CN113275476B - 一种用于钣金加工的自动取料机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于钣金加工的自动取料机器人系统，包括支撑组件以及安装在支撑组件上的移动组件，移动组件配合连接有吸取组件，移动组件包括横向导轨，横向导轨包括驱动导轨与辅助导轨，驱动导轨与辅助导轨平行设置，驱动导轨与辅助导轨设置于不同水平面上，驱动导轨设置有驱动电机，驱动电机上配合连接有联轴器，联轴器配合连接有导杆，导杆配合连接有滑动块，滑动块设置有凸块，驱动导轨还包括固定块与导向板，固定块设置有凹槽，固定块还设置有U形槽，U形槽与导向板相互配合以起导向支撑作用，在整个系统的配合下，提高了生产效率，具有占地面积小、成本较低，控制和操作简单以及可靠性高优点。

Description

一种用于钣金加工的自动取料机器人系统

技术领域

本发明涉及取料机器人领域，特别是一种用于钣金加工的自动取料机器人系统。

背景技术

钣金加工是机械加工中一种非常普遍的制造方法，己经被广泛利用于汽车、船舶、通讯电子、航空航天等领域，成为社会发展不可或缺的一类行业。尽管在相关行业带动下钣金加工得到了快速的发展，但也面临着诸多问题，如该行业存在很多的低端重复性工作，制造设备精度不足、效率不高，钣金加工生产线自动化程度低，柔性生产线及相关产品少。

与传统生产制造的生产模式不同，柔性制造技术将先进制造技术、自动化控制技术、信息处理技术等融为一体，即将制造、管理、经营等相互结合成一个完整的系统。企业灵活引用柔性制造技术可有效解决当前批量小、种类多的生产需求，并且适应产品更新快速的市场要求。柔性制造技术生产效率高效、智能化程度高，在机械制造领域应用越来越广泛，逐渐成为行业竞争的核心技术。而钣金加工取料机器人作为柔性制造技术重要的组成部分，钣金从毛坯到成品需要多道工序完成，用机器人系统完成整套工序的上下料，根据加工工艺和节拍的不同，可以用一个机器人给一条加工线或多条加工线完成取料过程，在保证了加工质量和效率的同时也节省了成本，同时加工线还能与机器人系统形成关联控制信号，协调工作，完成整套加工工艺。因此，研究一个效率高、成本低、稳定性好的取料机器人系统成为了重中之重。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供了一种用于钣金加工的自动取料机器人系统。

为达到上述目的本发明采用的技术方案为：一种用于钣金加工的自动取料机器人系统，包括支撑组件以及安装在支撑组件上的移动组件；

所述移动组件配合连接有吸取组件，所述移动组件包括横向导轨，所述横向导轨包括驱动导轨与辅助导轨，所述驱动导轨与所述辅助导轨平行设置，所述驱动导轨与所述辅助导轨设置于不同水平面上；所述驱动导轨设置有驱动电机，所述驱动电机上配合连接有联轴器，所述联轴器配合连接有导杆，所述导杆配合连接有滑动块，所述滑动块设置有凸块；

所述驱动导轨还包括固定块与导向板，所述固定块设置有凹槽，所述固定块还设置有U形槽，所述U形槽与所述导向板相互配合以起导向支撑作用；

所述移动组件还包括横梁，所述固定块与所述横梁配合连接，所述横梁上设置有横梁导轨，所述横梁导轨包括滑块与滑轨，所述滑块与所述滑轨配合连接。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述支撑组件包括横架与立架，所述辅助导轨包括导槽，所述导槽上配合连接有辅助滑块，所述辅助滑块与横梁配合连接，所述辅助导轨具有导向与支撑作用，所述驱动导轨及所述辅助导轨均设置于横架上，所述横架底部配合连接有立架，所述立架通过螺栓连接于地面上。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述横梁导轨还包括连接块，所述连接块上设置有配合槽，所述连接块与所述滑块配合连接。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述吸取组件为方形结构，所述吸取组件包括吸盘与固定架，所述吸盘包括固定吸盘与活动吸盘，所述固定吸盘间隔设置于固定架中部，所述固定架设置有旋转轴。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述旋转轴上配合连接有旋转块，所述旋转块上间隔设置有活动吸盘，所述旋转轴用于带动所述旋转块旋转。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述吸盘内设置有缓冲机构，所述吸盘通过电磁阀控制吸盘开闭，所述吸盘内设置有第一传感器，所述第一传感器用于检测吸盘内压力信息与吸盘位置信息。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述连接块配合连接有竖向导轨，所述竖向导轨包括推杆，所述推杆一端与气缸配合连接，所述推杆另一端与吸取组件配合连接。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述推杆与所述吸取组件通过万向机构配合连接，以使所述吸取组件实现万向转动。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，还包括若干个光学追踪机构，所述光学追踪机构设置于横架与立架上，所述光学追踪机构用于追踪仓库内物品位置信息、仓库内障碍物位置信息以及机器人工作位置信息。

