CN107627140A - 一种数控机床的上下料方法和上下料机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床的上下料方法和上下料机械手，该上下料机械手包括：腰座，作为回转基座；垂直手臂，用于在垂直方向上升降运动，包括垂直液压缸和至少一个垂直导杆；水平手臂，支撑在所述垂直手臂的顶端，用于在水平方向升降运动，包括水平液压缸和至少一个水平导杆；以及执行手爪，包括手爪连接梁和安装在手爪连接梁上的末端执行器，其中，手爪连接梁在所述水平手臂的横向上延伸。根据本发明的机械手，通过垂直手臂的升降运动、具有伺服定位能力的水平手臂的伸缩运动、以及腰座的回转运动，仅使用三个自由度即可实现与数控机床相配合，实现加工过程中上下料的自动化、无人化，避免了直接引进通用机械手造成的资源浪费问题。

Description

一种数控机床的上下料方法和上下料机械手

技术领域

本发明涉及一种数控机床的上下料方法和上下料机械手，用于为生产线上的数控机床装卸工件。

背景技术

机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置。目前，机械手已发展成为柔性制造***FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分，适应于中、小批量生产，具有占地小，结构紧凑，适应性强的特点。

上下料机械手与数控车床(数控铣床，加工中心等)组合形成生产线，能够实现加工过程(上料、加工、下料)的自动化、无人化。

在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。少数工厂直接购买通用性机械手(关节式)作为上下料机械手，由于通用机械手能适用的范围比较广，柔性和灵活性都较大，功能较强，因此成本很高。

作为上下料机械手在很多场合下，通用机械手是“大材小用”，很多功能和高精度都浪费了，形成经济损失，这种现状急需改变。

因此有必要提供一种上下料方法，能够恰好满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力，降低设备购置成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数控机床的上下料方法，以减少数控机床以及加工中心装卸工件所需的运动自由度。

本发明的目的在于提供一种上下料机械手，以满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求。

为此，本发明一方面提供了一种数控机床的上下料方法，包括以下步骤：在数控机床和生产线之间设置上下料机械手，其中，所述上下料机械手执行的动作包括腰座的回转、垂直手臂的升降、水平手臂的伺服伸缩、以及执行手爪的抓取/释放；所述数控机床在完成加工后向所述上下料机械手发送装料、卸料、卸料后再装料的命令；以及所述上下料机械手根据所述命令自原点位置执行动作，将卡盘中的工件拆下搬运至指定位置处和/或将生产线上的工件装入所述数控机床的卡盘，其中，工件在安装或拆下时，所述水平手臂整体偏转至与所述数控机床的卡盘的中心轴线相平行的位置，通过所述水平手臂的伸缩使工件***所述卡盘或者脱离所述卡盘。

根据本发明的另一方面，提供了一种上下料机械手，包括：腰座，作为上下料机械手的回转基座；垂直手臂，用于在垂直方向上升降运动，包括垂直液压缸和与所述垂直液压缸平行设置的至少一个垂直导杆；水平手臂，支撑在所述垂直手臂的顶端，用于在水平方向升降运动，包括水平液压缸和与所述水平液压缸平行设置的至少一个水平导杆；以及执行手爪，包括手爪连接梁和安装在手爪连接梁上的末端执行器，其中，所述手爪连接梁安装在所述水平手臂的末端，在所述水平手臂的横向上延伸。

根据本发明的上下料方法，通过三个自由度：垂直手臂的升降运动、具有伺服定位能力的水平手臂的伸缩运动、以及腰座的回转运动，实现与数控机床相配合，实现加工过程中上下料的自动化、无人化，避免了直接引进通用机械手造成的资源浪费问题。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明的数控机床的上下料方法中上下料机械手的布局示意图；

图2是根据本发明的上下料机械手的结构示意图；

图3是根据本发明的上下料机械手的腰座的结构示意图；

图4是根据本发明的上下料机械手的垂直手臂的结构示意图；

图5是根据本发明的上下料机械手的水平手臂的结构示意图；

图6是根据本发明的上下料机械手的执行手爪的结构示意图；

图7是根据本发明的上下料机械手的手爪的结构示意图；

图8是根据本发明的上下料方法中电液伺服控制水平液压缸的原理框图；以及

图9是根据本发明的上下料机械手的上下料流程图。

具体实施方式

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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1和图9示出了根据本发明的一些实施例。

