CN113245884B - 一种基于零点定位的快速换装系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于零点定位的快速换装系统及方法，特别是一种用于单件小批量的航天零部件加工工艺方法，采用零点定位技术和自动化模块实现工件快速换装，属于机械加工及自动检测技术领域。本发明通过采用工艺布局、自动化模块设计，提供一种基于零点定位技术的、能够实现线下装夹找正的加工中心快速换装系统，通过采用零点定位模块的基本原理，配合使用搬运机器人，改造机床台面定位及配备自动化气路对接装置，增加离线快换装夹找正平台，采用I/O拓展模块通信连接至总控PLC，在机器人控制系统中进行信号集成和控制，最终实现加工中心的快速换装。

Description

一种基于零点定位的快速换装系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于零点定位的快速换装系统及方法，特别是一种用于单件小批量的航天零部件加工工艺方法，采用零点定位技术和自动化模块实现工件快速换装，属于机械加工及自动检测技术领域。

背景技术

航天器结构产品具有典型的“多品种、小批量”的典型特点，存在加工工序繁杂、工件换装频繁的现象，当前加工状态中，换装过程大多数仍依靠人力进行，手工搬运，并在线进行工件的装夹与找正，导致工装更换慢、设备停机时间长，加工完成后，再通过人力更换零件，导致生产效率较低，成为了制约车间整体生产能力提升的瓶颈，越来越难以适应型号任务快速增长、多型号并行、研制周期短的新形势。

在提升机械加工效率方面，工厂最初始最直接的手段是进行加工参数优化，提高机床加工速度从而提升生产效率。随着工艺参数优化基本定型后，慢慢转向了整个加工过程中增益时长的延长上来，机械加工企业开始逐步进行工装夹具优化设计，目的仍是提升加工效率。数字化工厂、加工岛链等柔性生产概念的产生，一定程度上是以连接机器人手臂与末端执行器的自动快速更换装置技术的不断发展为基础的。工业机器人快速更换工装是加工行业提升效率的重点发展方向。目前机械行业中快换上下料设备一般是应用于新型生产线建设初期，其主要思路是引进新型具备更换平台功能的加工中心，且均为大批量加工产品，不涉及人机交互，不具备旧有设备改造技术，不满足小批量多品种产品加工需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于零点定位的快速换装系统及方法，本发明通过采用工艺布局、自动化模块设计，提供一种基于零点定位技术的、能够实现线下装夹找正的加工中心快速换装系统，通过采用零点定位模块的基本原理，配合使用搬运机器人，改造机床台面定位及配备自动化气路对接装置，增加离线快换装夹找正平台，采用I/O拓展模块通信连接至总控PLC，在机器人控制系统中进行信号集成和控制，最终实现加工中心的快速换装。

本发明的技术解决方案是：一种基于零点定位的快速换装系统，包括机器人、装夹平台、快换托盘和加工中心；机器人、装夹平台、加工中心三者呈三角形固定于同一地面上；

机器人包括机器人本体、底座、末端联轴器和传感器组件；机器人本体通过螺栓固定于底座上，末端联轴器通过螺钉固定于机器人本体的末端中心位置，传感器组件通过胶水粘贴在末端联轴器上，用于检测末端执行器的开闭；

装夹平台包括平台底座、信号控制组件、支撑块和操作按钮；装夹平台底座固定在地面上，支撑块均匀分布固定在装夹平台底座上，并与快换托盘对应，信号控制组件在装夹平台底座内部固定，用于信号集成控制，操作按钮在装夹平台底座外表面上，用于快换操作指令发出；

加工中心包括加工中心本体、正门滑轮组件、侧门滑轮组件、位移传感器组件、门锁信号传感器和零点定位平台；正门滑轮组件与侧门滑轮组件均通过螺栓固定在加工中心本体上，位移传感器组件固定于加工中心本体上，且与正门滑轮组件与侧门滑轮组件始末端位置靠近，零点定位平台通过螺栓固定在加工中心本体的工作台上，门锁信号传感器固定在加工中心本体上，用于开关门状态的确认。