进一步地，本发明的一个较佳实施例中，所述驱动导轨与所述横梁导轨上均间隔设置有第二传感器。

本发明公开的一种自动上下料工业机器人系统，通过各导轨间的相互配合工作，机器人系统能够完成多个自由度的移动，使得机器人具有工作距离大的特点；竖向导轨与吸取组件相互配合工作，使得机器人系统能够完成对待加工钣金取料过程；在整个系统的配合工作下，实现了自动化以及无人化，通过自动取料机器人与加工中心结合形成自动加工系统，不但使作业者摆脱繁重及重复的体力劳动，而且还能减少加工的准备和辅助时间，避免了人为的不确定因素而影响加工精度与速度，大大提高了生产效率，同时具有占地面积小、成本较低，控制和操作简单以及可靠性高等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1为机器人系统整体结构示意图；

图2为移动组件结构示意图；

图3为驱动导轨结构示意图；

图4为驱动导轨局部放大示意图；

图5为横梁导轨结构示意图；

图6为竖向导轨结构示意图；

图7为竖向导轨局部放大示意图；

图8为吸取组件结构示意图；

图9为吸盘结构示意图；

附图标记说明如下：1、支撑组件；2、移动组件；3、吸取组件；101、驱动导轨；102、辅助导轨；103、横梁；104、竖向导轨；105、横架；106、立架；201、导槽；202、辅助滑块；301、驱动电机；302、联轴器；303、导杆；304、滑动块；305、固定块；306、凸块；307、凹槽；308、U形槽；501、横梁导轨；502、滑块；503、限位件；601、推杆；602、万向机构；603、万向销；801、吸盘；802、固定架；803、旋转轴；804、旋转块；806、第一传感器。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

本发明提供了一种用于钣金加工的自动取料机器人系统，如图1所示，包括：支撑组件1以及安装在支撑组件1上的移动组件2。

如图1-3所示，所述移动组件2配合连接有吸取组件3，所述移动组件2包括横向导轨，所述横向导轨包括驱动导轨101与辅助导轨102，所述驱动导轨101与所述辅助导轨102平行设置，所述驱动导轨101与所述辅助导轨102设置于不同水平面上；所述驱动导轨101设置有驱动电机301，所述驱动电机301上配合连接有联轴器302，所述联轴器302配合连接有导杆303，所述导杆303配合连接有滑动块304，所述滑动块304设置有凸块306；所述驱动导轨101还包括固定块305与导向板，所述固定块305设置有凹槽307，所述固定块305还设置有U形槽308，所述U形槽308与所述导向板相互配合以起导向支撑作用。固定块上设置有凹槽，滑动块上设置有凸块，能够实现相互配合。

需要说明的是，驱动导轨101作为机器人横向移动的驱动动力，实现的功能为带动机械手沿横向方向移动，导杆303上设置有螺纹结构，同时滑动块304上也设置有螺纹结构。驱动导轨101是由驱动电机301驱动，然后经减速器减速，通过联轴器302带动导杆303旋转，通过导杆303与滑动块304上螺纹结构的相互配合，滑动块304把旋转运动转化直线运动，采用直线导杆进行导向，具有定位精度高的特点，磨损消耗小，适用于高速运行，还能承受不同方向的载荷。

需要说明的是，通过驱动导轨101与辅助导轨102相互配合工作下，使得机器人能够精准稳定的横向移动，在驱动电机301的驱动下，滑动块304沿导杆303滑动，从而带动吸取组件3移动。同时，驱动导轨101两侧设置有限位件，限位件可以是行程开关或者光电传感器，当滑块上的碰撞开关接触到行程开关时，行程开关反馈信号至控制器上，控制机械手停止向前移动，避免了发生碰撞事故，保证了作业时的安全。