本发明设计的上下料机械手要求搬运的加工工件的质量达30Kg，长度达500mm。

本发明设计的上下料机械手的特点是：结构比较简单、手臂运动范围大，且具有较高的定位准确度。

图2是根据本发明的上下料机械手的示意图。如图2所示，上下料机械手包括腰座21、垂直手臂、水平手臂、以及执行手爪26。垂直手臂包括垂直液压缸22和在垂直液压缸外周呈正方形布置的四个垂直导杆23。水平手臂包括水平液压缸24和与水平液压缸24呈等边三角形排列的两个水平导杆24。

其中，腰座为机械手的回转基座，机械手的运动部分安装在腰座上，承受了机械手的全部重量。优选地，腰座回转的驱动形式为电机通过减速机构实现。

在一实施例中，如图3所示，腰座包括：底板211、基座212、电机213、回转轴214、腰座件215、第一单列圆锥滚子轴承216、第二单列圆锥滚子轴承217、腰关节大齿轮218、腰关节小齿轮219。

其中，该回转轴214为粗大的法兰轴，用于连接垂直手臂，回转轴214通过第一单列圆锥滚子轴承216和第二单列圆锥滚子轴承217支撑在腰座件215上，腰座件215固定在所述基座212的顶壁上。

其中，基座212固定安装在底板211上，二者之间形成筒状内腔，所述腰关节大齿轮218和腰关节小齿轮219位于所述筒状内腔中、啮合传动。该腰关节大齿轮218具有套筒部，该套筒部套设在所述回转轴上、作为第二单列圆锥滚子轴承217内圈的定位结构并且由双螺母固定紧固。

优选地，回转轴的法兰孔径为180-200mm、轴向长度为230-250mm，如此能够提供较大的安装空间，该内孔中安装有制动器(图中未示出)，该制动器用于与孔壁摩擦制动。

在本实施例中，减速机构采用一级齿轮传动，采用大传动比(＞100)传动，提高传动精度，以克服齿轮传动的固有齿侧间隙所产生的低精度传动的问题，该精度的提高对于机械手的最终精度影响最大。齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。与现有腰座相比，本发明的机械手合理紧凑、部件少、在运动时底盘稳固。

在一实施例中，如图4所示，垂直手臂包括第一支承板226、第二支承板227、第一导柱23、第二导柱、缸筒221、活塞杆222、活塞223、导向套224、螺套225、缸底231、排气阀228、第一进油口229、第二进油口232。

其中，导向套224设置在缸筒221的与缸底231相对的开口端，该导向套224具有导向孔，为活塞杆的运动提供导向支撑并且与所述活塞杆密封配合，该导向套224伸入缸筒221中，与缸筒221的内壁密封配合，用于密封缸筒221的开口端，该导向套224还具有与所述缸筒端面配合的定位台阶，用于导向套224相对于缸筒的轴向定位。

优选地，导向套224的伸入缸筒221中的部分包括与缸筒密封配合的密封部和自所述密封部延伸的导向部，该导向部与缸筒内部之间设有空腔233，其中，第一进油口位于空腔233所在的区域。如此，避免了活塞223的运动死点，使得活塞223的升降控制比较灵活。

其中，缸底231具有伸入所述缸筒中的定位部，缸底231与缸筒221焊接，第二进油口开设在缸底231上，沿活塞的中心轴线向活塞杆供油。

其中，螺套225与缸筒221螺纹连接，用于固定导向套224。该螺套225上设有唇形防尘圈，用于活塞杆222上的灰尘阻挡。

其中，第一垂直导杆为伸缩套管结构，由内套管和外套管组成，起到伸缩导向作用。

在一实施例中，如图5所示，水平手臂包括水平油缸24、第一水平导杆25、第二水平导杆、在水平油缸24的缸筒上设置的连接座221、后支承板243、前支承板242，其中，水平油缸24的结构与垂直油缸相同，但尺寸不相同。

优选地，连接座221设置在的水平油缸的居中靠前位置，靠近前支承板242，以实现机械手的平衡。

在本实施例中，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。

通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足***工艺要求的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。

具体地，如图6所示，执行手爪包括手爪连接梁261和安装在手爪连接梁上的末端执行器262组成。其中，手爪连接梁261通过螺钉固定连接在前支承板262上。该手爪连接梁261优选为长度可调节的梁。

如图2所述手爪连接梁261在垂直于纸面的方向延伸，即如图6所示，手爪连接梁261在水平手臂的横向上延伸即在纸面方向延伸。

机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等。本发明的末端执行器是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。

在一实施例中，采用连杆杠杆式双指手爪。如图7所示，本手爪按照工件的直径为50mm来设计，该手爪包括油缸271、活塞272、活塞杆273、位于活塞杆273端部的齿条274、中间齿轮275、扇形齿条276、手指278和279。