进一步地，所述快换托盘包括T形槽平板、定位拉钉和夹持拉钉；

定位拉钉通过自身螺纹连接在T形槽平板上；

夹持拉钉通过螺钉固定在T形槽平板上。

夹持拉钉的排布尺寸与支撑块位置关系相同，一一对应插入支撑块中，从而将托盘锁定在装夹平台底座上。

进一步地，所述零点定位平台包括气压传感喷嘴、零点定位单元、定位托盘和气路快速连接母口；

零点定位单元通过螺纹连接在定位托盘上；

气压传感喷嘴通过螺纹连接在零点定位单元上，用于气压状态确认；

气路快速连接母口通过螺纹连接在零点定位平台上。

进一步地，还包括自动化气路连接装置；

所述自动化气路连接装置包括防护门、护罩、推齿、导杆气缸、机床连接板和气路快速连接公口；

防护门与护罩通过弹簧连接；

推齿固定在导杆气缸一侧；

机床连接板将气路快速连接公口进行集成固定，并与加工中心本体螺接。

根据所述的一种基于零点定位的快速换装系统的操作方法，包括如下步骤：

S1，快换托盘放置在装夹平台上，将待加工零件安装在托盘A上并固定；

S2，通过装夹平台上的操作按钮进行信号确认，对机器人和自动化气路连接装置发出运动指令；

S3，自动化气路连接装置将气源为0.6Mpa的压缩空气通入，打开零点定位平台；机器人将第一个快换托盘自动搬运至加工中心零点定位平台上，并通过自动化气路连接装置将气源关闭，从而将零件固定在加工中心台面；

S4，机器人退出；

S5，正门滑轮组件与侧门滑轮组件开始工作，将加工中心防护门自动关闭，到位后门锁信号传感器发出信号确认加工中心防护门已关闭，加工中心自动调用程序进行加工；

S6，加工完成后门锁打开，门锁信号传感器发出换装信号，信号控制组件传输运动指令到正门滑轮组件与侧门滑轮组件，将加工中心防护门自动打开，到位后门锁信号传感器发出信号确认加工中心防护门已完全打开；

S7，自动化气路连接装置将气源为0.6Mpa的压缩空气通入，打开零点定位平台；机器人将已加工完成的快换托盘自动搬运至装夹平台，将已装有待加工零件的第二个快换托盘搬运至加工中心零点定位平台上，并通过自动化气路连接装置将气源关闭，从而将零件固定在加工中心台面；

S8，机器人退出，正门滑轮组件与侧门滑轮组件开始工作，将加工中心防护门自动关闭，到位后门锁信号传感器发出信号确认加工中心防护门已关闭，加工中心自动调用程序进行加工，至此实现了加工中心的快速换装。

进一步地，S1中，在待加工零件的安装过程中进行待加工零件的基准找正。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)将零点定位单元技术应用于多品种小批量的加工中心设备，解决了航天器结构件特殊特点下的需求，从而通过基于零点定位的快速换装系统，大大降低零件装调时间，缩短产品研制周期，降低成本。

(2)本发明是在旧有加工中心设备上进行自动化集成改造，既不影响加工中心加工精度，又实现了加工中心防护门的自动开闭，达到了快速换装全流程的目的。

(3)本发明中提出的线下装夹平台实现了离线装夹、指令控制的集成功能，并配合采用各类传感器，保证了工艺流程的可靠性、稳定性和安全性，取得了良好的应用效果。

附图说明

图1为本发明快速换装系统的结构组成原理图；

图2为本发明快速换装系统中快换托盘的组成原理图；

图3为本发明快速换装系统中零点定位平台的组成原理图；

图4为本发明快速换装系统中自动化气路连接装置的组成原理图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种基于零点定位的快速换装系统做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～4所示)：机器人、装夹平台、快换托盘1、加工中心、自动化气路连接装置2；

在本申请实施例提供的技术方案中，机器人、装夹平台、加工中心三者呈三角形固定于同一地面上；

在本申请实施例提供的技术方案中，一种可能实现的方式，机器人包括机器人本体3、底座4、末端联轴器5、传感器组件6，装夹平台包括平台底座7、信号控制组件8、支撑块9、操作按钮10，加工中心包括加工中心本体11、正门滑轮组件12、侧门滑轮组件13、位移传感器组件14、门锁信号传感器15、零点定位平台16；机器人本体3通过螺栓固定于底座4上，末端联轴器5通过螺钉固定于机器人本体3的末端中心位置，传感器组件6通过胶水粘贴在末端联轴器5上，用于检测末端执行器的开闭；装夹平台底座7固定在地面上，支撑块9均匀分布固定在装夹平台底座7上，并与快换托盘1对应，信号控制组件8在装夹平台底座7内部固定，用于信号集成控制，操作按钮10在装夹平台底座7外表面上，用于快换操作指令发出；正门滑轮组件12与侧门滑轮组件13均通过螺栓固定在加工中心本体11上，位移传感器组件14固定于加工中心本体11上，且与正门滑轮组件12与侧门滑轮组件13始末端位置靠近，零点定位平台16通过螺栓固定在加工中心本体11的工作台上，门锁信号传感器15固定在加工中心本体11上，用于开关门状态的确认。

