专利名称：机器人预选定位控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人预选定位控制系统，尤其适用于模锻、冲压、焊点等热加工生产领域的送料机器人(或称机械手，下同)。
现有的机器人控制系统，70年代初多用电液伺服阀，但因液体粘度随温度而变化，引起定位点(零点)漂移，其重复定位精度大多只能达到±1mm，且其价格较贵。70年代末国内外开始采用交直流伺服电机驱动，它虽能提高重复定位精度，但因其造价更高不易推广。同时由于大多数工业生产中传送用的机器人，尤其是锻造及冲压等部门所用机器人的控制系统均为简单的点位控制，由于它们的生产环境温度变化大，所以上述两种系统更不适于其应用。因此，国内外均在提倡发展经济型机器人。例1977年《机床与液压》第4期上刊出“机床的电液数控装置”一文提出了用预置几种不同容量的油输入执行缸中，以得到不同定位点的控制方法。但其缺点是它的预置的容量不可变，即其行程(位移)量或定位点是固定的，是非可编程的，所以无使用价值；又例如天津大学编著的《工业机械手设计基础》一书中提出的“多点定位缓冲装置”涉及机械院机械研究所设计的辊锻机械手的液压传动系统，其定位点位置是可调的。但缺点是工步的顺序是不可调的，即系非完全可编程，且机构较复杂。
本发明的目的在于克服目前机器人控制系统存在的价格高，不易普及推广，以及不能改变定位点，位置和工步顺序不可调等缺点，
本发明的目的在于克服目前机器人控制系统存在的价格高，不易普及推广，以及不能改变定位点位置和工步顺序不可调等缺点，提供一种性能优良，价格低的预置式可变流体(液体或气体，下同)的多点定位控制系统。
本发明的目的是这样实现的一种机器人预选定位控制系统由计量缸、执行缸、位置预选储存器(简称储存器，下同)，行程缓冲装置、液压(气动)元器件，开关及可编程控制器(PC机)等组成。其特征在于位置预选储存器由固定在机架G上的计量缸M，与轴1固定的动叶片M—1和缸体M—3内壁固定的定叶片M—2，以及装在它的伸出轴1上的若干个预置盘15、预置块11、12、13和开关14，以及固定在机架上的金属外壳2等组成，且缸体两侧排气(油)孔a、b及进气(油)孔c、d经电磁阀、节流阀、管路等液压元件与动力源21及执行缸E等相连；行程缓冲装置可由电磁阀3、4及节流阀18等组成，或由阀芯3—1、弹簧3—2及阀体3—3等组成的缓冲阀3a。
现结合说明书附图对本发明作进一步说明在
图1、2及3中，E是机器人某一运动(回转或直线运动)的执行缸，M是计量缸(采用摆动式缸，下同)用于预置一定量的油或气，将此预置的油(气)输入执行缸即可得一定的行程或转角(即某一定位点)，P是位置预选储存器(以下简称储存器)，它将一个工作循环置块11、12、13及开关14，金属外壳2等组成。预置盘15上沿周边装有可任意调整位置的预置块若干个(如11、12、13，数量可根据需要而定)用紧固件11—2固定在15上，盘上开有月牙槽，其开关可为通孔、燕尾槽或T型槽等，预置块上端可嵌入永久磁铁11—1、12—1、13—1或元永久磁铁，槽的形式及是否嵌入永久磁铁，决定于选用开关的工作原理。
