一种一拖三龙门式上下料机械手系统及其控制方法与流程

本发明涉及自动化加工设备领域，尤其涉及一种一拖三龙门式上下料机械手系统及其控制方法。

背景技术：

1、在重型机械加工领域，立式车床是加工大型盘类、套类及短轴类零件的核心设备。随着自动化技术的不断发展，越来越多的加工企业开始在立式车床的上下料环节引入桁架机械手或工业机器人，以替代传统的人工吊装作业，从而降低劳动强度、提高生产安全性。然而，现有技术中，桁架机械手与立式车床的配套方式多为一对一的独立配置形式，即每台立式车床配备一台专用上下料机械手。这种一对一配置方式的设备投入成本高、占地面积大，且在多台车床并行作业时，各机械手之间相互独立，无法实现协同调度，导致设备利用率低，尤其对于加工周期较长的大型工件，机械手在大部分时间内处于待机闲置状态，造成资源浪费。此外，少部分现有方案虽然尝试用一台机械手服务多台设备，但其往往采用关节机器人配合外部行走轴的方式，承载能力有限，难以满足重型工件的搬运需求，且系统结构复杂、控制难度大、维护成本高。

2、此外，现有的一拖多上下料系统在智能化水平和安全防护方面仍存在明显不足。在工件定位方面，多数系统仍依赖人工将毛坯件摆放在固定位置或采用简单的机械挡块定位，缺乏视觉引导功能，当毛坯件摆放位置存在偏差时，机械手无法自动识别和补偿，容易导致抓取失败或工件掉落。在上下料过程中，机械手与机床之间的信号交互不够完善，缺乏机械手位于机床内部时禁止机床启动的安全互锁机制，存在机械手与机床主轴发生碰撞的安全隐患。同时，对于需要多序加工的工件，现有系统在工序之间的工件翻面往往需要人工干预，无法实现全自动流转，制约了整条生产线的全自动化运行。

技术实现思路

1、本发明要解决的是上述现有技术中缺乏视觉引导自动抓取，以及在上下料过程中，机械手与机床之间的信号交互不够完善的技术问题。为解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案：

2、一种一拖三龙门式上下料机械手系统，包括：三台立式车床，所述立式车床的一侧设有上料料仓，所述立式车床的另一侧设有成品料仓，所述上料料仓与立式车床之间设有变位机，所述立式车床、上料料仓、成品料仓以及变位机的上部设有桁架机械手，所述桁架机械手为单臂结构；

3、所述桁架机械手包括桁架架体，所述桁架架体设有机械手；

4、所述机械手的末端设有末端执行器，所述末端执行器设有视觉定位系统；

5、还包括控制系统，所述控制系统与各部件电连接。

6、进一步的，所述视觉定位系统包括工业相机，所述工业相机固定设置于末端执行器的侧方；

7、所述工业相机的四周设有环形光源；

8、所述视觉定位系统还包括图像采集卡与图像处理模块，所述工业相机与图像采集卡电连接；

9、所述图像采集卡与图像处理模块电连接；

10、所述视觉定位系统还包括标定模块，所述标定模块用于建立工业相机像素坐标系与桁架机械手世界坐标系之间的映射关系。

11、进一步的，所述桁架架体的上部设有齿条部件；

12、所述齿条部件的上部设有机械手；

13、所述机械手包括移动组件，所述移动组件与齿条部件传动连接。

14、进一步的，所述移动组件的底部设有移动部件；

15、所述移动部件与齿条部件传动连接。

16、进一步的，所述机械手还包括升降组件，所述升降组件与移动组件活动连接；

17、所述升降组件的末端与末端执行器连接；

18、所述移动组件、升降组件和末端执行器分别由独立的伺服电机驱动。

19、进一步的，所述控制系统包括运动控制器和伺服驱动系统；

20、所述运动控制器内置示教软件，支持多轴复合运动控制和多种运动轨迹的示教编辑；

21、所述控制系统还支持各轴点动、单独定位、回零、手动调试及抓取/松开工件操作。

22、一种一拖三龙门式上下料机械手系统控制方法，包括以下步骤：

23、步骤一：通过所述视觉定位系统采集上料料仓中毛坯件的图像，识别并计算毛坯件的抓取位置坐标；

24、步骤二：所述控制系统根据抓取位置坐标，驱动桁架机械手移动，使末端执行器到达抓取位抓取毛坯件，并接收抓取确认信号；若未接收到抓取确认信号，则重新执行抓取动作；

