專利名稱：用帶兩個機械臂的龍門架遙控機械裝卸大而重的工件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用協(xié)同起重機架(coordinated gantry)對工件進行材料裝卸，特別地，本發(fā)明涉及一個包括數(shù)個可沿著導(dǎo)軌移動的遙控機械(robots)的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
特制的自動傳送設(shè)備，重型區(qū)域起重機架和重載基座遙控機械都是利用傳統(tǒng)技術(shù)按照要求在車間地板上短距離傳送大而重的工件。
單個的重載遙控機械通常需要碩大的工具來抓住巨大的工件，這嚴重地影響了可用于工件的有效載荷，同時這種鉗子設(shè)計非常復(fù)雜繁復(fù)。工件的尺寸和重量受機械腕軸的慣性限制。如果該遙控機械被固定在地板上，則其工作范圍有限，同時，其裝卸大工件時無法勝任長距離傳送。單個的重載遙控機械若被裝到地板，導(dǎo)軌或軌道上，則要實現(xiàn)長距離傳送會遇到巨大的物理障礙，他們不能輕易地適用于各種工件尺寸，可能需要額外的工具或裝備調(diào)整來對工具結(jié)構(gòu)和零件重新配置。
特制的自動傳送設(shè)備是針對每種用途而定制的，需要大量的設(shè)計工作和漫長的訂貨至交貨的時間。這種設(shè)備是定型的，或者需要高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以獲得所需的適應(yīng)性。其占有大量空間，安裝復(fù)雜，需要很長的調(diào)試時間，特別是當其大到可以適用于特別巨大的工件。
傳統(tǒng)的起重機架不容易支持工件轉(zhuǎn)向和工件傳送控制，其一般需要大型工具來抓持大型工件，工具的設(shè)計非常復(fù)雜繁復(fù)，特別是當需要工件轉(zhuǎn)向，且將轉(zhuǎn)向功能被整合到工具中時。傳統(tǒng)的起重機架如果使用固定的垂直柱子，則需要很高的頂梁間隔，或者如果使用伸縮式垂直柱子，則成本很高且載荷下降。由于起重機架巨大的結(jié)構(gòu)，其軌跡比有用的移動范圍大得多，其需要巨大的空間和安裝資源，特別是如果其尺寸適用于特別巨大的工件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種協(xié)同的高載荷六軸龍門架遙控機械(six-axis gantryrobot)，帶有方向控制以傳送大而重的工件。提升導(dǎo)軌軸為尺寸在很寬范圍內(nèi)的工件提供大范圍的移動，因此在不影響地板水平物流的前提下，節(jié)約了車間占地面積。
本發(fā)明提供了一種移動工件的系統(tǒng)，其帶有數(shù)個沿著導(dǎo)軌獨立和協(xié)同移動的遙控機械，按照控制算法控制這些遙控機械，算法以計算機程序的形式儲存在連通控制器的存儲器內(nèi)。在控制器的控制下，機械臂使用多個協(xié)同移動的遙控機械沿著導(dǎo)軌預(yù)定的路徑抓緊、抬高、傳送、放低和松開各種工件。
在車間裝卸并傳送工件的遙控機械系統(tǒng)包括一條地板上支撐的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上支撐至少兩個沿著導(dǎo)軌獨立移動和協(xié)同移動的機械臂，每條臂繞數(shù)條軸絞接(articulating)以抓住并支撐工件。一臺控制器聯(lián)絡(luò)每條機械臂以控制機械臂的移動和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。每個鉗子在第一位置抓住靠近導(dǎo)軌的工件，用機械臂將該工件抬離地面，沿著導(dǎo)軌傳送，鉗子在目的地松開該工件。
比起單個重載基座遙控機械，協(xié)同絞接起重機架遙控機械的工具設(shè)計大大簡化，每個遙控機械的工具可以既小又輕，因此加大了能用于工件的有效載荷。工件的尺寸不受機械腕軸的慣性限制，遙控機械導(dǎo)軌軸提供的機動性使大工件實現(xiàn)了長距離傳送，在高處安裝的導(dǎo)軌改善了物流和地板水平(at floor level)的工藝流程。協(xié)同遙控機械組合在一起獲得了高度靈活的自動轉(zhuǎn)換，其能根據(jù)不同的零件尺寸和形狀調(diào)整，利用導(dǎo)軌軸來取得巨大的調(diào)整范圍，同時其使用連接到獨立的六自由度遙控機械上的獨立工具，能在最優(yōu)化的位置和方向抓住不同的工件。