进一步，在一种可能实现的方式中，所述的快换托盘1包括T形槽平板17、定位拉钉18、夹持拉钉19，定位拉钉18通过自身螺纹连接在T形槽平板17上，夹持拉钉19通过螺钉固定在T形槽平板17上。

在一种可能实现的方式中，所述的零点定位平台16包括气压传感喷嘴20、零点定位单元21、定位托盘22、气路快速连接母口23，零点定位单元21通过螺纹连接在定位托盘22上，气压传感喷嘴20通过螺纹连接在零点定位单元21上，用于气压状态确认，气路快速连接母口23通过螺纹连接在零点定位平台16上。

进一步，在一种可能实现的方式中，所述的自动化气路连接装置2包括防护门24、护罩25、推齿26、导杆气缸27、机床连接板28、气路快速连接公口29，防护门24与护罩25通过弹簧连接，推齿26固定在导杆气缸27一侧，机床连接板28将气路快速连接公口29进行集成固定，并与加工中心本体11螺接。

基于与图1相同的发明构思，本发明还提供一种基于零点定位的快速换装系统的操作方法，步骤如下：

(1)快换托盘1放置在装夹平台上，将待加工零件安装在托盘A17上并固定，安装过程中可进行待加工零件的基准找正；

(2)通过装夹平台上的操作按钮10进行信号确认，对机器人和自动化气路连接装置2发出运动指令；

(3)自动化气路连接装置2将气源为0.6Mpa的压缩空气通入，打开零点定位平台；机器人将第一个快换托盘1自动搬运至加工中心零点定位平台16上，并通过自动化气路连接装置2将气源关闭，从而将零件固定在加工中心台面；

(3)机器人退出；

(4)正门滑轮组件12与侧门滑轮组件13开始工作，将加工中心防护门自动关闭，到位后门锁信号传感器15发出信号确认加工中心防护门已关闭，加工中心自动调用程序进行加工；

(5)加工完成后门锁打开，门锁信号传感器15发出换装信号，信号控制组件8传输运动指令到正门滑轮组件12与侧门滑轮组件13，将加工中心防护门自动打开，到位后门锁信号传感器15发出信号确认加工中心防护门已完全打开；

(6)自动化气路连接装置2将气源为0.6Mpa的压缩空气通入，打开零点定位平台；机器人将已加工完成的快换托盘1自动搬运至装夹平台，将已装有待加工零件的第二个快换托盘1搬运至加工中心零点定位平台16上，并通过自动化气路连接装置2将气源关闭，从而将零件固定在加工中心台面；

(7)机器人退出，正门滑轮组件12与侧门滑轮组件13开始工作，将加工中心防护门自动关闭，到位后门锁信号传感器15发出信号确认加工中心防护门已关闭，加工中心自动调用程序进行加工，至此实现了加工中心的快速换装。

本专利是通过建设一套基于零点定位的快速换装系统，实现基于快换工装和机器人的数控机床自动上下料及零件线下快速找正功能，并主要针对旧有设备进行自动化改造集成，不影响原有车间布局，并通过线下快换装夹平台和通用托盘设计，提高单件、小批量产品的系统适应性，从而减少了航天结构件上下料、工装卡具安装和线上找正对机床的占用时间，提升机床利用率，提升数控加工的智能化水平，缩短数控加工周期、降低生产成本，提升机械加工效率和加工质量。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种基于零点定位的快速换装系统，其特征在于：包括机器人、装夹平台、快换托盘(1)和加工中心；机器人、装夹平台、加工中心三者呈三角形固定于同一地面上；

机器人包括机器人本体(3)、底座(4)、末端联轴器(5)和传感器组件(6)；机器人本体(3)通过螺栓固定于底座(4)上，末端联轴器(5)通过螺钉固定于机器人本体(3)的末端中心位置，传感器组件(6)通过胶水粘贴在末端联轴器(5)上，用于检测末端执行器的开闭；

