一种智能生产线柔性上料机的制作方法

本发明涉及智能制造领域，尤其涉及一种智能生产线柔性上料机。

背景技术：

柔性上料机在自动化生产线上有广泛的应用，一般的散料柔性上料机功能要求如下：

(1)接受从上一个传送带送来的零件，零件的间距、位置、方向都是随机的，所以需要识别和翻转；

(2)为后续的执行末端提供料件，一般是将零件送到下一个环节的机械臂，所以要求在安装位置上能够匹配，并且在上方留有一定空间供机械臂运动；

(3)要有一定的零件储存能力，以应对有各种不同型号零件的情况，这时下一个环节的机械臂会在柔性上料机储存的零件中挑选当前生产所需要的零件。

柔性上料机下游的机械臂可以从柔性上料机上方吸取或夹取任意位置任意方向的零件，并进行自由的平移和绕竖直轴旋转操作。但受吸取或夹取装置本身灵活性的限制，机械臂无法像人手一样翻转零件。柔性上料机可以对机械臂这一缺少的功能进行补充，协助机械臂完成散料上料的零件翻转操作。

针对零件的翻转操作，目前市场上常见的解决方案是振动型上料机，如美国adepttechnology公司的anyfeeder(料斗型)和flexibowl(转盘型)。振动上料机的特点是速度快、结构简单。其工作方式是将零件引至平台上，然后用电机或者电磁铁驱动平台振动，通过精心设计的不同模式的振动使平台上的零件移动和翻转。

但振动型上料机投影面积大，安装在生产线上很占空间，而且其在工作过程中会产生较大的振动，这对生产线的精密装配、相机成像都会造成影响，还会产生很大的噪声。另外，振动型上料机吞吐量太大，没有与下一个环节吞吐量小的机械臂进行很好的匹配。

技术实现要素：

本发明提供了一种智能生产线柔性上料机，通过喷气将位于其上的零件逐个进行翻转，其结构设计合理、工作稳定，与智能生产线上其他环节配合良好。

具体技术方案：

一种智能生产线柔性上料机，包括基座及安装在基座上的传动系统、喷气系统、感知系统和控制系统，所述传动系统、喷气系统和感知系统接入并受控于控制系统；

所述传动系统包括均匀开设有喷气通孔的柔性传送带，用于承载和传送零件；

所述感知系统位于柔性传送带上方，识别柔性传送带上的各零件的类型和姿态；

所述喷气系统具有喷气嘴，所述喷气嘴位于柔性传送带下方并可移动位置，用于向选定喷气通孔喷气；

控制系统根据零件的姿态选定需要翻转的零件，控制喷气系统将喷气嘴移动到选定零件下方的选定喷气通孔进行喷气，使选定零件翻转。

本发明的智能生产线柔性上料机与上游的给料装置和下游的机械臂配合使用。给料装置将零件传输到智能生产线柔性上料机的柔性传送带上，柔性传送带上方的感知系统识别各零件的类型和姿态(零件姿态包括零件的位置和方向)，并传输给控制系统，控制系统根据各零件的类型和姿态选定需要翻转的零件，控制喷气系统的喷嘴，使其移动到需要翻转的零件下方，向喷气通孔喷气，使选定零件在喷气作用下实现翻转。与通过振动的方式使零件实现翻转的上料机相比，本发明的上料机运行更稳定。

所述的柔性传送带上方围绕有挡板，所述挡板用于将零件限定在柔性传送带上。

优选的，所述柔性传送带采用步进电机驱动。

所述感知系统包括：

支架，固定在基座上；

相机，固定在支架上，采集柔性传送带上的各零件的图像；

光源，固定在支架上，为相机提供照明；

处理模块，接收并处理零件的图像，识别零件的类型和姿态，并将识别结果传输给控制系统。

通过支架将相机和光源固定在柔性传送带上方，支架可还减小传送带振动对相机的影响。处理装置运用机器视觉算法，通过柔性传送带上的各零件的图像识别出各零件的类型和姿态，传输给控制系统。