本实施例采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿轮及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。

本发明结合数控机床的工件搬运的具体工作要求，综合考虑各个因素，在本发明中，本发明采用步进电机驱动来实现机械手腰部的旋转运动的定位控制精度要求，本发明电液伺服液压缸进行驱动水平手臂，使水平手臂具有伺服定位能力。

在一实施例中，如图8所示，电液伺服控制式液压缸包括伺服放大器、伺服阀、水平液压缸、以及位移传感器，其中位移传感器用于采集水平手臂的伸出长度，所述私服放大器根据PLC的模拟量输出信号控制伺服阀。PLC根据机床数控***(CNC)的下料命令或上料指令输出模拟量输出信号。

本发明提供了一种用于数控机床的上下料方法，包括以下步骤：

步骤一：在数控机床和工件输送生产线之间设置上下料机械手，其中，所述上下料机械手执行的动作包括腰座的回转、垂直手臂的升降、水平手臂的伺服伸缩、以及执行手爪的抓取/释放；

步骤二：所述数控机床在完成加工后向所述上下料机械手发送装料、卸料、卸料后再装料的命令；以及

步骤三：所述上下料机械手根据收到的命令后自原点位置开始动作，将生产线上待加工工件搬运至所述数控机床的卡盘前、然后进行***安装，或者将所述数控机床的卡盘中的已加工工件拔出卡盘、然后搬运至生产线上，

其中，在待加工工件进行***安装或拔出卡盘时，所述水平手臂整体偏转至与所述数控机床的卡盘的中心轴线相平行的位置，通过所述水平手臂的长度回缩使待加工工件***所述卡盘中，或者通过所述水平手臂的长度伸展使已加工工件脱离所述卡盘，

其中，所述原点位置定义如下：水平手臂处于回缩状态、垂直手臂处于伸展状态、同时所述腰座回转至避让位置。

在一实施例中，执行手爪在抓取工件时缓慢抓取工件并且在释放工件时快速释放。

在一实施例中，与上下料机械手配合的数控机床为数控车床，该数控车床相对于生产线平行布置，即机床的卡盘的中心轴线与生产线的运送方向平行，结合参照图1和图9，本发明的上下料机械手实现上料流程如下：

从原点开始，按下启动键，且有上下料命令，则水平液压缸开始前伸并进行伺服定位，前伸到位后，停止前伸；

→下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降，同时张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，同时手爪夹紧，抓住工件；

→上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；

→PLC开始输出高速脉冲，驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动；

→接着下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后，碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止，机械手到达卡盘中心高度；

→机械手开始水平定位后缩，将工件装入机床卡盘；

→当工件装入到位后，卡盘收紧；

→机械手松开手爪，准备离开；

→接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；

→PLC启动高速脉冲驱动机械手作顺时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动，机械手回到原点待命；

→机床进行加工。

结合参照图1和图9，本实施例的上下料机械手实现上料流程如下：

当数控机床加工完一个工件时，发送下料命令给机械手，机械手接到命令后，PLC马上输出脉冲驱动机械手逆时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动；

→下降电磁阀通电，同时手爪柱塞缸电磁阀也通电，机械手下降且张开手爪，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止且手爪夹紧，夹紧已加工好的工件；

→机床卡盘松开；

→机械手开始前伸，将工件从机床上取出，准备运走；

→上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；

→PLC输出高速脉冲，驱动机械手顺时针转动，当转过90度到位后，PLC停止输出脉冲，机械手停止转动；

→下降电磁阀通电，机械手下降，下降到位后碰到下限行程开关，下降电磁阀断电，下降停止；

→接着手爪柱塞缸电磁阀通电，手爪张开，放下工件准备离开；

→接着上升电磁阀通电，机械手开始上升，上升到位后，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止同时手爪也闭合复原；

→接着机械手水平手臂开始后缩，准备回原点，当后缩到位时，后缩停止，机械手回到原点，一个上下料过程结束；

→机械手在原点等待命令，准备下一个工作循环。

机械手的每次循环都从原点位置开始动作。

在另一实施例中，或该数控机床相对于生产线倾向布置，即数控机床的卡盘的中心轴线与生产线的运送方向呈夹角α布置，目前生产车间这一类的布置方式很多。此时，上下料机械手对应的旋转角度为180-α，水平手臂在执行手爪向卡盘送料时平行于卡盘的中心轴线。

