具有工件位置补偿功能的机加工系统的制作方法

本实用新型涉及机床加工领域，特别地，涉及一种具有工件位置补偿功能的机加工系统。

背景技术：

在现有机床加工行业，机床管理者希望提高机床使用率，尽可能地减少机床设备的折旧率及资产损失，这必然要求机床每天24小时连续作业，使得操作者工作强度大，且长时间工作，容易导致安全事故，增加管理或运营成本。

现有技术中，若采用机器人搬运作业，均采用设计专用夹具对工件毛坯或成品进行抓取，需要工件单层放置，且工件毛坯尺寸偏差不大，机器人方能够对工件进行精确抓取。但实际用于中，工件毛坯大多采用铸件，这样无法保持每一件工件尺寸完全一致；且采用单层放置，这必然需要专人上料，方能够满足机器人快节奏的加工工艺，这样必然导致了操作人员劳动强度大，且无法将劳动力彻底释放。

此外，常规生产线为了满足形状工件的换型，设计专用工装来实现工件毛坯的精确定位，从而满足机器人精确抓取，这样必然增加了设备成本，工件换型时，操作麻烦，切换时间较长，不利于提高生产效率，且常规专用夹具的方法无法解决多层，多工件品种换型的问题或困难；另外，机器人抓取定位精度，极大地影响产品在加工机床上的定位精度，最终导致产品质量不合格。为了解决工件毛坯差的问题，采用精密铸造，成本较高，亦不利于企业的运营和发展。

鉴于上述不足，需要设计一种新型的机加工系统，以克服现有机器人加工系统存在的不足，提高产品质量和效率。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种具有工件位置补偿功能的机加工系统，以解决现有的机加工系统需人工操作导致的操作强度大或者机器人搬运无法实现多层工件自动上下料及需设计专用夹具导致需换型切换、加工成本高、有损加工效率的技术问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

提供一种具有工件位置补偿功能的机加工系统，包括：用存放工件毛坯的上料装置、用于工件机加工的加工机床、用于存放工件成品的下料装置，本实用新型机加工系统还包括：

搬运机器人，其工作半径覆盖上料装置、加工机床及下料装置，用于对加工机床自动上料及下料，搬运机器人的执行机构上设有搬运夹具，搬运夹具包括用于夹持并转移工件毛坯的第一夹具及用于夹持并转移工件成品的第二夹具；

视觉传感系统，位于搬运夹具上，用于通过拍照确定上料装置上工件毛坯的位置信息；

测距系统，位于加工机床上，用于对第一夹具转移的工件毛坯在预定位置处进行测距获得相对距离信息以进行工件毛坯的厚度差补偿；

控制系统，连接视觉传感系统、测距系统及搬运机器人，用于控制搬运机器人对加工机床自动上料及下料。

进一步地，上料装置包括至少两台移动料车，移动料车上设有用于定位其停留区域的限位机构，且移动料车的放料区设有供工件毛坯沿叠置的高度方向和/或水平方向定位的定位机构。

进一步地，搬运夹具包括与执行机构相连的转接座，第一夹具及第二夹具相对间隔固设于转接座的两侧，视觉传感系统设于转接座上。

进一步地，视觉传感系统与第一夹具所在的安装平面错位布置。

进一步地，视觉传感系统为平面视觉摄像机或者照相机，且视觉传感系统经图像处理单元连接控制系统，图像处理单元用于将图像数据转换为工件毛坯的位置坐标及轮廓信息给控制系统。

进一步地，搬运机器人为六轴机器人，搬运夹具设于六轴机器人的第六轴上。

进一步地，测距系统包括用于与加工机床相连的安装支架及设于安装支架上的测距传感器、传感器覆盖装置、数据转换模块及传输电缆，测距传感器检测的数据依次经数据转换模块、传输电缆传递给控制系统。

