一种自动分拣搬运系统

1.本发明涉及船舶制造技术领域，具体地，涉及一种用于船舶零件自动分拣搬运系统。


背景技术：

2.船舶制造需要数以万计的零件，为了保证合理准确的制造过程，零件的理料分拣的效率与准确性直接影响了船舶后续制造的效率与最终的质量。船舶零件的智能分拣搬运装备在船舶行业中还未得到实际的应用，尤其是不规则的船板零件，装备无法有效的进行分拣搬运。目前船舶零件分拣搬运的方法主要为人工分拣。
3.人工分拣是由工人通过肉眼识别船板零件上的喷码，确定零件流向，通过其中设备对零件进行分拣搬运，这种分拣搬运方式较为灵活，工人可对任意零件进行分拣搬运，但是人工分拣搬运效率较低，且差错率高。人工分拣过程具有因人而异的随意性，缺乏有效的管控性，无法有效的把控生产进程以及关键作业时间节点。
4.经检索，为了解决人工分拣存在的问题，现有技术中已经有研究出自动分拣装置，比如，中国专利申请号为202020449291.3的实用新型专利，其提供了一种自动分拣装置，包括主控制器、机械臂机构、磁吸板和磁吸控制器；磁吸控制器与主控制器连接；机械臂机构与主控制器连接；磁吸板安装在机械臂机构上，机械臂机构用于带动磁吸板移动；磁吸板上设置有多个磁吸点，多个磁吸点分别与磁吸控制器连接，磁吸控制器用于控制磁吸点的充磁或者消磁，以使充磁的多个所述磁吸点与工件的形状相对应。机械臂机构能够带动磁吸板移动，磁吸控制器能够控制磁吸板上多个磁吸点的充磁和消磁，以使充磁的磁吸点构成的形状与工件的形状相对应，更加精确地吸附工件，避免发生同时吸附多个工件的情况，提高分拣效率。
5.但是，上述实用新型采用固定点式机械臂设计，行程较小，作业范围有限，部分零件分拣平台长几十米宽达数米，机械臂设计无法有效覆盖分拣区域，需要布置多台设备进行分拣，成本较高且存在区域限制，无法适用于船舶领域的零件分拣；机械臂设计搬运零件重量有限，船舶零件重量重达几百公斤，采用机械臂式设计无法有效搬运零件。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种自动分拣搬运系统，以实现自动化零件分拣搬运过程，提高分拣搬运效率，防止人工错误分拣，避免人工分拣的随意性，可以满足船舶领域的零件分拣的需求。
7.本发明提供一种自动分拣搬运系统,包括：
8.磁吸系统，用于抓取、搬运零件；
9.驱动系统，与所述磁吸系统连接，驱动所述磁吸系统实现沿着x轴、y轴、z轴、r轴方向的运动；
10.导轨系统，用于支撑所述驱动系统，并限制所述驱动系统沿x轴方向的移动行程；
11.电控系统，与所述驱动系统连接，并控制所述驱动系统的运动。
12.进一步地，所述导轨系统由左导轨和右导轨组成，所述左导轨和右导轨对称设置，分别包括固定在地面上的安装调整支架、铺设于安装调整支架上的钢轨和设于所述钢轨两端的防碰撞装置。
13.进一步地，所述驱动系统包括：
14.x轴驱动系统，在所述电控系统的控制下，驱动所述磁吸系统进行横向移动；
15.y轴驱动系统，在所述电控系统的控制下，驱动所述磁吸系统进行纵向移动；
16.z轴驱动系统，在所述电控系统的控制下，驱动所述磁吸系统进行竖向移动；以及，
17.r轴驱动系统，在所述电控系统的控制下，驱动所述磁吸系统进行旋转运动。
18.进一步地，所述y轴驱动系统包括：
19.横梁；
20.设于横梁两侧的横向滑轨；以及，
21.连接在所述横向滑轨上的y轴电机，所述y轴电机带动所述磁吸系统纵向移动。
22.进一步地，所述x轴驱动系统由左侧立柱和右侧立柱组成，所述左侧立柱和所述右侧立柱对称设置，分别包括：
23.立体柱，所述立体柱的上端面与所述横梁连接；
24.设于所述立体柱底部的承重轮，所述承重轮坐落于钢轨上；以及，
