一种桁架式机床上下料机器人系统及其控制方法与流程

本发明涉及机床自动加工技术领域，特别是指一种桁架式机床上下料机器人系统及其控制方法。

背景技术：

数控机床是金属零件制造加工行业中广泛应用的关键设备，对加工精度、加工效率有着较高的要求，传统的方式大多采用人工进行零件在数控机床上的安装、拆卸，并完成机床运行，机床操作人员的工作环境差、劳动强度大，且距离机床运动部件距离近具有潜在的安全隐患。随着数字控制与信息技术的发展，采用少人或无人化的一体化设备来完成数控机床的上下料可以实现自动化生产，是金属零件制造加工企业较为理想的方式。工业机器人因其自动化程度高、环保性好、实用性强等显著特点和优势，在机械制造行业中逐步得到越来越广泛的应用，将会成为现代机械加工的主流辅助设备。合理的工业机器人自动化设备使用能够代替操作人员完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，为企业生产降低成本、提高效率。

用于数控机床上下料控制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四到六个自由度，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。桁架式机器人属于直角坐标机器人，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，但系统一般存在对工件摆放、工件形状、加工流程等适应性差等问题。内球笼和外球笼也称等速万向节，是汽车上起到向轮胎传递动力的重要部件，球笼是一种典型的且需求量很大的需数控车床加工制作的零件，对产品加工质量和效率都有较高要求。由于球笼零件的外形一般称上细下粗的钟形，而且粗的一端一般具有需要倒角内孔，很多时候需要两道工序才能完成一个成品的机加工，致使一般的桁架式机器人在进行球笼零件自动上下料时会碰到上料料盘连续定位抓取以及不同加工工序切换时的困难。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种桁架式机床上下料机器人系统及其控制方法，通过简易的四自由度设计和上下料流程控制，在保持桁架式机器人结构简单造价低廉的基础上，能够实现上料料盘自由摆放以及球笼单工序加工与双工序加工的灵活切换，该方法能有效提升数控机床用桁架式上下料机器人的适用范围和整体作业效率。

该系统包括桁架式机器人、上料料盘、下料料盘和数控车床，上料料盘和下料料盘位于两个数控机床之间，桁架式机器人在上料料盘、下料料盘和数控机床之间进行工件传送；桁架式机器人由齿轮齿条、减速机、驱动电机、旋转机构以及气动手爪组成，其中气动手爪有两只，分别为上料手爪和下料手爪，上料手爪用于抓取待加工工件，下料手爪用于取下加工后工件；两台数控机床分别位于桁架式机器人横向轴的左下方和右下方，上料料盘和下料料盘位于两台数控机床之间，上料料盘放置待加工的工件，下料料盘放置加工完成的工件。

其中，桁架式机器人采用四自由度结构，包括行走移动单元、旋转单元、抓取单元、控制单元，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、驱动电机；旋转单元为气动旋转机构，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。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。

上料料盘用于批量放置待加工的球笼工件，上料料盘采用步进式移动方法，采用框架式结构，包括送料带、料盘底托、接近开关、对射传感器、上料电机，送料带位于上料料盘的顶部，采用履带式结构，料盘底托批量固定在送料带上，用于工件的定位，每只料盘底托对应一个上料工位；送料带周边设置用于检测各个送料工位有无工件的接近开关和是否单排抓取结束的对射传感器；上料电机带动料盘底托移动。

上料料盘中共设置六个接近开关，其中五个接近开关并排位于送料工位的正上方，另外一个接近开关安装在送料带下方；对射传感器固定在工件抓取位置的两侧，所有检测元件信号都接入桁架式机器人控制单元。

下料料盘整体采用框架式结构，顶部设置履带式移动送料带，由驱动电机根据加工来料情况将工件输送至成品集中放置区。

数控车床包括主轴箱、卡盘、进给机构、控制系统，其中主轴箱包括主轴、传动机构，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，数控机床控制系统完成卡盘的松紧、主轴启停与定位、切削量控制，并负责与桁架式机器人控制单元交换信号。

