CN110842623B - 一种用于多品种小批量箱体类零件的柔性制造单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于多品种小批量箱体类零件的柔性制造单元，包括零点定位模块、机外找正模块、上下料机器人模块、工件存放模块、数控加工设备模块和电气控制模块组成；机外找正模块设置于生产准备区，包括测量找正单元、工件装夹单元及配套PLC控制单元；上下料机器人模块设置于生产加工区，包括工业搬运机器人和可移动式机器人平台；工件存放模块由固定式料仓和移动式料仓构成，固定式料仓设置于生产准备区机外找正模块旁边；移动式料仓固定安装在可移动式机器人平台上；数控加工设备模块设置于生产加工区，包括数控加工中心设备和安全门控制***；零点定位模块为随工件生产同步转移的动态组合模块；电气控制模块与其他各模块PLC相连接。本发明满足了多品种小批量箱体类零件，提高了生产效率。

Description

一种用于多品种小批量箱体类零件的柔性制造单元

技术领域

本发明属于高效数控加工技术领域，特别是一种用于多品种小批量箱体类零件的柔性制造单元。

背景技术

数控机床被越来越多地应用于国内制造业企业中，然而在大多数制造业企业中采用的生产模式仍然是串行生产模式，产品生产基本按照工艺设计、工装设计、加工程序编写、刀具量具准备、工件安装找正和加工等环节顺次进行，往往导致产品生产周期较长、数控设备停机时间较长、设备利用效率较低。基于这种情况，并行生产模式得到越来越多的关注，相比于串行生产模式，并行生产模式能够有效减少数控设备停机时间、缩短产品生产周期。因此并行生产、柔性制造技术成为进一步提高我国制造业水平的重要技术。

现有的柔性制造技术主要应用于大规模流水线式生产模式，应用于品种单一、产量较大的且具有一定规模的企业，而对于大部分中小制造业企业而言，现有生产加工任务的特点是多品种、小批量、高精度、短工期，实际应用中难以复制现有基于柔性制造技术的流水线式生产模式。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种在保证产品加工效率、产品加工质量的同时，能够大幅提高产品生产效率、降低操作人员操作难度、提高制造业企业生产水平的用于多品种小批量箱体类零件的柔性制造单元。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种用于多品种小批量箱体类零件的柔性制造单元，包括零点定位模块、机外找正模块、上下料机器人模块、工件存放模块、数控加工设备模块和电气控制模块组成；

机外找正模块设置于生产准备区，包括测量找正单元、工件装夹单元及配套PLC控制单元；上下料机器人模块设置于生产加工区，包括工业搬运机器人和可移动式机器人平台；工件存放模块由固定式料仓和移动式料仓构成，固定式料仓设置于生产准备区机外找正模块旁边；移动式料仓固定安装在可移动式机器人平台上，供工业搬运机器人取放工件；数控加工设备模块设置于生产加工区，包括数控加工中心设备和安全门控制***；零点定位模块为随工件生产同步转移的动态组合模块；电气控制模块与其他各模块PLC相连接。

而且的，所述零点定位模块包括托盘和与托盘气动锁定连接的定位盘，托盘上表面用于安装固定箱体类工件，托盘上表面均布有用于固定夹紧工件的螺纹孔；托盘下表面安装有5 支拉钉，其中1支拉钉位于中心位置，其他4支拉钉以该支拉钉为中心沿圆周方向均匀分布；定位盘上设置有与5支拉钉一一对应的气动球锁紧机构。

而且的，所述测量找正单元包括基座、设置于基座上的X向移位调整机构、Y向移位调整机构、Z向移位调整机构和绕Z轴的旋转机构；Y向移位调整机构用于实现工件的移位调整， Z向移位调整机构、X向移位调整机构及和绕Z轴的旋转机构的组合实现定位监测仪器的位置调整；X向移位调整机构、Y向移位调整机构、Z向移位调整机构均包括进给机构和驱动机构两部分构成，X向进给机构采用灰铸铁基座和高精度直线导轨结构，X向驱动机构采用带抱闸的伺服电机通过同步带及带轮带动高精度滚珠丝杠旋转，实现与滚珠丝杠连接的托板在导轨上移动；Y向和Z向进给机构采用花岗石基座和高精度直线导轨结构，驱动机构均采用带抱闸伺服电机与高精度滚珠丝杠直连结构带动拖板在导轨上移动；绕Z轴的旋转机构安装在 X向移位调整机构的托板上靠近Y向移位调整机构的一端，包括旋转轴，旋转轴上端连接手驱动轮，旋转轴下端同心安装定位监测仪器，定位监测仪器采用寻边器或千分表。

