CN107931937A - 智能夹具切换系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智能夹具切换系统，包括库位和转台，其特征在于，所述库位包括Z向升降装置、X向移载平台和Y向库位；所述转台包括多个切换平台和转台驱动；所述库位的电机驱动部分由机器人系统控制，库位与某个切换平台对接，其余切换平台持续工作。与现有技术相比，本发明是基于机器人控制的用来输送、存储和切换夹具以配合工业机器人抓取、焊接和喷涂的系统，不仅机械结构灵活，结合智能控制能够实现智能化柔性生产，满足夹具的通用性、自动化、智能化切换的要求，而且大大提高了生产效率，有效降低了生产成本。

Description

智能夹具切换系统

技术领域

本发明涉及汽车制造领域，尤其涉及一种智能夹具切换系统。

背景技术

汽车焊装生产领域，很多企业需要在某条单一生产线上生产多种不同的车型。一条生产线根据车型的不同，需要不同的夹具来进行装夹，以完成焊接生产的需要。而由于工件大小不一致、上件要求不一致等各种因素，往往夹具的大小和重量差别较大。

要实现智能柔性化多车型混线生产，必须进行夹具之间的相互切换，而目前市场上主流的夹具切换系统形式比较单一，高度大且上件困难。而且存在布局困难的问题，具有局限性，主要存在的缺点如下：1.生产节拍长，生产效率低。普通的夹具切换时需要停下生产，待新夹具装上并输送到焊接工位后才能继续生产；2. 对加工和安装精度要求高，制造成本高。普通的X向直线导轨具有很高的安装精度和加工精度，确保夹具输送过去的时候对准焊接工作位；3. 占地空间大，X向轨道长。夹具需要切换至焊接工作位，而托载夹具的移载平台不能进入焊接工作位，否则发生干涉。现有的切换系统使用额外的推力设备将夹具导入焊接工作位，因此增加了X向轨道的长度；4. 不能根据场地进行自适应布局，通用性差，方案局限性大。

智能夹具切换系统是基于机器人控制的用来输送、存储和切换夹具以配合工业机器人抓取、焊接和喷涂的系统，不仅机械结构灵活，结合智能控制能够实现智能化柔性生产，满足夹具的通用性、自动化、智能化切换的要求，而且大大提高了生产效率，有效降低了生产成本。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供智能夹具切换系统，以解决现有技术中生产效率低、加工安装精度高、制造成本高、占用空间大、通用性差的技术性问题。

为解决上述技术问题，本发明采用一种智能夹具切换系统，包括库位和转台，其特征在于，所述库位包括Z向升降装置、X向移载平台和Y向库位；所述转台包括多个切换平台和转台驱动；所述库位的电机驱动部分由机器人系统控制，库位与某个切换平台对接，其余切换平台持续工作。

进一步地，所述Z向升降装置设有高位和低位两种状态：高位时，夹具重量落在X向导向并脱离X向移载平台，X向移载平台在夹具下方在X向轨道移动，并勾住夹具推动其进入指定工作位；夹具在各库位之间进行切换时，Z向升降装置处于低位，防止与夹具干涉。

进一步地，所述库位采用模块化拼接方式，多个库位间任何组合、安装，每个Y向库位由Y向轨道、拖拽小车、Y向勾位插销和辅助桥座组成，可以实现大小库的任意组合，方便维修和安装，而且通用性更强，对夹具大小和负载重量没有过多限制；并且Y向库位数量可无限拼接， X向轨道可无限延长，增加了通用性。

进一步地，所述机器人系统可以实现所有库位和轨道的联动，多库位可同步运行，可以更好的节省切换时间，提高效率。

进一步地，所述切换平台上的夹具安装座采用了多组“滚轮+固定架”的结构，夹具依靠自重落在夹具安装座上并稳定在固定架上，夹具不易移动，且不需要其他紧固件，精简结构，具有高刚性，并且省去拆卸/装载的麻烦；所述切换平台采用滚轮导向，放大了夹具与导向之间的间隙，可以降低对准精度的要求，采用多组固定滚轮、固定架和限位滚轮进行导向。

进一步地，所述转台采用机械零位对准的方式调整转台的旋转精度，气缸推动零位插销使其对准在夹具平台座的调整槽，不占用夹具切换时间且快速精准，既具有通常需要的夹具定位功能，还能自适应地调整旋转精度。