进一步地，测距传感器为激光测距传感器、红外测距传感器或者声波测距传感器。

进一步地，本实用新型机加工系统还包括：检验装置，处于搬运机器人的工作半径内，用于搬运机器人将工件毛坯转移至检验装置中转或者将工件成品转移至检验装置以在线人工检测。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型具有工件位置补偿功能的机加工系统，通过视觉传感系统自动识别上料装置上的工件毛坯的位置，且通过测距系统实现对工件毛坯的厚度差尺寸的位置补偿，从而提升了机加工系统的智能化水平，自动化程度高，减轻了操作人员劳动强度，提升了产品质量及生产效率，具有广泛的推广应用价值。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型优选实施例具有工件位置补偿功能的机加工系统的结构示意图；

图2是图1中测距系统安装于加工机床上的结构示意图；

图3是本实用新型优选实施例搬运夹具的结构示意图；

图4是本实用新型优选实施例测距系统的结构示意图；

图5是实用新型优选实施例机加工系统的控制原理示意图；

图6是本实用新型优选实施例工件放置排列示意图；

图7是本实用新型优选实施例控制方法主控流程示意图；

图8示意出本实用新型优选实施例一上料装置A1区控制流程图；

图9示意出本实用新型优选实施例一上料装置A2区控制流程图；

图10示意出本实用新型优选实施例一的控制流程图；

图11示意出本实用新型优选实施例二上料装置A1区控制流程图；

图12示意出本实用新型优选实施例二上料装置A2区控制流程图；

图13示意出本实用新型优选实施例二的控制流程图。

附图标记说明：

1、上料装置；2、搬运机器人；3、检验装置；4、加工机床；

5、下料装置；6、控制系统；7、搬运夹具；71、第一夹具；

72、第二夹具；73、转接座；

8、视觉传感系统；81、图像处理单元；9、测距系统；

901、安装支架；902、测距传感器；903、传感器覆盖装置；

904、数据转换模块；905、传输电缆。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

参照图1至图5，本实用新型的优选实施例提供了一种具有工件位置补偿功能的机加工系统，包括：用存放工件毛坯的上料装置1、用于工件机加工的加工机床4、用于存放工件成品的下料装置5，本实用新型机加工系统还包括：搬运机器人2，其工作半径覆盖上料装置1、加工机床4及下料装置5，用于对加工机床4自动上料及下料，搬运机器人2的执行机构上设有搬运夹具7，搬运夹具7包括用于夹持并转移工件毛坯的第一夹具71及用于夹持并转移工件成品的第二夹具72；视觉传感系统8，位于搬运夹具7上，用于通过拍照确定上料装置1上工件毛坯的位置信息；测距系统9，位于加工机床4上，用于对第一夹具71转移的工件毛坯在预定位置处进行测距获得相对距离信息以进行工件毛坯的厚度差补偿；控制系统6，连接视觉传感系统8、测距系统9及搬运机器人2，用于控制搬运机器人2对加工机床4自动上料及下料。

本实施例通过视觉传感系统自动识别上料装置上的工件毛坯的位置，且通过测距系统实现对工件毛坯的厚度差尺寸的位置补偿，从而提升了机加工系统的智能化水平，自动化程度高，减轻了操作人员劳动强度，提升了产品质量及生产效率，具有广泛的推广应用价值。

本实施例中，上料装置1包括至少两台移动料车，移动料车上设有用于定位其停留区域的限位机构，且移动料车的放料区设有供工件毛坯沿叠置的高度方向和/或水平方向定位的定位机构。本实施例通过采用至少两台移动料车来供料，满足了机器人自动作业的上料需求，当控制系统检测到一台移动料车无料时，控制系统自动控制机器人转向另一料车取料，并由另一台移动料车供料。本实施例中，移动料车的左、中、右分别设置限位对接装置，以便于定位；且移动料车的放料区设计有不同排列的定位孔，操作人员放置毛坯时，根据定位孔的位置放置，以供搬运机器人抓取。图6示意出一优选实施例的上料装置工件排列，本实施例采用4X3矩阵排列，工件排列层数为5层，上料装置A1/A2区工件共120件，且上料装置的料车上设置有4X3的定位销孔，方便操作人员放置工件。

