CN110508706A - 冲压产线机器人自动上下料系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种冲压产线机器人自动上下料系统及其控制方法，包括机器人、上料台、下料台、冲压机以及控制器；所述机器人末端安装有弹性吸持工具；所述控制器按照一定步骤处理输入量，并控制机器人实现自动上料。本发明自动化程度高，可应用于现有的机器人设备，机器人示教过程简单快捷，通用性强，能够加工普通平板物料或是表面不太平整的半成品物料。
Description
技术领域：
本发明涉及冲压产线自动化领域，特别是涉及一种冲压产线机器人自动上下料系统及其控制方法。
背景技术：
冲压成形制造技术在汽车制造业，仪器仪表，航空军事等多个领域占据重要地位。传统手工送料的冲压生产方式存在着效率、精度、安全等方面的一系列问题，已逐步被各种自动送料设备所取代，实现自动化高效生产是冲压行业未来发展的必然趋势。
现有的冲压产线自动上下料方案大多需要设计专门的设备，这样做一方面会在设备的开发工作中花费大量时间，另一方面生产成本也将提高，从而导致企业的市场风险加大。为规避风险，较好地方案是直接使用现有的工业机器人进行上下料。机器人的使用一般需要先经过示教，即需要寻找一系列机器人移动过程中的轨迹点进行记录。在搬运成堆物料时，每加工一件物料，上、下料物料堆的高度将相应下降和上升一点，机器人每次取放物料的目标点都不相同，这使得机器人的轨迹较为复杂，示教过程繁琐且费时。
专利CN109079047A设计了一种上料装置用于搬运成堆物料，每次取料前，该上料装置使用一顶升机构顶起物料堆使最上层物料到达一个固定高度，再使用一种分离移取机构将最上层物料移动到一个定位台上，机器人再到定位台上抓取物料，这样机器人只需运动到特定位置即可取料，示教轨迹简单，但是所使用的多种机构使得上料装置的结构与控制过程都变得复杂，无形中增加了生产成本。
发明内容：
有鉴于此，本发明的目的是提供一种冲压产线机器人自动上下料系统及其控制方法，使用现有的工业机器人，开发一种冲压物料堆自动上下料算法，从软件的层面上解决示教轨迹复杂的问题。
本发明采用以下方案实现：
本发明冲压产线机器人自动上下料系统的控制方法，其特征在于：所述冲压产线机器人自动上下料系统包括机器人、位于机器人旁侧的上料台、下料台和冲压机，所述机器人、上料台和冲压机与控制器电性连接，控制器的控制方法：上料时，机器人每取走一个物料，则下一次抓取时机器人的目标位置将自动下降一个高度，使其能够正好抓住取料堆中最上层的物料；下料时，机器人每放置一个物料，则下一次放置时，机器人的目标位置将自动上升一个高度，使其能够将当前吸持的物料正好叠放在放料堆最上方。
进一步的，上述控制器按照如下步骤实现冲压产线自动上、下料：
步骤1：输入待上料物料数量n、单个物料高度h、物料总高度H，初始取料点S1(XS1，YS1，ZS1)，初始放料点E1(XE1，YE1，ZE1)；
步骤2：计算所堆放的物料间距dh，即在初始取料点S1上方位置确定一点St，在初始放料点E1上方位置确定一点Et，且满足
St＝(XS1，YS1，ZS1+Hsf)
Et＝(XE1，YE1，ZE1+Hsf+H-h)
其中，Hsf为一预设值；
步骤3：机器人移动到取料点上方位置St，接着下降至初始取料点S1，吸持第一件物料，然后移至冲压机中放下物料，冲压完成后将物料取出，先移至放料点上方位置Et，然后下降到初始放料点E1处放置物料，完成第一个取料和放料循环；
步骤4：上料台第一件物料取走之后，第二件待取物料位置为S2，下料台放置第一件物料之后，第二件待放物料位置为E2；机器人仍移至取料点上方位置St，接着下降至取料点S2处吸取第二个物料，然后移至冲压机中放下物料，冲压完成后将物料取出；先移动到放料点上方位置Et，再自动下降到放料点E2处放置物料，完成第二个取料和放料循环；
步骤5：机器人依此重复取放料过程共n次，第n次时取料和放料循环完成后，取料工位所有物料全部取出。
其中，Hsf是tcp与末端执行器最低点之间的高度差加上一段预留的安全高度。Hsf作为系统预设值给出，不需要在使用时输入；