计量缸M与执行缸E中的一种(即摆动缸)的结构和尺寸完全相同，其动力源可采用液体或气体。缸的外壳(缸体)M—3固定在机架G上，动叶片M—1和轴1固定在一起，定叶片M—2固定在缸体M—3的内壁上，缸体两侧各有一个排气孔a、b，进气孔c、d，压力气从气源21经节流阀16及进气孔c、d、定叶片进气口进入缸体的左右腔。缸体的两个进气孔c及d在缸体M—3两端的最远点处，缸体的两个排气孔a及b在缸体两端进气孔距离为10—20mm。排气孔兼有使叶片(或活塞)在终点(即排气孔处)缓冲定位的功能。常态下左右二腔的排气孔由阀3、4、10封闭，动叶片两侧受力平衡而处于静止状态。当阀4开启，则左腔因排气而卸压，而右腔仍保持原有压力，使动叶片M—1逆时针方向旋转。反之，如令阀10开启，则无论叶片处于任何位置皆因右腔卸压，左腔有压力而使M—1顺时针方向旋转，左右两个排气孔也是动叶片M—1的终点。M—1转到排气孔处时，因排气孔被封闭，使叶片两侧受力平衡而自动停止。不论动叶片转动到任何位置，只要控制相应的阀而令两个排气孔不能排气，动叶片即可停止。执行缸和计量缸的动叶片最大转角为270°。各个动作的实现
1、预选预选前，动叶片M—1停于右侧终点，正好盖住排气孔a，常态下阀3、4、10都是关闭的，动叶片M—1两侧受力平衡而静止。将预置块11置于某一位置上令阀4开启，则动叶片逆时针方向旋转，并带动预置盘15同时旋转，当转到预置块11对正机架上的开关(这里是舌簧开关)14时(即转到事先预置的角度)，此时开关14被永久磁块11—1感应而发出讯号，令阀4关闭，因左腔不能排气，左右二腔受力平衡，使动叶片M—1停止。为了保证定位精度，在预置点前某一角度(位置)预置另一预置块12，当转到预定的停止点前，永久磁铁12—1对正开关14，开关14发出讯号使阀3打开而阀4关闭，此时计量缸M左腔的气体经阀3从可调节流阀18排人大气，调整节流阀到适当的开度，使动叶片减速而实现缓冲作用，接着预置块11转到对正开关14时，再发讯号令阀3也关闭，则动叶片平稳地停在预置点上，预选程序即行完成。
储存器上有多个预置盘，可根据工艺要求预置若干点以供预选，利用PC机按工艺要求去选择，使预置点依次再现。预置盘15用紧固螺钉15—2固定在计量缸M的伸出轴1上，在轴1上可安装供二套工艺用的预置盘，只要变换PC机中的软件就可很快改变程序；但也可更换预调好的预置盘到轴1上去改变程序。
每个预置盘都对应一个开关，在每次动作中，未被PC机送上的开关，虽然也被相应的永久磁铁感应，但不发讯号。
2、执行缸E动叶片正转(顺时针方向)预选好计量缸M叶片的转角，即当动叶片M—1逆时针转过了某一角度之后，令阀9、7开启则动叶片M—1顺时针旋转，计量缸M右腔中的气体(或液体，下同)可经阀9输入到缸E左腔中，从而推动缸E动叶片也顺时针转，缸E右腔气体从阀7排人大气。可调节流阀17用来调整缸E动叶片的旋转阻力，以保证缸E动叶片的转速与计量缸巨动叶片转速的同步，也即保证了行程的同步。当计量缸动叶片转到盖住右侧排气孔a时，预置角度已再现，且由于将右排气孔封住，动叶片M—1停止转动，此时预置块13上的永久磁铁13—1又对正开关14(它在预送前即在此处)，开关14被感应发出讯号使阀7关闭，令缸E动叶片停止旋转。为了防止动叶片停后缸E左腔中气体膨胀而使动叶片越程(即停不下来)，需同时令阀8、6开启，阀8启后保证右腔进气，使两腔具有相等的压力，阀6开启是为防止左腔中气压因泄漏而降压。计量缸动叶片封住右排气孔的过程是渐变的，从而使计量缸和执行缸的动叶片都得到缓冲，并平稳地停止。
