双臂多轴龙门式机械手及使用该机械手的生产流水线的制作方法

本发明涉及一种生产流水线，特别涉及一种具有通用性的双臂多轴龙门式机械手及使用该双臂多轴龙门式机械手的生产流水线。

背景技术

对于各类工厂的组装生产工艺，主要可以归类为码垛、插件、压入、粘贴、锁螺丝等等。不同产品的组装动作不一致，采用传统的气动+伺服自动化结构很难满足要求，采用普通的四轴或六轴机械手存在效率低及成本高的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种精度高、稳定性好、结构简单、工作范围广、成本较低的具有较强通用性的双臂多轴龙门机械手及使用该机械手及的生产流水线的技术方案。

用以实现上述目的的双臂多轴龙门机械手的技术方案，

包括：多个立柱；相对置的第一、第二x向横梁，架设在所述多个立柱的上方；以及第一、第二臂y向横梁，两端分别设置在所述相对置的第一x向横梁和第二x向横梁上，其特征在于，

第一臂包括所述第一臂y向横梁、第一臂z向竖梁、第一臂末端多轴结构以及第一臂夹紧装置，所述第一臂z向竖梁设在所述第一臂y向横梁上，所述第一臂末端多轴结构设在所述第一臂z向竖梁下端，所述第一臂夹紧装置设在所述第一臂末端多轴结构的下端，

第二臂包括所述第二臂y向横梁、第二臂z向竖梁、第二臂末端多轴结构以及第二臂夹紧装置，所述第二臂z向竖梁设在所述第二臂y向横梁上，所述第二臂末端多轴结构设在所述第二臂z向竖梁下端，所述第二臂夹紧装置设在该第二臂末端多轴结构的下端，

所述第一x向横梁和所述第二x向横梁上各自设有x向直线驱动机构，所述第一臂y向横梁和所述第二臂y向横梁上各自设有y向直线驱动机构，所述第一臂z向竖梁和所述第二臂z向竖梁上各自设有z向直线驱动机构，其中，所述x向和y向相垂直，所述z向与由所述x向和所述y向构成的平面相垂直，

其中，所述第一臂末端多轴结构包括第一臂水平轴旋转结构和垂直轴旋转结构，所述第二臂末端多轴结构包括第二臂水平轴旋转结构，所述第一臂水平轴旋转结构由第一臂水平旋转驱动伺服电机驱动，所述垂直轴旋转结构由垂直旋转驱动伺服电机驱动，第二臂水平轴旋转结构由第二臂水平旋转驱动伺服电机驱动，

该双臂多轴龙门式机械手包括控制系统，该控制系统采用统一的坐标系统实时监控所述第一臂和所述第二臂的各部件的位置。

优选上述双臂多轴龙门式机械手的技术方案中，

所述第一、第二x向横梁、所述第一、第二臂y向横梁和所述第一、第二臂z向竖梁上分别设有直线滑轨，

所述x向直线驱动机构、所述y向直线驱动机构、所述z向直线驱动机构分别包括：设在相应的所述直线滑轨上的齿条；设在所述齿条上的滑动机构，包括滑块和该滑块上的活动托板；直线驱动伺服电机，设在所述滑动机构上；以及与所述齿条结合的齿轮，安装在行星减速机上，由所述直线驱动伺服电机进行驱动，

