CN204685863U - 一种应用于自动化生产线的板材定位抓取系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于自动化生产线的板材定位抓取系统，包括料架、机械手、取料手爪、定位装置、数控系统和折弯机。取料手爪包括取料架、若干个激振器、若干个电磁铁和若干个真空吸盘；每个激振器的固有频率均大于金属板材的固有频率。采用上述结构和方法后，真空吸盘与电磁铁交替使用，既满足分层中稳定性，又满足定位和折弯过程中的精准和高效。激振器与金属板材构成一个单自由度系统，当激振器的激励频率与板材的固有频率相等时，实现金属板材的分层。上述数控系统能判断是否存在“多抓”和“漏抓”问题，还能实时“感知”金属板材与手指间的接触情况，使定位装置的定位精度更高，而且不会产生机械干涉和碰撞。

Description

一种应用于自动化生产线的板材定位抓取系统

技术领域

本实用新型涉及一种金属板材加工生产线中的辅助装置，特别是一种应用于自动化生产线的板材定位抓取系统。

背景技术

汽车、电子、五金家电、电器、工程机械等领域需要大量的金属板材成型件，对国民经济诸多领域的发展具有举足轻重的作用。作为工业4.0宏观发展趋势在金属板材加工领域具体的拓展和延伸，近年来市场对金属板材自动化加工生产线的需求量与日俱增。与传统的单机加工模式相比，采用自动化生产线不仅节省劳动力成本，提高了工作效率，更重要的是对生产过程的产品质量，交货周期具有更好的可控性，这对于社会分工日益精细的现代化生产模式而言更为重要。

金属板材自动化加工生产，在国外，尤其是汽车制造领域、五金家电领域早已经取得大规模的应用，技术也成熟。然而在国内，由于种种原因，起步相对较晚，只有少数规模较大的汽车制造企业取得应用，国内在该领域核心技术的缺乏是造成这种差距的主要因素之一。而加工过程中的板料精确定位与抓取技术就是其中的核心技术之一。

在金属板材自动化生产线中，最后一道工序大多数情况下是以折弯成型结束的，而折弯成型前的板料抓取和精确定位对加工精度具有决定性影响。因此，本实用新型主要是应用于自动化生产线中，零件折弯前的精确定位和抓取，另外还可以应用于其他工序之中。

目前生产线中定位抓取的现有技术主要存在以下几方面问题：

1、板材定位精度不高

一般采取的方法有如下几种：

1)如专利申请号为201420133612.3的专利申请，其采用一个独立的定位架，该定位架独立于送料机器人和折弯机，首先机械人将零件放置于定位架，定位后进行二次抓取，后再进行折弯。

上述专利申请，一方面二次抓取过程本身存在误差，另一方面折弯精度还是依赖于机器人的重复定位精度，所以此方法的定位精度通常较差，而且工作效率很低。

2)在机械人上装有机械限位或者感应开关作为定位基准，此方法较方法1)虽然少了一个二次抓取过程，但是其定位精度仍然依赖于机器人的定位精度，精度较差。

3)通过数控折弯机自带的后挡料机构的挡指进行定位，该方法适合手工折弯操作，而当采用机器人进行自动上料时，极易出现机械碰撞，引发安全事故。

上述现有技术的三种方法都没有能解决以下两个技术难点：

1)当板材发生平行度偏差(如板材与折弯模具刃口不平行)时，不能够有效地进行检测并及时纠正，更谈不上精确定位了。

2)有时零件需要进行换面加工时，换面过程会产生较大偏差，而上述任何一种方法都不能对换面产生的偏差进行及时快速的修正。

2、板材黏连引起的误抓现象

金属板料通常采用成摞堆放的方式摆放，板材间容易产生黏连效应粘连在一起，可能导致机械手错误地一次抓取多个板材零件进行加工，导致机器设备损毁和安全事故，这是生产当中必须严格杜绝的。

现有技术通常，如申请号为200420021412.5的专利申请，其采用磁力分层技术，该技术通过几个具有较强磁场磁铁对成摞的板材进行磁化，使得板材表面间产生相互排斥的磁场力，进而达到分层的目的。

然而上述技术存在的最大的问题就是，在磁铁周围存在较强磁场，当现场人员携带手机、电脑、手表、数码相机等电子产品靠近时，通常会损害这些电子仪器，另外还会对人体携带的心脏起搏器等医疗器械产生影响，甚至导致生命危险。另外上述采用该方法不能对抓取过程中的“多抓”和“漏抓”现象进行快速的检测。