3、执行缸动叶片反转(逆时针方向)开始时执行缸E的动叶片在右终点或其它位置上，令阀4、9、8开启，阀4开启后计量缸E动叶片开始逆时针旋转，缸的右排气孔a开启，从阀8进入缸E右腔的压力气使缸E动叶片逆时针旋转，同时其左腔的气经阀9进入计量缸M右腔，由于缸M左腔排气，缸M动叶片与缸E动叶片同步旋转。与正转时同样道理，可调整节流阀19使计量缸与执行缸两者动叶片的行程达到同步。当计量缸动叶片转到使某一预置块的永久磁铁对正开关14时，发讯号使阀4关闭，由于计量缸左腔不能排气，计量缸动叶片就停在预置点上，此时因阀8、9、仍是开启的，故保持了缸E动叶片左右两侧受力平衡，使其也停在相应的预置点上。反转时的缓冲也是利用类似预选时的办法，即让某个永久磁铁感应14而令阀4关闭，阀3开启，计量缸左腔的气体经阀18节流后而减速。
4、回零计量缸M动叶片回零，可令阀4开启，缸的左腔排气，右腔仍保持压力，动叶片逆时针转到封住左排气孔时即停止，因此时左右两腔压力相等。执行缸E动叶片回零，可令阀5、6、8开启，原理同前，阀10是为了计量缸M动叶片在任何位置时需要回到右终点位置而设置的。
储存器中的开关14，可用舌簧开关，也可用光电开关，如附图4所示，14—1为红外光发光管，14—2为光电转换元件，14—3为金属隔板，预置盘15与前者相同，也开有月牙槽15—1(此处为通孔槽)，所不同的是预置块为11a，其上不带永久磁铁，11a的安装与调整方法与前述相同。当11a转到预置的位置(角度)时，就将光线切断，14—2不导通(在常态下14—2处于导通状态)，则发出讯号执行相应的指令。用金属隔板14—3将每组光——电元件隔开。由于光电元件的响应速度比舌簧开关高，因此其重复定位精度较高。目前如采用德国FESTO公司的舌簧开关，其重复定位精度为±0.1mm。
储存器(包括用舌簧开关或光电开关两种形式)，应装在金属外壳2中，只将导线和塑胶气(油)管从外壳中引出，这样可起到屏作用，以防电磁干扰。
本发明的优点是即可改变定位点位置，又可实现工步顺序预选、可调，而且结构简单，定位精度高达±0.1mm；价格低于同类电液伺服系统及交直流电机伺服系统，因此易于推广，特别适用于环境温度较高(恶劣)的锻压、冲压、焊接等热加工机械人的传送运动中的机械人。
说明书附图图1为本发明的基本控制系统原理图，也是本发明的实施例之一的控制系统图。
图2为本发明位置预选储存器的正视3为图2的B—B剖视4为本发明储存器中预置盘15的结构，另一形式正视图，开关14采用光电开关，并在储存器上带有金属板14—3(采用舌簧开关时无此金属隔板)。
图5为图4之C—C剖视6为平面关节式机器人的传动示意7为圆柱座标式机器人的传动示意8为平面关节式机器人的预选定位控制系统9为平面并节式机器人的另一种预选定位控制系统图——开关控制图。
图10为圆柱座标式机器人，伸缩缸结构及预选定位控制系统图。
实施例实施例1图1为本发明实施例之一，为有一个关节的平面关节式机器人的控制系统，用于开式或闭式冲床的上下料机械手，或其它工序间的传送机械手，图2为本实例的位置预选储存器的结构正视图，图3为图2之B—B剖视图，其预置盘之月牙槽为通孔。
实施例2图6、图8为本发明实施例之二，其中图6为平面关节式机器人的传动示意图，共有4个自由度，即大臂1的φ1，小臂2的φ2和手腕3的φ3(旋转自由度)，和Z方向的升降自由度；图8为图6机器人控制系统图。它适用于在平面范围内送料，例在闭式机械压力机上作上、下料机器人。由于是关节式的，便于从压力机外将工件夹持好穿过两侧立柱的窄小空间，送到模具上，因为模锻和冲压的上下料的动作距离不大，所以升降缸D可用双出杆活塞缸，而不会导致结构庞大。大臂、小臂和手腕(夹钳)采用执行缸A、B、C，M1、M2是计量缸，和实施例1一样它的伸出轴上均装有预置盘(图中未示出)。计量缸M1和执行缸A、B相联接，通过阀1、2选择控制缸A或缸B。计量缸M2控制执行缸C和D，缸A、B和缸C的控制方法与实施例之一(图1)相同，是串联控制回路，即计量缸、执行缸对气体21是串联的。图3中只表示了各缸间的联接关系，略去了控制阀(见附图1)。升降用的执行缸D由于采用双出杆活塞缸，上下两腔面积相等，以利于控制。缸D和计量缸M2对气源21是并连的。