与现有技术相比，本发明智能夹具切换系统是基于机器人控制的用来输送、存储和切换夹具以配合工业机器人抓取、焊接和喷涂的系统，不仅机械结构灵活，结合智能控制能够实现智能化柔性生产，满足夹具的通用性、自动化、智能化切换的要求，而且大大提高了生产效率，有效降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明所述智能夹具切换系统的夹具切换系统示意图。

图2为本发明所述智能夹具切换系统的库位整体示意图。

图3为本发明所述智能夹具切换系统的库位无辅助桥座时的侧视图。

图4为本发明所述智能夹具切换系统的Z向升降装置内部示意图。

图5为本发明所述智能夹具切换系统的Z向升降装置的立体图。

图6为本发明所述智能夹具切换系统的焊接转台的底部支撑。

图7为本发明所述智能夹具切换系统的切换平台正面图。

图8为本发明所述智能夹具切换系统的焊接转台侧视图。

图9为本发明所述智能夹具切换系统的切换平台底面图。

图10为本发明所述智能夹具切换系统的零位对准平台。

图11为本发明所述智能夹具切换系统的零位对准平台的动作原理图。

图12为本发明所述智能夹具切换系统的转台切换夹具的示意图。

图13为本发明所述智能夹具切换系统的转台旋转到焊接工位示意图。

图14为本发明所述智能夹具切换系统的设计有1个焊接工位时夹具切换方案。

图15为本发明所述智能夹具切换系统的设计有2个焊接工位时夹具切换方案A。

图16为本发明所述智能夹具切换系统的设计有2个焊接工位时的夹具切换方案B。

图17为本发明所述智能夹具切换系统的设计有3个焊接工位时的夹具切换方案。

具体实施方式

在本发明较佳实施例中，提供一种智能夹具切换系统，请参阅图1所示，包括库位1和转台2，其特征在于，所述库位包括Z向升降装置3、X向移载平台4和Y向库位5；所述转台2包括多个切换平台6和转台驱动7；所述库位1的电机驱动部分由机器人系统控制，库位1与某个切换平台6对接，其余切换平台7持续工作。

请参阅图2、图3和图4，这种用于柔性生产线的夹具切换存储系统包括X向轨道13、X向移载平台4、Y向库位5、Z向升降装置3和机器人控制系统。机器人控制系统连接X向移载平台4和Y向库位5的伺服电机，以控制移载平台和拖拽小车的运动节拍。其中，Y向库位5由Y向轨道8、桥式Y向支撑导向、拖拽小车9以及辅助桥座12构成。用来存储夹具和在夹具切换时输送夹具。夹具在X向和Y向上分别设有配合X向勾拉插销11和Y向勾拉插销10的插孔。

请参阅图1所示，箭头指出了几个关键部件的位置和结构。Y向库位5垂直于X向轨道13对称布置并且位于X向轨道13的两侧。每个Y向库位5由Y向轨道8、桥式Y向支撑导向、拖拽小车9和其他配套组件构成。X向移载平台4左右各布置一组Z向升降装置3，参照图2所示。X向移载平台4能够在X向轨道13任意做往返运动。拖拽小车9的前端是库位勾拉插销，可伸缩，能够勾住夹具上的插孔将夹具从X向移载平台4导入Y向库位5，逆向时（从Y向库位5切换到X向移载平台4），拖拽小车9运动到夹具的尾部并勾住尾部的插孔、借助Y向支撑导向导到X向移载平台4。夹具在库位中是落在桥式Y向支撑导向14上。其中，X向移载平台4上设有与桥式Y向支撑导向14方向一致的Y向滚轮，并且，桥式Y向支撑导向14的高度与Y向滚轮一致。桥式Y向支撑导向和X移载平台4的Y向滚轮构成了夹具在库位和移载平台上相互切换的切换路径。

请参阅图2，图中不带辅助桥座12和夹具，Z向升降装置3装有X向导向，用来支撑和引导夹具沿X向运动，导向均以滚轮的方式实现。注意到：夹具在库位和移载平台上相互切换时，位于X向移载平台4两侧的Z向升降装置3位于低位，否则将造成干涉。X向移载平台4前端也设有勾拉插销。夹具切换到X向移载平台4上后重量完全落在移载平台。