而且的，所述工件装夹单元包括零点定位模块和气动控制部分组成；零点定位模块的定位盘与Y向移位调整机构的直线导轨滑块相连接，气动控制部分通过电控开关控制气路内压缩空气的通断，以驱动气动球锁紧机构的锁紧与松开。

而且的，所述工业搬运机器人包括固定底座组件、回转立柱组件、Z向滑动臂组件、Ⅲ轴转动臂组件、Ⅳ轴转动臂组件、Ⅴ轴转动臂组件和料叉组件。回转立柱组件通过RV减速器与固定底座组件连接，由第一伺服电机驱动进行回转动作；Z向滑动臂组件与滑块固定连接，滑块可沿与回转立柱组件连接的直线导轨上下滑动，同时滑动臂组件又与丝母座连接，丝母座与滚珠丝杠配合，实现由第二伺服电机驱动滚珠丝杠带动Z向滑动臂组件执行Z向升降动作；Ⅲ轴转动臂组件通过RV减速器与Z向滑动臂组件连接，由第三伺服电机驱动进行回转动作；Ⅳ轴转动臂组件通过谐波减速器与Ⅲ轴转动臂组件连接，由第四伺服电机驱动、通过皮带传动进行回转动作；Ⅴ轴转动臂组件通过谐波减速器与Ⅳ轴转动臂组件连接，由第五伺服电机驱动、通过皮带传动进行回转动作，料叉组件与Ⅴ轴转动臂组件固定连接。

而且的，可移动式机器人平台为下端安装有弹性柱销定位装置以及带有锁紧装置的可调节万向轮的移动平台结构。

而且的，固定式料仓和移动式料仓均为多层层板结构，料仓层板为半抽屉式结构，每层层板上均设置有4个带定位内锥面的定位座，四个定位座与零点定位模块托盘下方沿圆周方向均布的4个拉钉位置一一对应，形成托盘定位装置。

而且的，所述安全门控制***主要采用PLC控制的气动驱动***，导轨设置于安全门口周边的设备外壳壁上，导轨滑块与加工中心设备安全门连接，并与气缸驱动连接。

本发明具有的优点和积极效果：

1、多品种、小批量生产任务的特点是零部件品种较多，不同品种间形状、大小差异较大，但批量都较小，无法实现规模化自动加工。零点模块采用托盘固定工件的结构形式，将不同的零件转化为相同的托盘结构，便于用机器人等自动化设备搬运，一台机器人可同时服务两台数控加工中心，形成多品种、小批量生产任务的柔性制造单元，大幅提升多品种、小批量生产任务的生产效率。

2、箱体类零件一般采用数控加工中心进行加工，且零件尺寸较大、重量较大，传统人工搬运工件费时费力，采用天车等手段搬运又容易引起磕碰。本柔性单元采用机器人完成箱体类零件在料仓与加工中心设备间的零件转运工作，大大降低操作者劳动强度。

3、多品种、小批量生产任务还有一个特点是生产任务常常出现紧急任务***，传统生产模式在出现急单时，需要破坏原加工零件的在数控机床上的装夹，而换成紧急任务需要的装夹工装。本发明中设置有零点定位模块，零点定位模块是整个柔性制造单元的核心模块之一，通过零点定位模块实现待加工工件在柔性制造单元内各组成模块之间以及不同型号数控加工中心设备之间零位基准的快速转换，因此能够将原有未加工完成零件连通托盘一起移至料仓或者其他闲置数控设备上，不仅实现可中断加工，而且保证了该柔性制造单元的具有高精度加工生产能力。

