CN108405666B - 一种应用于金属板材加工的辅助机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于金属板材加工的辅助机器人,包括底座、滑块、大臂、小臂、前臂、旋转轴和夹具;底座呈直线型,滑块底部沿底座直线滑移。旋转轴的底部与前臂的前端转动连接,旋转轴的顶部与夹具固定连接,夹具能与金属板材可拆卸连接。本发明与目前常用6轴通用机械人相比,少一个轴,有利于节约成本;无自由度冗余,控制简单。同时,折弯过程的运动学反解解析过程,给出了各个运动关节的驱动函数。通过C,C++,VB,ST等高级编程语言将各驱动角度的求解公式编程为相应的程序模块,在运动控制器中直接调用这些程序模块,即可以实现机器人的运动控制。
Description
技术领域
本发明涉及金属板材加工领域,特别是一种应用于金属板材加工的辅助机器人。
背景技术
近年来,金属板材加工领域,自动化加工技术的应用逐渐普及。金属板材加工自动化的核心技术在于板材折弯的自动化。尤其大尺寸重量较大零件的加工,工人的劳动强度大,通常需要2名甚至几名操作工人完成,劳动强度大,工作环境恶劣。板材折弯自动化解决方案已经成为行业的共识,具有巨大的市场潜力和发展空间。
目前,板材折弯自动化的解决方案,主要有如下两种。
1、采用6关节通用机器人,具体参照申请号为201710513061.1的中国发明专利申请,其发明创造的名称为“一种用于自动折弯时钣金与机体互不干涉的机器人”,为6关节工业机器人,小臂部件杆长与手腕部件杆长之和X/大臂杆长Y=2~3,折弯机下模刀口高度-转座J2轴距离地面的距离H=500~600mm,转座J2轴距离J1轴的距离Z=机器人臂展/设定钣金最大边长-小臂部件杆长与手腕部件杆长之和X-大臂杆长Y。J4轴与J1轴之间偏置设定的距离,J3轴电机设置在大臂外侧。
上述专利申请,通过合理的杆长配比关系,用于大尺寸钣金折弯,钣金和机体不会相互干渉,规避了通用工业机器人在折弯应用中的诸多弊端。然而,由于控制轴数过多(6轴,自由度冗余),成本高,移动范围小,受到臂展的限制。
2、采用直角坐标机器人,具体参照申请号为201710110029.9的中国发明专利申请,其发明创造的名称为“一种龙门式折弯机器人”,其包括:相互垂直的X轴导轨、Y轴导轨和Z轴导轨,X轴导轨与机身固定连接;X轴导轨与Z轴导轨通过第一滑块垂直连接,第一滑块上分别设有与X轴导轨和Z轴导轨相对滑动连接的X向滑块导轨和Z向滑块导轨;Z轴导轨下端固定设有第二滑块,第二滑块上固定设有与Y轴导轨滑动连接Y轴滑块导轨;Y轴导轨的前端转动连接A轴,A轴上转动连接有与A轴垂直的B轴,B轴上转动连接有与B轴垂直的C轴,C轴前端设有末端执行机构。该专利申请的优点是:成本低,负载能力强。然而缺点也非常明显:结构尺寸大,占地面积大,速度慢,不灵活。
上述两种板材折弯自动化解决方案均存在着如下缺陷:手腕关节中末端两个轴的轴线都相交于一点,主要是方便运动学方程的求解。另外,折弯大尺寸工件的时候适用,小尺寸工件折弯容易与折弯机发生干涉,完全不适合小尺寸工件的折弯。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足,而提供一种应用于金属板材加工的辅助机器人,该应用于金属板材加工的辅助机器人具有5轴关节,无多余自由度,控制简单,移动范围大,动作灵敏且负载能力强。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
一种应用于金属板材加工的辅助机器人,包括底座、滑块、大臂、小臂、前臂、旋转轴和夹具。
底座呈直线型,滑块底部沿底座直线滑移,滑块与底座之间形成1轴关节,简称1轴。
滑块的顶部通过2轴与大臂的底部相铰接,大臂的顶部通过3轴与小臂的后端相铰接,小臂的前端通过4轴与前臂的后端相铰接;1轴、2轴、3轴和4轴的轴线均相互平行。