25.连接在所述立体柱上的x轴电机，所述x轴电机带动所述磁吸系统横向移动。
26.进一步地，其特征在于，所述z轴驱动系统包括：
27.竖梁；
28.设于所述竖梁上的竖向滑轨；
29.连接在所述竖向滑轨一侧的z轴电机，所述z轴电机驱动所述磁吸系统竖向移动；以及，
30.固定安装在竖梁底部的r轴安装底板。
31.进一步地，所述r轴驱动系统包括通过r轴安装底板连接在竖梁上的旋转齿轮及设于旋转齿轮一侧的r轴电机，所述r轴电机驱动所述旋转齿轮旋转，其中，其中，所述旋转齿轮的旋转角度能实现全角度覆盖，所述r轴驱动系统安装于设备上方，采用完全的空中作业形式。
32.进一步地，所述磁吸系统包括连接在所述旋转齿轮上的磁吸横梁、连接在磁吸横梁下方的磁吸装置及设于磁吸横梁与磁吸装置之间的缓冲部件。
33.进一步地，所述磁吸装置为电磁铁或其他磁性吸附装置。
34.进一步地，所述电控系统包括：
35.plc控制器，所述plc控制器通过安装在工控机上的控制程序进行控制；
36.与所述驱动系统相连接的伺服驱动器；以及，
37.位置传感器和测距传感器，用于向上位机传输信号。
38.进一步地，打开所述工控机上的控制程序，所述控制程序下发指令至设备plc实现对设备的控制：
39.首先导入并解析钢板切割的gen文件，从中获取工艺信息，包括零件轮廓信息、零件编号和零件名称；
40.然后，根据零件轮廓以及抓取装置轮廓进行匹配拟合，所述匹配拟合过程如下：通过解析gen文件获取零件轮廓信息、零件坐标位置信息、零件重心坐标位置；计算磁吸装置的多个吸头坐标位置，计算重心坐标位置是否存在零件轮廓内；如重心处在零件轮廓内，继续计算通过重心坐标的最佳抓取角度，自动计算零件抓取的位置坐标；如零件重心处于零件轮廓外，通过计算重心通过线与零件轮廓的交接线，自动计算零件的最佳抓取坐标位置；
41.最后，控制程序获取零件抓取坐标位置信息后，将其转换为设备坐标信息，启动自动分拣搬运系统进行预分拣搬运。
42.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
43.本发明提供的自动分拣搬运系统，配置有四自由度的驱动系统，驱动磁吸系统实现沿着x轴、y轴、z轴、r轴方向的运动，保证了零件分拣搬运的灵活性，同时沿四个轴的行程均较大，可适应于船舶制造过程中各种形状尺寸零件搬运，实现船舶制造过程中各类型零件的分拣搬运。
44.本发明提供的自动分拣搬运系统中，x轴采用导轨系统(钢轨)，可以根据应用需要来调整钢轨长度调整x轴行程，使得x轴行程长度不限。
45.本发明提供的自动分拣搬运系统中，y轴驱动系统采用横梁结构，同时可根据调整横梁上横向滑轨的长度来调整y轴行程。
46.本发明提供的自动分拣搬运系统中，z轴驱动系统中，可以根据竖梁高度，调整竖向滑轨的长度来调节z轴行程。
47.本发明提供的自动分拣搬运系统中，r轴为旋转轴，r轴驱动系统采用齿轮齿条机构，旋转角度能实现全角度覆盖，安装于设备上方，完全的空中作业形式，少量地占用工厂地面空间。
48.本发明提供的自动分拣搬运系统中，xyz三轴行程可根据应用现场进行设计，来调节导轨长度改变桁架机器人行程，适用于各个生产现场，z轴拓展轴r轴，采用齿轮齿条结构，可调整至任意角度进行零件抓取搬运，并可将零件调整至任意角度进行释放，可适应于船舶制造过程中各种形状尺寸零件搬运，实现船舶制造过程中各类型零件的分拣搬运。
49.本发明提供的自动分拣搬运系统中，通过安装在工控机上的配套控制程序控制plc控制器，该控制程序首次采用现场切割工艺文件即gen文件作为驱动，来实现零件的自动化分拣，全过程实现自动化过程，避免人工操作；操纵驱动系统的移动，操作便捷，实用性强；提升了对分拣搬运过程的把控能力，提高了分拣搬运的效率，防止人工错误分拣，避免了人工分拣的随意性，实现快速高效分拣。