装夹平台包括平台底座(7)、信号控制组件(8)、支撑块(9)和操作按钮(10)；装夹平台底座(7)固定在地面上，支撑块(9)均匀分布固定在装夹平台底座(7)上，并与快换托盘(1)对应，信号控制组件(8)在装夹平台底座(7)内部固定，用于信号集成控制，操作按钮(10)在装夹平台底座(7)外表面上，用于快换操作指令发出；

加工中心包括加工中心本体(11)、正门滑轮组件(12)、侧门滑轮组件(13)、位移传感器组件(14)、门锁信号传感器(15)和零点定位平台(16)；正门滑轮组件(12)与侧门滑轮组件(13)均通过螺栓固定在加工中心本体(11)上，位移传感器组件(14)固定于加工中心本体(11)上，且与正门滑轮组件(12)与侧门滑轮组件(13)始末端位置靠近，零点定位平台(16)通过螺栓固定在加工中心本体(11)的工作台上，门锁信号传感器(15)固定在加工中心本体(11)上，用于开关门状态的确认；

还包括自动化气路连接装置(2)；

所述自动化气路连接装置(2)包括防护门(24)、护罩(25)、推齿(26)、导杆气缸(27)、机床连接板(28)和气路快速连接公口(29)；

防护门(24)与护罩(25)通过弹簧连接；

推齿(26)固定在导杆气缸(27)一侧；

机床连接板(28)将气路快速连接公口(29)进行集成固定，并与加工中心本体(11)螺接；

所述零点定位平台(16)包括气压传感喷嘴(20)、零点定位单元(21)、定位托盘(22)和气路快速连接母口(23)；

零点定位单元(21)通过螺纹连接在定位托盘(22)上；

气压传感喷嘴(20)通过螺纹连接在零点定位单元(21)上，用于气压状态确认；

气路快速连接母口(23)通过螺纹连接在零点定位平台(16)上。

2.根据权利要求1所述的一种基于零点定位的快速换装系统，其特征在于：所述快换托盘(1)包括T形槽平板(17)、定位拉钉(18)和夹持拉钉(19)；

定位拉钉(18)通过自身螺纹连接在T形槽平板(17)上；

夹持拉钉(19)通过螺钉固定在T形槽平板(17)上；

夹持拉钉(19)的排布尺寸与支撑块(9)位置关系相同，一一对应插入支撑块(9)中，从而将托盘锁定在装夹平台底座(7)上。

3.根据权利要求2所述的一种基于零点定位的快速换装系统的操作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，快换托盘(1)放置在装夹平台上，将待加工零件安装在T形槽平板(17)上并固定；

S2，通过装夹平台上的操作按钮(10)进行信号确认，对机器人和自动化气路连接装置(2)发出运动指令；

S3，自动化气路连接装置(2)将气源为0.6Mpa的压缩空气通入，打开零点定位平台；机器人将第一个快换托盘(1)自动搬运至加工中心零点定位平台(16)上，并通过自动化气路连接装置(2)将气源关闭，从而将零件固定在加工中心台面；

S4，机器人退出；

S5，正门滑轮组件(12)与侧门滑轮组件(13)开始工作，将加工中心防护门自动关闭，到位后门锁信号传感器(15)发出信号确认加工中心防护门已关闭，加工中心自动调用程序进行加工；

S6，加工完成后门锁打开，门锁信号传感器(15)发出换装信号，信号控制组件(8)传输运动指令到正门滑轮组件(12)与侧门滑轮组件(13)，将加工中心防护门自动打开，到位后门锁信号传感器(15)发出信号确认加工中心防护门已完全打开；

S7，自动化气路连接装置(2)将气源为0.6Mpa的压缩空气通入，打开零点定位平台；机器人将已加工完成的快换托盘(1)自动搬运至装夹平台，将已装有待加工零件的第二个快换托盘(1)搬运至加工中心零点定位平台(16)上，并通过自动化气路连接装置(2)将气源关闭，从而将零件固定在加工中心台面；

S8，机器人退出，正门滑轮组件(12)与侧门滑轮组件(13)开始工作，将加工中心防护门自动关闭，到位后门锁信号传感器(15)发出信号确认加工中心防护门已关闭，加工中心自动调用程序进行加工，至此实现了加工中心的快速换装。

4.根据权利要求3所述的操作方法，其特征在于：S1中，在待加工零件的安装过程中进行待加工零件的基准找正。

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