请参阅图3，Y向库位5原则上数量可以无上限，X向轨道13可无限延长。夹具需要切换到焊接工位时，Z向升降装置3上升到高位，顶起夹具使其脱离X向移载平台4，使得X向移载平台4能在夹具下方移动到夹具的尾部，通过勾拉插销勾住夹具推动其进入焊接工位。机器人控制柜原则上控制的驱动数量根据实际选型决定，一般来说一套控制柜控制一套库位。当增加了多个Y向库位5和X向轨道13时，机器人控制柜的数量相应的增加，这样的拼接库位灵活多变，作方案设计时局限性小。不同套机器人控制柜之间也是通信连接。而且，可以实现大小库的任意组合，方便维修和安装。而且通用性更强。与传统的切换库位比较通用性更强，对夹具大小和负载重量没有过多限制。

请参阅图4和图5，X向导向17的升降主要靠“滚轮+楔形块”的结构实现。具体如下：Z向升降装置3包括的组件有：X向导向17、Z向气缸18、Z向支撑轮20、X向气缸19以及固定在X向导向17下方的楔形块。Z向支撑轮20设计成由X向气缸19驱动从而在X向方向上移动，并且和楔形块16的楔形表面滚动接触。Z向气缸21布置在X向导向17的两侧，负责驱动X向导向17在Z向方向上的移动。而且，其中一个Z向气缸21的一侧装有Z向行程开关，固定在Z向传感器安装架15上，用来检测X向导向17的升降位移并反馈给机器人控制器。X向气缸19的行程极限位置装有X向行程17开关，固定在X向传感器安装架上，用来检测Z向支撑轮20的移动，辅助检测X向导向17的升降程度。除此之外，X向导向17两侧还装有限位，确保升降时不会存在撞击和磨损。而且这种设计环保节能，效率高。请参阅图5所示，Z向升降装置还装有防护罩22，一是防止灰尘或杂物进入；二是因为美观。

请参阅图6、图7和图8，显示了一种焊接转台，包括底部支撑、切换平台、零位对准平台和与机器人控制柜连接的控制单元。切换平台沿圆周间隔90°布置，中间露出的是电机，以驱动切换平台旋转。

请参阅图6，底部支撑可分成3层：第1层是转台安装座23，设置在框架连接件上24，其周围沿圆周外侧间隔90°布置的是零位对准平台25；第2层是转台电机28，其连接到控制单元，通过机器人控制转台旋转角度；第三层是用来连接和固定切换平台的中心框架26和夹具总撑27，其中中心框架26安装在夹具总撑27的中心，夹具总撑27被中心框架26均匀分割成4个方位。

请参阅图7，切换平台设有R向导向34、Z向导向41、R向伸缩插销29、Z向伸缩插销30、多组固定滚轮31、固定架32和盖板33。正常工位下，切换平台正好位于零位对准平台正上方，两者位置对应。中心框架的四个侧表面分别布置一组R向伸缩插销29，切换夹具时，R向伸缩插销29顶住夹具使其朝着转台半径增大的方向沿R向移动到拖拽小车9能勾住夹具的位置，拖拽小车9是用来运送夹具的装置。

请参阅图8，主要是支撑轮36、滚轮座37、气缸38、零位对准槽39和零位插销40。

请参阅图9所示，显示了切换平台的详细构造。切换平台是由夹具平台座和导向安装座构成，设有限位滚轮42。夹具平台座固定在夹具总撑上，一侧表面抵住中心框架并固定。导向安装座则是浮动的，与夹具平台座相交叉并且嵌套在夹具平台座内。多组固定滚轮布置在固定架上，固定架位于夹具平台座，作用是当夹具依靠自重下落在切换平台时，滚轮将抵住夹具内侧，使得夹具不轻易挪动；并且4个固定架作为夹具的支撑点将夹具牢牢的卡在夹具平台座上。夹具落下之前，Z向伸缩插销可以上升卡着夹具，帮助校正夹具的位置。零位对准槽和零位对准平台的零位插销对应，用来进行零位对准。R向导向34和Z向导向41装在导向安装座。楔形支撑块装在导向安装座的底面。

请参阅图10，零位对准平台的两侧装有R向导轨34，滑块上安装滚轮座37。滚轮座37由气缸38驱动可以在导轨上沿R向移动。滚轮座上有两组支撑轮，一组支撑轮对应零位对准槽，另一组支撑轮对应楔形支撑块，下方为支撑底座43。

请参阅图8所示，显示了零位对准后零位对准平台和切换平台的位置关系。如图8所示，对准完成后，零位插销插在零位对准槽内，一组支撑轮顶住零位对准槽的两侧表面，零位对准槽的凸起部分。另一组支撑轮顶在楔形支撑块的楔形表面。

