一种利用传感器检测工件位置偏差和找正的工作台及方法

技术领域

本发明涉及一种利用传感器检测工件位置偏差和找正的工作台及方法。

背景技术

对于各类自动化生产设备、自动化生产线，其工艺流程的起始端为工件上件，工件在上件时，要求工件准确定位，以实现后续自动化工艺过程。柔性工件或薄片类工件以及一些其它类型的工件，很难通过夹具、导向件、刚性挡块等机械限位方式进行工件准确定位，因而工件上件后不可避免地存在位置偏差，必须对工件进行找正。

现有技术中多采用视觉识别系统，通过比对工件实际位置与理想位置的差异，对工件进行找正。虽然解决了工件位置检测的问题，但同时存在一些其他问题：第一，视觉识别系统价格昂贵，从而导致设备成本高；第二，视觉识别系统的识别成功率受产品自身和周围环境的影响较大，一个工件往往需要多次比对，直接影响设备正常运行及生产效率。第三，对于大型工件、长条形工件，视觉识别系统需要多个摄像头拼接，降低了识别成功率，同时增加了设备成本。

现有技术中也有通过在机器人上安装多个光电传感器的方式，实现工件找正。虽然用光电传感器替代了视觉识别系统，部分降低了设备成本，但同样存在一些其他的问题：第一，只能实现轮廓形状为矩形、正方形工件的找正；第二，机器人价格昂贵，从而导致设备成本较高；第三，机器人控制系统复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理的利用传感器检测工件位置偏差和找正的工作台及方法，设备构成简单，成本低，效率高。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种利用传感器检测工件位置偏差和找正的工作台，其特征在于：包括传感器组件、数控横向直线运动单元、数控纵向直线运动单元、机座和工件支承盘；数控纵向直线运动单元安装固定在机座上；数控横向直线运动单元安装在数控纵向直线运动单元上，数控纵向直线运动单元与数控横向直线运动单元的运动方向相互垂直；工件支承盘安装在数控横向直线运动单元上；传感器组件包括传感器支架和两个传感器，传感器安装在传感器支架上；两个传感器的感测点均位于数控纵向直线运动单元的中轴线上，且呈前后设置。

本发明所述的工作台还设置有数控回转机构，数控回转机构安装在数控横向直线运动单元上，工件支承盘和数控回转机构连接，数控回转机构驱动工件支承盘转动。

本发明其特征在于：所述的工件支承盘为真空吸盘、电磁吸盘或者压板式工件支承盘；所述的传感器为光电传感器、光纤传感器、激光传感器、超声波传感器或者是接近开关。

本发明所述的数控横向直线运动单元和数控纵向直线运动单元的执行机构为带位置感测功能的丝杠螺母机构、齿轮齿条机构、链传动机构、带传动机构、凸轮导杆机构、连杆机构、油缸、直线电机或者直线运动模组。

本发明还包括控制系统，传感器、数控回转机构、数控横向直线运动单元、数控纵向直线运动单元均与控制系统电连接。

一种利用传感器检测工件位置偏差和找正的方法，其特征在于：采用上述的工作台，步骤如下：

设：X

一、被检测边为直线的工件的检测位置偏差和找正步骤如下：

设：X

(1)送检过程：

将工件上件到工件支承盘并触发送检：数控纵向直线运动单元不动，数控横向直线运动单元将工件支承盘和其上的工件移动到传感器感测区，第一个传感器检测到工件被检测边上的一点，此时Y

数控横向直线运动单元继续移动工件支承盘，直至O

根据几何关系，可求得被检测边到O

(2)偏转角找正过程：

根据偏转角β的数值，数控回转机构驱动工件支承盘回转，回转停止时，Y轴、Y

(3)横向找正过程：

偏转角找正完成，启动工件的横向找正，横向找正分为对边找正、对中心线找正或者对中心点找正：

对边找正：设工件在下一工位理想位置时，被检测边平行于Y轴且与Y轴的距离为H，其在X轴上的坐标值为x

对中心线找正：设被检测边到工件中心线的距离为T，设该工件中心线在X轴上的坐标值为x

对中心点找正：设被检测边到工件中心点的距离为T’，设该工件中心点在X轴上的坐标值为x

(4)纵向找正过程：

横向找正完成后，数控纵向直线运动单元使工件沿Y轴向下一工位理想位置方向移动，工件上设有辅助边，当第二个传感器检测到辅助边上的一点后，数控纵向直线运动单元再行走固定距离，使得工件到达下一工位理想位置；

