专利名称：一种机器人砂芯锁芯、下芯方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种砂芯锁芯、下芯方法及系统，特别是关于一种机器人砂芯锁 芯、下芯方法及系统。
技术背景为适应铁路运输重载提速快速发展的需要，进一步提高新造货车转向架摇 枕、侧架的可靠性，铁道部运输局装备部要求铸件采用整体芯制作，实现摇枕、侧架A、 B部位及扩展区域在内的内腔无飞边、无台阶，以及材质采用B+级钢， 从铸件材质性能等方面全面提高铸件的使用寿命和安全性。同时将摇枕、侧架整体砂芯定义为摇枕、侧架整体砂芯是采用机器制芯机械下芯，并在下芯之前完成包含A、 B部位及扩展区域在内的形状完整、各表面光滑平顺的一体砂芯。整 体芯工艺可实现铸件关键部位(摇枕、侧架A、 B部位)的内腔砂芯，避免在摇 枕、侧架关键部位因砂芯分段而出现劈缝、台阶等缺陷，消除原始和潜在的裂纹 源，保证铸件使用的可靠性。目前采用人工锁芯、下芯的工艺，存在锁芯、下芯精度不高的问题，造成铸 件关键部位砂芯之间存在错芯，从而导致飞边、毛刺、多肉等铸造缺陷，同时也 存在铸件中的横向披缝问题，因此给铁路行车带来的潜在安全隐患。由于整体芯 体积大，质量重，采用人工锁芯、下芯，劳动强度很大，工作效率也不高。 发明内容针对上述问题，本发明的目的是提供一种机器人砂芯锁芯、下芯方法及系统, 该系统能智能化精确定位砂芯和砂箱的位置，通过机器人实现砂芯的抓取、搬 运、锁芯及下芯。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案 一种机器人砂芯锁芯、下芯方 法，其包括以下步骤(1)设置一多自由度工业机器人、 一锁芯台、中间工位台 和一中控室，在所述机器人执行器末端连接一三维扫描仪和一柔性卡具；(2)将 上、下砂芯和砂箱输送至工作工位；(3)利用机器人执行器末端连接的三维扫描 仪对下砂芯的特征面进行三维测量，中控室中计算机根据测量的三维数据计算出 下砂芯与标准下砂芯的位姿偏差，利用偏差数据更新机器人1的抓取程序，机器 人控制柔性卡具抓取下砂芯放置在锁芯台上；(4)重复步骤(3)将上砂芯放置 在锁芯台上的下砂芯顶部，通过人工将上、下砂芯固定在一起，完成锁芯工序；(5)利用机器人执行器末端连接的三维扫描仪对砂箱型腔的特征面进行三维测 量，中控室中计算机根据测量的三维数据计算出所述砂箱与标准砂箱的位姿偏 差，利用偏差数据更新机器人的抓取程序，将锁芯完毕的整体砂芯从锁芯台准确 抓取至砂箱型腔内，完成下芯工序。在系统中设置一中间工位台，在进行步骤(3)时，首先利用机器人将下砂 芯翻转后放置在中间工位台上，然后再重新抓取至锁芯台上。在锁芯台上设置一套位移测量装置，在进行步骤(3)时，首先利用位移测 量装置对上、下砂芯的x、 y和绕z轴进行测量和对准，再将上或下砂芯放置在 锁芯台上的确定位置。一种实现如权利要求1所述方法的机器人砂芯锁芯、下芯系统，其特征在于它包括一多自由度工业机器人、 一锁芯台和一中控室，所述机器人执行器末端连接一三维扫描仪和一柔性卡具；所述锁芯台设置在所述机器人的一侧；所述 中控室设置在所述机器人的另一侧，所述中控室内设置由控制并监视所述机器 人、锁芯台和三维扫描仪的计算机及辅助控制单元。 在所述机器人和中控室之间设置一中间工位台。所述锁芯台上设置有一套位移测量装置，所述位移测量装置通过缆线连接至 所述中控室。在所述锁芯台、机器人和中控室的两侧各设置有一条由电机和链轮传动装置 驱动的辊道，其中一条为砂芯输送辊道，另一条为砂箱输送辊道，两条所述辊道 平行，驱动所述辊道的电机通过缆线连接至所述中控室。