面向异形内孔工件的自动上料夹持定位控制系统及方法与流程

本发明涉及金属零件车削加工技术领域，特别是指一种面向异形内孔工件的自动上料夹持定位控制系统及方法。

背景技术：

工业机器人是现代工业自动化的核心装备，数控机床上下料机器人作为工业机器人的一种应用形式，改变了传统的物流方式，改善了工厂作业环境，实现工厂中工件传递过程中的数字化、信息化管理，在提高产品生产效率的同时保证了产品的生产质量。合理的工业机器人自动化设备使用能够代替操作人员完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，为企业生产降低成本、提高效率。目前已有越来越多的企业引进数控机床上下料机器人完成生产工作，但针对特殊应用场景的数控机床上下料机器人在使用过程中却受到不少制约，外形呈圆柱体而具有异形内孔的工件，如各种汽车传动用内球笼，由于在数控机床主轴进行切削时需要进行内孔卡盘固定，在采用上下料机器人进行数控机床上料时就面临难于找到合适卡盘送入和卡紧角度，致使这一类工件难以实现全自动的机器人上下料操作，采用机器视觉等方法会大大提高该系统的制造和维护成本，依靠人工辅助又会大大降低整个系统的运行效率，这在很大程度上影响了数控机床上下料机器人系统的适用范围。

本方法特别提出了一种基于上料料盘辅助机械定位与数控机床主轴定位相结合的自动上料夹持定位控制方法，依靠简易快速的角度计算，通过上下料机器人控制系统与数控机床控制系统间的信号交换，确保机器人上料过程中对数控机床主轴卡盘的停机待料位置的准确控制，实现数控机床上下料机器人在加工具有异形内孔工件时的全自动运行。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种面向异形内孔工件的自动上料夹持定位控制系统及方法，通过上料前的工件内孔的相对摆放位置进行定位，同时配合加工机床上的主轴定位功能，能够实现异形内孔工件在采用上下料机器人进行全自动上下料时的准确对接，显著提高机床上下料系统在加工异形内孔工件时的适应能力，有利于降低操作人员劳动强度、提高生产节奏。

该系统包括上料料盘、定位底托、上下料机器人和数控车床，定位底托安装在上料料盘上，待加工工件置于定位底托上，上料料盘位于数控机床一侧，上下料机器人位于上料料盘和数控机床上方。

其中，上料料盘用于批量放置待加工的异形内孔工件，采用步进式移动或者整盘移动方式。

定位底托安装在上料料盘上，用于待加工的具有异形内孔的工件定位，定位底托的形状与所要加工工件的内孔相配合，定位底托的最大外径控制在待加工工件内孔最大内径的95％～97％。

上下料机器人用于替代操作人员完成待加工工件的自动上下料，包括手爪、移动装置和控制系统，手爪安装在上下料机器人的前端，用于待加工工件的抓取；移动装置用于待加工工件抓取后的移动与上料；控制系统用于控制手爪的松紧、旋转、移动。

数控机床主要包括主轴箱、卡盘、进给机构、控制系统等，其中主轴箱包括主轴、传动机构等，主要作用是支承主轴并使其旋转，卡盘是安装在数控车床主轴前端用于固定待加工工件的液压机构，进给机构是完成切削加工的机械部件，控制系统完成卡盘的松紧、主轴启停与定位、切削量控制等。

对于具有异形内孔的待加工工件，根据其内孔形状的变化制作相应的定位底托，并将定位底托按照统一的角度安装在上料料盘上，定位底托的形状与待加工异形内孔工件保持一定的公差匹配，一般将与定位底托的最大外径控制在待加工工件内孔最大内径的95％～97％，这样既可以使摆放与取出工件具有相对裕量，又可以满足上料定位角度的精度需求。上下料机器人手爪在上料料盘上对待加工工件进行一定角度的抓取后，通过移动装置在数控车床主轴上料时，通过抓取角度的换算将能够获得相对固定的上料角度，数控机床控制系统则根据所需要的角度对主轴上用于支撑异形内孔工件的卡盘进行定位停车，以保证上下料机器人在对数控机床进行自动上料时的准确对接。

应用该系统的方法，包括步骤如下：

s1：按照待加工工件的内孔形状变化制作相应的定位底托，根据上料料盘容量将定位底托批量安装于上料料盘中；

s2：由操作人员将待加工工件置于上料料盘中，待加工工件底部的内孔自然与上料料盘上安装的定位底托贴合；

s3：按照全自动的机床上下料流程，上下料机器人手爪依照定位底托所确定的角度在上料料盘上对待加工工件进行抓取操作，然后根据抓取角度、定位底托安装角度及上下料机器人手爪上料过程空间旋转情况可以得到数控机床主轴停车角度；

s4：将数控机床主轴停车角度发送至数控机床，由数控机床控制系统完成安装在主轴前端的卡盘的特定角度定位停车；

s5：将上下料机器人手爪移动至数控机床主轴处，通过向数控机床控制系统发送松开与卡紧用于支撑待加工工件的卡盘指令，完成待加工工件在上下料机器人手爪与数控机床主轴卡盘之间的准确传递安装。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，能够有效解决采用数控机床上下料机器人系统在加工具有异形内孔的工件时面临的上料夹持角度难以准确定位的问题，有效扩大了上下料机器人系统的应用范围，降低人工劳动强度的同时提高加工效率。

