CN108405666A - 一种应用于金属板材加工的辅助机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于金属板材加工的辅助机器人，包括底座、滑块、大臂、小臂、前臂、旋转轴和夹具；底座呈直线型，滑块底部沿底座直线滑移。旋转轴的底部与前臂的前端转动连接，旋转轴的顶部与夹具固定连接，夹具能与金属板材可拆卸连接。本发明与目前常用6轴通用机械人相比，少一个轴，有利于节约成本；无自由度冗余，控制简单。同时，折弯过程的运动学反解解析过程，给出了各个运动关节的驱动函数。通过C，C++，VB，ST等高级编程语言将各驱动角度的求解公式编程为相应的程序模块，在运动控制器中直接调用这些程序模块，即可以实现机器人的运动控制。

Description

一种应用于金属板材加工的辅助机器人

技术领域

本发明涉及金属板材加工领域，特别是一种应用于金属板材加工的辅助机器人。

背景技术

近年来，金属板材加工领域，自动化加工技术的应用逐渐普及。金属板材加工自动化的核心技术在于板材折弯的自动化。尤其大尺寸重量较大零件的加工，工人的劳动强度大，通常需要2名甚至几名操作工人完成，劳动强度大，工作环境恶劣。板材折弯自动化解决方案已经成为行业的共识，具有巨大的市场潜力和发展空间。

目前，板材折弯自动化的解决方案，主要有如下两种。

1、采用6关节通用机器人，具体参照申请号为201710513061.1的中国发明专利申请，其发明创造的名称为“一种用于自动折弯时钣金与机体互不干涉的机器人”，为6关节工业机器人，小臂部件杆长与手腕部件杆长之和X/大臂杆长Y＝2～3，折弯机下模刀口高度-转座J2轴距离地面的距离H＝500～600mm，转座J2轴距离J1轴的距离Z＝机器人臂展/设定钣金最大边长-小臂部件杆长与手腕部件杆长之和X-大臂杆长Y。J4轴与J1轴之间偏置设定的距离，J3轴电机设置在大臂外侧。

上述专利申请，通过合理的杆长配比关系，用于大尺寸钣金折弯，钣金和机体不会相互干渉，规避了通用工业机器人在折弯应用中的诸多弊端。然而，由于控制轴数过多(6轴，自由度冗余)，成本高，移动范围小，受到臂展的限制。

2、采用直角坐标机器人，具体参照申请号为201710110029.9的中国发明专利申请，其发明创造的名称为“一种龙门式折弯机器人”，其包括：相互垂直的X轴导轨、Y轴导轨和Z轴导轨，X轴导轨与机身固定连接；X轴导轨与Z轴导轨通过第一滑块垂直连接，第一滑块上分别设有与X轴导轨和Z轴导轨相对滑动连接的X向滑块导轨和Z向滑块导轨；Z轴导轨下端固定设有第二滑块，第二滑块上固定设有与Y轴导轨滑动连接Y轴滑块导轨；Y轴导轨的前端转动连接A轴，A轴上转动连接有与A轴垂直的B轴，B轴上转动连接有与B轴垂直的C轴，C轴前端设有末端执行机构。该专利申请的优点是：成本低，负载能力强。然而缺点也非常明显：结构尺寸大，占地面积大，速度慢，不灵活。

上述两种板材折弯自动化解决方案均存在着如下缺陷：手腕关节中末端两个轴的轴线都相交于一点，主要是方便运动学方程的求解。另外，折弯大尺寸工件的时候适用，小尺寸工件折弯容易与折弯机发生干涉，完全不适合小尺寸工件的折弯。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种应用于金属板材加工的辅助机器人，该应用于金属板材加工的辅助机器人具有5轴关节，无多余自由度，控制简单，移动范围大，动作灵敏且负载能力强。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种应用于金属板材加工的辅助机器人，包括底座、滑块、大臂、小臂、前臂、旋转轴和夹具。

底座呈直线型，滑块底部沿底座直线滑移，滑块与底座之间形成1轴关节，简称1轴。

滑块的顶部通过2轴与大臂的底部相铰接，大臂的顶部通过3轴与小臂的后端相铰接，小臂的前端通过4轴与前臂的后端相铰接；1轴、2轴、3轴和4轴的轴线均相互平行。

旋转轴为5轴，旋转轴的底部与前臂的前端转动连接，旋转轴的顶部与夹具固定连接，夹具能与金属板材可拆卸连接。

旋转轴的轴线与4轴的轴线相垂直。

旋转轴的轴线与4轴的轴线无相交点。

旋转轴为法兰轴，法兰轴中的法兰盘形成为夹具。

夹具为真空吸盘或电磁铁。

将原点设置在2轴的轴线上，并将与2轴的轴线相垂直的水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，建立直角坐标系，则4轴中心在所述直角坐标系中的坐标为(d_x，d_y)，则d_x和d_y的计算公式如下：