如图1-2所示，所述支撑组件1包括横架105与立架106，所述辅助导轨102包括导槽201，所述导槽201上配合连接有辅助滑块202，所述辅助滑块202与横梁103配合连接，所述辅助导轨102具有导向与支撑作用，所述驱动导轨101及所述辅助导轨102均设置于横架105上，所述横架105底部配合连接有立架106，所述立架106通过螺栓连接于地面上。横架105与立架106起支撑固定作用，横向移动的驱动动力位于驱动导轨101上，辅助导轨102上不设置驱动结构，能够节省成本而且还能够提供足够的支撑和导向作用。

如图2、4、5所示，所述移动组件还包括横梁103，所述固定块305与所述横梁103配合连接，所述横梁103上设置有横梁导轨501，所述横梁导轨501包括滑块502与滑轨，所述滑块502与所述滑轨配合连接；所述横梁导轨501还包括连接块，所述连接块上设置有配合槽，所述连接块与所述滑块通过配合槽配合连接。横梁导轨501两侧设置有限位件503，限位件503可以是行程开关或者光电传感器，当滑块上的碰撞开关接触到行程开关时，行程开关反馈信号至控制器上，控制机械手停止向前移动，避免了发生碰撞事故。

需要说明的是，惯量比的选取对机器人系统的发挥是十分重要的，主要突出表现在精度与速度比较高的驱动系统上，机械系统的惯量比对于整个系统的调整和影响是比较大的，如果系统中负载和电机的惯量比在一个比较大的值上，系统将会趋向边缘调整参数，并且抑制震动的能力也会比较弱，这样一来，就会使得整个机器人系统的把控变得很不稳定，系统达到最佳工作状态时系统负载与所使用电机惯量比最好在1到3倍。机器人系统不同，选择惯量匹配的准则也不一样，但是大多数情况下负载与电机惯量比系数是不大于10的。

如图6-7所示，所述连接块配合连接有竖向导轨，所述竖向导轨包括推杆601，所述推杆601一端与气缸配合连接，所述推杆601另一端与吸取组件3配合连接；所述推杆601与所述吸取组件3通过万向机构602配合连接，以使所述吸取组件3实现万向转动。万向机构602上设置有万向销603，推杆601能够带动吸取组件3完成上下方向运动，竖向导轨104依靠滑块与导轨定位，滑块与导轨起到支撑导向的作用。

需要说明的是，吸取组件的上下运动是取料过程中的关键，为了实现快速平稳运行，需要气缸以及推杆的相互配合下进行驱动，整个运动平台在竖直方向依靠轴承导向定位。采用气缸进行驱动，易于控制，推杆与气缸相连接，气缸驱动后能够带动推杆运动，从而带动吸取组件上下运动。推杆通过圆锥滚子轴承来定位，这样一来，就可以承受轴向与径向的载荷，以满足取料机器人所需要满足高刚性与高抗倾覆力矩的要求，同时这种布局有利于结构传动链的缩短以及机器结构设计的简化，成本更低。

需要说明的是，机器人的各个组成结构都是通过运动副连接在一起的，立架与横架连接在一起，横向导轨与横梁连接在一起，横梁与竖向导轨连接在一起，竖向导轨与吸取组件连接在一起。机器人不同运动结构的模态，特别是两个相连的结构，机器人系统各个组成的结构模态频率需要彼此分开，如果各运动模块的模态频率相近，则结构的固有频率相对密集。若两个相连的结构其固有频率相近，容易产生共振，从而影响机械手的在运行的时的精度以及减少使用寿命。因此在设计过程中必须使各个运动部件的模态频率相互分开，而其模态频率相互分开是指一个运动模块或者整体的某个模态频率不能和其他的运动模块所有模态频率重合或者相近。