比起特制的自動傳送設(shè)備，標準遙控機械產(chǎn)品可以以最低限度的定型設(shè)計和標準訂貨至交貨的時間用于協(xié)同絞接起重機架遙控機械。高度靈活的方案結(jié)合了標準的六自由度遙控機械，實現(xiàn)了工具簡單化。在高處的安裝節(jié)省了車間的占地面積。由于多個輕型零件設(shè)備的功能結(jié)合到了一起而獲得的優(yōu)異功能，安裝和調(diào)試都變得容易管理。
比起傳統(tǒng)的起重機架，借助鉸接的協(xié)同起重機架遙控機械，能很容易地控制工件的方向和零件傳送。工具設(shè)計和五金機件得到簡化而變輕，其不再整合用于工件轉(zhuǎn)向和方向控制的設(shè)備，也不再要求高天花板，系統(tǒng)的軌跡完全處于遙控機械的工作范圍之內(nèi)，節(jié)省了車間的空間。


本行業(yè)的技術(shù)人員通過以下的優(yōu)選的具體實施方式
參考附圖能很容易地理解本發(fā)明的優(yōu)點圖1是車間地板上由柱子支撐的導(dǎo)軌的俯視圖，根據(jù)本發(fā)明，導(dǎo)軌在其水平面上以“懸掛”結(jié)構(gòu)支撐鉸接的機械臂；圖2是圖1中設(shè)備的側(cè)視圖；圖3是車間地板上由柱子支撐的導(dǎo)軌的側(cè)視圖，根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，導(dǎo)軌在其豎直面上以“側(cè)掛”結(jié)構(gòu)支撐鉸接的機械臂；圖4是圖1和2中設(shè)備的側(cè)視圖；圖5是圖1到3所示機械臂的立體圖；圖6是圖1和2中的兩個機械臂抓住工件時的俯視圖；圖7是另一實施例中的雙機械臂抓住長工件時的側(cè)視圖。
具體實施例方式
圖1-4描述了懸在工廠車間地板22工作區(qū)上方的導(dǎo)軌20。導(dǎo)軌20在靠近兩端處由柱子24，26支撐，較佳地，柱子的形狀是中空的圓柱形管。凸緣對28，30位于每根柱子的底端，放射狀地由柱子向外伸展，凸緣與柱子以及底盤32焊接在一起。位于底盤32的周圍的螺釘34將底盤32固定到地板22上，或固定到位于地板平面上或靠近地板平面的支撐面上。當柱子24，26間的跨度超過了預(yù)設(shè)長度，可以在兩端柱子24，26之間增加至少一個附加柱子36，給導(dǎo)軌20提供中間支撐。
圖3和4描繪了導(dǎo)軌20用U形螺栓對40，42固定在柱子24，26上，并隔開很短距離，螺栓箍緊柱子的環(huán)形輪廓，并由穿在螺栓40，42上的固定器44固定。導(dǎo)軌20包括在一側(cè)的第一側(cè)面46和相對的裝有機械臂50第二側(cè)面48。圖4中，導(dǎo)軌20的方向是側(cè)面46處于朝上的平面而側(cè)面48朝下。導(dǎo)軌通過表面46上的支架52處的U形螺栓40，42，還有導(dǎo)軌第三短側(cè)面上的U形螺栓40，42固定到柱子24，26上，該第三短側(cè)面面對柱子呈垂直面。機械臂50固定在平面48上，如圖1和2，沿著導(dǎo)軌20以“懸掛”的形式移位。
圖3中，導(dǎo)軌20相對圖4轉(zhuǎn)動了90度，方向是側(cè)面46處于朝向柱子26，28的垂直平面而側(cè)面48背對柱子。機械臂50固定在平面48上，沿著導(dǎo)軌20以“側(cè)掛”的形式移位。
機械臂50為電動伺服驅(qū)動機械臂，其沿著導(dǎo)軌20移動而完成物料裝卸以及機械維護保養(yǎng)?！皞?cè)掛”位置(圖3)使機械臂垂直伸展距離最大化，而“懸掛”位置(圖4)則將對稱的工作范圍最大化。機械臂50在導(dǎo)軌20上的移動距離會有差別，較佳地，使用不帶電刷的交流電伺服電動機(圖中未示)配合齒輪齒條驅(qū)動器(圖中未示)驅(qū)動機械臂50沿著導(dǎo)軌20移動。