本发明的上下料机械手具有以下优点：

1)本发明采用采用圆柱坐标式机械手作为上下料机械手，避免了直接引进通用机械手造成的资源浪费问题。

2)在满足***工艺要求的前提下，本发明将机械手***中相对独立的环节采用高性价比且相对简洁的结构形式和控制***，采用模块化设计，大量采用标准化、模块化的通用元配件，从而使成本大为降低，具有显著的技术经济性，符合国内一般工厂加工车间的设备和生产条件的具体实情。

3)本发明的机械手能够实现与数控机床相配合，实现加工过程中上下料的自动化、无人化。而且，只要把手爪的结构稍作改变,就可实现多种工件的自动上料。

4)本机械手采用可编程序控制器PLC控制，可以实行手动调整、手动及自动控制。***结构紧凑、工作可靠，设计周期短且造价较低。机械手的速度、步进电机运行所需的脉冲数都可以根据具体的工况进行设置，能够满足在一定范围内数控上下料的多种作业要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数控机床的上下料方法，其特征在于，包括以下步骤：

在数控机床和生产线之间设置上下料机械手，其中，所述上下料机械手执行的动作仅包括腰座的回转、垂直手臂的升降、水平手臂的伺服伸缩、以及执行手爪的抓取/释放；

所述数控机床在完成加工后向所述上下料机械手发送装料、卸料、卸料后再装料的命令；以及

所述上下料机械手自原点位置根据所述命令执行动作，将数控机床的卡盘中的工件拆下并搬运至指定位置处和/或将所述生产线上的工件装入所述数控机床的卡盘中，

其中，工件在安装或拆下时，所述水平手臂整体偏转至与所述数控机床的卡盘的中心轴线相平行的位置，通过所述水平手臂的伸缩使工件***所述卡盘或者脱离所述卡盘。

2.根据权利要求1所述的数控机床的上下料方法，其特征在于，所述原点位置定义如下：水平手臂处于回缩状态、垂直手臂处于伸展状态、同时所述腰座回转至避让位置。

3.根据权利要求1所述的数控机床的上下料方法，其特征在于，所述执行手爪在抓取工件时缓慢抓取工件并且在释放工件时快速释放。

4.一种用于实现根据权利要求1至3中任一项所述的数控机床的上下料方法的上下料机械手，其特征在于，包括：

腰座，作为上下料机械手的回转基座；

垂直手臂，用于在垂直方向上升降运动，包括垂直液压缸和与所述垂直液压缸平行设置的至少一个垂直导杆；

水平手臂，支撑在所述垂直手臂的顶端，用于在水平方向升降运动，包括水平液压缸和与所述水平液压缸平行设置的至少一个水平导杆；以及

执行手爪，包括手爪连接梁和安装在手爪连接梁上的末端执行器，

其中，所述手爪连接梁安装在所述水平手臂的末端，并且在所述水平手臂的横向上延伸。

5.根据权利要求4所述的上下料机械手，其特征在于，所述腰座包括步进电机和减速机构，其中，所述减速机构为传动比大于100的一对啮合齿轮。

6.根据权利要求4所述的上下料机械手，其特征在于，所述水平手臂的至少一个水平导杆为空心伸缩杆，所述至少一个水平导杆与所述水平液压缸呈品字形布置。

7.根据权利要求4所述的上下料机械手，其特征在于，所述水平手臂的水平液压缸为电液伺服控制式液压缸。

8.根据权利要求4所述的上下料机械手，其特征在于，所述垂直手臂的至少一个垂直导杆为空心伸缩杆，所述至少一个垂直导杆在所述垂直液压缸的外周呈四边形布置。

9.根据权利要求4所述的上下料机械手，其特征在于，所述腰座包括底板、基座、电机、回转轴、腰座件、第一单列圆锥滚子轴承、第二单列圆锥滚子轴承、腰关节大齿轮、以及腰关节小齿轮，其中，所述回转轴为法兰轴，所述腰关节大齿轮具有套筒部，该套筒部套设在所述回转轴上、作为第二单列圆锥滚子轴承内圈的定位结构。

10.根据权利要求9所述的上下料机械手，其特征在于，所述垂直手臂包括第一支承板、第二支承板、第一导柱、第二导柱、缸筒、活塞杆、活塞、导向套、螺套、缸底、排气阀、第一进油口、以及第二进油口，其中导向套设置在缸筒的与缸底相对的开口端，该导向套具有导向孔，为活塞杆的运动提供导向支撑并且与所述活塞杆密封配合，该导向套伸入缸筒中、与缸筒的内壁密封配合，用于密封缸筒的开口端，该导向套还具有与所述缸筒端面配合的定位台阶，用于导向套相对于缸筒的轴向定位。