所述喷气系统包括：

压缩气源；

导气管，连通压缩气源与喷气嘴；

电磁阀，设置在导气管上，用于控制喷气嘴的开与关；

喷气嘴，设置在移动机构上，位于柔性传送带下方，用于向喷气通孔喷气；

移动机构，受控于控制系统，改变喷气嘴在柔性传送带下方的位置。

进一步的，所述移动机构包括：

x轴滑杆，固定在基座上；

滑块，滑动安装在x轴滑杆上；

x轴电机，驱动滑块沿x轴滑杆滑动；

y轴滑杆，滑动安装在滑动上；

y轴电机，驱动y轴滑杆相对滑块沿y轴轴向滑动；

x轴滑杆与y轴滑杆在水平投影上相互交叉。

优选的，x轴滑杆与y轴滑杆在水平投影上相互垂直。

优选的，x轴电机和y轴电机为步进电机。

在移动机构作用下，喷气嘴具有x轴和y轴两个方向的自由度，喷气嘴可顺利移动到每个喷气通孔的下方。

控制系统根据柔性传送带上各零件的类型和姿态，选定需要翻转的零件，根据该零件的位置控制移动机构将喷气嘴移动到该零件下方，当喷气嘴对准该零件下方的喷气通孔后，电磁阀开启，压缩空气顺利喷出，该零件在喷气作用下实现翻转。

为了保证获得较好的推动效果，优选的，所述喷气嘴的喷气方向与柔性传送带表面的夹角为30°～60°；最优选的为45°。

所述控制系统包括主控制器、通信装置、电机驱动以及其他的电气连接部件。主控制器可以是嵌入式微处理器(mcu)、可编程逻辑控制器(plc)等。主控制器接收生产线分配的生产任务和感知系统对零件的识别结果，根据识别结果选定需要翻转的零件，并选定喷气位置。

控制系统选定需要翻转的零件的策略为：

(1)优先翻转装配中即将要用到的零件；

(2)优先翻转周围无障碍物的零件。

控制系统根据生产线分配的生产任务，对装配即将要用到的零件进行优先翻转，以便于整个生产线装配任务的顺利完成；对于装配中即将要用到的零件，优先翻转周围无障碍物的零件，防止翻转零件后造成零件的堆叠。

控制系统选择选定喷气通孔的策略为：

(1)选择选定零件的无障碍物一侧边缘为支点；

(2)在选定零件的水平投影所覆盖的所有喷气通孔中，选取动力臂与阻力臂的比值最大的喷气通孔作为选定喷气通孔。

所述的选定零件为即将要翻转的零件，所述的选定喷气通孔为喷气嘴即将要对准的喷气通孔。

所述的动力臂为选定喷气通孔与支点间的距离，所述阻力臂为选定零件的重心与支点间的距离。

控制系统与上游进料装置和下游机械臂之间进行信息互通，当柔性上料机上零件太少时，控制系统请求上游进料装置送来更多的零件，反之，则请求上游进料装置停止送料；当柔性上料机完成了对零件的翻转后，控制系统通知下游机械臂在指定位置取走零件。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明将机器视觉与数控机械装置结合运用于流水线柔性上料机，能够自动感知与识别生产所需的特定零件的位置，能适应不同零件，位置感知与控制更精确，针对性更强，更有利于后续机械臂抓取零件；

(2)本发明采用喷气方式来矫正传送带上目标零件的姿态，与传统振盘式上料机相比，噪音更小，消除了振动，对高精度装配生产线造成的干扰更小；

(3)本发明采用的操作方式针对性强，上料机对于所需的某一个特定零件进行细致的操作，使其能按所需的方式运动，尽可能降低能耗，体现了精益化生产的特点；

(4)本发明感知系统有三个用途：判断零件是否需要翻转、确定喷气的最佳位置、提供零件的位置信息供下一个环节的机械臂抓取，实现了设备和运算资源的重复利用；

(5)本发明在设计上兼顾前后，根据生产线的实际需求，优先翻转装配中即将要用到的零件。其自身有调度算法，同时也能提供接口与整个生产线的综合调度算法对接，方便了系统的部署。

本发明结构功能设计合理，有先进而可靠的技术作为支撑，解决了智能生产线上的实际问题，满足了生产的需要。

附图说明

图1为智能生产线柔性上料机的结构示意图；

图2为智能生产线柔性上料机的俯视结构示意图；

图3为喷气系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明的智能生产线柔性上料机的一种实施方式如图1和图2所示，具有矩形铝合金框架组成的底座1，底座1固定在柔性上料机工作的生产线上。底座1两端分别安装无动力滚筒2和有动力滚筒3，无动力滚筒2和有动力滚筒3上张紧有传送带4。两滚筒直径相等，滚筒的直径决定了传送带4内部上表面和内部下表面的距离，所以其直径的选取要使得喷气嘴能够顺利放入传送带内部。其中有动力滚筒3上的齿轮通过皮带连接到步进电机(型号57cm23，对应驱动为m542c)。无动力滚筒2的位置可以微调，以便于张紧传送带4。