缸D活塞上升先让计量缸M2预选，即令其叶片逆时针转到预置点上(原理同前述)，此时M2的叶片停在某个位置上(即离开右终点)。压力气从气源21进入缸M2的两腔和缸D的两腔，叶片和活塞受力平衡而停止。令阀10和阀6开启，缸D上腔排气，下腔由于节流阀16的作用仍保持有压力，缸M2的右腔排气，所以缸D活塞上升，同时M2叶片顺时针旋转，当M2叶片转到右终点位置时，即再现了预置角度，同时某预置块令舌簧开关发讯号令阀6关闭，则缸D的活塞停止在预定点上。
缸D活塞下降令阀4、阀5开启，则缸M2叶片反转，同时缸D活塞下行(原理同前述)，当缸M2叶片反转到预置角度时，由另一个预置块令舌簧开关发讯号，使阀5关闭，则缸D的活塞停止在预定点位上；同时阀4关闭，缸M2叶片也停止。由于垂直升降缸D的行程短，不必采用缓冲措施。
本系统中用两个计量缸，一个工作，另一个正在预选，这样可以不间断地工作，但每次只有一个执行缸在动作。
实施实施例3图9为本发明实施例之三，系平面关节式机器人另一种控制系统，即并连控制系统。图9中执行缸A、B、C、D和气源21之间为并连。缸D的控制原理与实施例二相似，现只以执行缸A为例叙述其原理，缸B、缸C所略去的元件和联接方法与缸A相同。计量缸M1的动叶片在开始时位于左终点上，即正好封住左排气孔。执行缸A叶片正转(顺时针)，先令二位三通阀5通电，则5切换到开启状态，压力气从21经阀5和节流阀4进入缓冲阀3a推动阀芯3—1克服复位弹簧3—2而向右移动，并将阀3a封闭，使缸M1的左排气也不能排气。令阀2开启，则M—1叶片正转，并带动预置盘同时转动(结构与图1相同)，当预置盘转过一定角度时(如果预置角度比全行程角度小，则此角度是缸M1的空行程)，相应预置块令舌簧开关发讯号使阀7开启，缸A左腔保持压力，而右腔气经阀7和阀3a卸压，则缸A叶片正转当缸M1叶片转到右终点时，即转过了预定角度，右排气孔被封闭，缸M1的叶片缓冲并停止，其原理如前述。与此同时，另一个预置盘的预置块也转到此点位置，则令另一舌簧开知发讯号使阀5a的生磁铁通电，阀5a切换到开启位置，压力气经阀5a和4a进入阀3a，并推动3a阀芯右移，使3a的气孔逐渐被封闭，则缸A右腔从排气状态逐渐变为封闭状态，使缸A叶片缓冲直到停在预定点位上。缓冲过程的时间由可变节流阀4碉节到适当值。
缸M1动叶片在预选(即逆时针旋转)时，达到预置点时的缓冲方法也是用缓冲阀3a，当缸M1动叶片达到预置点时，预置块令舌簧开关发讯号使阀5通电，则压力气将阀3a的阀芯3—1右移，从而逐渐封闭了缸M1右腔的排气口。而在预选行程开始时，应令阀5断电，阀3a的阀芯3—1由弹簧3—2复位，即让缸M1左排气孔开启，使缸M1左腔通向大气，则缸M1动叶片开始逆时针旋转。
可用缓冲阀3a去代替附图1中的阀3、4、18组成的缓冲装置3A。
执行缸A叶片反转(逆时针方向)当计量缸M1叶片在左终点开始转到预置块发讯号时，缸A叶片在右终点或其他某个点位上，舌簧开关发讯号令阀6开启，缸A叶片反转，当缸M1叶片转到右终点时，除自己缓冲停止外，还令另一舌簧开关发讯号使阀5a通电，压力气进入阀3a并推动3a的阀芯向右移，使3a的排气口逐渐封闭，从而使缸A叶片缓冲最终停在预定点上。当缸A由正转变为反转或由反转变为正转的开始之前，都必须将阀6、7断电，以恢复其常态后再操作。