本实施例中，参照图3，搬运夹具7包括与执行机构相连的转接座73，第一夹具71及第二夹具72相对间隔固设于转接座73的两侧，视觉传感系统8设于转接座73上。优选地，为了避免视觉传感系统8与第一夹具71工作时的干涉影响且使得整体结构紧凑，视觉传感系统8与第一夹具71所在的安装平面错位布置。

本实施例中，视觉传感系统8为平面视觉摄像机或者照相机，且视觉传感系统8经图像处理单元81连接控制系统6，图像处理单元81用于将图像数据转换为工件毛坯的位置坐标及轮廓信息给控制系统6。

优选地，搬运机器人2为六轴机器人，搬运夹具7设于六轴机器人的第六轴上。通过采用六轴机器人，且控制系统通过控制六轴机器人各关节伺服电机，实现上料、下料的精准操作控制。

本实施例中，测距系统9包括用于与加工机床4相连的安装支架901及设于安装支架901上的测距传感器902、传感器覆盖装置903、数据转换模块904及传输电缆905，测距传感器902检测的数据依次经数据转换模块904、传输电缆905传递给控制系统6。

优选地，测距传感器902为激光测距传感器902、红外测距传感器902或者声波测距传感器902。测距传感器902通过测量工件毛坯底面到测距系统检测面的距离，并通过数据转换模块904转换为数字信号，通过传输电缆905传输给控制系统6，实现对工件毛坯厚度差的补偿，有效解决了工件毛坯尺寸差导致机器人上料定位不准，影响产品质量的问题。

优选地，本实施例机加工系统还包括：检验装置3，处于搬运机器人2的工作半径内，用于搬运机器人2将工件毛坯转移至加工机床前的中转或者将工件成品转移至检验装置3以人工检测。即检验装置3具备中转功能及人工检测功能，通过设置检验装置3可以便于人工在不停机的情况下对产品成品加工质量进行抽检，进一步提高产品加工质量。

本实施例机加工系统具有以下优点：

(1)、采用具有工件位置补偿的机加工系统，可以采用一台上下料机器人替代完成机床上下料作业，可以有效地减轻操作人员的劳动强度，有效提升加工工件生产效率及设备的利用率，减轻企业管理成本；

(2)、采用具有工件位置补偿的机加工系统，工件从毛坯到成品的所有工序均由机器人独立完成，无人工参与，极大地提升了工件自动化、智能化生产水平，同时也可以极大地减少生产安全事故；

(3)、机加工系统采用视觉精确定位，可以实现工件毛坯多层放置，消除频繁产品毛坯上料的时间消耗和人力资源消耗，从而提高产品的整体加工效率及加工质量，且无需增加额外的专用定位夹具，节省高昂的夹具设计费用和维修费用；

(4)、采用具有工件位置补偿的机加工系统，有效地解决工件毛坯尺寸差导致机器人上料定位不准，影响产品质量的技术难题；

(5)、机加工系统采用高端控制系统控制，进行产品换型时，只需在控制系统进行产品程序更换和更换加工机床夹具，就能够实现产品整体加工流程更换，而无需同时精通机床操作和机器人操作的操作人员，加工线操作简单，方便。

