CN109894633B

CN109894633B - 一种采用桁架式机器人的数控机床柔性上下料方法

Info

Publication number: CN109894633B
Application number: CN201910277362.8A
Authority: CN
Inventors: 张勇军; 张辉; 肖雄; 郭强; 胡水平
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2019-04-08
Filing date: 2019-04-08
Publication date: 2020-07-03
Anticipated expiration: 2039-04-08
Also published as: CN109894633A

Abstract

本发明提供一种采用桁架式机器人的数控机床柔性上下料方法，属于金属零件车削加工技术领域。该方法首先确定待加工工件能够通过一定角度实现手动上下料；然后计算得到能够允许进行上下料的送入角；在桁架式机器人控制单元中规划出满足所夹持工件在数控机床内的避障路径。再按照所需正常的机床上下料流程，通过单步执行模拟并监控桁架式机器人在数控机床内部操作空间受限下的上下料动作，同时配合数控机床卡盘的松开与加紧动作；反复单步执行无误后，即可恢复桁架式机器人上下料系统的全自动工作流程，有效解决数控机床内部上下料空间受限问题。

Description

一种采用桁架式机器人的数控机床柔性上下料方法

技术领域

本发明涉及金属零件车削加工技术领域，特别是指一种采用桁架式机器人的数控机床柔性上下料方法。

背景技术

数控机床上下料机器人的合理使用能够代替操作人员完成重复枯燥且具有潜在危险的工作，可以大幅度减轻人员劳动强度，提高加工节奏和生产效率，为企业生产降本增效。可以用于数控机床上下料操作的工业机器人主要分为关节机器人和桁架式机器人两种。其中关节机器人一般采用五到六个自由度，操作灵活，设备适应性较好，多采用精密减速机传动，重复定位精度高，零件加工精度较高，但控制技术复杂，机器人价格高，后续维护成本较高，大范围推广应用有一定难度。桁架式机器人常采用滚珠丝杆、同步皮带或齿轮齿条的传动方式，兼有工序间运输和自动上下料及物料回转等辅助功能，其优势是成本相对低廉，控制系统简单，是使用较为广泛也最具发展前景的一种形式。

由于桁架式机器人属于直角坐标机器人，在空间移动与定位上无法与多自由度的关节机器人相比，尤其是在数控机床内部操作空间有限，机床内部的主轴卡盘、刀架与道具、顶针等都可能会对机器人上下料的手爪及工件产生干涉，原本依靠人工操作可以轻松完成上下料的动作却无法由直角坐标的简单行走替代，致使桁架式机器人的使用会受到工件尺寸、数控机床结构以及内部空间尺寸的限制，降低了设备兼容性。为了实现上下料动作，有时不得不对机床内部进行改造，或者不得不调整、后撤被干涉设备的待机位置，增大了设备使用成本，也会影响整体的加工作业效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种采用桁架式机器人的数控机床柔性上下料方法，该方法通过模拟人工操作对数控机床内部空间受限时的上下料方式，在不需要进行设备改造投资和不影响工作效率的前提下，充分利用机床主轴卡盘与工件上下料时的尺寸空间裕度，使桁架式机器人通过普通的直角坐标运动就可以实现内部空间尺寸干涉条件下的工件取放动作，提高了桁架式机器人上下料系统的加工适应能力。

该方法具体包括步骤如下：

S1：操作人员手动执行上下料，确定待加工工件能够实现手动上下料；

S2：通过测量获取待加工工件的最大长度和数控机床内产生上下料干涉空间的最小距离，以及待加工工件内径或外径与数控机床卡盘松开或卡紧状态下的直径配合裕度，计算得到能够允许进行上下料的送入角；

S3：在桁架式机器人控制单元中通过对水平横向移动、垂直纵向移动以及旋转运动的动作顺序与速度配合，规划出满足所夹持待加工工件在数控机床内的避障路径；

S4：按照所需正常的数控机床上下料流程，通过单步执行模拟并监控桁架式机器人在数控机床内部操作空间受限下的上下料动作，同时配合数控机床卡盘的松开与夹紧动作；

S5：反复单步执行S4无误后，即可恢复桁架式机器人上下料系统的全自动工作流程。

其中，S1中待加工工件为适合旋转加工的回转体零件，如各种球笼、连接轴等，待加工工件能够被外夹持或内夹持。

S3中桁架式机器人的控制单元内进行角度计算、空间姿态设定、速度控制和扭矩限幅控制。

在本发明中，桁架式机器人用于替代操作人员完成待加工工件的自动上下料，主要包括行走移动单元、旋转单元、抓取单元、控制单元等。其中移动单元包括用于带动工件实现横向和纵向移动的齿轮齿条、减速机及其驱动电机；旋转单元用于实现工件空间角度调整的气动旋转机构，包括水平与垂直的旋转和回转；抓取单元包括两个抓取工件的气动手爪，分别作为上料与下料使用；桁架式机器人控制单元为桁架式机器人各检测与执行元件的信号处理单元，负责与数控机床交换信号并自主完成设定的上下料流程。