机器人每次取走一个物料后，上料物料堆高度下降dh，每次放置一个物料，下料物料堆高度上升dh，则机器人取料时的高度增量dZS＝-dh；冲压机器人放料时的高度增量dZE＝dh；。
由此可得，机器人在第i次取料时，取料点Si为：
机器人在第i次放料时，放料点Ei为：
本发明冲压产线机器人自动上下料系统，其特征在于：包括机器人、位于机器人旁侧的上料台、下料台和冲压机，所述上料台包括底座、水平回转机构和至少一个装载物料的料仓，所述水平回转机构安装在所述底座台面上，水平回转机构上安装有第一机架，所述第一机架上设置所述料仓；所述料仓包括料仓底板以及安装在所述料仓底板上的定位组件和传感器，所述定位组件包括用于限位物料的短定位销和长档杆。
进一步的，上述机器人的悬臂末端安装有弹性吸持工具，所述弹性吸持工具包括第二机架和设在第二机架上的吸盘；所述第二机架内设有与吸盘连通的负压气管和串连接在负压气管上的启闭控制阀。
进一步的，上述料仓底板上开设有两组定位孔用于安装两组定位组件，每组定位孔有五个，分布于物料四边，其中靠近料仓回转中心的边上开设两个定位孔，安装两个所述短定位销；该边的一邻边上开设一个定位孔，安装第三个短定位销，另外两边上各开设一个定位孔，用于安装所述长档杆。
进一步的，上述机器人在取放料时，弹性吸持工具的吸盘紧贴着物料，使得吸盘发生形变，水平回转机构由伺服电机和减速机组成，安装在所述底座的台面上，能进行正负180度的回转运动。
本发明冲压产线机器人自动上下料系统，其特征在于：包括机器人、位于机器人旁侧的上料台、下料台和冲压机，所述机器人、上料台和冲压机与控制器电性连接，所述的控制器包括计算机、示教器、控制软件和控制总线，控制软件存储于计算机中，控制总线采用EtherCAT，控制器通过控制总线连接机器人和上料台，冲压机连接机器人的I/O模块。
进一步的，上述机器人内部集成气源、传感器、I/O端子和电机驱动器，所述气源用于驱动弹性吸持工具取放料；所述I/O模块用于控制气缸、冲压机工作，并接收各传感器信号；I/O端子、电机驱动器均采用EtherCAT控制，所述上料台内部集成传感器、I/O端子和电机驱动器，I/O端子、电机驱动器采用EtherCAT控制。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：通过所述上料台的定位组件，可定位、固定曲边物料；通过冲压物料堆自动上下料算法，可以在不增加上料设备自由度的条件下，方便快速地示教出冲压机器人取放成堆物料的动作，有效地简化了示教过程，减少示教人员的工作量和出错率，提升示教速度进而提升生产效率；系统灵活性与通用性较大，方便规划生产。
附图说明：
图1是本发明冲压产线机器人自动上下料系统的结构示意图；
图2是本发明弹性吸持工具的结构示意图；
图3是本发明上料台的结构示意图；
图4是本发明所涉及的控制系统连接图；
图5是本发明冲压物料堆自动上下料算法的程序流程图；
图6是本发明冲压机器人的工作路径示意图。
具体实施方式：
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明，
本实施例一种冲压产线机器人自动上下料系统结构如图1所示，包括机器人1、上料台2、下料台3、冲压机4以及控制器(图1中未画出)。
在本实施例中，所述机器人1末端安装有弹性吸持工具，如图2(a)所示，所述弹性吸持工具包括第二机架11和吸盘12；所述第二机架11中集成气管、连通件等气动元件；所述吸盘12为弹性器件，在自由状态下如图2(b)，机器人在取放料时，弹性吸持工具的吸盘紧贴着物料，使得吸盘发生形变，该吸盘为现有惯用的负压吸盘，通过吸盘与负压管、负压设备连通，在取料时负压设备工作，吸盘与物料表面产生负压，即可产生吸附力，在放料时，负压设备不工作，吸盘即无吸附力，物料因重力下落，如图2(c)所示。
在本实施例中，所述上料台2结构如图3所示，包括底座21、水平回转机构22和两个装载物料的料仓，所述水平回转机构22由伺服电机和减速机组成，安装在所述底座21的台面上，能进行正负180度的回转运动，水平回转机构22上安装有第一机架23，所述第一机架23左右各安装一个料仓，所述料仓包括料仓底板24以及安装在料仓底板上的定位组件和光电传感器27。