旋转轴为5轴,旋转轴的底部与前臂的前端转动连接,旋转轴的顶部与夹具固定连接,夹具能与金属板材可拆卸连接。
旋转轴的轴线与4轴的轴线相垂直。
旋转轴的轴线与4轴的轴线无相交点。
旋转轴为法兰轴,法兰轴中的法兰盘形成为夹具。
夹具为真空吸盘或电磁铁。
将原点设置在2轴的轴线上,并将与2轴的轴线相垂直的水平方向为X轴,竖直方向为Y轴,建立直角坐标系,则4轴中心在所述直角坐标系中的坐标为(dx,dy),则dx和dy的计算公式如下:
式中,X0为折弯机中模具中心线的X轴向距离值;Y0为折弯机中下模高度;L10为夹具的竖直偏距;L20为夹具的水平偏距;β为折弯过程中金属板材与水平面之间的夹角。
折弯过程中金属板材与水平面之间的夹角β采用如下公式进行计算:
式中,B为折弯机中下模槽口的宽度;d为折弯机中上模的工进行程。
2轴、3轴和4轴相互联动,假设2轴的驱动转角为θ2、3轴的驱动转角为θ3、4轴的驱动转角为θ4;则θ2、θ3和θ4满足如下计算公式:
θ2=a2;
θ3=a3-a2;
θ4=a4-a3;
a4=-β
Cx=dx-L4cos(a4)
Cy=dy-L4sin(a4)
式中,a2为大臂与X轴夹角;a3为小臂与X轴夹角;a4为前臂与X轴的夹角;L2为大臂长度;L3为小臂的长度;L4为前臂长度,Cx和Cy为中间变量。
本发明具有如下有益效果:
1、本申请采用5轴机构,与6轴通用机械人相比,移动范围大,且1轴为线性移动轴,扩展了机器人的移动范围。另外,与6轴通用机械人相比,少一个轴,有利于节约成本;无自由度冗余,控制简单。
2、与直角坐标机械手相比,本申请占地面积小,动作灵活,速度快。
3、4轴与5轴的轴线不相交,故折弯工件的尺寸不受4轴尺寸的限制,有利于小尺寸工件的折弯。
4、本申请还提供了折弯过程的运动学反解的解析过程,给出了各个运动关节的驱动函数(也即驱动角度θ2、θ3、θ4)。通过C,C++,VB,ST等高级编程语言将θ2、θ3、θ4的求解公式编程相应的程序模块,在运动控制器中直接调用这些程序模块,因而能够实现机器人的运动控制。
附图说明
图1显示了本发明一种应用于金属板材加工的辅助机器人的结构示意图。
图2显示了大臂、小臂和前臂的尺寸示意图。
图3显示了金属板材折弯过程示意图。
图4显示了辅助机器人在直角坐标系下的折弯运动解析示意图。
图5显示了折弯过程中金属板材与水平面之间的夹角β与折弯机下模的关系图。
其中有:1、1轴;2、2轴;3、3轴;4、4轴;5、5轴;
10、底座;20、滑块;30、大臂;40、小臂;50、前臂;60.金属板材;
70、折弯机;71、上模;72、下模;73、模具中心线。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示,一种应用于金属板材加工的辅助机器人,包括底座10、滑块20、大臂30、小臂40、前臂50、旋转轴和夹具。
底座呈直线型,滑块底部沿底座直线滑移,滑块与底座之间形成1轴关节,简称1轴。
滑块的顶部通过2轴与大臂的底部相铰接,大臂的顶部通过3轴与小臂的后端相铰接,小臂的前端通过4轴与前臂的后端相铰接。
1轴、2轴、3轴和4轴的轴线均相互平行。
旋转轴为5轴,旋转轴的底部与前臂的前端转动连接,旋转轴的顶部与夹具固定连接,夹具能与金属板材可拆卸连接。
夹具的设置方式有多种,优选有如下三种设置方式:
优选设置方式一:旋转轴和夹具一体设置,也即旋转轴为法兰轴,法兰轴中的法兰盘形成为夹具,法兰盘与金属板材螺纹连接。
优选设置方式二:夹具为真空吸盘。
优选设置方式三:夹具为电磁铁。
当然,作为替换,夹具还可以为现有技术中已知的其他设置方式。
上述旋转轴的轴线与4轴的轴线相垂直。
上述旋转轴的轴线与4轴的轴线优选无相交点,因而,本申请能够避免4轴与折弯机发生机械干涉,适合小零件的折弯。