3、现有技术仅仅是将板材定位装置、抓取装置、分层装置简单机械地拼凑在一起，缺少一个系统、科学、高效的工作方法，使用效果欠佳。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种应用于自动化生产线的板材定位抓取系统，该应用于自动化生产线的板材定位抓取系统能将金属板材的分层、抓取和定位进行有机整合，分层可靠，不会出现误抓，抓取精度高，且定位精度和效率高。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种应用于自动化生产线的板材定位抓取系统，包括具有摆放区的料架、机械手和与机械手相连接的取料手爪，其特征在于：所述取料手爪包括取料架、设置于取料架边角上的若干个激振器、设置于取料架下表面上的若干个电磁铁和若干个真空吸盘；每个激振器均包括一根能沿取料架上下振动的竖向导杆，每根竖向导杆的底部均设置一个所述真空吸盘；每个激振器的固有频率均大于金属板材的固有频率；所述料架上还设置有抓取区。

每个所述激振器均包括一个设置于竖向导杆顶部且具有两根输出轴的转子、设置于转子外周的定子和分别与转子的两根输出轴相连接的两块偏心质量块；位于取料架两侧的竖向导杆上均套装有一根弹簧。

还包括数控系统，每个激振器均与该数控系统相连接。

还包括至少两个定位装置和定位板材放置区，所有定位装置均相互平行地设置于定位板材放置区的前端侧边上；每个定位装置均包括一个固定设置于定位板材放置区上的压电传感器和设置于压电传感器前端的手指；每个压电传感器均与数控系统相连接。

所述定位板材放置区为折弯机的下模。

本实用新型采用上述结构后，具有如下有益效果：

1.取料手爪上设置有真空吸盘和电磁铁，真空吸盘由于自身存在一定的柔性，且不会使金属板材产生磁化黏连，用于分层过程中对金属板材的抓取；电磁铁由于吸取力大，动作响应迅速，不存在弹性变形，用在定位和折弯过程中对金属板材的抓取。真空吸盘与电磁铁交替配合使用，既满足分层过程中稳定性，又能够满足定位和折弯过程中的精准和高效。

2.取料手爪上设置的激振器与金属板材构成一个单自由度系统，当激振器的激励频率与板材的固有频率相等时，即能实现金属板材的分层，除此之外，上述数控系统还能根据电机的输出扭矩来判断是否存在“多抓”和“漏抓”问题。与现有技术相比，效率更高、可靠性更好，无强磁场干扰，因此安全性也更高。

3.上述定位装置的设置，具有如下几个显著优点：

1)通过压电传感器将金属板材与至少两个手指间的“接触力”实时反馈给数控系统，数控系统再根据反馈的“接触力”信号对金属板材的位置和姿态进行实时调整，整个定位和调整过程为实时的闭环控制，数控系统能够实时“感知”金属板材与手指间的接触情况，因此定位精度更高，而且不会产生机械干涉和碰撞。

2)由于至少两个手指可以分别感知板材与挡指间的“接触力”，因此能够实现对板材的平行度误差进行检测和调整。

3)定位装置作为定位基准，与折弯机的下模固定联接，相对于折弯机的坐标系固定，其定位精度不受机器人自身重复定位精度的影响，因此在生产过程中即便出现地基裂缝(而这些因素在实际上产过程中总是不同程度的存在)、沉降等情况，即便机器人与折弯机间的相互位置发生变化，依然可以保证定位及加工精度。

4)数控系统将前一次定位对金属板材的坐标位置进行记录，并作为下一个工作循环金属板材定位的初定位坐标值，能够更加快速准确地实现金属板材的定位，对生产效率的提高非常明显。

4.本申请，对于自动化加工生产线而言，不仅仅是将各个功能模块机械地、简单地组合，更需要一个系统、科学的工作方法。否则不但不能将各个功能模块的效率最大程度发挥出来，反而会影响产品的精度、甚至引发安全事故。为此本实用新型在对板材摆放、抓取、分层、定位、折弯等功能模块进行合理划分后，提出一个更加系统的、科学的工作方法，采用该方法，可以最大限度地减小加工过程中冗余动作，能够最大程度地发挥出生产线的工作效率，同时还能保证加工精度和安全性。科学的工作方法决定各模块位置及布局，可减小占地面积。