并连系统的特点是多个执行缸可以只用一个计量缸控制，只需安装足够的预置盘即可。而且多个缸可以同时操作，由于每个缸的行程转角不一样，所以当计量缸从左终点起动时，各个缸不是同时起动的，但是会同时停止。而串联系统必须是每个缸单独运动。所以并连系统可以缩短循环的周期时间。但对于必须分开多个缸先后动作的机器人则应采用串联系统。另外，从定位精度方面分析，串联系统中执行缸的行程一端是利用计量缸达到终点自动定位的，这相当于刚性定位，而另一端是靠接近开关定位的。它比并连系统的重复定位精度要高。因为并连系统的执行缸行程的两端均靠接近开关定位此外，并连系统中计量缸动叶片和执行缸动叶片的速比不能调整到1∶1，故并连系统重复定位精度要低些。
实施例4图7为本发明实施例之四的圆柱座标式机器人传动示意图，有水平伸缩自由度X，垂直升降自由度Z及绕垂直轴旋转的自由度φZ三个自由度，图10为实施例四的机器人伸缩缸结构及控制系统图，垂直升降用执行缸D采用双出杆活塞缸，其控制系统及计量缸的控制与实施例二相同。
圆柱坐标式机器人是最常用的一种工序间传送式单机上下料用的机器人。用液压传动时可以采用以上的任一种办法，而用气动时对于采用伸缩式活塞缸作为执行缸的需作特殊处理。图10中组合式活塞缸是圆柱坐标机器人的伸缩气缸，它由两个活塞缸组成，上面的缸是执行缸F，下面的缸1起力的平衡作用，并兼作导向之用。缸F与缸1左右端是用管子相连通的。它们的结构尽寸应使上缸的左腔面积等于上、下缸右腔面积之和。
上缸左腔和上、下两缸右腔都通压力气时，则活塞力平衡而停止。这种结构的伸缩式活塞缸和摆动缸或双出杆活塞缸，在控制原理上是相似的。它避免了双出杆式活塞缸在行程长时尽寸过长的缺点。
缸M2是计量缸，其伸出轴上的预置盘等结构与实施例1相同。
预选令阀4开启，计量缸叶片逆时针旋转，缓冲和停止同前述。
执行缸活塞前进令阀6、7开启，计量缸的右排气孔和缸F的左腔连通，则从气源21来的压力气进入缸F左腔，缸M2左腔和右腔有压差，所以缸M2叶片顺时针旋转。当缸M2叶片转到右终点时，通过预置块使舌簧开关发讯号令阀7关，阀9、10开，缸F活塞先缓冲再停止，原理和前述图1相似，即缸M2叶片在逐渐封闭右排气孔时使缸M2叶片一缸F的活塞都得到缓冲，而且马上又将压力气引入F缸活塞的两侧，使它受力平衡而停在预定的点位上。节流阀12可调整缸F活塞的前进速度。
执行缸活塞后退令阀4、6、9开启，压力气从21经阀9进入缸F的右腔，当活塞被推向左时，缸F左腔中气经阀6进入缸M2右腔，同时缸M2叶片逆时针旋转，它的左腔经阀4排气，即使缸F活塞后退，当缸M2叶片转到它的预置点稍前一段时便发讯号使阀4关，阀3开，使缸M2左腔气经节流阀13而排入大气，因而产生缓冲作用，当缓冲结束时另一预置块起作用，发讯号令阀3也关闭，则动叶片停止在预置点上。
回零令阀8、9、10开启，因缸F左腔排气，而其右腔经阀9与气源21相连，执行缸活塞后退至终点(见附图10图示位置)，因受力平衡而自动停止，反之令阀7、9、10开启则活塞前进到将右排气孔封闭(右终点)时停止，其它缸的控制方法与前述相同。
权利要求