附图说明
50.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
51.图1为本发明一实施例的自动分拣搬运系统的结构示意图；
52.图2为本发明一实施例的自动分拣搬运系统的导轨系统结构示意图；
53.图3为本发明一实施例的自动分拣搬运系统的驱动系统结构示意图；
54.图4为本发明一实施例的自动分拣搬运系统的y轴驱动系统结构示意图；
55.图5为本发明一实施例的自动分拣搬运系统的x轴驱动系统结构示意图；
56.图6为本发明一实施例的自动分拣搬运系统的z轴驱动系统结构示意图；
57.图7为本发明一实施例的自动分拣搬运系统的r轴驱动系统结构示意图；
58.图8为本发明一实施例的自动分拣搬运系统的电控系统结构示意图；
59.图中：1为磁吸系统，2为驱动系统，3为导轨系统，4为电控系统，11为磁吸横梁，12为磁吸装置，13为缓冲部件，21为x轴驱动系统，22为y轴驱动系统，23为z轴驱动系统，24为r轴驱动系统，31为安装调整支架，32为钢轨，33为防碰撞装置，211为立体柱，212为承重轮，213为x轴电机，214为行程开关，221为横梁，222为横向滑轨，223为y轴电机，231为竖梁，232为竖向滑轨，233为z轴电机，234为r轴安装底板，241为旋转齿轮，242为r轴电机。
具体实施方式
60.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
61.如图1所示，为本发明一实施例的自动分拣搬运系统的结构示意图，图中包括磁吸系统1、驱动系统2、导轨系统3以及电控系统4。其中，磁吸系统1用于抓取、搬运零件；驱动系统2用于驱动磁吸系统1实现沿着x轴、y轴、z轴、r轴方向的运动，沿着x轴、y轴方向上的移动可以实现零件的初步定位，沿着r轴方向上的移动主要实现零件再次定位保证磁吸系统1能与零件充分接触，沿着z轴方向上的移动主要用于保证磁吸系统1与零件表面进行接触实现零件抓取；导轨系统3设于地面上，用于支撑驱动系统2并限制驱动系统2沿x轴方向的移动行程；电控系统4用于控制驱动系统2的运动，从而控制磁吸系统1对于零件的抓取、搬运工作，实现最终的零件自动分拣和搬运。
62.如图2所示，在一些优选实施例中，导轨系统3由左导轨和右导轨组成，左导轨和右导轨对称设置，分别包括固定在地面上的安装调整支架31和铺设于安装调整支架31上的钢轨32。其中，钢轨32的侧面布置有齿条。在一些实施例中，钢轨32两端设有防碰撞装置33，用于避免过冲对设备的损害。
63.如图3所示，在一些优选实施例中，驱动系统2为龙门架式结构，其主要功能是带动磁吸系统1运动，共可实现四个方向上的运动，包括用于实现磁吸系统1横向移动的x轴驱动系统21、用于带动磁吸系统1纵向移动的y轴驱动系统22、用于带动磁吸系统1竖向移动的z轴驱动系统23和用于实现磁吸系统1旋转运动的r轴驱动系统24。
64.如图4所示，在一些优选实施例中，y轴驱动系统22包括横梁221、设于横梁221两侧的横向滑轨222以及连接在横向滑轨222上的y轴电机223。两条横向滑轨222通过螺钉固定连接在横梁221上，横向滑轨222上设有滑动连接板，横梁221上还固定有齿条，y轴电机223通过滑动连接板固定在横向滑轨222上，y轴电机223上安装有与横梁221上的齿条相啮合的齿轮。y轴电机223旋转时，带动齿轮正、反方向旋转移动，带动磁吸系统1纵向位移。在一实施例中，沿y轴的最大移动速度达到0.8m/秒，最大行程为5m。本实施例中，y轴驱动系统采用横梁结构，可根据调整横梁上横向滑轨222的长度来调整y轴行程。