4、零点模块采用托盘固定工件的结构形式。托盘上表面设置的用于装夹工件的螺纹孔，可以作多工位加工应用，即一个托盘上装夹多个同种或不同种零件，实现多工位同时加工。

5、多工位装夹的零件在加工前的找正工作工作量很大，同时其加工时间一般也很长。将多工位装夹的零件的找正工作放到机外找正装置上进行，实现与零件加工并行进行，将大幅提升多品种、小批量生产任务的生产效率。

6、对于多品种、小批量生产任务来说，传统单人单机的生产模式，对于要求每台数控加工中心设备操作者的技能水平要求很高。柔性制造单元将零部件找正工作独立出来，对于零部件加工的过程来说，仅在完成数控加工编程及操控机外找正装置完成零部件基准找正工作时需要较高技能水平，而对于完成料仓工件配送及操控机器人的操作者技能要求降低，因此该单元整体降低了对于操作者技术要求，节约人力成本。

附图说明

图1是本发明柔性制造单元的俯视平面布局图；

图2是本发明柔性制造单元的空间布局图；

图3是本发明柔性制造单元中零点定位模块的结构图；

图4是本发明柔性制造单元中机外找正模块的立体结构示意图；

图5是本发明柔性制造单元中工业搬运机器人整体立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种用于多品种小批量箱体类零件的柔性制造单元，请参见图1-5，主要由零点定位模块3、机外找正模块4、上下料机器人模块5、工件存放模块、数控加工设备模块1和电气控制模块组成。其中机外找正模块由加工中心机外找正装置构成，具有测量找正单元、工件装夹单元及配套PLC控制单元，能够实现精准测量、快速换装和人机交互等功能；上下料机器人模块由工业搬运机器人5-1、可移动式机器人平台5-2构成，能够实现将待加工工件从工件存放模块搬运到数控加工设备模块中和将加工完成工件从数控加工设备模块搬运到工件存放模块中的功能，通过可移动式机器人平台实现机器人在不同加工设备之间的定位及移动；工件存放模块由固定式料仓2和移动式料仓6构成，能够实现待加工和加工完成工件的存放功能；数控加工设备模块由数控加工中心设备、安全门控制***构成，在上下料机器人模块完成上料动作后，安全门控制***控制关闭加工中心安全门，运行加工程序进行加工，在加工完成后，控制开启加工中心门，上下料机器人模块进行下料动作；电气控制模块与柔性单元各组成模块PLC相连接，能够实现对柔性制造单元各环节动作的控制。其组成框图如图1所示。

上述各模块的具体结构如下：

1)零点定位模块

参见图4，零点定位模块是整个柔性制造单元的核心模块之一，通过零点定位模块实现待加工工件在柔性制造单元内各组成模块之间以及不同型号数控加工中心设备之间零位基准的快速转换，保证了柔性制造单元的具有高精度加工生产能力。

零点定位模块主要包括托盘3-1和定位盘3-4，托盘上表面用于安装固定箱体类工件7，托盘上表面均布有100个以上的螺纹孔3-1-1，用于固定夹紧形状大小各异的零件，也可以满足同批次零件的多工位装夹，实现多品种零部件装夹的柔性。托盘下表面安装有5支拉钉 3-2，其中1支拉钉位于中心位置，其他4支拉钉以该支拉钉为中心沿圆周方向均匀分布。定位盘上设置有与5支拉钉对应的气动球锁紧机构3-3，对于500×500mm大小的托盘来说，该套零点定位模块能够实现0.005mm以内的重复定位精度。因此，其既可以实现零件与机床工作台的快速装夹，又能够保证零件的加工精度，减少不必要的准备和操作动作。将零件的自身坐标快速准确地过渡到机床工作台坐标内，并且有效保证每次换装过程的重复定位精度和安全可靠的压紧力。