所述第一、第二臂y向横梁的两端分别设在所述第一x向横梁和所述第二x向横梁上的所述滑动机构上，

所述第一臂z向横梁设在所述第一y向横梁上的所述滑动机构上，所述第二臂z向横梁设在所述第二y向横梁上的所述滑动机构上，

所述第一臂末端多轴结构的一端设在所述第一臂z向横梁上的所述滑动机构上，所述第二臂末端多轴结构的一端设在所述第二臂z向横梁上的所述滑动机构上。

优选上述双臂多轴龙门式机械手的技术方案中，所述滑动机构与所述直线驱动伺服电机之间设有预紧消隙板，用以消除所述齿轮和所述齿条之间的间隙。

优选上述双臂多轴龙门式机械手的技术方案中，所述第一、第二臂末端多轴结构上分别设有机器视觉装置，所述机器视觉装置包括工业相机和视觉光源，

所述视觉光源由红、绿、蓝色三种颜色的环形发光二极管构成，每一个颜色分为各自单独控制的4个光源单元，共计由12个光源单元构成，

对于每一种新产品，所述控制系统控制红、绿、蓝色三种颜色的各光源单元以中等程度单独发光和组合发光，同时拍摄物料图像提取图像对比度及边缘锐度以判别当前产品适合哪一种颜色组合，然后，自动调整各光源亮度的同时拍摄图像提取图像对比度及边缘锐度以判别产品适合的亮度组合，再根据图像中亮度区域的均衡状况调整各光源单元的亮度，以求得最佳照明效果，之后自动保存12个光源单元的控制电流参数，

并且，所述控制系统自动评估当前图像的亮度是否与理想亮度存在差异，从而自动调整曝光时间来拍摄物料图像，以取得适合当前物料的最佳图像。

优选上述双臂多轴龙门式机械手的技术方案中，在所述机器视觉装置附近设有激光位置传感器，用于在用所述工业相机拍摄物料前，先由所述激光位移传感器测量与物料表面之间的距离；

所述控制系统根据已知的所述激光位移传感器与所述工业相机之间距离以及所测量的所述激光位移传感器测量与物料表面之间的距离，计算出所述工业相机与物料表面之间的距离，并根据该工业相机与物料表面之间距离调整所述工业相机高度，以确保每次检测时物距一致。

优选上述双臂多轴龙门式机械手的技术方案中，所述第一、第二x向横梁由相同规格的梁体构成，在所述梁体的一端或两端设有模组连接结构，用以连接多个梁体来构建三个以上龙门结构。

优选所述控制系统将所述第一x向横梁和第二x向横梁中某一x向横梁作为主动轴，将另一x向横梁作为从动轴，在所述双臂多轴龙门式机械手调试过程中，所述控制系统控制所述主动轴和所述从动轴上的各臂同步进行原点回归动作，以保证主从轴位置一致，在所述双臂多轴龙门式机械手运行过程中，所述控制系统实时监控各臂在所述第一x向横梁和所述第二x向横梁上的偏差值，如发现有偏差过大超过设定阈值时，立即自动补偿位置，从而保证双轴同步。

优选所述控制系统将所述各臂的各部件控制成，在各部件的每个运动循环结束后，使得被驱动的各部件自动回归到机械原点位置，当快接近原点位置时减速而以低速接近原点，并进行原点搜索，当搜索到原点信号时，再次减速，以当前位置作为坐标零点来进行坐标自动归零，从而消除累计误差。