65.如图5所示，在一些优选实施例中，x轴驱动系统21由左侧立柱和右侧立柱组成，左侧立柱和右侧立柱关于龙门架式结构的中心线对称设置，左侧立柱和右侧立柱分别包括设
于横梁221两端的立体柱211、设于立体柱211底部的承重轮212、连接在立体柱211上的x轴电机213。其中，立体柱211的上端面通过螺栓与横梁221连接固定，承重轮212坐落于钢轨32上用于支撑整个装置，x轴电机213通过螺栓固定在立体柱211上，x轴电机213的底部设有与钢轨32上的齿条相啮合的驱动齿轮，通过齿轮齿条传动，驱动整个驱动系统2沿钢轨32移动，实现磁吸系统1横向位移。另外，立体柱211的外侧设有限制位移的行程开关214，用于磁吸系统1精确抓取时限制驱动系统2的移动。在一实施例中，沿x轴的最大移动速度达到0.8m/秒，最大行程为4.8m。本实施例中，x轴基于钢轨32移动，可以根据应用需要来调整钢轨32长度调整x轴行程，使得x轴行程长度不限。
66.如图6所示，在一些优选实施例中，z轴驱动系统23包括竖梁231、设于竖梁231上的竖向滑轨232、连接在竖向滑轨232一侧的z轴电机233以及固定安装在竖梁231底部的r轴安装底板234。其中，r轴安装底板234通过螺栓固定安装在竖梁231上，z轴电机233同样依靠齿轮齿条带动磁吸系统1竖向移动。在一实施例中，沿z轴的最大移动速度为200mm/s,最大行程为800mm。本实施例中，z轴可以根据竖梁231的高度，调整竖向滑轨232的长度来调节z轴行程。
67.如图7所示，在一些优选实施例中，r轴驱动系统24包括通过r轴安装底板234连接在竖梁231上的旋转齿轮241及设于旋转齿轮241一侧的r轴电机242。r轴电机242的底部连接驱动齿轮，驱动齿轮与旋转齿轮241啮合，实现磁吸系统1的旋转运动。磁吸系统1包括连接在旋转齿轮241上的磁吸横梁11、连接在磁吸横梁11下方的磁吸装置12及设于磁吸横梁11与磁吸装置12之间的缓冲部件13，磁吸系统采用多头磁吸，每个吸头可以根据系统控制进行单独充磁以及退磁；磁吸系统1采用磁吸横梁连接磁吸吸头，磁吸系统1排布能根据不同形状尺寸的零件来调整磁吸横梁11长度以及磁吸横梁11数量，以此来调整磁吸吸头数量，具体的，既可以采用单排也可采用多排式设计，可以根据不同形状尺寸的零件来分开单独控制每个磁吸吸头单独充磁退磁来适应各类型零件的抓取和释放以及姿态调整，同时磁吸装置设有缓冲部件13，能适应非平整零件的抓取，当零件在垂直空间带有曲线时，依然可以进行零件的抓取和释放；磁吸装置12可以为电磁铁或其他磁性吸附装置。在一实施例中，沿r轴的最大移动速度为60
°
/s,最大行程为270
°
。本实施例中，r轴为旋转轴，r轴驱动系统采用齿轮齿条机构，旋转角度
±
270
°
，实现全角度覆盖，安装于设备上方，完全的空中作业形式，少量地占用工厂地面空间。
68.本发明上述实施例中，y轴横梁采用重载横梁，x轴导轨系统采用重载导轨和重载滑块结构，具体的，采用结构钢材料，并材料加厚设计，可承载重量增大。
69.如图8所示，在一些优选实施例中，电控系统4包括plc控制器、伺服驱动器及用于向上位机传输信号的位置传感器和测距传感器，位置传感器可实时测量分拣装置位于导轨的位置，防止三轴在运动过程中超过极限位置，保证装置的作业过程的安全，同时避免在作业时遇障碍后的停止作业；测距传感器用于z轴，来实时测算零件与z轴间的距离，防止z轴作业装置过度下压，保障装置安全作业。多个伺服驱动器分别与x轴电机、y轴电机、z轴电机及r轴电机相连接，plc控制器与各伺服驱动器相连，通过安装在工控机上的自主研发的配套控制程序控制plc控制器，操纵各个方向的运动。
70.基于上述自动分拣搬运系统的结构特征，下面提供一应用例将上述自动分拣搬运系统应用于船舶制造中的钢板搬运。