式中，X₀为折弯机中模具中心线的X轴向距离值；Y₀为折弯机中下模高度；L₁₀为夹具的竖直偏距；L₂₀为夹具的水平偏距；β为折弯过程中金属板材与水平面之间的夹角。

折弯过程中金属板材与水平面之间的夹角β采用如下公式进行计算：

式中，B为折弯机中下模槽口的宽度；d为折弯机中上模的工进行程。

2轴、3轴和4轴相互联动，假设2轴的驱动转角为θ₂、3轴的驱动转角为θ₃、4轴的驱动转角为θ₄；则θ₂、θ₃和θ₄满足如下计算公式：

θ₂＝a₂；

θ₃＝a₃-a₂；

θ₄＝a₄-a₃；

a₄＝-β

C_x＝d_x-L₄cos(a₄)

C_y＝d_y-L₄sin(a₄)

式中，a₂为大臂与X轴夹角；a₃为小臂与X轴夹角；a₄为前臂与X轴的夹角；L₂为大臂长度；L₃为小臂的长度；L₄为前臂长度，C_x和C_y为中间变量。

本发明具有如下有益效果：

1、本申请采用5轴机构，与6轴通用机械人相比，移动范围大，且1轴为线性移动轴，扩展了机器人的移动范围。另外，与6轴通用机械人相比，少一个轴，有利于节约成本；无自由度冗余，控制简单。

2、与直角坐标机械手相比，本申请占地面积小，动作灵活，速度快。

3、4轴与5轴的轴线不相交，故折弯工件的尺寸不受4轴尺寸的限制，有利于小尺寸工件的折弯。

4、本申请还提供了折弯过程的运动学反解的解析过程，给出了各个运动关节的驱动函数(也即驱动角度θ₂、θ₃、θ₄)。通过C，C++，VB，ST等高级编程语言将θ₂、θ₃、θ₄的求解公式编程相应的程序模块，在运动控制器中直接调用这些程序模块，因而能够实现机器人的运动控制。

附图说明

图1显示了本发明一种应用于金属板材加工的辅助机器人的结构示意图。

图2显示了大臂、小臂和前臂的尺寸示意图。

图3显示了金属板材折弯过程示意图。

图4显示了辅助机器人在直角坐标系下的折弯运动解析示意图。

图5显示了折弯过程中金属板材与水平面之间的夹角β与折弯机下模的关系图。

其中有：1、1轴；2、2轴；3、3轴；4、4轴；5、5轴；

10、底座；20、滑块；30、大臂；40、小臂；50、前臂；60.金属板材；

70、折弯机；71、上模；72、下模；73、模具中心线。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种应用于金属板材加工的辅助机器人，包括底座10、滑块20、大臂30、小臂40、前臂50、旋转轴和夹具。