控制该桁架式机床上下料机器人系统的方法，包括步骤如下：

s1：待加工的球笼工件由制坯工序传输或操作人员手动批量摆放在上料料盘顶部的送料带料盘底托上；

s2：上料料盘送料带步进式前移，直至在用于工件有无判断的接近开关处检测到待加工工件，将有工件的一排移动到待抓取位置，通知桁架式机器人进行取料操作；

s3：桁架式机器人上料手爪在上料料盘上对待加工工件进行抓取操作，然后调整待加工球笼工件空间姿态，同时移动桁架式机器人横向和纵向机构，将待加工球笼工件传送到数控机床的机床门上方；

s4：等待数控机床上一工件加工完成后的呼叫信号，控制单元发出打开机床门操作，桁架式机器人手爪将待加工球笼工件送入数控机床主轴平行位置，此时，桁架式机器人首先用无工件的手爪将主轴上的已加工完成工件进行下料操作，旋转手爪后将待加工的工件进行上料操作；

s5：桁架式机器人手爪将抓取到的已加工完成工件移出数控车床后，控制单元发出关闭机床门操作并通知数控机床进行切削加工，同时将加工完成工件移送其他数控机床进行下一工序的切削加工或者送至下料料盘进行摆放；

s6：完成一个或两个工序的加工后，桁架式机器人下料手爪抓取成品工件在下料料盘完成摆放，控制单元发出下料料盘运行指令，由驱动电机将成品工件输送至集中放置区，同时桁架式机器人带动上料手爪进行下一只待加工工件的抓取操作。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过简易的四自由度设计和上下料流程控制，能够实现上料料盘的自由摆放以及球笼单工序加工与双工序加工的灵活切换，具体体现在：

(1)为降低制造成本，所述桁架式机器人仅有横向和纵向两个方向移动，因此安装在前端的气动手爪只能在一个垂直面上抓取工件，为保证上料料盘送料带的带料停车位置满足气动手爪的空间抓取条件，在上料料盘送料带底部安装接近开关用于准确停车；

(2)为实现上料料盘在人为或异常情况下出现空位时桁架式机器人的准确判断，避免出现无工件下的空流程而降低效率，特别地在待抓取位置的前一排设置用于工件有无判断的接近开关，以及用于检测待抓取排全部取料完成的对射传感器，桁架式机器人控制单元根据相应状态确定对上料料盘待抓取排上各个位置的抓取或空过动作。

(3)桁架式机器人特别设计的具有水平与垂直旋转和回转功能的旋转单元与双气动手爪设计，使得工件在上料料盘取件和数控机床上下料的空间位置具有多种可变姿态，通过桁架式机器人控制单元对移动单元和旋转单元执行机构的指令变换，能够实现球笼零件的单工序加工与双工序加工的自由切换。

附图说明

图1为本发明实施例的面向两台数控机床的桁架式机床上下料机器人系统结构示意图；

图2为本发明桁架式机床上下料机器人系统的上料料盘结构示意图；

图3为本发明桁架式机床上下料机器人系统的控制系统信号交互示意图；

图4为本发明桁架式机床上下料机器人系统上下料流程示意图。

其中：1-桁架式机器人；2-数控机床；3-上料料盘；4-下料料盘；31-送料带；32-料盘底托；33-接近开关；34-对射传感器；35-上料电机。

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。

本发明提供一种桁架式机床上下料机器人系统及其控制方法。

如图1所示，该系统包括桁架式机器人1、上料料盘3、下料料盘4和数控车床2，上料料盘3和下料料盘4位于两个数控机床2之间，桁架式机器人1在上料料盘3、下料料盘4和数控机床2之间进行工件传送；桁架式机器人1由齿轮齿条、减速机、驱动电机、旋转机构以及气动手爪组成，其中气动手爪有两只，分别为上料手爪和下料手爪；两台数控机床2分别位于桁架式机器人1横向轴的左下方和右下方，上料料盘3和下料料盘4位于两台数控机床2之间，上料料盘3放置待加工的工件，下料料盘4放置加工完成的工件。