根据本实用新型的另一方面，还提供一种具有工件位置补偿功能的机加工系统的控制方法，基于上述的具有工件位置补偿功能的机加工系统，本实用新型控制方法包括：

控制系统6控制搬运机器人2上的视觉传感系统8在上料装置1的上方拍照以获取上料装置1上工件毛坯的位置信息；

控制系统6根据位置信息驱动搬运机器人2经第一夹具71将工件毛坯转移至预定位置处供测距系统9获取工件毛坯底面与测距系统9间的相对距离信息；

控制系统6驱动搬运机器人2经第二夹具72从加工机床4上取出加工完成后的工件成品；

控制系统6根据相对距离信息对工件毛坯的厚度差进行补偿并驱动搬运机器人2经第一夹具71将工件毛坯转移至加工机床4上的加工夹具上进行机加工；

控制系统6驱动搬运机器人2经第二夹具72将工件成品转移至下料装置5上。

本实用新型另一控制方法包括：

控制系统6控制搬运机器人2上的视觉传感系统8在上料装置1的上方拍照以获取上料装置1上工件毛坯的位置信息；

控制系统6根据位置信息驱动搬运机器人2经第一夹具71将工件毛坯转移至检验装置3；

控制系统6驱动搬运机器人2经第一夹具71将检验装置3上的工件毛坯转移至预定位置处供测距系统9获取工件毛坯底面与测距系统9间的相对距离信息；

控制系统6驱动搬运机器人2经第二夹具72从加工机床4上取出加工完成后的工件成品；

控制系统6根据相对距离信息对工件毛坯的厚度差进行补偿并驱动搬运机器人2经第一夹具71将工件毛坯转移至加工机床4上的加工夹具上进行机加工；

控制系统6驱动搬运机器人2经第二夹具72将工件成品转移至下料装置5上。

下面结合方法实施例对本实用新型机加工系统的控制方法进行介绍：

实施例一：

如图7所示，系统启动，机器人处于待命状态(步骤S100)，当上料装置的检测装置检测到上料装置到位信号(步骤S101)，搬运机器人2旋转到上料装置1的A1区的正上方，视觉传感系统8处于上料装置1的A1区的正上方预定高度处，控制系统6控制视觉传感系统8对整体进行拍照(步骤S102)，图像处理单元对工件图像进行处理，判断是否存在工件(步骤S103)，若视觉传感系统反馈工件存在信号，控制系统按上料装置A1区作业程序执行(步骤S107)。

若视觉传感系统或机器人控制系统反馈上料装置A1区工件不存在信号，控制系统控制机器人旋转到上料装置A2区的上前方，视觉传感系统8处于上料装置1的A2区的正上方预定高度处，控制系统控制视觉传感系统8对整体进行拍照(步骤S104)，图像处理单元对工件图像进行处理，判断是否存在工件(步骤S105)，若视觉传感系统反馈工件存在信号，控制系统按上料装置A2区作业程序执行(步骤S108)。

若视觉传感系统反馈工件不存在信号，控制系统发送工件不存在信号并报警提示，机器人返回安全区，停止作业(步骤S106)。

如图8所示，此流程为上料装置A1区控制流程，且主程序通过视觉传感系统8拍照识别工件存在，控制系统将执行该控制流程：

初始值赋值，即：

工件排列行号i＝1(1～4)；工件列号j＝1(1～3)；机器人抓取工件高度HH；工件层数Z＝1(1～5)；工件厚度H；第一件工件的拍照位置A11；拍照高度HA；工件排列X方向偏移detaX，Y方向偏移detaY(步骤S201)。

搬运机器人2调整姿态，将视觉传感系统8放置在A11的正上方，高度为HA(步骤S202)，对单一工件进行第一次视觉拍照(步骤S203)，且后续拍照位置Aij为相对于A11的平移，即：Aij＝A11+detaX*(j-1)+detaY(i-1)；

图像处理单元对视觉传感系统反馈的图片进行处理，并反馈工件中心的位置信号给控制系统(步骤S204)，控制系统获取工件与X/Y相关的位置信号，控制系统控制机器人第六轴旋转90°，移动机器人夹具到工件中心，高度Hz(步骤S205)，机器人气爪A打开，夹紧工件W(步骤S206)，搬运机器人2垂直向上移动一定距离，旋转到加工机床的正前方(步骤S207)，旋转夹具使得夹具与加工机床平行(步骤S208)，缓慢平移机器人夹具，使得工件W底面正对测距系统(步骤S209)，并保持工件W与测距系统的距离为100～120mm，并停顿0.5s，测距系统测量测距系统发光面到工件W底面的距离(步骤S210)，控制单元后台处理测试距离与标准值的差值。