如图8所示，所述吸取组件3为方形结构，所述吸取组件3包括吸盘801与固定架802，所述吸盘801包括固定吸盘与活动吸盘，所述固定吸盘间隔设置于固定架802中部，所述固定架802设置有旋转轴803；所述旋转轴803上配合连接有旋转块804，所述旋转块804上间隔设置有活动吸盘，所述旋转轴803用于带动所述旋转块804旋转。固定架802设置为方形结构，固定架802的四个边角上设置有旋转轴803，在旋转轴803的带动下，吸盘801能够根据控制器完成相应的旋转角度，并且能够根据钣金的大小形状调整吸盘吸取位置，以最好的吸取位置与角度吸取钣金，高效安全的完成吸取动作。

需要说明的是，机器人工作空间是机器人末端执行器某参考点在基础坐标系中随着机器人各运动轴所能达到的位置的合集，表示了机器人的工作范围，是整个机器人系统在设计时重要依据，在机器人系统具体结构设计前，对所设计的机器人空间进行求解，能够知道机器人所能到达的运动范围是够满足工作需求，能够使用数值法、解析法和几何法对机器人系统工作空间进行求解。

需要说明的是，表征机器人的定位精度是机器人的末端位姿误差，在操作和控制过程中机器人常常涉及微小的变化，能够通过描述机械手位置的齐次变换矩阵的微小变化来表示这些变化。而对于机器人末端运动路径，是通过横向导轨、横梁以及竖向导轨共同的作用下完成的，路径的设定是为了准确的完成取料动作以及为了规避障碍物而设计，针对空间内的障碍物进行主动运动的路径规划，将运动空间抽象为类似能量场所的模拟方式，能够大大降低对路径描述的困难程度。

需要说明的是，常用的机器人取料末端执行器按照挟持原理分为吸附类与夹持类，由于钣金的形状为平面直板型的，不适合用夹持类末端执行器进行取料工作，而吸附式的末端执行器特点就是适应与大平面的物体，为了保证高速运行过程中末端执行器能够十分牢靠的吸住板料，因此采用真空吸盘进行取料。

需要说明的是，由于钣金材料形状规则、厚度较小，因此本发明采用真空吸盘作为钣金材料的吸取装置，真空吸盘吸力足够大，能够实现大载荷钣金的空间移动，具有成本较低的优点。通过电磁阀控制真空吸盘的工作，其中电磁阀控制分为单向电磁阀控制与双向电磁阀控制。当真空吸盘由单向电磁阀控制时，真空吸盘通电后执行吸附动作，断电时真空吸盘松开；当真空吸盘由双向电磁阀控制时，真空吸盘的吸附、松开将通过两个不同的线圈分开控制，因此，为了保证系统安全，本发明采用双向电磁阀控制真空吸盘的吸附与松开动作。

如图9所示，所述吸盘内设置有缓冲机构，所述吸盘通过电磁阀控制吸盘开闭，所述吸盘内设置有第一传感器806，所述第一传感器806用于检测吸盘内压力信息与吸盘位置信息。在吸取的过程中吸盘会与钣金发生震动碰撞，因此吸盘内设置有缓冲机构，提高系统的使用寿命，缓冲机构可以是弹簧。机器人系统在运行的过程中，需要依据信息的及时采集以实现自动控制，信息的采集主要依靠各种检查元件，即各种传感器，传感器把被检查的物理量，如位置移动、压力、温度等转换成与之对应的可被检测、传输和待处理的电信号。

需要说明的是，机器人在取料运动过程中，通过传感器对其工作过程中的各个位置检测并反馈，以确认吸取组件是否到达规定位置，即在规定位置上各配置有开关，吸取组件运动到该位置后，传感器给系统发出反馈信号。吸盘的吸附和松开由电磁阀进行控制，吸盘吸附后传感器反馈信号至可编程控制器。通过可编程控制器控制竖向导轨以及吸盘的工作。工作过程中控制电机的启停，来控制搬运的位置与距离，输送线上的传感器感应到符合加工的钣金材料进入后，传感器反馈信号使机器人进入搬运环节。

取料机器人系统还包括若干个光学追踪机构，所述光学追踪机构设置于横架105与立架106上，所述光学追踪机构用于追踪仓库内物品位置信息、仓库内障碍物位置信息以及机器人工作位置信息；所述驱动导轨与所述横梁导轨上均间隔设置有第二传感器，所述第二传感器用于检测滑块与滑动块位置信息。