用以实现上述目的的生产流水线的技术方案，包括：滚子链条；放置在所述滚子链条上的工装托板；以及设在所述工装托板上方的上述双臂多轴龙门式机械手。

优选上述生产流水线的技术方案中，还包括：光电传感器，用以感应所述工装托板；以及限位气缸，用于定位所述工装托板。

上述双臂多轴龙门式机械手，具有精度高、稳定性好、结构简单、工作范围广、成本较低、较强通用性。

另外，上述双臂多轴龙门式机械手整体可作为一个模组单元，可通过模组连接结构等模块化结构，连接多个梁体来构建三个以上龙门结构来适用于生产流水线。

附图说明

图1是示出本发明的一优选实施例的双臂多轴龙门式机械手的示意图。

图2是示出上述实施例的双臂多轴龙门式机械手的另一方向示意图。

图3是示出上述实施例中滚子链流水线的具体示意图。

图4是示出上述实施例中x向、y向、z向直线驱动机构的放大示意图。

图5是示出上述实施例中x向、y向、z向直线驱动机构的局部放大示意图。

附图标记说明如下：1立柱，2高度调整螺栓，3x1向横梁，4直线滑轨，5第一臂x1向直线驱动伺服电机，6第一臂y向横梁，7第一臂z向直线驱动伺服电机，8第一臂y向驱动伺服电机，9第一臂x2向直线驱动伺服电机，10x2向横梁，11x2向齿条，12第二臂y向横梁，13第二臂x2向直线驱动伺服电机，14模组连接块，15第二臂y向驱动伺服电机，16第二臂z向驱动伺服电机，17第二臂x1向直线驱动伺服电机，18工装托板，19滚子链，20第二臂夹紧装置，21第二臂夹紧驱动伺服电机，22第二臂垂直轴旋转驱动伺服电机，23第二臂工业相机，24第二臂视觉光源，25第一臂工业相机，26第一臂视觉光源，27第一臂垂直轴旋转驱动伺服电机，28第一臂垂直轴旋转驱动伺服电机，29第一臂夹紧装置，30第一臂夹紧驱动伺服电机，31流水线限位气缸，32光电传感器，33滚子链驱动伺服电机，33第一臂z向竖梁，34第二臂z向竖梁，101直线导轨，102活动拖板，103驱动伺服电机，104预紧消隙板，105滑块，106齿条，107齿轮

具体实施方式

下面，结合附图，详细说明本发明的一优选实施例的双臂多轴龙门式机械手及使用该双臂多轴龙门式机械手的生产流水线。

如图1、2所示，本实施例的一个单元的双臂多轴龙门式机械手，主体结构包括：多个立柱1；相对置的x1向横梁3和x2向横梁10，架设在所述多个立柱1的上方；以及第一臂y向横梁6和第二臂y向横梁12，两端分别设置在所述相对置的x1向(第一x向)横梁3和x2向(第二x向)横梁10上。

在所述第一臂y向横梁6上设有第一臂z向竖梁33，在所述第一臂z向竖梁33下端设有第一臂末端多轴结构，在该第一臂末端多轴结构的下端设有第一臂夹紧装置29。由所述第一臂y向横梁6、第一臂z向竖梁33、第一臂末端多轴结构、第一臂夹紧装置29构成第一臂。

在所述第二臂y向横梁12上设有第二臂z向竖梁34，在所述第二臂z向竖梁34下端设有第二臂末端多轴结构，在该第二臂末端多轴结构的下端设有第二臂夹紧装置20。由所述第二臂y向横梁12、第二臂z向竖梁34、第二臂末端多轴结构、第二臂夹紧装置20构成第二臂。

所述x1向横梁3和所述x2向横梁10上各自设有x向直线驱动机构，第一臂y向横梁6和所述第二臂y向横梁12上各自设有y向直线驱动机构，所述第一臂z向竖梁33和所述第二臂z向竖梁34上各自设有z向直线驱动机构。具体来说，如图3～5所示，优选x1向横梁3、x2向横梁10、第一臂y向横梁6、第二臂y向横梁12、第一臂z向竖梁33和第二臂z向竖梁34上分别设有直线滑轨101。优选所述x向直线驱动机构、所述y向直线驱动机构、所述z向直线驱动机构分别包括：设在所述直线滑轨101上的齿条106；设在所述齿条106上的滑动机构，包括滑块105和该滑块105上的活动托板102；直线驱动伺服电机103，设在所述滑动机构上；以及与所述齿条106结合的齿轮107，安装在行星减速机上，由所述直线驱动伺服电机103进行驱动。其中，所述第一臂y向横梁6的两端分别设在所述x1向横梁3和所述x2向横梁10上的所述x向直线驱动机构的所述活动托板上，第二臂y向横梁12的两端分别设在所述x1向横梁3和所述x2向横梁10上的所述x向直线驱动机构的所述活动托板上。所述第一臂z向竖梁33可以设置在所述第一臂y向横梁6上的所述y向直线驱动机构的所述活动托板上，所述第二臂z向竖梁34可以设置在所述第二臂y向横梁12上的所述y向直线驱动机构的所述活动托板上。所述第一臂末端多轴结构的一端设在所述第一臂z向横梁33上的所述z向直线驱动机构的所述活动托板上，所述第二臂末端多轴结构的一端设在所述第二臂z向横梁上34的所述z向直线驱动机构的所述活动托板上。其中，所述x向和y向相垂直，所述z向与由所述x向和所述y向构成的平面相垂直。