传送带4厚度为2mm，传送带4均匀开设有喷气通孔，喷气通孔为圆形，成正方形等间距分布。喷气通孔直径为8mm，圆心间距为18mm，适合于翻转特征尺寸为50mm左右的零件。

定义与传送带4运动方向一致的水平方向为x轴，与x轴垂直的水平方向为y轴。传送带4两侧分别安装有x轴向挡板6，绕过滚筒固定在底座1上；传送带4两端分别安装有y轴向挡板7，y轴向挡板7固定在x轴向挡板6上，位置可以微调。

如图3所示，底座上沿x轴方向布置有x轴滑杆8，x轴滑杆8上滑动安装有滑块9，滑块9在x轴步进电机(型号17hs1352，对应驱动为a4988)的驱动下可在x轴滑杆8上自由滑动。滑块9上安装有沿y轴方向布置的y轴滑杆10，y轴滑杆10在y轴步进电机(型号17hs1352，对应驱动为a4988)的驱动下可相对滑块9沿y轴方向滑动。x轴滑杆8和y轴滑杆10以corexy传动方式耦合。y轴滑杆10的一端安装有喷气嘴11，喷气嘴11位于传送带4下方，在x轴滑杆8和y轴滑杆10两个方向的运动叠加作用下，可将喷气嘴11定位到传送带下方的任意位置。

喷气嘴11通过导气阀与压缩气源连接，在导气阀上安装有电磁阀控制喷气嘴11的开与关。喷气嘴11的喷出口直径为5mm，喷出口贴在传送带4下表面，当喷气嘴11的喷出口对准传送带4上的一个喷气通孔时，即允许电磁阀开启，使压缩空气顺利喷出。喷气嘴11的喷气方向与传送带4表面的夹角为45°，以获得较好的推动效果。

本实施方式中的压缩气源是工业上常用的空气压缩机，提供的输出气压可调，典型值为4千克每平方厘米。控制阀为airtac两位三通电磁阀。

感知系统由工业相机13、支架12、光源、图像传输与处理装置组成。工业相机13通过支架12安装在传送带4正上方一定高度处，视野范围覆盖整个传送带上表面，支架12固定在底座1上。光源为相机13成像提供良好的照明。图像传输与处理装置接收相机13采集到的图像，运行机器视觉算法，识别出传送带4上各零件的类型、姿态(姿态包括位置和方向)，它可以是通用pc，也可以是高性能的嵌入式微处理器或专门的图像处理系统。

本实施方式中采用mindvision300万像素usb工业相机，配8mm镜头。支架由两根铝柱(水平，竖直)和中间紧固件组成。图像传输与处理任务由通用pc完成，同时该pc也承担了主控制器的一部分决策任务。

通信控制系统包括主控制器、通信装置、电机驱动以及其他的电气连接部件。主控制器可以是嵌入式微处理器(mcu)、可编程逻辑控制器(plc)等，它接收生产线分配的生产任务和图像传输与处理装置的识别结果，确定当前需要翻转的零件以及喷气的最佳位置，规划并控制xy轴的运动和电磁阀的开启。

其中，确定当前需要翻转的零件的策略是：第一，优先翻转装配中即将要用到的零件；第二，优先翻转周围障碍物少的零件。确定喷气的最佳位置的策略是：选择需要翻转的零件的无障碍物一侧边缘为支点，在零件的水平投影所覆盖的所有传送带的喷气通孔中，选取动力臂(喷气通孔与翻转的支点距离)与阻力臂(零件重心与翻转支点的距离)比值最大的喷气通孔。

通信装置连接柔性上料机与生产线上其他环节，主要包括柔性上料机的上一个环节进料传送带，和柔性上料机的下一个环节机械臂。当柔性上料机上零件太少时，通信装置请求进料传送带送来更多的零件；当柔性上料机接收进料传送带送来的零件时，主控制器控制传送带的驱动电机，使柔性上料机上表面零件较少的区域对准进料传送带的出口，以保证柔性上料机上表面零件分布相对均匀。当柔性上料机完成了对零件的翻转，通信装置通知机械臂在指定位置取走零件。

本实施方式中的主控制器为单片机atmega328p，它与通用pc通过usb串口进行通信。另外，为了驱动电磁阀，使用了一个带光耦隔离的继电器。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。