附图说明

图1显示了本实用新型一种应用于自动化生产线的板材定位抓取系统的结构示意图；

图2显示了图1中取料手爪的放大结构示意图；

图3显示了图1中圆圈区域内定位装置的放大结构示意图；

图4显示了激振器的立体结构示意图；

图5显示了激振器的内部剖视结构示意图；

图6显示了单自由度动力学模型示意图；

图7显示了偏心质量块所受周期性激励载荷随时间变化的关系；

图8显示了金属板材随激振器振动的幅度与激励频率之间的变化关系；

图9显示了板料分层时的结构示意图；

图10显示了取料手爪将金属板材放置在料架的抓取区的结构示意图；

图11显示了金属板材平行度调整的结构示意图；

图12显示了金属板材沿X方向定位的示意图；

图13显示了金属板材沿Y方向定位的示意图；

图14显示了折弯过程中金属板材定位的示意图；

图15显示了折弯过程中金属板材送料的示意图；

图16显示了金属板材折弯的示意图；

图17显示了一种应用于自动化生产线的板材定位抓取方法的流程示意图。

其中有：

1.取料手爪；

11.取料架；111.导向块；112.导向块；

12.连接法兰；

13.电磁铁；

14.激振器；141.定子；142.转子；143.偏心质量块；144.竖向导杆；145.弹簧；

2.定位装置；

21.压电传感器；22.手指；23.支架；

3.料架；

31.金属板材；311.X向待定位侧边；312.Y向待定位侧边；32.摆放区；33.抓取区；

4.折弯机；

41.机身；42.滑块；43.上模；44.下模。

具体实施方式

本申请的应用于自动化生产线的板材定位抓取系统和定位抓取方法，优选应用于零件折弯前的精确定位和抓取，当然，也还可以应用于其他工序之中。

下面就零件折弯前的精确定位和抓取作为具体实施例，对本申请作进一步详细的说明。

如图1所示，一种应用于自动化生产线的板材定位抓取系统，包括机械手、料架3、取料手爪1、至少两个定位装置2、折弯机4和数控系统。

上述折弯机4为现有技术，如图1所示，其包括机身41、滑块42、上模43和下模44。其中，下模44位置固定，也即本申请中的定位板材放置区。上模43设置在滑块42上，能够上下滑动。

如图1和图4所示，上述料架3包括摆放区32和抓取区33，摆放区32内整齐叠放有若干片金属板材31。

如图12和图13所示，为后续方法说明的需要，本申请中每片金属板材31均具有一条X向待定位侧边311和一条Y向待定位侧边312。当然，根据折弯过程的需要，金属板材31可以仅有一个X向定位侧边311，也可以仅有一条Y向定位侧边312，还可以有多条定位侧边。

每个上述定位装置2均相互平行地设置于定位板材放置区(也即折弯机4的下模44)的前端侧边上。定位装置2作为定位基准，与折弯机4的下模44固定联接，相对于折弯机4的坐标系固定，其定位精度不受机器人自身重复定位精度的影响，因此在生产过程中即便出现地基裂缝(而这些因素在实际上产过程中总是不同程度的存在)、沉降等情况，即便机器人与折弯机4间的相互位置发生变化，依然可以保证定位及加工精度。

如图3所示，每个定位装置2均包括一个压电传感器21、一个手指22和一个支架23。支架23优选呈三角形，固定设置在下模44的前端侧边上。压电传感器21与数控系统相连接，上述手指22设置在压电传感器21的前端，手指22能与金属板材的待定位侧边相接触并碰撞。

如图2所示，取料手爪1包括取料架11、设置于取料架11边角上的若干个激振器14、设置于取料架11下表面上的若干个电磁铁13和若干个真空吸盘15。

真空吸盘15由于自身存在一定的柔性，且不会使金属板材31产生磁化黏连，用于分层过程中对金属板材31的抓取；电磁铁13由于吸取力大，动作响应迅速，不存在弹性变形，用在定位和折弯过程中对金属板材的抓取。真空吸盘15与电磁铁13交替配合使用，既满足分层过程中稳定性，又能够满足定位和折弯过程中的精准和高效。