底座呈直线型，滑块底部沿底座直线滑移，滑块与底座之间形成1轴关节，简称1轴。

滑块的顶部通过2轴与大臂的底部相铰接，大臂的顶部通过3轴与小臂的后端相铰接，小臂的前端通过4轴与前臂的后端相铰接。

1轴、2轴、3轴和4轴的轴线均相互平行。

旋转轴为5轴，旋转轴的底部与前臂的前端转动连接，旋转轴的顶部与夹具固定连接，夹具能与金属板材可拆卸连接。

夹具的设置方式有多种，优选有如下三种设置方式：

优选设置方式一：旋转轴和夹具一体设置，也即旋转轴为法兰轴，法兰轴中的法兰盘形成为夹具，法兰盘与金属板材螺纹连接。

优选设置方式二：夹具为真空吸盘。

优选设置方式三：夹具为电磁铁。

当然，作为替换，夹具还可以为现有技术中已知的其他设置方式。

上述旋转轴的轴线与4轴的轴线相垂直。

上述旋转轴的轴线与4轴的轴线优选无相交点，因而，本申请能够避免4轴与折弯机发生机械干涉，适合小零件的折弯。

当然，作为替换，旋转轴的轴线与4轴的轴线也可以相交一点，本发明由于针对折弯的特殊工艺，运动学特性不同，即便不相交也完全能够反解出来。

以2轴中心为原点，2轴所在轴线作为X轴，竖直方向为Y轴，建立直角坐标系，夹具在所述直角坐标系中的坐标为(d_x，d_y)，则d_x和d_y的计算公式如下：

式中，X₀为折弯机中模具中心线的X轴向距离值；Y₀为折弯机中下模高度；L₁₀为夹具的竖直偏距；L₂₀为夹具的水平偏距；β为折弯过程中金属板材与水平面之间的夹角。

折弯过程中金属板材与水平面之间的夹角β采用如下公式进行计算：

式中，如图5所示，B为折弯机中下模槽口的宽度；d为折弯机中上模的工进行程，式中忽略金属板材厚度的影响。

当然，作为替换，折弯过程中金属板材与水平面之间的夹角β也可采用角度传感器进行检测等其他已知的方式进行测量，也在本申请的保护范围之内。

上述2轴、3轴和4轴相互联动，假设2轴的驱动转角为θ₂、3轴的驱动转角为θ₃、4轴的驱动转角为θ₄；则θ₂、θ₃和θ₄满足如下计算公式：

θ₂＝a₂；

θ₃＝a₃-a₂；

θ₄＝a₄-a₃；

a₄＝-β

C_x＝d_x-L₄cos(a₄)

C_y＝d_y-L₄sin(a₄)

式中，如图4所示，a₂为大臂与X轴夹角；a₃为小臂与X轴夹角；a₄为前臂与X轴的夹角；如图2所示，L₂为大臂长度，也即2轴中心与3轴中心之间的长度；L₃为小臂的长度，也即3轴中心与4轴中心之间的长度；L₄为前臂长度，也即4轴中心与5轴中心之间的长度，C_x和C_y为中间变量。

金属板材折弯过程如图3所示，其中，实线表示金属板材折弯前的状态，虚线表示金属板材折弯后的状态。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种应用于金属板材加工的辅助机器人，其特征在于：包括底座、滑块、大臂、小臂、前臂、旋转轴和夹具；

底座呈直线型，滑块底部沿底座直线滑移，滑块与底座之间形成1轴关节，简称1轴；

滑块的顶部通过2轴与大臂的底部相铰接，大臂的顶部通过3轴与小臂的后端相铰接，小臂的前端通过4轴与前臂的后端相铰接；1轴、2轴、3轴和4轴的轴线均相互平行；

旋转轴为5轴，旋转轴的底部与前臂的前端转动连接，旋转轴的顶部与夹具固定连接，夹具能与金属板材可拆卸连接；

旋转轴的轴线与4轴的轴线相垂直。

2.根据权利要求1所述的应用于金属板材加工的辅助机器人，其特征在于：旋转轴的轴线与4轴的轴线无相交点。

3.根据权利要求1所述的应用于金属板材加工的辅助机器人，其特征在于：旋转轴为法兰轴，法兰轴中的法兰盘形成为夹具。

4.根据权利要求1所述的应用于金属板材加工的辅助机器人，其特征在于：夹具为真空吸盘或电磁铁。

5.根据权利要求1所述的应用于金属板材加工的辅助机器人，其特征在于：将原点设置在2轴的轴线上，并将与2轴的轴线相垂直的水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，建立直角坐标系，则4轴中心在所述直角坐标系中的坐标为(d_x，d_y)，则d_x和d_y的计算公式如下：

式中，X₀为折弯机中模具中心线的X轴向距离值；Y₀为折弯机中下模高度；L₁₀为夹具的竖直偏距；L₂₀为夹具的水平偏距；β为折弯过程中金属板材与水平面之间的夹角。

6.根据权利要求5所述的应用于金属板材加工的辅助机器人，其特征在于：折弯过程中金属板材与水平面之间的夹角β采用如下公式进行计算：

式中，B为折弯机中下模槽口的宽度；d为折弯机中上模的工进行程。

7.根据权利要求5或6所述的应用于金属板材加工的辅助机器人，其特征在于：2轴、3轴和4轴相互联动，假设2轴的驱动转角为θ₂、3轴的驱动转角为θ₃、4轴的驱动转角为θ₄；则θ₂、θ₃和θ₄满足如下计算公式：

θ₂＝a₂；

θ₃＝a₃-a₂；

θ₄＝a₄-a₃；

a₄＝-β

C_x＝d_x-L₄cos(a₄)

C_y＝d_y-L₄sin(a₄)

式中，a₂为大臂与X轴夹角；a₃为小臂与X轴夹角；a₄为前臂与X轴的夹角；L₂为大臂长度；L₃为小臂的长度；L₄为前臂长度，C_x和C_y为中间变量。