71.首先，将切割完成后的钢板放置在左导轨和右导轨之间形成的作业平台上，并调整好位置。使得钢板的x/y轴方向与作业平台的x/y轴方向尽量平行，并且保证钢板的左上角位于作业平台的物理坐标零点。
72.在工控机上打开分拣搬运控制程序，控制程序下发指令至设备plc实现对设备的控制，首先导入并解析钢板切割的gen文件，从中获取零件轮廓信息、零件编号和零件名称等工艺信息；虽然能够从gen文件中解析零件重心坐标，但是某些零件的重心并不在零件上，重心坐标并不适宜于作为零件抓取位置，而且部分零件不规则，无法保证能正确抓取零件。因此本实施例中根据零件轮廓以及抓取装置轮廓进行匹配拟合。具体的，匹配拟合过程优选以下算法：通过解析gen文件获取零件轮廓信息、零件坐标位置信息、零件重心坐标位置；计算磁吸装置的多个吸头坐标位置，计算重心坐标位置是否存在零件轮廓内；如重心处在零件轮廓内，继续计算通过重心坐标的最佳抓取角度，自动计算零件抓取的位置坐标；如零件重心处于零件轮廓外，通过计算重心通过线与零件轮廓的交接线，自动计算零件的最佳抓取坐标位置。本实施例通过该算法，首次采用现场切割工艺文件即gen文件作为驱动，来实现零件的自动化分拣，全过程实现自动化过程，避免人工操作。
73.控制程序获取相关信息即零件抓取坐标位置信息后，转换为设备坐标信息，启动自动分拣搬运系统进行预分拣搬运。工控机屏幕上显示拟搬运钢板的cad图样，光标按照零件搬运顺序，分别在各个零件的抓取坐标点位置间移动，模拟实际零件分拣搬运作业的动作，将零件按实际作业流向进行分拣搬运。在电脑屏幕模拟演示过程中，如果发现某个零件的搬运位置出错，如出现超出设备的零件搬运作业范围等异常情况，系统报警提示出错信息，此时应退回上层界面，重新放置钢板。
74.在预分拣搬运无误后，即可启动自动分拣搬运系统进行操作。
75.plc控制器按照工控机指令，驱动x轴电机213、y轴电机223和r轴电机242使得磁吸装置12依次运行到各个零件的设计位置，到达之后首先驱动z轴电机233将磁吸装置12与零件接触，抓取零件。抓取零件后，r轴电机242驱动旋转调整零件姿态后将零件进行分拣、搬运至指定位置。
76.在分拣搬运作业完成后，整个系统回退到初始位置，准备下一次零件分拣搬运工作。
77.本发明上述实施例中能自动化分拣搬运，在指定零件释放位置后，装置通过控制程序从工艺文件中自动化计算每一个零件的抓取坐标位置，不需要人工进行干预，然后将零件抓取坐标位置转换为设备坐标位置，指定分拣装置进行每一个零件的自动化分拣。整个过程可实现无人化操作，装置将每一个零件分拣到指定位置，同时控制程序可指定算法，进行零件分拣的路径进行优化，根据生产实际需要来实现多个零件搬运的路径优化，实现分拣搬运的时间最优，或者零件搭配最优等。
78.控制程序为集成运动控制系统，采用船舶现场工艺文件即gen文件作为程序驱动，避免了采用视觉技术通过对每个零件识别进行，再通过算法计算零件分拣坐标的过程；通过解析gen文件来获取零件分拣坐标以及分拣流向，通过一个单独的工艺文件即可实现整个船舶整个切割钢板零件的分拣，从而极大提高了现场的分拣效率。工艺文件数据处理以及设备控制集成为控制系统，系统可以通过工艺文件来获取每一个零件分拣数据即零件分拣坐标，分拣流向等，实时采集位置传感器和测距传感器信息，控制设备实现对零件的自动
化分拣和搬运。
79.本发明上述实施例保证了零件分拣搬运的灵活性，同时沿四个轴的行程均较大，可适应于船舶制造过程中各种形状尺寸零件搬运，实现船舶制造过程中各类型零件的分拣搬运。
80.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。