附图说明

图1为本发明的面向异形内孔工件的自动上料夹持定位控制系统结构示意图；

图2为本发明异形工件内孔及定位底托示例图，其中，(a)为异形工件内孔，(b)为定位底托；

图3为本发明的信号交互示意图；

图4为本发明的上下料流程示意图。

其中：1-上料料盘；2-定位底托；3-待加工工件；4-上下料机器人；5-数控机床。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种面向异形内孔工件的自动上料夹持定位控制系统及方法。

如图1所示，该系统包括上料料盘1、定位底托2、上下料机器人4和数控车床5，定位底托2安装在上料料盘1上，待加工工件3置于定位底托2上，上料料盘1位于数控机床5一侧，上下料机器人4位于上料料盘1和数控机床5上方。

在实际应用中，上料料盘1可以放置成批量的待加工工件3，上料料盘1能够采用步进式移动或者整盘移动方式将工件移动到上下料机器人4可抓取位置。上料料盘1上按照统一角度批量安装的定位底托2，用于放置待加工工件3，待加工工件3可以采用人工方式批量放置到定位底托2上，在放入后，具有异形内孔的待加工工件3在上料料盘1上的摆放角度是与统一固定的定位底托2角度保持一致。上下料机器人4用于完成上料料盘1上摆放待加工工件3的抓取，进而通过上下料机器人4的行走移动将抓取后的工件送到数控机床5的位置，等待进行上下料操作。

图2所示为异形工件内孔及定位底托示例图，其中以具有异形内孔的机动车传动轴用内球笼工件为例，根据待加工工件3的异形内孔，设计制作与之内孔尺寸相匹配的定位底托2，并使定位底托外部尺寸与工件内孔保持0.3mm～0.7mm左右的配合裕度，便于工件的摆放和取出，同时还可以保证上下料机器人4在抓取工件时的具有2.0％以下的允许误差角度，不会影响工件在数控机床上料时的安装角度。

图1中的上下料机器人4与数控机床5之间具有信号交互功能，除了正常上下料需要的逻辑联锁信号外，对异形工件还需要将由定位底托2和待加工工件3相对位置决定的争取角度发送给数控机床，以便于数控机床在加工结束后的机床主轴卡盘能够安装所需要的角度定位停车。对一类定位底托和待加工工件，采用同一上下料机器人抓取后其角度一般不会发生变化，这种情况下，也可以将计算或测试后的角度直接在数控机床主轴定位停车参数中设定，而不需要采用数据传输的方式。

图3所示为系统的信号交互示意图，其中上下料机器人控制系统、数控机床控制系统分别安装上下料机器人4和数控机床5中。上下料机器人控制系统主要控制取料手爪的移动装置、松紧装置以及旋转装置等；数控机床控制系统主要控制机床用于车削加工的给进装置、主轴旋转与定位装置、用于固定工件的卡盘松紧装置。上下料机器人控制系统、数控机床控制系统主要交互的信号包括机床启停、卡盘松紧、异常报警以及用于定位停车的角度。在整个上料过程中，上下料机器人控制系统通过控制手爪移动装置、松紧装置以及旋转装置来执行相应的动作指令；系统会根据工件的抓取角度、手爪的空间旋转以及上料料盘上定位底托的安装角度换算出上料角度，数控机床控制系统则根据上料角度对卡盘进行定位停车；在上下料机器人手爪移动到上料位置后，数控机床通过控制卡盘的松开与卡紧来完成待加工工件的安装，最后通过控制进给装置实现对工件的切削加工。

图4所示为对具有异形内孔的待加工工件3采用该方法进行机器人自动上下料时的流程图，以下描述的是一个完整的异形内孔工件的自动上料过程，具体步骤如下：

步骤1：操作人员给上料料盘中批量放置待加工工件3，异形工件的内孔与上料料盘上定位底托2的外壁自然接触；

步骤2：上料料盘运动到上下料机器人4可抓取位置，按照自动上下料流程，上下料机器人4手爪在上料料盘上对待加工工件3进行一定角度的抓取；

步骤4：根据工件的抓取角度、手爪的空间旋转以及上料料盘上定位底托的安装角度计算出上料角度；

步骤5：根据定位底托安装角度、抓取角度及上下料机器人手爪抓取后到上料前的空间旋转角度，在上下料机器人4控制系统中通过角度变换可以得到数控机床5主轴所需的停车角度。

步骤6：将计算出的停车角度发送到数控机床5，数控机床5控制系统根据停车角度控制安装在主轴前端的卡盘定位停车；

步骤7：上下料机器人4根据机床上料需求指令，将已抓取的工件已送至数控机床5主轴处，由于抓取时的内孔角度与卡盘外壁的停车角度已经实现匹配，可以按照正常流程实施上下料操作；

步骤8：上下料机器人4与数控机床5完成对待加工工件的自动传递安装，数控机床按流程自动执行加工操作。

以上描述主要针对的是采用桁架式上下料机器人的情况，针对其他形式的上下料机器人系统同样适用，且对机床的型号和类型不做限定，使得本发明的技术方案具有较强的通用性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。