数控车床主要包括主轴箱、卡盘、进给机构、顶针机构、控制系统等。其中主轴箱包括主轴、传动机构等，主要作用是支承主轴并使其旋转；卡盘是安装在数控车床主轴前端用于固定待加工工件的液压机构；进给机构是完成切削加工的机械部件，主要包括刀盘、刀架及刀架运动部分；顶针机构是与主轴同轴的用于加工时固定工件的机构，主要包括顶针杆、平移传动机构等；数控车床控制系统完成卡盘的松紧、主轴启停与定位、切削量控制等。

数控机床内部操作空间受限情况下，桁架式机器人控制系统通过对其移动单元、旋转单元的动作顺序、动作速度的指令匹配，使得桁架式机器人手爪所夹持的待加工工件的空间行走路径得以规划，从而获得与人工操作相接近的上下料方式，以特定角度绕过数控机床内部被干涉设备，利用数控机床的液压卡盘在松开状态下与待加工工件之间的配合空间裕量，将待加工工件的被夹持部分先行送入数控机床的卡盘内，使得待加工工件的其他部分得以在数控机床内获得活动空间。

用于待加工工件在数控机床内进行特定动作执行的实现主要依靠桁架式机器人的移动单元的横向移动(X轴)、纵向移动(Z轴)以及与旋转单元的旋转动作时序配合完成，为确保动作的安全性，在执行柔性上下料控制阶段，可以降低移动单元与旋转单元执行器的扭矩限幅值，类似人工手与手臂的发力配合，使得即使在执行偏差导致待加工工件与数控机床内设备发生接触时，不至于产生严重碰撞，也不会影响上下料过程。

本发明对桁架式机器人控制功能进行一定改进，增加必要的设定参数，使之能够计算最大送入角为θ1、理论最小角度为θ2，并通过桁架机器人控制单元对移动单元以及旋转单元的时序协同，完成桁架机器人手爪所夹持的加工工件在特定的机床内部的空间姿态与运动位置的控制，根据规划好的避障路径实现柔性上下料。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，桁架式机器人上下料系统在面对数控机床内部操作空间受限情况下，能够合理利用待加工工件与机床卡盘松开状态下的尺寸配合裕量，通过合理规划工件在数控机床内部的移动轨迹而实现类似于手工操作的柔性上下料控制，有效解决采用数控机床内部操作空间狭小而影响桁架式机器人进行自动上下料的问题，可有效扩大机器人系统的应用范围和连续加工效率。

附图说明

图1为本发明的采用桁架式机器人的数控机床柔性上下料方法所涉及系统整体结构示意图；

图2为本发明实施例中工件上下料位置干涉示例图；

图3为本发明实施例中工件柔性上下料控制示意图；

图4为本发明实施例中柔性上下料控制系统原理图。

其中：1-待加工工件；2-主轴卡盘；3-机床顶针机构；4-机床进给机构；5-桁架式上下料机器人；6-数控机床。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种采用桁架式机器人的数控机床柔性上下料方法。

该方法包括步骤如下：

如图1所示，该方法涉及待加工工件1、数控机床6和桁架式上下料机器人5，待加工工件1可以是各种球笼或者连接轴，待加工工件1由数控机床6进行加工，当待加工工件1在数控机床6上进行加工时，需要由数控机床内的主轴卡盘2进行夹持固定。根据工件的形状结构可采用内夹持或外夹持方式。桁架式上下料机器人5主要完成待加工工件1的传送和在数控机床6上的上下料任务，机器人手爪在抓取待加工工件1时通常采用的是外夹持方式，抓取完成后可以通过桁架式上下料机器人5的运动机构对待加工工件1执行横向移动、纵向移动、垂直旋转等动作，将待加工的工件从取料处移动到数控机床6的主轴加工处进行上料操作，或将加工好的工件从数控机床6的加工处取下并移动到成品收集位置完成下料操作。当数控机床6内部操作空间受限情况下，上料操作或下料操作均有可能无法通过正常的方法实现。