2)加工中心机外找正装置

整体结构如图5，其中测量找正单元包括基座4-5、设置于基座上的X向移位调整机构 4-2、Y向移位调整机构4-4、Z向移位调整机构4-1和绕Z轴的旋转机构4-3，Y向移位调整机构用于实现工件的移位调整，Z向移位调整机构、X向移位调整机构及和绕Z轴的旋转机构的组合实现定位监测仪器4-6的位置调整。其中X向移位调整机构、Y向移位调整机构、Z向移位调整机构均包括进给机构和驱动机构两部分构成，X向进给机构采用灰铸铁基座和高精度直线导轨结构，具有摩擦阻力小、热膨胀率小、定位精度高等特点，能够保证长时间测量的稳定性，X向驱动机构采用带抱闸伺服电机(100W)与高精度滚珠丝杠通过同步齿形带带动托板在导轨上移动，伺服电机、驱动器和光栅通过连接PLC控制组成闭环进而保证移动和定位精度；Y向和Z向进给机构采用花岗石基座和高精度直线导轨结构，具有摩擦阻力小、热膨胀率小、定位精度高等特点，能够保证长时间测量的稳定性，驱动机构均采用带抱闸伺服电机(750W)与高精度滚珠丝杠直连结构带动拖板在导轨上移动，移动和定位精度保证方式和X向保证方式相同；绕Z轴的旋转机构安装在X向移位调整机构的托板上靠近Y向移位调整机构的一端，旋转轴利用SP级别交叉滚子轴承支承结构，实现径向跳动≤0.006mm、轴向跳动≤0.006mm的回转精度，旋转轴下端中心悬挂寻边器或千分表，通过手动驱动的方式实现工件圆孔几何中心的确定。

工件装夹模块由零点定位模块和气动控制部分组成。零点定位模块的定位盘与Y向移位调整机构的直线导轨滑块相连接，气动球锁紧机构通过气动控制部分控制气路内压缩空气的通断，实现托盘与定位盘连接的锁紧与松开。

3)上下料机器人模块

上下料机器人模块包括工业搬运机器人、可移动式机器人平台。

可移动机器人平台一端用于安装固定工业搬运机器人，一端用于安装固定移动料仓，平台下端面设置安装有弹性柱销定位装置以及带有锁紧装置的可调节万向轮，设置带有锁紧装置的可调节万向轮可方便实现在数控加工设备之间移动位置和移动到位后的锁紧，保证机器人工作时，平台不会发生窜动；设置安装有弹性柱销定位装置，可移动机器人平台移动到位预设位置后，弹性柱销的定位销会自动弹出***到地面上预设的销孔内，实现可移动机器人平台的精确定位。

该型上下料机器人整体结构如图5所示。

所述工业搬运机器人包括固定底座组件、回转立柱组件、Z向滑动臂组件、Ⅲ轴转动臂组件、Ⅳ轴转动臂组件、Ⅴ轴转动臂组件和料叉组件。回转立柱组5-1-4件通过RV减速器 5-1-2与固定底座组件5-1-1连接，由第一伺服电机5-1-3驱动进行回转动作；Z向滑动臂组件5-1-6与滑块固定连接，滑块可沿与回转立柱组件连接的直线导轨上下滑动，同时滑动臂组件又与丝母座连接，丝母座与滚珠丝杠配合，实现由第二伺服电机5-1-5驱动滚珠丝杠带动Z向滑动臂组件执行Z向升降动作。Ⅲ轴转动臂组件5-1-9通过RV减速器与Z向滑动臂组件连接，由第三伺服电机5-1-7驱动进行回转动作；Ⅳ轴转动臂组5-1-11件通过谐波减速器与Ⅲ轴转动臂组件连接，由第四伺服电机5-1-8驱动、通过皮带传动进行回转动作；Ⅴ轴转动臂组件5-1-12通过谐波减速器与Ⅳ轴转动臂组件连接，由第五伺服电机5-1-10驱动、通过皮带传动进行回转动作，料叉组件5-1-13与Ⅴ轴转动臂组件固定连接，通过控制各组件动作实现工件搬运。

由于该型上下料机器人设计有四个旋转轴，其中三个转动臂设置三轴心旋转的动作方式，能够让Ⅲ轴转动臂组件、Ⅳ轴转动臂组件、Ⅴ轴转动臂组件之间位置关系形成C型进行动作，结合回转立柱的360°回转动作，能够实现水平面内360°全位置覆盖，C型蜷缩的动作方式，便于转动臂在狭小空间内完成物品的取放，大大增强了机器人对工作环境的适应能力，这是传统四轴、六轴机器人无法实现的。

