紧砂带及纠偏砂带。