優(yōu)選地，如圖1和2所示，每條導(dǎo)軌20上支撐一個以上的機械臂50，或者多條導(dǎo)軌可以貼近地布設(shè)，每條導(dǎo)軌支撐一條機械臂50或多條機械臂，上述的兩種情況下，受控的機械臂50相互協(xié)調(diào)抓住大工件并將其從地板22上的拾起位置傳送到放下位置。機械臂50可以到達導(dǎo)軌20的兩端以獲取更大的工作空間，或者每個機械臂可以不同另一個機械臂協(xié)作，在單個機械臂的載荷和工作范圍內(nèi)裝卸單個工件。
優(yōu)選地，如圖5所示，機械臂50通過在多個軸60，62，64，66，68絞接可具有六自由度，并可沿著導(dǎo)軌20的軸70做線性移動。在臂50的自由端有一個腕72，其上可固定一個隨腕一起移動的鉗子。鉗子可以采用任何在機械臂上常用的技術(shù)來抓取，升高，傳送和放開工件，用到的技術(shù)包括(但不僅限于)磁性的，液壓的，真空的和機械的技術(shù)。
圖6顯示了鉗子78，80抓住的工件76，每個鉗子由一條機械臂50上的腕72支撐，機械臂互相協(xié)同傳送工件。較佳地，兩個機械臂50都由同一條導(dǎo)軌20支撐。當工件76具有均勻的質(zhì)量分布，比如工字梁或壓制部件，則鉗子78，80在相對的兩端抓住工件76，每個機械臂大致承受二分之一的工件重量而不會對腕72產(chǎn)生很大的力矩。
當機械臂50由同一條導(dǎo)軌支撐而工件76相對較長時，臂50可以和導(dǎo)軌一樣在橫向延伸，而工件可以相對導(dǎo)軌軸70以橫向，垂直或傾斜方式傳送。但是當工件82相對較短，雙臂遙控機械的臂50`優(yōu)選地是如圖7所示，與導(dǎo)軌20的橫向相反，工件與導(dǎo)軌垂直，沿著導(dǎo)軌從拾起位置傳送到放下位置。例如，在圖2中，鉗子在地板22上任何要求的拾起位置90拾起工件76，82，將其沿著導(dǎo)軌20傳送到任何要求的放下位置92，然后放松工件。
機械臂50，50`在每根軸上有驅(qū)動電動機84，86，87以使臂分別繞每根軸絞接轉(zhuǎn)動。另一個電動機85使臂沿著導(dǎo)軌20的軸70移動。移動和樞軸轉(zhuǎn)動(articulate)機械臂50，50`的電動機由導(dǎo)管94連接，該導(dǎo)管連接到電源和基于微處理器的控制器96(圖5)，控制器96連接到存有算法的電子存儲器并且協(xié)調(diào)機械臂的移動，控制臂互相協(xié)調(diào)著抬高、抓持、傳送和松開工件。該控制算法使系統(tǒng)能自我調(diào)整形狀以裝卸任何長度的工件，使工件傳送時能有足夠空間，該傳送空間是由導(dǎo)軌的長度決定的。除了抬高和傳送工件76，82，機械臂50，50`能互配合相轉(zhuǎn)動改變工件相對導(dǎo)軌20的位置，這使得工件76，82能從拾起位置90被移動到放下位置或終點92，并能使工件在放下位置的姿態(tài)位置與拾起位置不同。
比方說，圖6顯示了機械臂50抓住了工件76的兩末端，機械腕72已經(jīng)從圖2所示的位置發(fā)生轉(zhuǎn)動，這樣鉗子78，80就能牢固地把持住工件。機械腕72使鉗子78，80的方向順著導(dǎo)軌20的縱軸70的方向，這樣鉗子就能沿著一條與導(dǎo)軌縱軸平行的縱軸傳送工件76。在圖7中，機械腕72使鉗子78，80的方向垂直于導(dǎo)軌20的軸，垂直于縱軸70傳送工件82。
鉗子72能裝卸具有不同的幾何形狀、尺寸和重量的復(fù)雜零件而不會像傳統(tǒng)鉗子一樣受到重量和尺寸的限制。多個鉗位使每個鉗子都能得到優(yōu)化而勝任特殊的鉗位。這改善了本發(fā)明系統(tǒng)的遙控機械的舉重效率。
本發(fā)明對于尺寸，重量，復(fù)雜度或者鉗位(鉗子抓起工件的地方)的數(shù)量的確沒有限制。機械臂50，50`協(xié)同裝卸和傳送普通工件，適用于重量和長度超過單個機械臂能力的又重又長的工件。
按照專利法的規(guī)定，這里用較佳的實施例來描述本發(fā)明，但要注意的是本發(fā)明能以不同于實施例的方式實施，而不偏離本發(fā)明的構(gòu)思或范圍。
權(quán)利要求
1.一種龍門架遙控機械系統(tǒng)，在有地板的車間裝卸和傳送具有不同尺寸、重量和形狀的工件，包括支撐于地板上的導(dǎo)軌；至少兩個機械臂，其在導(dǎo)軌上沿導(dǎo)軌彼此相對移動和協(xié)同移動，每條臂支撐一個鉗子，并能繞多條軸樞軸轉(zhuǎn)動使鉗子抓住并支撐工件；和控制器，其聯(lián)絡(luò)每條機械臂以控制機械臂的移動和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，使機械臂將工件抬離地面，沿著導(dǎo)軌傳送，使鉗子松開該工件。