25、步骤三：所述控制系统根据三台立式车床的加工状态，选定其中一台空闲或已发出加工完成信号的车床作为目标立式车床，向该目标立式车床输出自动门开启信号；

26、待自动门开启后，驱动桁架机械手将毛坯件移送至该目标立式车床的加工位，并向该立式车床输出卡盘夹紧信号，待接收到卡盘夹紧反馈信号后，所述末端执行器松开工件并退出立式车床的内部加工区域，然后向该立式车床输出自动门关闭信号，待自动门关闭后输出启动信号控制该立式车床开始加工；

27、步骤四：加工完成后，所述控制系统接收该立式车床发出的加工完成信号，向该立式车床输出自动门开启信号；

28、待自动门开启后，控制末端执行器进入加工位，向该立式车床输出卡盘松开信号；

29、待接收到卡盘松开反馈信号后，控制末端执行器夹紧成品件并退出该立式车床的内部加工区域。

30、步骤五：所述控制系统驱动桁架机械手将成品件移送至成品料仓并释放；

31、在所述步骤三和步骤四中，控制系统实时监测末端执行器的空间位置，若判断末端执行器位于立式车床的内部加工区域内，则禁止向该立式车床输出启动信号，形成安全互锁。

32、进一步的，在所述步骤一和步骤二之间还包括抓取位置补偿步骤：所述视觉定位系统中的图像处理模块根据采集的图像计算毛坯件的中心偏移量和角度偏移量；

33、所述控制系统根据中心偏移量和角度偏移量对步骤一中的抓取位置坐标进行偏差补偿，驱动桁架机械手以补偿后的抓取位置坐标执行步骤二的抓取动作；

34、在所述步骤三与步骤四之间，还包括翻面步骤：该立式车床完成第一序加工后，所述控制系统驱动桁架机械手将半成品件移送至变位机进行翻面，翻面后重新移送至该立式车床，按照步骤三的方式启动第二序加工。

35、进一步的，所述图像处理模块计算毛坯件的抓取位置坐标包括以下步骤：提取毛坯件轮廓的质心坐标作为基准抓取点；

36、若上料料仓内同时存在多个毛坯件，图像处理模块对每个识别出的毛坯件分别计算其抓取位置坐标，并按照预设规则生成抓取优先级列表，供控制系统按序执行抓取；

37、所述预设规则为距离机械手由近及远，或按料仓排列顺序。

38、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用单臂桁架机械手同时服务三台立式车床，配合两组上料料仓和两组成品料仓的布局，实现了多台设备之间的高效协同作业，大幅提升了生产效率和设备利用率，降低了设备投入成本和占地面积。桁架机械手采用齿条部件与齿轮部件配合的齿轮齿条传动结构，配合伺服电机驱动，具有传动平稳、承载能力强、定位精度高的优点，能够满足重型工件的搬运需求；移动组件、升降组件和末端执行器分别由独立的伺服电机驱动，实现了各运动轴的独立精确控制，进一步提高了系统的定位精度和运动灵活性。升降组件与末端执行器的配合设计，使机械手具备灵活的升降和抓取能力，适应不同高度工位的上下料需求。控制系统内置示教软件，支持多种运动轨迹编辑和多轴复合运动控制，操作灵活便捷，有效降低了编程难度和调试时间。视觉定位系统实现了毛坯件的自动识别与定位抓取，配合抓取位置补偿步骤对偏移量进行偏差补偿，有效提高了抓取精度和适应性，即使毛坯件在料仓中摆放存在偏差也能准确抓取。末端执行器与机床卡盘的信号交互控制，实现了卡盘自动夹紧与松开，保证了上下料动作的准确性和可靠性；本发明的龙门桁架的负载能力为5吨，属于重载龙门桁架。

39、本发明提供的控制方法，在上下料过程中，控制系统通过卡盘夹紧信号与反馈信号的交互确认，保证了工件装夹的可靠性，有利于避免因装夹不到位导致的加工事故。控制系统根据三台立式车床的加工状态自动选定目标车床并调度机械手为其服务，实现了多台车床的并行自动上下料。通过实时监测末端执行器的空间位置并与机床启动信号形成安全互锁，当机械手位于机床内部时禁止机床启动，从根本上杜绝了机械手与机床主轴发生碰撞的安全风险。变位机的设置配合控制系统的翻面步骤，使系统能够自动完成多序加工中工件的姿态调整与翻面，实现了第一序与第二序加工之间的全自动流转，无需人工干预，进一步提升了生产线的自动化程度和连续运行能力。