4)工件存放模块

工件存放模块包括移动式料仓与固定式料仓两种形式，固定式料仓固定放置在加工中心机外找正装置旁边，移动式料仓固定安装在可移动式机器人平台上，用于机器人取放工件，两种料仓都为三层层板结构，料仓层板为半抽屉式结构，可以抽出料仓层板宽度一半的距离，方便工件的取放，每层层板上均设置有4个带定位内锥面的定位座，四个定位座与零点定位模块托盘下方沿圆周方向均布的4个拉钉位置一一对应，形成托盘定位装置。

5)数控加工设备模块

由数控加工中心设备、安全门控制***构成。数控加工中心设备为X、Y轴行程小于900mm 的各类中小型加工中心设备，兼容性较强；所述安全门控制***主要采用PLC控制的气动驱动***，导轨设置于安全门口周边的设备外壳壁上，导轨滑块与加工中心设备安全门连接，并与气缸驱动连接，实现安全门自动控制开合。

本柔性制造单元工作流程：

柔性制造单元布局如图2和3所示，加工中心机外找正装置置于生产准备区，用于实现对待加工工件的机外基准找正，将完成找正的待加工箱体类零件人工放置于固定料仓上，固定料仓具有三层层板，层板上设置有托盘定位装置，每层可以存放一个装有工件的托盘，操作人员利用叉车将固定料仓工件转移至移动料仓上，并搬运移动料仓，安放到位于生产加工区域的可移动式机器人平台相应位置，按下电气控制模块上的启动按钮，柔性制造单元执行如下动作：安全门控制***控制气缸推动数控加工中心安全门自动开启，工业搬运机器人执行预设动作，将移动料仓上装夹有待加工工件的托盘搬运至数控加工中心工作平台上的指定位置，完成放料动作，电气控制模块控制安装于数控加工中心工作台上的气动球锁紧机构锁紧，实现其与工件托盘的夹紧动作，从而保证待加工工件在数控加工中心工作平台上的位置精度，同时工业搬运机器人从数控加工中心内部移出，复位，上述动作完成后，安全门控制***控制气缸推动数控加工中心安全门关闭，电气控制模块控制加工中心设备调用相应程序对待加工工件进行加工，待工件加工完成后，安全门控制***控制气缸推动数控加工中心安全门开启，工业搬运机器人运动，同时电气控制模块控制数控加工中心工作台上的气动球锁紧机构与工件托盘松开，工业搬运机器人将装夹有已加工工件的托盘取出，搬运至移动料仓上，完成取料动作，复位，电气控制模块控制气缸推动数控加工中心安全门关闭，完成柔性制造单元一个工作循环的全部动作。根据车间实际加工情况，可以利用叉车将工业搬运机器人移动至不同数控加工中心区域，组建柔性制造单元。

如图5所示，该型上下料机器人转动臂之间位置关系形成C型进行动作，结合回转立柱的360°回转动作，能够完成在狭小空间内完成物品的取放，很好的避免由于机床间安装位置狭窄、机床操作控制台外置等工况而引起的与机器人动作容易产生干涉的问题，大大增强了机器人对工作环境的适应能力，这是传统四轴、六轴机器人无法实现的。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (8)

1.一种用于多品种小批量箱体类零件的柔性制造单元，包括零点定位模块、机外找正模块、上下料机器人模块、工件存放模块、数控加工设备模块和电气控制模块组成；

机外找正模块设置于生产准备区，包括测量找正单元、工件装夹单元及配套PLC控制单元；上下料机器人模块设置于生产加工区，包括工业搬运机器人和可移动式机器人平台；工件存放模块由固定式料仓和移动式料仓构成，固定式料仓设置于生产准备区机外找正模块旁边；移动式料仓固定安装在可移动式机器人平台上，供工业搬运机器人取放工件；数控加工设备模块设置于生产加工区，包括数控加工中心设备和安全门控制***；零点定位模块为随工件生产同步转移的动态组合模块；电气控制模块与其他各模块PLC相连接。