二、被检测边为圆弧形或圆形的工件检测位置偏差和找正步骤如下：

(1)送检过程：

将工件上件到工件支承盘并触发送检：数控纵向直线运动单元不动，数控横向直线运动单元将工件支承盘和其上的工件移动到传感器感测区，第一个传感器检测到工件被检测边上的一点，此时Y

数控横向直线运动单元继续移动工件支承盘，直至O

在x的两个解中选取绝对值小的一个，并以x的这个解，求得对应的y的值，计算出工件此时位置圆心在YOX坐标系的坐标O

(2)找正过程：

通过数控横向直线运动单元和数控纵向直线运动单元的动作，使工件的圆心坐标，与工件在下一工位理想位置时的圆心坐标重合，从而使被检测边为圆弧形或圆形的工件得以找正；

三、被检测边为椭圆形的工件检测位置偏差和找正步骤如下：

设Y

(1)送检过程：

将工件上件到工件支承盘并触发送检：数控纵向直线运动单元不动，数控横向直线运动单元将工件支承盘和其上的工件移动到传感器感测区；第一个传感器检测到工件被检测边上的一点，此时Y

求得F

(2)偏转角找正过程：

根据偏转角β的数值，数控回转机构驱动工件支承盘回转，Y轴、Y

(3)横向和纵向找正过程：

计算偏转角找正后工件椭圆长轴到Y轴的距离H和椭圆焦点F

数控横向直线运动单元横向移动距离为|H|，使工件两个焦点在YOX坐标系中的X轴坐标为0，工件横向位置偏差得以找正；

设工件在下一工位理想位置时，其椭圆焦点F

本发明被检测边为直线的工件的检测位置偏差和找正步骤中，极端情况下会出现工件上件没有偏转角，此状态下，两个传感器会同时检测到工件被检测边上的两个点，此时跳过偏转角找正过程，直接启动横向找正过程。

本发明被检测边为直线的工件的检测位置偏差和找正步骤中，数控纵向直线运动单元行走的固定距离数值设定为：工件在下一工位理想位置时，辅助边与Y轴的交点到第二个传感器感测点的距离的数值即为固定距离数值。

本发明被检测边为直线的工件的检测位置偏差和找正步骤中，数控纵向直线运动单元行走的固定距离数值设定为：设第二个传感器的感测点与工件在下一工位理想位置时中心线的距离为C，辅助边到工件中心线的距离为V，固定距离数值则为|C-V|。

本发明被检测边为圆弧形或圆形的工件检测位置偏差和找正步骤中，找正过程中数控横向直线运动单元和数控纵向直线运动单元的动作步骤如下：数控横向直线运动单元横向移动距离为|x|，使工件圆心O

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：利用传感器检测工件位置偏差，大大简化了识别系统以及控制系统，适用三角形、四边形、多边形、圆弧形或圆形、椭圆形等多种外形的工件，尤其适用于柔性材质工件、薄片类工件等一些难以通过夹具、导向、刚性挡块等机械限位方式进行工件准确定位的场合；而对于大型工件、长条形工件，利用传感器检测工件位置偏差和找正的工作台，也具有一定的优势，利用常规数控运动单元完成工件的送检和找正，整机结构简单，运行可靠，准确率高，大幅降低了设备成本，提高了找正效率。