2.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括第一和第二柱子沿著導(dǎo)軌間隔設(shè)置，從地板向上延伸，并固定在底座；且其中，導(dǎo)軌鄰接柱子且包括固定到柱子上的第一表面，和豎直放置的第二表面，其上支撐機械臂并使其沿導(dǎo)軌移位。
3.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括第一和第二柱子沿著導(dǎo)軌間隔設(shè)置，從地板向上延伸，并固定在底座上；且其中，導(dǎo)軌鄰接柱子且包括固定到柱子上的第一表面，和支撐機械臂并使其沿導(dǎo)軌移動的第二表面。
4.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，機械臂包括多條軸，其沿著機械臂分布，并使機械臂繞軸樞軸轉(zhuǎn)動；和位于機械臂末端的腕，以支撐其上的鉗子。
5.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，每個鉗子都分別固定在相應(yīng)的機械臂上以隨之移動，每個鉗子都有一個抓持工件的表面，這就防止當鉗子抓住工件時，工件相對鉗子發(fā)生移動。
6.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，每個鉗子借助電磁，液壓，真空和機械驅(qū)動的其中之一抓住并支撐工件。
7.一種移動工件的方法，包括以下步驟在地板上方提供導(dǎo)軌；在導(dǎo)軌上支撐至少兩個沿著導(dǎo)軌彼此相對移動和協(xié)同移動的機械臂，每條臂具有一個鉗子；使用鉗子在相互間錯位置上抓住工件；鉗子抓住工件后，用臂將工件抬離地面；當鉗子支撐住工件時機械臂沿著導(dǎo)軌移動，樞軸轉(zhuǎn)動機械臂以改變工件相對導(dǎo)軌的位置；和鉗子松開工件。
8.按照權(quán)利要求7所述的方法，進一步包括以下步驟使用控制器使臂轉(zhuǎn)動，這樣鉗子就抓住工件并用臂把持住工件；和當鉗子把持住工件時，使用控制器控制機械臂沿著導(dǎo)軌移動。
9.一種在車間內(nèi)移動工件的方法，包括以下步驟用所需長度的導(dǎo)軌橫跨地架設(shè)在車間之上，導(dǎo)軌在抓取工件的第一位置和送達工件的第二位置之間伸展；在導(dǎo)軌上安裝至少兩個絞接的機械臂，每個臂帶有一個鉗子；在第一位置使鉗子抓住工件；將工件沿著導(dǎo)軌傳送到第二位置；和使鉗子在第二位置松開工件。
10.按照權(quán)利要求9所述的方法，進一步包括以下步驟使用控制器使機械臂樞軸轉(zhuǎn)動，這樣鉗子就在第一位置抓住工件并用臂把持住工件；和當鉗子把持住工件時，使用控制器控制機械臂沿著導(dǎo)軌從第一位置移動到第二位置。
11.按照權(quán)利要求9所述的方法，其中，傳送步驟進一步包括在鉗子把持工件的同時，協(xié)調(diào)機械臂沿導(dǎo)軌的移動和轉(zhuǎn)動。
全文摘要
一種遙控機械系統(tǒng)，在工作空間內(nèi)裝卸傳送工件，包括一條地板上支撐的導(dǎo)軌(20)，導(dǎo)軌上的至少兩個沿著導(dǎo)軌相對移動和協(xié)同移動的機械臂(50)，每條臂繞數(shù)條軸絞連轉(zhuǎn)動以抓住并支撐工件(76)，以及一臺控制器(96)聯(lián)絡(luò)每條機械臂以控制機械臂的移動和轉(zhuǎn)動，每個鉗子(78，80)抓住工件，機械臂將工件抬離地面，沿著導(dǎo)軌傳送，鉗子在目的地松開該工件。
文檔編號B25J9/04GK1839018SQ200480023178
公開日2006年9月27日 申請日期2004年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月18日
發(fā)明者尼尚特·雅韋里, 蘭加納特·米斯拉, 伊恩·奧爾, 理查德·M·莫特利 申請人:美國發(fā)那科機器人有限公司