在所述两条辊道的外侧分别设置有一道安全栅，所述安全栅通过缆线连接至 所述中控室。所述柔性卡具包括连接在所述机器人执行器末端的安装支架，两套对称设置 的夹持装置，其中一套夹持装置直接固定连接在所述安装支架底部一侧，另一套 夹持装置通过一套浮动机构连接在所述安装支架底部另一侧；所述两夹持装置的 底部分别对称设置有两夹爪，每对所述夹爪的内侧分别设置有弹性垫。所述浮动机构包括固定安装在所述安装支架底部的导轨，套设在所述导轨上 的两滑块，所述两滑块固定连接在所述夹持装置的顶部；在所述导轨两端的外侧 各设置有一连接所述安装支架的凸台，所述两凸台的外侧端分别设置一导柱；在 所述两凸台外侧的所述夹持装置上分别设置一辅助安装块，所述两辅助安装块上 分别旋接一由螺母控制的螺钉，所述两螺钉头部与所述两凸台上的所述导柱对应 凸出，在每一所述导柱和所述两螺钉的头部套设一复位弹簧。每一所述夹持装置底部的两夹爪中的一个夹爪为浮动夹爪，所述浮动夹爪包 括一固定板，所述固定板通过一转轴连接一浮动板，所述转轴上、下分别通过一 顶丝与所述固定板固定；所述固定板上设置有若干个工艺孔，每一所述工艺孔内 分别穿设一顶杆，所述顶杆一端伸出工艺孔顶住所述浮动板，另一端设置有盲 孔，所述盲孔内设置有一弹簧，所述弹簧另一端设置一螺钉，所述螺钉旋接在所 述工艺孔另一端。
由于采用了以上技术方案，本发明具有如下一些优点1、本发明在机器人 执行器末端设置三维扫描仪和在锁芯台上设置有一套位移测量装置，从而实现智 能化定位，因此能够实现对砂芯的精确抓取、搬运、锁芯以及下芯工序，大大提 高了劳动生产率，降低了劳动强度，同时保证了锁芯、下芯过程的高精度，提高 了最终的铸件质量。2、由于本发明采用在线测量技术，上下料时无需精确定 位，操作简单，节省大量工装及繁琐的机械定位装置。3、由于本发明能够实现 对整体芯的锁芯、下芯，保证砂芯组合后的整体性，实现了铸件内腔无飞边、无
台阶，从而大大提高了铸件的质量和安全可靠性。4、本发明采用柔性浮动卡
具，保证抓取过程的平稳、可靠并不破坏砂芯定位，且卡具具有自锁功能，在意 外断气的情况下，卡爪依然会保持卡紧状态。经检索，在国内、国际上首次将智 能化机器人用于车辆用摇枕、侧架这种大型内腔复杂的铸件的锁芯、下芯过程， 实现了该类产品自动化、智能化生产的一个跨跃式发展，就目前而言，其先进性 应属国内首创，国际领先水平。
图1是本发明的一个实施例的结构示意图
图2是本发明的柔性卡具结构示意图 图3是图2侧视示意图 图4是本发明的柔性卡具的浮动机构示意图 图5是图4的局部放大示意图 图6是本发明浮动夹爪结构示意图 图7是本发明浮动夹爪分解示意图 图8是本发明的另一实施例结构示意图
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括一已有技术的多自由度工业机器人1、 一锁芯台 2、 一中间工位台3、 一中控室4、 一砂芯输送辊道5和一砂箱输送辊道6。在机器人1执行器末端连接一三维扫描仪7和一柔性卡具8，在锁芯台2上安装有一 套位移测量装置9，比如采取LVDT (线性位移传感器)测量装置，砂芯输送辊道 5和一砂箱输送辊道6分别由电机和链轮传动装置驱动的辊轴通道组成，平行设 置在机器人1和锁芯台2的两侧。在系统周边适当位置(一般为辊道外侧)设置 有安全栅IO，可以起到保护操作人员的作用。