所示取料架11的顶部设置有一个与机械手相连接的连接法兰12,。上述激振器14优选为四个。在取料架11的四个边角处分别固定设置有一个带有导向孔112的导向块111，作为替换，也可直接在取料架11的四个边角处各设置一个导向孔即可。

如图4和图5所示，每个激振器14均包括一根能沿取料架11上下振动的竖向导杆144，每根竖向导杆144的底部均设置一个真空吸盘15；每个激振器14的固有频率均大于金属板材31的固有频率。

每个激振器14优选均包括一个设置于竖向导杆144顶部且具有两根输出轴的转子142、设置于转子142外周的定子141和分别与转子142的两根输出轴相连接的两块偏心质量块143，位于取料架11两侧的竖向导杆144上均套装有一根弹簧145。

进一步，每个激振器14均优选与该数控系统相连接。

激振器14带动金属板材31进行板料分层的工作原理分析如下：

激振器14和金属板材31能够简化为如图6所示的单自由度动力学模型。在图6中，m代表模型质量块，其重量也即相当于本申请中激振器14的重量和金属板材31的重量之和。K为弹簧刚度，C代表阻尼，F(t)代表转子142以ω角速度旋转时，偏心质量块143的产生的周期激励载荷，且F(t)呈如图7所示的正弦波形变化，其中：

F(t)＝Asin(ωt)

弹簧刚度K一般较大，而模型质量块m通常较小，因此该系统的固有频率通常较高，要较金属板材31自身的固有频率要高很多。

该激振器14能够通过调整驱动电机(也即定子141和转子142)的转速来调整固有频率，通常情况下，电机进行快速扫频，当激振器14的固有频率与金属板材31的固有频率相同时，金属板材31会产生共振。金属板材31共振时，会产生大幅度的振动，从而有利于实现金属板材31的分层。

在图8中，f(n)代表激振器14的固有频率，U代表激振器14的激励频率低于激振器14的固有频率的工作范围。

当激振器14的固有频率明显高于金属板材31的固有频率时，激振器14能够始终工作于其固有频率之下，即图8中“U”范围内，能够避免激振器14自身动力学特性对激励效果的影响，有利于提供稳定的激励力。

一种应用于自动化生产线的板材定位抓取方法，如图17所示，包括以下步骤：

第一步，抓取前准备：将金属板材31整齐叠放于料架3上的摆放区32内。

第二步，板料分层：机械手将取料手爪1运行至第一步中摆放区32的正上方，并向下移动，使取料手爪1下方的真空吸盘15压在待抓取金属板材31上，真空吸盘15动作、吸取待抓取金属板材31，并向上提升；与此同时，位于取料手爪1边角上的激振器14启动，对待抓取金属板材31进行激励，激振器14的激励频率与金属板材31的固有频率相等，待抓取金属板材31在激振器14的激励下，产生共振，如图9所示，实现与其相黏连的下层金属板材31相分离。

上述板料分层步骤中，激振器14与金属板材31构成一个单自由度系统，通过激振器14产生的激励频率与金属板材31的固有频率相同，而使金属板材31产生共振实现的，一旦机器人错误地一次性吸取多个金属板材31(或者没有吸取到金属板材31)，金属板材31的自振频率就会发生变化，电机的输出扭矩就会产生变化，数控系统将能根据这种变化，即刻判断金属板材31吸取错误，并发出错误报警，避免批量废品是安全事故的发生。也即，上述通过共振激励的方法对既能板料进行有效分层，还能够对板料抓取过程出现的“多抓”或者“漏抓”等问题，进行监控和报警。

第三步，板料抓取：机械手将第二步中与下层金属板材31实现分离的待抓取金属板材31，移动并放置在抓取区33，如图10所示。后真空吸盘15停止工作，电磁铁13通电，将待抓取金属板材31进行抓取。

第四步，板料定位：机械手将第三步中已经抓取的金属板材31的一条待定位侧边，如图12所示的X向待定位侧边311，移送至定位装置2处，并使X向待定位侧边311与其中至少两个定位装置2的手指22相触碰，且X向待定位侧边311与每个手指22的触碰力均在设定的偏差范围内。