所述定位组件又分为长档杆25和短定位销26，所述短定位销26用于定位物料，所述长档杆25用于固定成堆物料使之不倾倒，所述光电传感器27用于检测料仓中是否存在物料。
在本实施例中，所述料仓底板24上开设两组定位孔用于安装所述定位组件，每组定位孔有五个，分布于物料四边：其中靠近回转中心的边上开设两个定位孔，安装所述短定位销26；该边的一邻边上开设一个定位孔，安装所述短定位销26；另外两边上各开设一个定位孔，安装所述长档杆25。
在本实施例中，由控制器、机器人、上料台、冲压机所组成的控制系统连接图如图4所示，所述的控制器包括计算机、示教器、控制软件和控制总线，控制软件存储于计算机中，本实施例的控制总线采用EtherCAT；控制器通过控制总线连接机器人和上料台，冲压机连接机器人的I/O模块。所述机器人内部集成气源、传感器、I/O端子、电机驱动器等模块，所述气源用于驱动弹性吸持工具取放料；所述I/O模块用于控制气缸、冲压机工作，并接收各传感器信号；I/O端子、电机驱动器均采用EtherCAT控制；所述上料台内部集成传感器、I/O端子、电机驱动器等模块，I/O端子、电机驱动器也是采用EtherCAT控制。
在本实施例中，所述控制软件上使用一种冲压物料堆自动上下料算法，其程序流程图如图5所示，该算法使得控制软件按照如下五个步骤进行运算并控制机器人运动，机器人工作路径如图6所示。
步骤1：向控制器中输入待上料物料数量n、单个物料高度h、物料总高度H，初始取料点S1(XS1，YS1，ZS1)，初始放料点E1(XE1，YE1，ZE1)，并示教出其它轨迹中间点(如初始点，冲压机点，一些必要的避障点等)；
步骤2：根据输入量进行数据预处理：
计算所堆放的物料间距dh，
为避免冲压机器人与物料擦撞，冲压机器人不能直接从初始位置移动到初始取料点S1，而是需要先移动到初始取料点上方一定高度位置St处，再下降到S1；同理，冲压机器人需要先移动到初始放料点上方一定高度位置Et处，再下降到E1。根据所述输入量，可以计算出取料点上方St和放料点上方Et处的位置：
St＝(XS1，YS1，ZS1+Hsf)
Et＝(XE1，YE1，ZE1+Hsf+H-h)
其中，Hsf是tcp与末端执行器最低点之间的高度差加上一段预留的安全高度。Hsf作为系统预设值给出，不需要在使用时输入。
机器人每次取走一个物料后，上料物料堆高度下降dh，每次放置一个物料，下料物料堆高度上升dh。则机器人取料时的高度增量dZS＝-dh；冲压机器人放料时的高度增量dZE＝dh；。
由此可得，机器人在第i次取料时，取料点Si为：
机器人在第i次放料时，放料点Ei为：
步骤3：机器人移动到取料点上方位置St，接着下降至初始取料点S1，吸持第一件物料，然后移至冲压机中放下物料。冲压完成后将物料取出，先移至放料点上方位置Et，然后下降到初始放料点E1处放置物料，完成第一个取料和放料循环。
步骤4：上料台第一件物料取走之后，第二件待取物料位置为S2，下料台放置第一件物料之后，第二件待放物料位置为E2；机器人仍移至取料点上方位置St，接着下降至取料点S2处吸取第二个物料，然后移至冲压机中放下物料，冲压完成后将物料取出；先移动到放料点上方位置Et，再自动下降到放料点E2处放置物料，完成第二个取料和放料循环。
步骤5：机器人依此重复取放料过程共n次，第n次时取料和放料循环完成后，取料工位所有物料全部取出。然后控制器将控制上料台水平旋转切换工位，使满料的料仓移到取料工位上，机器人重复步骤3～5进行取放料工作。
本发明在实际使用中可快速便捷地示教冲压机器人完成成堆物料的取放工作，并且冲压机器人可以不间断地循环进行工作，对生产效率的提高有很大帮助。
本发明不局限于上述具体的实施方式，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种冲压产线机器人自动上下料系统，其特征在于：包括机器人、位于机器人旁侧的上料台、下料台和冲压机，所述上料台包括底座、水平回转机构和至少一个装载物料的料仓，所述水平回转机构安装在所述底座台面上，水平回转机构上安装有第一机架，所述第一机架上设置所述料仓；所述料仓包括料仓底板以及安装在所述料仓底板上的定位组件和传感器，所述定位组件包括用于限位物料的短定位销和长档杆。