图2所示为通过桁架式上下料机器人将工件在机床进行上下料操作时，空间相对位置产生干涉的示例图。一般情况下，桁架式上下料机器人5在数控机床内部的操作空间有限，只能进行简单的横向移动和纵向移动，那么机床内部的主轴卡盘2、机床顶针机构3、机床进给机构4等都有可能会对机器人手爪及待加工工件1产生干涉。图2中显示由于待加工工件1的最大长度L1大于主轴卡盘2与机床顶针机构3之间的最小距离L2，导致机器人手爪无法通过简单的横向移动和纵向移动完成待加工工件1在数控机床卡盘上的安装。如果对数控机床内部空间进行改造或者将桁架式机器人换成自由度更多的机器人，虽然能解决机床内部的干涉问题，但这样会大大增加设备的成本，不符合实际的要求，通过协同控制桁架式机器人X轴与Z轴的运动轨迹模拟人工的柔性上料方式，可以有效解决干涉的问题。

图3所示为工件柔性上下料控制示意图，主要由待加工工件1、主轴卡盘2、机床顶针机构3组成。当待加工工件1的最大长度过大时，无法通过正常的Z轴垂直运动到位后在进行X轴直线运行直接上料，而这种情况下如果满足人工操作上料的条件，说明可以利用卡盘直径与工件直径之间的配合裕量实现柔性上下料，即通过特定的加工工件进入卡盘的角度实现绕过机床顶针机构3的障碍，将加工工件传送到安装位置主轴卡盘2处。桁架式机器人系统取代人工来实现这一过程需要做求得准确的安装倾斜角度，并通过的Z轴垂直运动与X轴水平运动的协同配合，以特定的轨迹实现机床内部的柔性上下料。

如图3所示，以需要在车床卡盘上固定内腔进行加工的内球笼工件为例，若待加工工件1的最大长度L1大于机床主轴卡盘2与机床顶针机构3之间的距离L2，则正常自动上下料方式无法完成上下料操作。由于待加工工件1与数控机床卡盘松开状态下存在一定的直径配合裕度，若经人工校验后可以利用在配合裕度进行手动上下料，则理论上同样也可以利用桁架式机器人的柔性操作方式进行自动上下料。

由图3可见，若待加工工件1的内腔最大直径D，且机床主轴卡盘在松开状态下的外径d，则在数控机床内部能够提供的最大送入角为θ₁＝arccos(d/D)，在采用该角度进行自动上下料时，待加工工件1在机床内部加工轴线水平方向的投影长度变为L1·d/D，该长度小于应该机床主轴卡盘与顶针之间的距离L2即可实现绕过机床顶针机构3的障碍。因此，通过反向推算可知，能够躲避机床顶针机构3的障碍的理论最小角度为θ₂＝arccos(L2/L1)，若θ₂小于θ₁则满足柔性上下料条件。

图4为数控机床上下料桁架式机器人实现柔性上下料控制的示意图。将待加工工件的最大内直径D、机床卡盘在松开状态下外径d、加工工件最大长度L1、数控机床卡盘与顶针之间的距离L2获取输入桁架式机器人控制单元。在控制单元中进行最大送入角为θ₁、最小理论角度为θ₂后，通过桁架上下料机器人控制单元对移动单元的X轴横向移动、Z轴纵向移动以及与旋转单元旋转动作的时序协同，即可完成桁架上下料机器人手爪所夹持的加工工件在特定的机床内部的空间姿态与运动位置的控制，根据规划好的避障路径，按照柔性上下料的方式，将待加工工件1准确在数控机床卡盘处进行自动上下料操作。为确保动作的安全性，在执行柔性上下料控制阶段，可以降低移动单元与旋转单元执行器的扭矩限幅值，类似人工手与手臂的发力配合，使得即使在执行偏差导致待加工工件与数控机床内设备发生接触时，不至于产生严重碰撞，也不会影响上下料过程。

该方法对加工外球笼工件、连接轴类工件同样适用，在此不再进行叙述。

按照这种柔性上下料的方式可以在一定条件下解决桁架式上下料机器人自动上下料时在数控机床内部遇到的干涉问题，有效地提高桁架式机器人设备用于机床上下料工作时的兼容性和加工效率。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种采用桁架式机器人的数控机床柔性上下料方法，其特征在于：包括步骤如下：

即：在数控机床内部能够提供的最大送入角为θ₁＝arccos(d/D)，能够躲避机床顶针机构的障碍的理论最小角度为θ₂＝arccos(L2/L1)；

其中，D为待加工工件的最大内直径，d为机床卡盘在松开状态下外径，L1为待加工工件最大长度，L2为数控机床卡盘与顶针之间的距离；

2.根据权利要求1所述的采用桁架式机器人的数控机床柔性上下料方法，其特征在于：所述S3中桁架式机器人的控制单元内进行角度计算、空间姿态设定、速度控制和扭矩限幅控制。