请参阅图11，是零位对准平台和切换平台的部分零部件简化示意图，主要介绍下相对位置关系，主要包括夹具安装座45、滚轮44和浮动导向安装座46。

请参阅图12所示， 12a ：零位对准平台未动作，转台可旋转。12b ：零位对准平台开始动作，气缸推动滚轮座沿R向朝着转台半径增大的方向运动，一组支撑轮沿零位对准槽的底面滚动，一组支撑轮沿楔形支撑块的楔形表面滚动，使得浮动导向安装座上升。12c：零位对准平台完成动作。转台可以开始切换夹具。

请参阅图13所示， 13a： 零位对准平台未动作，转台不可旋转。13b ：零位对准平台开始动作，气缸推动滚轮座沿R向朝着转台半径减小的方向运动，一组支撑轮沿零位对准槽的底面滚动，一组支撑轮沿楔形支撑块的楔形表面滚动，使得浮动导向安装座下降。13c：零位对准平台完成动作。转台可以旋转至焊接工位。

本发明还涉及一种智能切换夹具的控制方法。机器人控制系统同步控制，实现库位和转台的联动配合。转台部分设计有4个焊接工作位，至多转台可同时放置4个夹具。夹具切换的过程：

一、X向移载平台空载且移动至转台与库位对接处，同时转台部分转动，某一等待切换的切换平台转动成与X向移载平台对接。接着，零位对准平台上的气缸沿R向推动滚轮座移动（即沿R向朝着转台半径增大的方向）：

1）随着滚轮座的R向运动，一组支撑轮在楔形支撑块的表面沿楔形高度增大的方向移动，浮动的导向安装座在Z向随之被顶起，本来落在夹具安装座的固定滚轮上的夹具，当浮动的导向安装座顶起后，夹具脱离固定滚轮的约束，其重量则落在了R向导向上（导向安装座的Z向导向作为导向安装座在Z向顶起时的导向）。

2）随着滚轮座的R向运动，另一组支撑轮在零位对准槽的凸起的表面移动，使得滚轮座上的零位插销插进零位对准槽。当转台电机存在微小的转动误差时，零位对准平台可以完成转台精度的调整。

二、此时Z向升降装置上升到高位，X向移载平台上的X向勾拉插销勾住夹具的“长腰型孔”将夹具从待切换平台拖拽到Z向升降装置，待切换平台空置。此时Z向升降装置上的X向导向起到支撑夹具、和作为夹具X向运动的导向的作用。

三、Z向升降装置下降到低位，夹具重量完全落在X向移载平台上。X向移载平台托载这切换下来的夹具移动到空置的某一Y向库位。

四、该Y向库位的拖拽小车的Y向勾拉插销勾住夹具上的“长腰型孔”，将夹具拖到该Y向库位的桥式Y向支撑导向上，X向移载平台上的Y向滚轮和桥式Y向导向构成夹具移动的轨道。

五、X向移载平台再次空载并且移动到存有指定夹具（新夹具）的Y向库位，该库位的拖拽小车将新夹具拖到X向移载平台，X向移载平台再次移动至转台部分与库位部分对接处。

六、Z向升降装置再次上升到高位，顶起新夹具使其脱离X向移载平台。

七、X向移载平台在新夹具下方移动到新夹具的尾部，X向勾拉插销勾住夹具并拖动夹具从Z向升降装置移动到空置的待切换平台。

八、新夹具导入后，零位对准平台的气缸收缩（沿R向朝着转台半径减小的方向），拉动滚轮座移动：

1）随着滚轮座的R向运动，一组支撑轮在楔形支撑块的表面沿楔形高度减小的方向移动，浮动的导向安装座在Z向随之下降，本来落在夹具安装座的固定滚轮上的夹具，当浮动的导向安装座下降后，夹具脱离R向导向的约束，其重量则落在了固定滚轮上（导向安装座的Z向导向作为导向安装座在Z向下降时的导向）。

2）随着滚轮座的R向运动，另一组支撑轮在零位对准槽的凸起的表面移动，使得滚轮座上的零位插销脱离零位对准槽。

注意：限位滚轮起到对新夹具限位的作用，防止新夹具导入时移动过度，位置不准。

限位滚轮和固定滚轮相配合起到固定夹具的作用。

九、转台旋转至指定工作位。

请参阅图14，是仅设置一个焊接工位时夹具切换方案。

库位和转台布置如图14所示。转台部分包括ABCD四个切换平台。夹具的切换位和机器人的工作位如图13所示。

假设正在进行A类车型生产，平台B放有A类夹具47以配合机器人焊接。库位部分存储有4套B类夹具48，对应B类车型。平台D在切换位，与库位部分对接。若下一步生产的是B类车型，则预先将某一套B类夹具48切换到平台D。待A类车型的生产节拍完成后，转台旋转180°使得平台D旋转至工作位。机器人可持续工作，不占用生产节拍。而转动至切换位的平台B则继续将A类夹具切换到库位以存储。箭头指向表示夹具切换系统的不同阶段状态。