1.一种机器人预选定位控制系统(以下简称系统)，由计量缸〔M〕、执行缸〔E〕、位置预选储存器(以下简称储存器)〔P〕、行程缓冲装置〔3A〕、及可编程控制器、液压(气动)元件等组成，其特征在于(1)储存器〔P〕由固定在机架〔G)上的计量缸〔M〕、与轴1固定的动叶片〔M—1〕和缸体〔M—3〕内壁固定的定叶片〔M—2〕及装在计量缸伸出轴〔1〕上的若干个预置盘〔15〕、预置块〔11〕、〔12〕、〔13〕和开关〔14〕，以及固定在机架〔G〕上的金属外壳〔2〕等组成，且缸体两侧排气(油)孔〔a〕、〔b〕及进气(油)孔〔c〕、〔d〕经电磁阀、节流阀、管路等液压元件与动力源〔21〕及执行缸〔E〕等相连。(2)行程缓冲装置〔3A〕由电磁阀〔3〕、〔4〕及节流阀〔18〕等组成，也可为由阀芯〔3—1〕、弹簧〔3—2〕及阀体〔3—3〕等组成的缓冲阀〔3a〕。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于执行缸可为摆动缸或双出杆式伸缩缸以及由两个活塞缸组成的伸缩缸。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于计量缸〔M〕及执行缸〔E〕和动动力流〔21〕可作并联连接，或为串联连接，或为串并联复合形式。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于系统中计量缸数量可为两个，一个在工作、一个作预选。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于预置盘〔15〕上开有月牙槽，其形式根据开关〔14〕工作原理及需要可为直孔通槽或为燕尾槽、T型槽等。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于预置块〔11〕、〔12〕、〔13〕等数量由工艺要求而定，且预置块分有永久磁铁及无永久磁铁两种，它由所选用开关〔14〕的工作原理而定。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于开关〔14〕可为舌簧开关或为光电开关。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于储存器程序的变换可变换PC机软件或在伸出轴〔1〕上更换预调好的预置盘〔15〕。
9.根据权利要求1、2所述的系统，其特征在于执行缸中另一种，即伸缩缸为由两个活塞缸组成，上缸作为执行缸，下缸作力的平衡与导向，且上缸的左腔面积等于上下两缸右腔面积之和。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于计量缸和执行缸的两个进气孔〔c〕及〔d〕在缸体〔M—3〕两端的最远点，缸体的两个排气孔〔a〕及〔b〕在缸体两端离进气孔距离为10—20mm。
全文摘要
本发明涉及一种机器人预选定位控制系统，特别适用于锻造、冲压及焊接等较恶劣条件下工作的传送机器人，其特征在于位置预置储存器由固定在机架上的计量缸与轴固定的动叶片和缸体内壁固定的定叶片以及装在它的伸出轴上的若干个预置盘、预置块和开关以及固定在机架上的金属外壳等组成，且缸体两侧排气(油)孔及进气(油)孔经电磁阀、节流阀、管路等液压元件与动力流及执行缸等相连。行程缓冲装置由电磁阀及节流阀等组成，或为阀芯、弹簧及阀体等组成的缓冲阀。
文档编号B25J13/00GK1118081SQ9411548
公开日1996年3月6日 申请日期1994年8月31日 优先权日1994年8月31日
发明者陈幼曾 申请人:陈幼曾