需要说明的是，光学追踪系统对钣料进行拍照处理，计算机将图像信息处理后对板件的参数进行判断处理，确认其是否符合使用要求，再将信息传送至控制系统，然后机器人再把合格的板料吸取至加工系统上加工，由于加工中心的板料尺寸较大，视觉检测范围有限，因此需要使用检测系统精度达到标准要求的的高像素相机等元件。另外，在实际的工作过程中，由于板料面积大、质量大引起震动导致视觉误差，需要对相机进行校正处理，因此采用远心镜头检测，检测成像的大小不会因为物距的改变而改变。

需要说明的是，机械手需要精准定位，准确的将板料夹取至规定的位置，在横向导轨、横梁以及竖向导轨上间隔设置有光电传感器，各传感器间实现信号互连，通过传感器进行检测并反馈位置信息，控制系统根据传感器反馈的位置数据，调用源程序中设定的机械手位置信息，对二者进行比较分析，通过数据上分析机械手位置数据，从而获取器精准定位。

以上依据本发明的理想实施例为启示，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种用于钣金加工的自动取料机器人系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

光学追踪机构对钣料进行拍照处理；

计算机将图像信息处理后对钣料的参数进行判断处理，以确认其是否符合使用要求；

将信息传送至控制系统；

若合格，自动取料机器人系统把钣料吸取至加工系统上加工；

还包括如下步骤:

在横向导轨、横梁以及竖向导轨上间隔设置有光电传感器，各光电传感器间实现信号互连；通过光电传感器进行检测并反馈位置信息；控制系统根据光电传感器反馈的位置数据，调用源程序中设定的机械手位置信息，对二者进行比较分析；通过数据上分析机械手位置数据，从而获取精准定位；

所述用于钣金加工的自动取料机器人系统，包括：支撑组件以及安装在支撑组件上的移动组件；

所述移动组件配合连接有吸取组件，所述移动组件包括横向导轨，所述横向导轨包括驱动导轨与辅助导轨，所述驱动导轨与所述辅助导轨平行设置，所述驱动导轨与所述辅助导轨设置于不同水平面上；所述驱动导轨设置有驱动电机，所述驱动电机上配合连接有联轴器，所述联轴器配合连接有导杆，所述导杆配合连接有滑动块，所述滑动块设置有凸块；

所述驱动导轨还包括固定块与导向板，所述固定块设置有凹槽，该凹槽与滑动块上的凸块能够实现相互配合，所述固定块还设置有U形槽，所述U形槽与所述导向板相互配合以起导向支撑作用；

所述移动组件还包括横梁，所述固定块与所述横梁配合连接，所述横梁上设置有横梁导轨，所述横梁导轨包括滑块与滑轨，所述滑块与所述滑轨配合连接；

所述吸取组件为方形结构，所述吸取组件包括吸盘与固定架，所述吸盘包括固定吸盘与活动吸盘，所述固定吸盘间隔设置于固定架中部，所述固定架设置有旋转轴，所述旋转轴上配合连接有旋转块，所述旋转块上间隔设置有活动吸盘，所述旋转轴用于带动所述旋转块旋转；

所述吸盘内设置有缓冲机构，所述吸盘通过电磁阀控制吸盘开闭，所述吸盘内设置有第一传感器，所述第一传感器用于检测吸盘内压力信息与吸盘位置信息，所述吸盘由双向电磁阀控制；

所述支撑组件包括横架与立架，所述辅助导轨包括导槽，所述导槽上配合连接有辅助滑块，所述辅助滑块与横梁配合连接，所述辅助导轨具有导向与支撑作用，所述驱动导轨及所述辅助导轨均设置于横架上，所述横架底部配合连接有立架，所述立架通过螺栓连接于地面上；

还包括若干个光学追踪机构，所述光学追踪机构设置于横架与立架上，所述光学追踪机构用于追踪仓库内物品位置信息、仓库内障碍物位置信息以及机器人工作位置信息；

所述横梁导轨还包括连接块，所述连接块上设置有配合槽，所述连接块与所述滑块通过配合槽配合连接；

所述连接块配合连接有竖向导轨，所述竖向导轨包括推杆，所述推杆一端与气缸配合连接，所述推杆另一端与吸取组件配合连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于钣金加工的自动取料机器人系统的控制方法，其特征在于：所述推杆与所述吸取组件通过万向机构配合连接，以使所述吸取组件实现万向转动。

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