2.根据权利要求1所述的于多品种小批量箱体类零件的柔性制造单元，其特征在于：所述零点定位模块包括托盘和与托盘气动锁定连接的定位盘，托盘上表面用于安装固定箱体类工件，托盘上表面均布有用于固定夹紧工件的螺纹孔；托盘下表面安装有5支拉钉，其中1支拉钉位于中心位置，其它4支拉钉以该支拉钉为中心沿圆周方向均匀分布；定位盘上设置有与5支拉钉一一对应的气动球锁紧机构。

3.根据权利要求1所述的于多品种小批量箱体类零件的柔性制造单元，其特征在于：所述测量找正单元包括基座、设置于基座上的X向移位调整机构、Y向移位调整机构、Z向移位调整机构和绕Z轴的旋转机构；Y向移位调整机构用于实现工件的移位调整，Z向移位调整机构、X向移位调整机构及和绕Z轴的旋转机构的组合实现定位监测仪器的位置调整；X向移位调整机构、Y向移位调整机构、Z向移位调整机构均包括进给机构和驱动机构两部分构成，X向进给机构采用灰铸铁基座和高精度直线导轨结构，X向驱动机构采用带抱闸的伺服电机通过同步带及带轮带动高精度滚珠丝杠旋转，实现与滚珠丝杠连接的托板在导轨上移动；Y向和Z向进给机构采用花岗石基座和高精度直线导轨结构，驱动机构均采用带抱闸伺服电机与高精度滚珠丝杠直连结构带动拖板在导轨上移动；绕Z轴的旋转机构安装在X向移位调整机构的托板上靠近Y向移位调整机构的一端，包括旋转轴，旋转轴上端连接手驱动轮，旋转轴下端同心安装定位监测仪器，定位监测仪器采用寻边器或千分表。

4.根据权利要求1所述的于多品种小批量箱体类零件的柔性制造单元，其特征在于：所述工件装夹单元包括零点定位模块和气动控制部分组成；零点定位模块的定位盘与Y向移位调整机构的直线导轨滑块相连接，气动控制部分通过电控开关控制气路内压缩空气的通断，以驱动气动球锁紧机构的锁紧与松开。

5.根据权利要求1所述的于多品种小批量箱体类零件的柔性制造单元，其特征在于：所述工业搬运机器人包括固定底座组件、回转立柱组件、Z向滑动臂组件、Ⅲ轴转动臂组件、Ⅳ轴转动臂组件、Ⅴ轴转动臂组件和料叉组件；回转立柱组件通过RV减速器与固定底座组件连接，由第一伺服电机驱动进行回转动作；Z向滑动臂组件与滑块固定连接，滑块可沿与回转立柱组件连接的直线导轨上下滑动，同时滑动臂组件又与丝母座连接，丝母座与滚珠丝杠配合，实现由第二伺服电机驱动滚珠丝杠带动Z向滑动臂组件执行Z向升降动作；Ⅲ轴转动臂组件通过RV减速器与Z向滑动臂组件连接，由第三伺服电机驱动进行回转动作；Ⅳ轴转动臂组件通过谐波减速器与Ⅲ轴转动臂组件连接，由第四伺服电机驱动、通过皮带传动进行回转动作；Ⅴ轴转动臂组件通过谐波减速器与Ⅳ轴转动臂组件连接，由第五伺服电机驱动、通过皮带传动进行回转动作，料叉组件与Ⅴ轴转动臂组件固定连接。

6.根据权利要求1所述的于多品种小批量箱体类零件的柔性制造单元，其特征在于：可移动式机器人平台为下端安装有弹性柱销定位装置以及带有锁紧装置的可调节万向轮的移动平台结构。

7.根据权利要求1所述的于多品种小批量箱体类零件的柔性制造单元，其特征在于：固定式料仓和移动式料仓均为多层层板结构，料仓层板为半抽屉式结构，每层层板上均设置有4个带定位内锥面的定位座，四个定位座与零点定位模块托盘下方沿圆周方向均布的4个拉钉位置一一对应，形成托盘定位装置。

8.根据权利要求1所述的于多品种小批量箱体类零件的柔性制造单元，其特征在于：所述安全门控制***主要采用PLC控制的气动驱动***，导轨设置于安全门口周边的设备外壳壁上，导轨滑块与加工中心设备安全门连接，并与气缸驱动连接。

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