虽然如上所述x向直线驱动机构、所述y向直线驱动机构、所述z向直线驱动机构优选齿条、齿轮、滑动机构、行星减速机、直线驱动伺服电机相组合的结构，但是也可以采用滚轴丝杠或同步带结构作为备选方案。

在现有技术中，龙门机械手一般均为直线运动，少数龙门机械手配置有z轴旋转机构，也仅仅是用来平面对位而已。而事实上产品组装过程中某些产品存在卡扣或者安装平面与标准xyz平面存在角度偏差，用普通龙门机械手则不能实现。本实施例的双臂多轴龙门式机械手中，所述第一臂末端多轴结构包括第一臂水平轴旋转结构和垂直轴旋转结构，该第一臂水平轴旋转结构由第一臂水平轴旋转驱动伺服电机28驱动，带动所述第一臂末端多轴结构及其下端的第一臂夹紧装置29在水平方向上进行旋转运动，垂直轴旋转结构由第一臂垂直轴旋转驱动伺服电机27(垂直旋转驱动伺服电机)驱动，带动所述第一臂末端多轴结构及其下端的第一臂夹紧装置在垂直方向上进行旋转运动，所述第二臂末端多轴结构包括第二臂水平轴旋转结构，该第二臂水平轴旋转结构由第二臂水平轴旋转驱动伺服电机22驱动，带动所述第二臂末端多轴结构及其下端的第二臂夹紧装置20在水平方向上进行旋转运动。所谓水平轴旋转是指以水平方向的线为轴旋转，垂直轴旋转是指以垂直方向的线为轴旋转。通过这样的配置，本实施例的双臂多轴龙门式机械手中，第一臂除了能进行x、y、z向直线运动之外，还可配合进行水平方向和纵向旋转，第一臂除了能进行x、y、z向直线运动之外，还可配合进行水平方向旋转，从而可实现不同角度的安装动作。

在现有技术中，当两组普通机器人同时动作时，由各自具有独立系统坐标的独立控制系统控制各机器人，各机器人的控制系统坐标不一致，所以在各机器人工作时有时出现不同机器人的工作轨迹重合的现象，此时容易导致不同机器人相互撞击。为此，上述的双臂多轴龙门式机械手还包括控制系统(未图示)，该控制系统采用统一的坐标系统实时监控所述第一臂和所述第二臂的各部件的位置，从而防止不同机器人相互之间发生碰撞。

另外，优选所述滑动机构与所述驱动用伺服电机103之间设有预紧消隙板104，用以消除所述齿轮107和所述齿条106之间的间隙。

优选所述第一、第二臂末端多轴结构上分别设有机器视觉装置，用于检测工装托板上产品的放置情况，所述机器视觉装置包括工业相机(23,25)和视觉光源(24,26)。通过视觉光源(24,26)提供稳定照明方式，可取得较好的质量的图像，由工业相机进行图像采集，图像传输至控制系统，系统通过手眼标定，自动校正工装托板上产品的放置误差，以提高系统精度。

通用型双臂龙门机械手的适应产品种类繁多，相机拍摄的对象相应很多，而不同对象材料、颜色及表面情况都不相同，采用固定的照明光源是无法满足要求的。为此，本实施例的双臂龙门机械手中，所述视觉光源(24,26)优选由红、绿、蓝色三种颜色的环形发光二极管构成，每一个颜色分为各自单独控制的4个光源单元，共计由12个光源单元构成，以提供不同颜色不同角度不同亮度的光源。其中，所述光源单元的个数也可以根据需要选择不同的个数。