如图2所示，上料料盘采用框架式结构，包括送料带31、料盘底托32、接近开关33、对射传感器34、上料电机35，送料带31位于上料料盘3的顶部，采用履带式结构，料盘底托32批量固定在送料带31上，用于工件的定位，每只料盘底托32对应一个上料工位；送料带31周边设置用于检测各个送料工位有无工件的接近开关33和是否单排抓取结束的对射传感器34；上料电机35带动料盘底托32移动，从而带动放置于底托上部的待加工的工件移动。上料料盘3中共设置六个接近开关33，其中五个接近开关33并排位于送料工位的正上方，用于检测对应的上料工位上有无待加工工件，如果该工位检测到没有工件，则桁架式机器人手爪在取料时空过该位置，防止工件的漏抓、空抓，另外一个接近开关33安装在送料带31下方，用于检测一排料盘底托是否运动到待抓取位置，保证送料带在移动时准确停止；对射传感器34固定在工件抓取位置的两侧，检测当前抓取位置的料盘底托上是否全部被取料，当对射传感器34导通，即代表该排已没有待取料的工件，此时上料电机35转动，将下一排料盘底托运送到待抓取排。

图3所示为机床自动上下料桁架式机器人控制系统信号交互示意图，桁架式机器人控制系统需要采集的信号主要包括接近开关信号、对射传感器信号、机床门开关信号等，同时也包括能够实现数控机床与桁架式机器人自动联锁运行的加工完成信号、运行状态信号等。桁架式机器人控制单元的输出主要控制桁架式机器人的x轴与z轴移动单元、手爪的旋转单元、手爪的抓放执行单元以及数控机床的执行单元等，以及上料料盘和下料料盘的逻辑控制。

图4所示为桁架式机器人同时对两台机床进行自动上下料操作的流程图，这里以两台机床加工同一只工件的两道工序为例进行过程描述，具体步骤如下：

步骤1：桁架式机器人手爪到达上料料盘上方，判断上料料盘的待抓取排是否有工件，若有则执行步骤3，否则执行步骤2；

步骤2：上料料盘的上料电机转动，送料带移动一排，执行步骤1；

步骤3：桁架式机器人手爪移动单元动作，到达取料处，通过旋转单元调整抓取角度，抓取单元驱动执行取料动作；

步骤4：桁架式机器人移动单元动作，将抓取工件的手爪运送到数控机床一上方，等待数控机床一加工完成；

步骤5：数控机床一加工完成发出呼叫信号后，数控机床一门打开，桁架式机器人移动单元和旋转单元分别动作，将手爪机构运动到数控机床一的换料处进行换料操作，由下料手爪取下数控机床一已加工完成的工件，再有上料手爪安装待加工的工件；

步骤6：完成数控机床一换料操作后，桁架式机器人移动单元动作，将手爪机构运动到数控机床一上方，机床门关闭，数控机床一自动启动加工；

步骤7：桁架式机器人移动单元动作，将抓取工件的手爪运送到数控机床二上方，等待数控机床二加工完成；；

步骤8：数控机床二加工完成发出呼叫信号后，数控机床二门打开，桁架式机器人移动单元和旋转单元分别动作，将手爪机构运动到数控机床二的换料处进行换料操作，由下料手爪取下数控机床二已加工完成的成品工件，再上料手爪将从数控机床一处取下的工件安装到数控机床二上；

步骤9：完成数控机床二换料操作后，桁架式机器人移动单元动作，将手爪机构运动到数控机床二上方，机床门关闭，数控机床二自动启动加工；

步骤10：桁架式机器人移动单元动作，将携带有成品工件的手爪运动到下料料盘进行下料操作，同时下料电机转动完成成品工件运输，完成一个工作循环。随后继续执行步骤1。

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。