当然,作为替换,旋转轴的轴线与4轴的轴线也可以相交一点,本发明由于针对折弯的特殊工艺,运动学特性不同,即便不相交也完全能够反解出来。
以2轴中心为原点,2轴所在轴线作为X轴,竖直方向为Y轴,建立直角坐标系,夹具在所述直角坐标系中的坐标为(dx,dy),则dx和dy的计算公式如下:
式中,X0为折弯机中模具中心线的X轴向距离值;Y0为折弯机中下模高度;L10为夹具的竖直偏距;L20为夹具的水平偏距;β为折弯过程中金属板材与水平面之间的夹角。
折弯过程中金属板材与水平面之间的夹角β采用如下公式进行计算:
式中,如图5所示,B为折弯机中下模槽口的宽度;d为折弯机中上模的工进行程,式中忽略金属板材厚度的影响。
当然,作为替换,折弯过程中金属板材与水平面之间的夹角β也可采用角度传感器进行检测等其他已知的方式进行测量,也在本申请的保护范围之内。
上述2轴、3轴和4轴相互联动,假设2轴的驱动转角为θ2、3轴的驱动转角为θ3、4轴的驱动转角为θ4;则θ2、θ3和θ4满足如下计算公式:
θ2=a2;
θ3=a3-a2;
θ4=a4-a3;
a4=-β
Cx=dx-L4cos(a4)
Cy=dy-L4sin(a4)
式中,如图4所示,a2为大臂与X轴夹角;a3为小臂与X轴夹角;a4为前臂与X轴的夹角;如图2所示,L2为大臂长度,也即2轴中心与3轴中心之间的长度;L3为小臂的长度,也即3轴中心与4轴中心之间的长度;L4为前臂长度,也即4轴中心与5轴中心之间的长度,Cx和Cy为中间变量。
金属板材折弯过程如图3所示,其中,实线表示金属板材折弯前的状态,虚线表示金属板材折弯后的状态。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种等同变换,这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种应用于金属板材加工的辅助机器人,其特征在于:包括底座、滑块、大臂、小臂、前臂、旋转轴和夹具;
底座呈直线型,滑块底部沿底座直线滑移,滑块与底座之间形成1轴关节,简称1轴;
滑块的顶部通过2轴与大臂的底部相铰接,大臂的顶部通过3轴与小臂的后端相铰接,小臂的前端通过4轴与前臂的后端相铰接;1轴、2轴、3轴和4轴的轴线均相互平行;
旋转轴为5轴,旋转轴的底部与前臂的前端转动连接,旋转轴的顶部与夹具固定连接,夹具能与金属板材可拆卸连接;
旋转轴的轴线与4轴的轴线相垂直;旋转轴的轴线与4轴的轴线无相交点;折弯工件的尺寸不受4轴尺寸的限制,有利于小尺寸工件的折弯;
将原点设置在2轴的轴线上,并将与2轴的轴线相垂直的水平方向为X轴,竖直方向为Y轴,建立直角坐标系,则4轴中心在所述直角坐标系中的坐标为(dx,dy),则dx和dy的计算公式如下:
式中,X0为折弯机中模具中心线的X轴向距离值;Y0为折弯机中下模高度;L10为夹具的竖直偏距;L20为夹具的水平偏距;β为折弯过程中金属板材与水平面之间的夹角;
折弯过程中金属板材与水平面之间的夹角β采用如下公式进行计算:
式中,B为折弯机中下模槽口的宽度;d为折弯机中上模的工进行程;
2轴、3轴和4轴相互联动,假设2轴的驱动转角为θ2、3轴的驱动转角为θ3、4轴的驱动转角为θ4;则θ2、θ3和θ4满足如下计算公式:
θ2=a2;
θ3=a3-a2;
θ4=a4-a3;
a4=-β
Cx=dx-L4cos(a4)
Cy=dy-L4sin(a4)
式中,a2为大臂与X轴夹角;a3为小臂与X轴夹角;a4为前臂与X轴的夹角;L2为大臂长度;
L3为小臂的长度;L4为前臂长度,Cx和Cy为中间变量。
2.根据权利要求1所述的应用于金属板材加工的辅助机器人,其特征在于:旋转轴为法兰轴,法兰轴中的法兰盘形成为夹具。
3.根据权利要求1所述的应用于金属板材加工的辅助机器人,其特征在于:夹具为真空吸盘或电磁铁。
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