2.根据权利要求1所述的冲压产线机器人自动上下料系统，其特征在于：所述机器人的悬臂末端安装有弹性吸持工具，所述弹性吸持工具包括第二机架和设在第二机架上的吸盘；所述第二机架内设有与吸盘连通的负压气管和串连接在负压气管上的启闭控制阀。
3.根据权利要求1所述的冲压产线机器人自动上下料系统，其特征在于：所述料仓底板上开设有两组定位孔用于安装两组定位组件，每组定位孔有五个，分布于物料四边，其中靠近料仓回转中心的边上开设两个定位孔，安装两个所述短定位销；该边的一邻边上开设一个定位孔，安装第三个短定位销，另外两边上各开设一个定位孔，用于安装所述长档杆。
4.根据权利要求2所述的冲压产线机器人自动上下料系统，其特征在于：所述机器人在取放料时，弹性吸持工具的吸盘紧贴着物料，使得吸盘发生形变，水平回转机构由伺服电机和减速机组成，安装在所述底座的台面上，能进行正负180度的回转运动。
5.一种冲压产线机器人自动上下料系统，其特征在于：包括机器人、位于机器人旁侧的上料台、下料台和冲压机，所述机器人、上料台和冲压机与控制器电性连接，所述的控制器包括计算机、示教器、控制软件和控制总线，控制软件存储于计算机中，控制总线采用EtherCAT，控制器通过控制总线连接机器人和上料台，冲压机连接机器人的I/O模块。
6.根据权利要求5所述的冲压产线机器人自动上下料系统，其特征在于：所述机器人内部集成气源、传感器、I/O端子和电机驱动器，所述气源用于驱动弹性吸持工具取放料；所述I/O模块用于控制气缸、冲压机工作，并接收各传感器信号；I/O端子、电机驱动器均采用EtherCAT控制，所述上料台内部集成传感器、I/O端子和电机驱动器，I/O端子、电机驱动器采用EtherCAT控制。
7.一种冲压产线机器人自动上下料系统的控制方法，其特征在于：所述冲压产线机器人自动上下料系统包括机器人、位于机器人旁侧的上料台、下料台和冲压机，所述机器人、上料台和冲压机与控制器电性连接，控制器的控制方法：上料时，机器人每取走一个物料，则下一次抓取时机器人的目标位置将自动下降一个高度，使其能够正好抓住取料堆中最上层的物料；下料时，机器人每放置一个物料，则下一次放置时，机器人的目标位置将自动上升一个高度，使其能够将当前吸持的物料正好叠放在放料堆最上方。
8.根据权利要求7所述冲压产线机器人自动上下料系统的控制方法，其特征在于：所述控制器按照如下步骤实现冲压产线自动上、下料：
步骤1：输入待上料物料数量n、单个物料高度h、物料总高度H，初始取料点S1(XS1，YS1，ZS1)，初始放料点E1(XE1，YE1，ZE1)；
步骤2：计算所堆放的物料间距dh，即在初始取料点S1上方位置确定一点St，在初始放料点E1上方位置确定一点Et，且满足
St＝(XS1，YS1，ZS1+Hsf)
Et＝(XE1，YE1，ZE1+Hsf+H-h)
其中，Hsf为一预设值；
步骤3：机器人移动到取料点上方位置St，接着下降至初始取料点S1，吸持第一件物料，然后移至冲压机中放下物料，冲压完成后将物料取出，先移至放料点上方位置Et，然后下降到初始放料点E1处放置物料，完成第一个取料和放料循环；
步骤4：上料台第一件物料取走之后，第二件待取物料位置为S2，下料台放置第一件物料之后，第二件待放物料位置为E2；机器人仍移至取料点上方位置St，接着下降至取料点S2处吸取第二个物料，然后移至冲压机中放下物料，冲压完成后将物料取出；先移动到放料点上方位置Et，再自动下降到放料点E2处放置物料，完成第二个取料和放料循环；
步骤5：机器人依此重复取放料过程共n次，第n次时取料和放料循环完成后，取料工位所有物料全部取出。
9.根据权利要求8所述冲压产线机器人自动上下料系统的控制方法，其特征在于：
其中，Hsf是tcp与末端执行器最低点之间的高度差加上一段预留的安全高度。Hsf作为系统预设值给出，不需要在使用时输入；
机器人每次取走一个物料后，上料物料堆高度下降dh，每次放置一个物料，下料物料堆高度上升dh，则机器人取料时的高度增量dZS＝-dh；冲压机器人放料时的高度增量dZE＝dh；。
由此可得，机器人在第i次取料时，取料点Si为：
机器人在第i次放料时，放料点Ei为：
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