请参阅图15，是设置有2个焊接工位时夹具的切换方案A。库位和转台布置如图15所示。2个工作位相互垂直布置。

假设该柔性生产线依次生产A类和B类两种车型。平台A预先备有B类备件49，即B类夹具48。2个工作位分别是平台C和平台B。A类车型生产时，平台D进行上件，即B类夹具被切换到平台D。转台旋转180°，使得平台A和平台D位于工作位。柔性生产线开始生产B类车型。平台B则进行下件，即A类夹具被切换到库位以存储。然后平台B进行上件，即一套B类夹具被切换到平台B以作备件。转台旋转90°，使得平台C位于切换位，将A类夹具切换到库位以存储并将另一套B类夹具48切换到平台C以作备件。箭头所指示方向是夹具切换系统在2个垂直焊接工位方案下的状态变化流程。

请参阅图16所示，是设置有2个焊接工位时夹具的切换方案B。库位和转台如图16所示。2个工作位呈对称布置。假设该柔性生产线依次生产A类和B类车型。平台B预先备有B类备件49。2个工作位分别是平台A和平台C。A类车型生产时，平台D上件，B类夹具48被切换到平台D。转台旋转90°，使得平台D和平台B位于工作位。柔性生产开始生产B类车型。平台A下件，A类夹具被切换到库位存储；然后平台A上件，一套B类夹具48被切换到平台A以作备件。转台旋转180°，使得平台C位于切换位，然后将A类夹具切换到库位以存储并将另一套B类夹具切换到平台C以作备件。箭头所指示方向是夹具切换系统在2个对称焊接工位方案下的状态变化流程。上面的2个焊接工位的情况下，夹具是成对使用的。

请参阅图17，是设置有3个焊接工位时夹具的切换方案。平台A、C、B分别设置一个工作位。库位部分存储有3套B类夹具48。转台部分有3套A类夹具47投入生产。作切换时，转台按照生产节拍每次旋转90°，依次将A类夹具切换到库位，和将B类夹具48切换到工作位。

综上所述，本发明智能夹具切换系统是基于机器人控制的用来输送、存储和切换夹具以配合工业机器人抓取、焊接和喷涂的系统，不仅机械结构灵活，结合智能控制能够实现智能化柔性生产，满足夹具的通用性、自动化、智能化切换的要求，而且大大提高了生产效率，有效降低了生产成本。

以上所述，仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的方法内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，均属于权利要求书保护的范围。

Claims (6)

1.一种智能夹具切换系统，包括库位和转台，其特征在于，所述库位包括Z向升降装置、X向移载平台和Y向库位；所述转台包括多个切换平台和转台驱动；所述库位的电机驱动部分由机器人系统控制，库位与某个切换平台对接，其余切换平台持续工作。

2.根据权利要求1所述的智能夹具切换系统，其特征在于：所述Z向升降装置设有高位和低位两种状态：高位时，夹具重量落在X向导向并脱离X向移载平台，X向移载平台在夹具下方在X向轨道移动，并勾住夹具推动其进入指定工作位；夹具切换到库位时，Z向升降装置处于低位。

3.根据权利要求1所述的智能夹具切换系统，其特征在于：所述库位采用模块化拼接方式，多个库位间任何组合、安装，每个Y向库位由Y向轨道、拖拽小车、Y向勾位插销和辅助桥座组成，并且Y向库位数量可无限拼接， X向轨道可无限延长。

4.根据权利要求1所述的智能夹具切换系统，其特征在于：所述机器人系统可以实现所有库位和轨道的联动，多库位可同步运行。

5.根据权利要求1所述的智能夹具切换系统，其特征在于：所述切换平台上的夹具安装座采用了多组“滚轮+固定架”的结构，夹具依靠自重落在夹具安装座上并稳定在固定架上，所述切换平台采用滚轮导向，采用多组固定滚轮、固定架和限位滚轮进行导向。

6.根据权利要求1所述的智能夹具切换系统，其特征在于：所述转台采用机械零位对准的方式调整转台的旋转精度，气缸推动零位插销使其对准在夹具平台座的调整槽。