控制系统控制机器人退出到安全区，机器人第六轴旋转180°，使得搬运夹具B气爪与加工机床上的工件处于同一侧(步骤S211)，移动搬运夹具到加工机床内部，使得B气爪位于工件W1的中心(步骤S212)，搬运夹具B气爪打开，夹紧工件W1，并反馈夹紧到位信号给机床控制单元(步骤S213)，机床控制单元控制机床三爪夹具闭合，松开工件W1(步骤S214)，机器人退出加工机床内部，机器人第六轴旋转180°(步骤S215)，机器人平移搬运夹具，将搬运夹具A气爪上的工件W放置在加工机床的三爪夹具上(步骤S216)，控制系统根据测距系统反馈的距离差值对工件上加工机床三爪夹具的Z轴进行补偿到位(步骤S217)，机器人发送工件W到位信号，加工机床控制单元根据机器人的到位信号，夹紧工件W，并反馈夹紧到位信号给机器人控制系统；控制系统根据加工机床反馈信号，松开气爪A(步骤S218)，机器人退出安全区，机器人发送上料完成信号，加工机床控制单元根据信号，启动加工程序进行加工作业(步骤S219)。

搬运机器人旋转到下料装置A1区，将成品工件W1放置在成品料车上，然后返回初始位置，工件列号j自动增加一次(步骤S220)。

若机器人控制系统未接收到加工机床控制单元发送的加工完成信号，搬运机器人2停留在安全区，处于待命状态(步骤S100)；若机器人控制系统接收到加工机床控制单元发送的加工完成信号，控制系统根据存储器中i/j/z的数值，从而判断Aij的位置，最终机器人移动到Aij位置重复步骤203到S220的操作动作。即搬运机器人通过程序控制自动完成上料装置1上多个工件的转移上料。

Aij的位置判断根据如下控制实现，即:

(1)对列号j进行对比判断(步骤S222)：当j≤3时，机器人沿工件列向取件，即分别按A11→A12→A13的顺序进行取件(步骤S224)；

(2)当j>3且i≤4时，对行号i自动加一次(步骤S223)，列号自动赋值为1，机器人继续沿工件列向取件，即分别按A21→A22→A23或A31→A32→A33或A41→A42→A43的顺序进行取件；

(3)如图10所示，当i>4and Z≤4工件行号/列号自动赋值为1(步骤S401)，工件层号Z自动加一次，机器人抓取工件高度为Hz(步骤S402)，重复(1)、(2)的抓取动作；

(4)当Z>5时步骤S403)，机器人控制系统发送上料装置A1区无工件信号步骤S404)，机器人返回安全区；

如图9所示，此流程为上料装置A2区控制流程，且主程序通过视觉传感系统8拍照识别工件存在，控制系统将执行该控制流程，且上料装置A2区控制流程详细步骤与A1区相似，具体参见上述描述，此处不再赘述。

实施例二：

本实用新型公开的实施例的第二实现方式，即：

如图6所示，系统启动，机器人处于待命状态(步骤S100)，当上料装置的检测装置检测到上料装置到位信号(步骤S101)，搬运机器人2旋转到上料装置1的A1区的正上方，视觉传感系统8处于上料装置1的A1区的正上方处，控制系统控制视觉传感系统8对整体进行拍照(步骤S102)，图像处理单元对工件图像进行处理，判断是否存在工件(步骤S103)，若视觉传感系统反馈工件存在信号，控制系统按上料装置A1区作业程序执行(步骤S107)。

若视觉系统或机器人控制系统反馈上料装置A1区工件不存在信号，控制系统控制机器人旋转到上料装置A2区的上前方，视觉传感系统8处于上料装置1的A2区的正上方处，控制系统控制视觉传感系统8对整体进行拍照(步骤S104)，图像处理单元对工件图像进行处理，判断是否存在工件(步骤S105)，若视觉传感系统反馈工件存在信号，控制系统按上料装置A2区作业程序执行(步骤S108)。

若视觉传感系统反馈工件不存在信号，控制系统发送工件不存在信号并报警提示，机器人返回安全区，停止作业(步骤S106)。

如图11所示，此流程为上料装置A1区控制流程，且主程序通过视觉传感系统8拍照识别工件存在，控制系统将执行该控制流程：

初始值赋值，即：工件排列行号i＝1(1～4)；工件列号j＝1(1～3)；机器人抓取工件高度HH；工件层数Z＝1(1～5)；工件厚度H；第一件工件的拍照位置A11；拍照高度HA；工件排列X方向偏移detaX，Y方向偏移detaY(步骤S601)。