中控室4包括一台计算机以及其它 及辅助控制单元，它通过缆线连接机器人l、锁芯台2、输送辊道5、 6的驱动电 机、三维扫描仪7、柔性卡具8、线性测量装置9和安全栅10等设备，完成与上 述设备之间的信息通讯，并控制和监视上述设备。如图2、图3所示，上述实施例中，柔性卡具8包括连接在机器人1执行器 末端的安装支架ll，两套对称设置的夹持装置12、 13，其中一套夹持装置12直 接固定连接在安装支架11底部一侧，另一套夹持装置13通过一套浮动机构14 连接在安装支架11底部另一侧。同时，两夹持装置12、 13的底部分别对称设置 有一夹爪15和一浮动夹爪16。如图4、图5所示，上述浮动机构14包括固定安装在安装支架11底部的导 轨17，套设在导轨17上的两滑块18，两滑块18固定连接在夹持装置13的顶 部。在导轨17两端的外侧各设置有一连接安装支架11的凸台19，两凸台19的 外侧端分别设置一导柱20。在两凸台19外侧的夹持装置13上分别设置一辅助安 装块21，两辅助安装块21上分别旋接一由螺母22控制的螺钉23，两螺钉23头 部与两凸台19上的导柱20对应凸出，在每一导柱20和两螺钉23的头部套设一 复位弹簧24。如图3、图6、图7所示，浮动夹爪16包括固定板25、浮动板26、转轴 27、弹簧28和顶杆29。固定板25通过转轴27连接浮动板26，转轴27上、下 分别通过一顶丝30与固定板25固定。浮动板25与转轴27接触部分的后方各设 置有一个润滑脂注入嘴31，润滑脂可以通过润滑注入嘴31进入浮动板26和转轴 27之间的间隙。固定板25上设置有若干个工艺孔，工艺孔内穿设顶杆29，顶杆 29 —端伸出工艺孔顶住浮动板26，另一端设置有盲孔，盲孔内设置有一弹簧 28，螺钉32旋接在工艺孔上，通过调节螺钉32可以调节弹簧28的预紧力，从 而调节各顶杆29对浮动板26的作用力，使浮动板26始终处于对中状态。在抓取过程中，设置在两套夹持装置12、 13内的气控装置通过齿轮齿条啮 合机构驱动夹爪15和浮动夹爪16同时相反或相对运动，从而实现对砂芯的抓取 与放置。本发明具有自锁功能，在意外断气的情况下，卡爪14和浮动夹爪16依 然会保持卡紧状态。抓取时设置有浮动机构14的夹持装置13可以实现与安装支架11的小范围相对运动，既补偿各种定位误差，又能够避免抓取过程中的过定 位，避免了因为过定位等原因导致的对砂芯的损坏，保证砂芯能够被正确抓取； 同时浮动机构14两端的复位弹簧24 —端被压縮，另一端被拉伸，既保证对滑块 18的移动进行缓冲。浮动机构14在抓取过程中既可补偿砂芯的较大位置和尺寸 误差，又能保证当卡具放置砂芯后，使浮动夹持装置13能够复位。旋进或旋出 螺钉23能调整浮动夹持装置13的浮动行程间距，当浮动行程间距设置好后用一 螺母22固定住螺钉23，防止因其他原因导致浮动行程间距的改变。两套夹持装 置12、 13的夹爪15和浮动夹爪16的加持面上加有弹性垫33，能够补偿砂芯表 面的形状误差，增大卡具与砂芯的接触面积，降低对砂芯表面的损伤。抓取时夹 爪15和浮动夹爪16有可能与砂芯之间存在较小的形位误差，导致浮动板26不 再处于对中状态，从而克服工件表面的形状误差，提高抓取质量并降低对工件表 面的损伤。本实施例系统的工作流程如下1、 用龙门吊将存芯现场的砂芯连同托芯板34吊至砂芯输送辊道5上料口， 由行车将砂箱35吊运至砂箱输送辊道6上料口，操作人员在中控室4中启动驱 动辊道的电机将托芯板34和砂箱35被输送至工作工位。2、 利用机器人1执行器末端连接的三维扫描仪7对工作工位的下砂芯36的 特征面进行三维测量，中控室4中计算机根据测量到的三维数据计算出当前下砂 芯36与标准下砂芯的位姿偏差，并利用偏差数据更新机器人1抓取程序，机器 人1控制柔性卡具8抓取下砂芯36放置在锁芯台2上。