当有新产品需要进行视觉检测时，所述控制系统控制红、绿、蓝色三种颜色的各光源单元以中等程度单独发光和组合发光，同时拍摄物料图像提取图像对比度及边缘锐度以判别当前产品适合哪一种颜色组合，然后，自动调整各光源亮度的同时拍摄图像提取图像对比度及边缘锐度以判别产品适合的亮度组合，再根据图像中亮度区域的均衡状况调整各光源单元的亮度，以求得最佳照明效果，之后自动保存12个光源单元的控制电流参数，以便在检测过程中提供稳定照明。

由于被拍摄对象的表面状况原因其反光程度存在差异，特别是金属电镀件，所以本实施例的双臂龙门机械手拍摄物料时，所述控制系统还自动评估当前图像的亮度是否与理想亮度存在差异，从而自动调整曝光时间来拍摄物料图像，以取得适合当前物料的最佳图像。

此外，由于被检测物体种类可能繁多，当机械手在抓取物料时，物料表面和相机之间的物距不尽相同，从而导致视觉成像效果失真而形成检测误差。为此，本实施例的双臂多轴龙门式机械手中，优选在所述机器视觉装置附近设有激光位置传感器(未图示)，用于在用所述工业相机拍摄物料前，先由所述激光位移传感器测量与物料表面之间的距离。所述控制系统根据已知的所述激光位移传感器与所述工业相机之间距离以及所测量的所述激光位移传感器测量与物料表面之间的距离，计算出所述工业相机与物料表面之间的距离，并根据该工业相机与物料表面之间距离调整所述工业相机高度，以确保每次检测时物距一致，从而保证检测精度和检测效果。

此外，龙门机械手由于两个x向横梁跨度较大，其运行过程中容易出现两侧跑偏现象。本实施例的双臂多轴龙门式机械手中，同样由于机械手主体结构的位置、负重等不可预测，其左右x1和x2轴所承受的载荷是变化且不均衡的，因此如何保证机械臂在左右x1和x2向横梁上同步是系统能否保证定位精度的关键因素。为此，本实施例中对双轴采用主从模式，即所述控制系统将所述第一x向横梁和第二x向横梁中某一x向横梁作为主动轴，将另一x向横梁作为从动轴，在所述双臂多轴龙门式机械手调试过程中，所述控制系统控制所述主动轴和所述从动轴上的各臂同步进行原点回归动作，以保证主从轴位置一致，在所述双臂多轴龙门式机械手运行过程中，所述控制系统实时监控各臂在所述第一x向横梁和所述第二x向横梁上的偏差值，如发现有偏差过大超过设定阈值时，立即自动补偿位置，从而保证双轴同步。

本实施例的双臂多轴龙门式机械手中，机械手的各轴运动均是半闭环控制，机械运动或多或少会存在运动误差。而这些误差对于控制端而言是未知的，不可控制的，而且这些误差会随着运动次数的增多而增大，形成累计误差。为此，所述控制系统将所述各臂的各部件控制成，在各部件的每个运动循环结束后，使得被驱动的各部件自动回归到机械原点位置，当快接近原点位置时减速而以低速接近原点，并进行原点搜索，当搜索到原点信号时，再次减速，以当前位置作为坐标零点来进行坐标自动归零，从而消除累计误差。

再有，本实施例的双臂多轴龙门式机械手，优选所述x1向横梁3和x2向横梁10由相同规格的梁体构成，在所述梁体的一端或两端设有模组连接结构14，用以连接多个梁体来构建三个以上龙门结构。

如图3所示，由滚子链条、放置在所述滚子链条上的工装托板以及设在所述工装托板上方的上述一个单元的双臂多轴龙门式机械手可以构成1个单元的生产线。一个单元的生产线在应用过程中可以完成一定工作量的组装工艺任务。

此外，也可以根据产品的不同工艺步骤，通过x向横梁梁体的一端或两端设置的模组连接结构，按顺序串联连接多组x向横梁梁体和其他构成龙门臂的各部件来构成可完成各种复杂组装工艺任务的生产流水线。

优选上述生产流水线的技术方案中，还包括：光电传感器32，用以感应所述工装托板18；以及限位气缸31，用于定位所述工装托板18。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。