搬运机器人2调整姿态，将视觉传感系统8放置在A11的正上方，高度为HA(步骤S602)，对单一工件进行第一次视觉拍照(步骤S603)，且后续拍照位置Aij为相对于A11的平移，即：Aij＝A11+detaX*(j-1)+detaY(i-1)；

图像处理单元对视觉传感系统反馈的图片进行处理，并反馈工件中心的位置信号给控制系统(步骤S604)，控制系统获取工件与X/Y相关的位置信号，控制系统控制机器人第六轴旋转90°，移动机器人夹具到工件中心，高度Hz(步骤S605)，机器人气爪A打开，夹紧工件W(步骤S606)，搬运机器人2垂直向上移动一定距离，旋转到检验滑台的正前方(步骤S607)，机器人夹具将工件W放置在检验滑台上方10mm处，松开气爪A，将工件放置在检验滑台上(步骤S608)，垂直移动机器人夹具到夹紧位置，打开气爪A，夹紧工件W(步骤S609)，机器人缓慢上移一定具体，旋转到加工机床的正前方(步骤S610)。

控制系统控制机器人退出到安全区，机器人第六轴旋转180°，使得搬运夹具B气爪与加工机床上的工件处于同一侧(步骤S611)，移动搬运夹具到加工机床内部，使得B气爪位于工件W1的中心(步骤S612)，搬运夹具B气爪打开，夹紧工件W1，并反馈夹紧到位信号给机床控制单元(步骤S613)，机床控制单元控制机床三爪夹具闭合，松开工件W1(步骤S614)，机器人退出加工机床内部，机器人第六轴旋转180°(步骤S615)，机器人平移搬运夹具，将搬运夹具A气爪上的工件W放置在加工机床的三爪夹具上(步骤S616)，控制系统控制机器人适当地将工件向加工机床Z轴方向靠近1mm(步骤S617)，机器人发送工件W到位信号，加工机床控制单元根据机器人的到位信号，夹紧工件W，并反馈夹紧到位信号给机器人控制系统；控制系统根据加工机床反馈信号，松开气爪A(步骤S618)，机器人退出安全区，机器人发送上料完成信号，加工机床控制单元根据信号，启动加工程序进行加工作业(步骤619)。

搬运机器人旋转到下料装置A1区，将成品工件W1放置在成品料车上，然后返回初始位置，工件列号j自动增加一次(步骤S620)。

若机器人控制系统未接收到加工机床控制单元发送的加工完成信号，搬运机器人2停留在安全区，处于待命状态(步骤S100)；若机器人控制系统接收到加工机床控制单元发送的加工完成信号，控制单元根据存储器中i/j/z的数值，从而判断Aij的位置，最终机器人移动到Aij位置重复步骤603到S620的操作动作。

Aij的位置判断根据如下控制实现，即：

(1)对列号j进行对比判断(步骤S622)：当j≤3时，机器人沿工件列向取件，即分别按A11→A12→A13的顺序进行取件(步骤S624)；

(2)当j>3and i≤4时，对行号i自动加一次(步骤S623)，列号自动赋值为1，机器人继续沿工件列向取件，即分别按A21→A22→A23或A31→A32→A33或A41→A42→A43的顺序进行取件；

(3)如图13所示，当i>4and Z≤5工件行号/列号自动赋值为1(步骤S801)，工件层号Z自动加一次，机器人抓取工件高度为Hz(步骤S802)，重复(1)、(2)的抓取动作；

(4)当Z>5时步骤S803)，机器人控制系统发送上料装置A1区无工件信号步骤S804)，机器人返回安全区；

如图12所示，此流程为上料装置A2区控制流程，且主程序通过视觉传感系统8拍照识别工件存在，控制单元将执行该控制流程，且上料装置A2区控制流程详细步骤与A1区相似，此处不再对其进行详细描述。

实施例所述的工件的坐标、工件数量，工件排序形式等数量不止文中提到，实际数量可根据客户实际需求进行配置。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。