3、 重复步骤(3)将上砂芯37放置在锁芯台2上的下砂芯36顶部，通过人 工将上、下砂芯36、 37固定在一起，完成锁芯工序。4、 利用机器人1执行器末端连接的三维扫描仪7对工作工位的砂箱35型腔 的特征面进行三维测量，中控室4中计算机根据测量的三维数据计算出砂箱35 与标准砂箱的位姿偏差，利用偏差数据更新机器人1的抓取程序，将锁芯完毕的 整体砂芯从锁芯台2准确抓取至砂箱35型腔内，完成下芯工序。5、 机器人l按2 4的同样步骤完成另外一组砂芯的锁芯过程并将其下入砂 箱35型腔，空托芯板34与砂箱35由砂芯输送辊道输5和砂箱输送辊道6送至 下料工位，由龙门吊和行车分别吊入各自的存放现场。与此同时，下一组砂芯由 上料工位进入工作工位，机器人l重复上述锁芯、下芯。上述实施例中，若需要对下砂芯36进行翻转，则在进行步骤3时，首先利 用机器人1将下砂芯36翻转后放置在中间工位台3上，然后再重新抓取至锁芯台2上。上述实施例中，在进行步骤3时，可以首先利用位移测量装置9对下、上砂 芯36、 37的x、 y和绕z轴进行测量和对准，再将下、上砂芯36、 37放置在锁 芯台2上的确定位置。上述实施例中三维扫描仪7可以安装在柔性卡具8的侧面或其他适当位置。上述实施例仅为一较佳实施例，若不需要对砂芯进行翻转，则可以不设置中 间工位台3，输送辊道5、 6也可以用其他等效装置代替或者不设置。本发明可以和任何造型、制芯系统进行柔性化结合，如图8所示，是本发明 的一个扩展实施例，它在原有锁芯、下芯系统的一侧设置了另一套锁芯、下芯系 统，也可以设置两套以上的锁芯、下芯系统，能同时完成多种形状砂芯的锁芯、 下芯，两套或两套以上系统由一个中控室4控制和监视。在本发明的实质创意范围内，本发明的某些部件都可以有许多变化、改型或 替换，这些结构的变化、改型或替换都不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
1、一种机器人砂芯锁芯、下芯方法，其包括以下步骤(1)设置一多自由度工业机器人、一锁芯台、中间工位台和一中控室，在所述机器人执行器末端连接一三维扫描仪和一柔性卡具；(2)将上、下砂芯和砂箱输送至工作工位；(3)利用机器人执行器末端连接的三维扫描仪对下砂芯的特征面进行三维测量，中控室中计算机根据测量的三维数据计算出下砂芯与标准下砂芯的位姿偏差，利用偏差数据更新机器人1的抓取程序，机器人控制柔性卡具抓取下砂芯放置在锁芯台上；(4)重复步骤(3)将上砂芯放置在锁芯台上的下砂芯顶部，通过人工将上、下砂芯固定在一起，完成锁芯工序；(5)利用机器人执行器末端连接的三维扫描仪对砂箱型腔的特征面进行三维测量，中控室中计算机根据测量的三维数据计算出所述砂箱与标准砂箱的位姿偏差，利用偏差数据更新机器人的抓取程序，将锁芯完毕的整体砂芯从锁芯台准确抓取至砂箱型腔内，完成下芯工序。
2、 如权利要求1所述的一种机器人砂芯锁芯、下芯方法，其特征在于在 系统中设置一中间工位台，在进行步骤(3)时，首先利用机器人将下砂芯翻转 后放置在中间工位台上，然后再重新抓取至锁芯台上。
3、 如权利要求1或2所述的一种机器人砂芯锁芯、下芯方法，其特征在于在锁芯台上设置一套位移测量装置，在进行步骤(3)时，首先利用位移测量装置对上、下砂芯的x、 y和绕z轴进行测量和对准，再将上或下砂芯放置在 锁芯台上的确定位置。