在进行板料定位折弯时，板料与模具刃口间的平行度误差时常存在，对加工精度影响很大，因此对这种平行度误差的自动化检测和调整意义重大。

如图11所示，金属板材31的待定位侧边与下模44的刃口间存在平行度误差值，即为图11中的角度a。

当取料手爪1抓取金属板材31进行定位时，金属板材31的待定位侧边仅能与一个定位装置2的手指相触碰，此时只有与待定位侧边相触碰的定位装置2的压电传感器21产生触碰信号，并将触碰信号和检测的触碰力传递给数控系统，数控系统将接收的触碰信号和触碰力与设定的平行度误差进行比较、判定后，将指令机械手对金属板材31的位置和姿态进行实时调整，直至金属板材31的待定位侧边与其中至少两个定位装置2的手指22相触碰，且触碰力均在设定的偏差范围内，平行度误差则调整完毕。

板料定位完成后，数控系统将自动记录已定位完成的坐标位置，并将该坐标位置作为下一块待定位金属板材31的初定位坐标值。从而，能够更加快速准确地实现金属板材的定位，对生产效率的提高非常明显。

第五步，翻转、定位步骤：当已经抓取的金属板材31至少有两个侧边需要定位时，机械手将第四步中完成一条侧边定位的金属板材31，进行翻转，翻转后如图13所示，此时金属板材31的Y向待定位侧边312正对定位装置2，然后，按照第四步的方法再次对Y向待定位侧边312进行定位。根据折弯等需要，如果还存其他需要的定位侧边，再依次对另外需要定位的侧边，按照第四步的方法进行板料定位。

第六步，折弯过程中的板料定位与送料，工作过程如下：

如图14所示，手指22最前端与下模44的刃口中心距离水平方向为d，下模44的刃口在竖直方向为h，其中d和h是经过测量和标定过的，其尺寸偏差被控制在合理的范围内。需要在距离金属板材31距离前端侧边为e值的距离上折一道90°的弯。

金属板材31在机器人的带动下，向上移动距离h，再向右水平移动距离e+d，与此同时折弯机4上的滑块42向下运动，直至上模43上的刃口刚好压在折弯线上，如图15所示。

然后，如图16所示，滑块42继续向下运动，在上模43和下模44的共同作用下，将完成金属板材31的折弯成型。

第七步，成品摆放：机械手将第六步完成折弯成型的金属板材31，也即成品，进行整齐摆放。然后，重复第二步至第七步，完成自动化作业。

对于自动化加工生产线而言，本申请不仅仅是将各个功能模块机械地、简单地组合，更需要一个系统、科学的工作方法。否则不但不能将各个功能模块的效率最大程度发挥出来，反而会影响产品的精度、甚至引发安全事故。

为此本实用新型在对金属板材摆放、抓取、分层、定位、折弯等功能模块进行合理划分后，提出一个更加系统的、科学的工作方法，采用该方法，可以最大限度地减小加工过程中冗余动作，能够最大程度地发挥出生产线的工作效率，同时还能保证加工精度和安全性。科学的工作方法决定各模块位置及布局，可减小占地面积。

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

Claims (5)

1.一种应用于自动化生产线的板材定位抓取系统，包括具有摆放区的料架、机械手和与机械手相连接的取料手爪，其特征在于：所述取料手爪包括取料架、设置于取料架边角上的若干个激振器、设置于取料架下表面上的若干个电磁铁和若干个真空吸盘；每个激振器均包括一根能沿取料架上下振动的竖向导杆，每根竖向导杆的底部均设置一个所述真空吸盘；每个激振器的固有频率均大于金属板材的固有频率；所述料架上还设置有抓取区。

2.根据权利要求1所述的应用于自动化生产线的板材定位抓取系统，其特征在于：每个所述激振器均包括一个设置于竖向导杆顶部且具有两根输出轴的转子、设置于转子外周的定子和分别与转子的两根输出轴相连接的两块偏心质量块；位于取料架两侧的竖向导杆上均套装有一根弹簧。

3.根据权利要求1所述的应用于自动化生产线的板材定位抓取系统，其特征在于：还包括数控系统，每个激振器均与该数控系统相连接。

4.根据权利要求3所述的应用于自动化生产线的板材定位抓取系统，其特征在于：还包括至少两个定位装置和定位板材放置区，所有定位装置均相互平行地设置于定位板材放置区的前端侧边上；每个定位装置均包括一个固定设置于定位板材放置区上的压电传感器和设置于压电传感器前端的手指；每个压电传感器均与数控系统相连接。

5.根据权利要求4所述的应用于自动化生产线的板材定位抓取系统，其特征在于：所述定位板材放置区为折弯机的下模。