4、 一种实现如权利要求1所述方法的机器人砂芯锁芯、下芯系统，其特征在于它包括一多自由度工业机器人、 一锁芯台和一中控室，所述机器人执行器 末端连接一三维扫描仪和一柔性卡具；所述锁芯台设置在所述机器人的一侧；所 述中控室设置在所述机器人的另一侧，所述中控室内设置由控制并监视所述机器 人、锁芯台和三维扫描仪的计算机及辅助控制单元。
5、 如权利要求4所述一种机器人砂芯锁芯、下芯系统，其特征在于在所 述机器人和中控室之间设置一中间工位台。
6、 如权利要求4所述一种机器人砂芯锁芯、下芯系统，其特征在于所述锁芯台上设置有一套位移测量装置，所述位移测量装置通过缆线连接至所述中控室。
7、 如权利要求4或所述一种机器人砂芯锁芯、下芯系统，其特征在于在 所述锁芯台、机器人和中控室的两侧各设置有一条由电机和链轮传动装置驱动的 辊道，其中一条为砂芯输送辊道，另一条为砂箱输送辊道，两条所述辊道平行， 驱动所述辊道的电机通过缆线连接至所述中控室。
8、 如权利要求7所述所述一种机器人砂芯锁芯、下芯系统，其特征在于 在所述两条辊道的外侧分别设置有一道安全栅，所述安全栅通过缆线连接至所述 中控室。
9、 如权利要求4或5或6或7或8所述一种机器人砂芯锁芯、下芯系统，其特征在于所述柔性卡具包括连接在所述机器人执行器末端的安装支架，两套对称设置的夹持装置，其中一套夹持装置直接固定连接在所述安装支架底部一侧，另一套夹持装置通过一套浮动机构连接在所述安装支架底部另一侧；所述两 夹持装置的底部分别对称设置有两夹爪，每对所述夹爪的内侧分别设置有弹性垫。
10、 如权利要求9所述一种机器人砂芯锁芯、下芯系统，其特征在于所述 浮动机构包括固定安装在所述安装支架底部的导轨，套设在所述导轨上的两滑 块，所述两滑块固定连接在所述夹持装置的顶部；在所述导轨两端的外侧各设置 有一连接所述安装支架的凸台，所述两凸台的外侧端分别设置一导柱；在所述两 凸台外侧的所述夹持装置上分别设置一辅助安装块，所述两辅助安装块上分别旋 接一由螺母控制的螺钉，所述两螺钉头部与所述两凸台上的所述导柱对应凸出， 在每一所述导柱和所述两螺钉的头部套设一复位弹簧。
11、 如权利要求9所述一种机器人砂芯锁芯、下芯系统，其特征在于每一 所述夹持装置底部的两夹爪中的一个夹爪为浮动夹爪，所述浮动夹爪包括一固定 板，所述固定板通过一转轴连接一浮动板，所述转轴上、下分别通过一顶丝与所 述固定板固定；所述固定板上设置有若千个工艺孔，每一所述工艺孔内分别穿设 一顶杆，所述顶杆一端伸出工艺孔顶住所述浮动板，另一端设置有盲孔，所述盲 孔内设置有一弹簧，所述弹簧另一端设置一螺钉，所述螺钉旋接在所述工艺孔另
全文摘要
本发明涉及一种机器人砂芯锁芯、下芯方法及系统，其特征在于它包括一多自由度工业机器人、一锁芯台和一中控室，所述机器人执行器末端连接一三维扫描仪和一柔性卡具；所述锁芯台设置在所述机器人的一侧；所述中控室设置在所述机器人的另一侧，所述中控室内设置由控制并监视所述机器人、锁芯台和三维扫描仪的计算机及辅助控制单元。本发明能够自动实现砂芯的精确抓取、搬运、锁芯及下芯过程，大大提高了劳动生产率，降低了劳动强度，同时保证了锁芯、下芯过程的高精度，提高了最终的铸件质量。
文档编号B22C19/00GK101249548SQ20081010090
公开日2008年8月27日 申请日期2008年2月26日 优先权日2008年2月26日
发明者刘晓鸣, 吴水华, 岳国志, 扈晓旻, 辉 李, 青 汤, 琳 王, 陈志煜, 齐立哲 申请人:廊坊智通机器人系统有限公司;晋西铁路车辆有限责任公司