附图说明

图1a是本发明专利实施例具有数控回转机构的工作台结构示意图。

图1b是图1a的侧视结构示意图。

图1c是本发明实施例没有数控回转机构的工作台结构示意图。

图1d是图1c的侧视结构示意图。

图2a是本发明专利实施例的工作台平面坐标系及工件上件状态示意图一，图中工件的上部发生偏移。

图2b是本发明专利实施例的工作台平面坐标系及工件上件状态示意图二，图中工件的下部发生偏移。

图3a是本发明专利实施例针对被检测边为直线的工件的找正原理图一，图中在一号传感器的检测点检测到工件被检测边上的一点。

图3b是本发明专利实施例针对被检测边为直线的工件的找正原理图二，图中在二号传感器的检测点检测到工件被检测边上的一点。

图3c是本发明专利实施例针对被检测边为直线的工件的找正原理图三，图中送检动作结束。

图3d是本发明专利实施例针对被检测边为直线的工件的找正原理图四，图中工件的偏转角已得以消除。

图3e是本发明专利实施例针对被检测边为直线的工件的找正原理图五，图中已完成工件的横向找正。

图3f是本发明专利实施例针对被检测边为直线的工件的找正原理图六，图中在纵向找正时二号传感器的检测点检测到工件被检测边的邻边。

图4a是本发明专利实施例工件对边找正与对中心线找正结果比较示意图。

图4b是本发明专利实施例工件对中心线横向找正时几何关系示意图。

图4c是本发明专利实施例工件对中心线纵向找正时几何关系示意图。

图5a是本发明专利实施例针对被检测边为圆弧形或圆形的工件的找正原理图一，图中工作台处于初始位置。

图5b是本发明专利实施例针对被检测边为圆弧形或圆形的工件的找正原理图二，图中在一号传感器的检测点检测到工件被检测边上的一点。

图5c是本发明专利实施例针对被检测边为圆弧形或圆形的工件的找正原理图三，图中在二号传感器的检测点检测到工件被检测边上的一点。

图5d是本发明专利实施例针对被检测边为圆弧形或圆形的工件的找正原理图四，图中送检动作结束。

图6a是本发明专利实施例针对被检测边为椭圆形的工件的找正原理图一，图中工作台处于初始位置，工件的上部发生偏移。

图6b是本发明专利实施例针对被检测边为椭圆形的工件的找正原理图二，图中在一号传感器的检测点检测到工件被检测边上的一点。

图6c是本发明专利实施例针对被检测边为椭圆形的工件的找正原理图三，图中在二号传感器的检测点检测到工件被检测边上的一点。

图6d是本发明专利实施例针对被检测边为椭圆形的工件的找正原理图四，图中在一号传感器的检测点检测到工件被检测边上的另一点。

图6e是本发明专利实施例针对被检测边为椭圆形的工件的找正原理图五，图中在二号传感器的检测点检测到工件被检测边上的另一点。

图6f是本发明专利实施例针对被检测边为椭圆形的工件的找正原理图六，图中送检动作结束。

图6g是本发明专利实施例针对被检测边为椭圆形的工件的找正原理图七，图中工件的偏转角已得以消除。

图6h是本发明专利实施例针对被检测边为椭圆形的工件的找正原理图八，图中工件的下部发生偏移。

以上附图中，数控纵向直线运动单元上部的虚线框G处为工件在下一工位的理想位置。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

本发明实施例所述的利用传感器检测工件6位置偏差和找正的工作台，包括传感器组件1、数控横向直线运动单元3、数控纵向直线运动单元4、控制系统、机座5、工件支承盘7、数控横向直线运动单元支架8和数控纵向直线运动单元支架9

数控纵向直线运动单元4通过数控纵向直线运动单元支架9安装固定在机座5上。

数控横向直线运动单元3通过数控横向直线运动单元支架8安装在数控纵向直线运动单元4上，随数控纵向直线运动单元4做直线运动。数控纵向直线运动单元4的运动，由带位置感测功能的常规直线运动机构实现，拖动数控横向直线运动单元3做直线运动。数控纵向直线运动单元4与数控横向直线运动单元3的运动方向相互垂直。

工件支承盘7安装在数控横向直线运动单元3上，随数控横向直线运动单元3做直线运动。工件6固定放置在工件支承盘7上，为避免工件6与工件支承盘7产生相对运动，工件支承盘7可以是真空吸盘或电磁吸盘，也可以采用压板等形式固定工件6。

传感器组件1包括传感器支架11和两个传感器12，这两个传感器12为一号传感器121 和二号传感器122，一号传感器121和二号传感器122均安装在传感器支架11上。一号传感器121和二号传感器122之间的相互位置关系是固定的，一号传感器121和二号传感器122的感测点均位于纵向直线运动单元4的中轴线上，且呈前后设置。传感器12为光电传感器、光纤传感器、激光传感器、超声波传感器或者是接近开关。

数控横向直线运动单元3和数控纵向直线运动单元4的直线运动，由带位置感测功能的常规直线运动机构实现，如此，数控横向直线运动单元3和数控纵向直线运动单元4的执行机构可以为带位置感测功能的丝杠螺母机构、齿轮齿条机构、链传动机构、带传动机构、凸轮导杆机构、连杆机构、油缸、直线电机或者直线运动模组。

当工作台用于圆形、圆弧形工件6时，工件支承盘7直接安装固定在数控横向直线运动单元3上，随数控横向直线运动单元3做直线运动。

当工作台用于非正圆形、非圆弧形工件6时，工作台还设置有数控回转机构2，工件支承盘7通过数控回转机构2安装在数控横向直线运动单元3上。数控回转机构2包括电机21和电机支架22。电机支架22安装在数控横向直线运动单元3上，数控横向直线运动单元3驱动数控回转机构2做直线运动。电机21竖直向上安装在电机支架22上。工件支承盘7安装在电机21的电机输出轴上，电机21的电机输出轴驱动工件支承盘7转动。电机 21为带旋转编码器的制动电机、步进电机或者伺服电机。

传感器12、数控回转机构2、数控横向直线运动单元3、数控纵向直线运动单元4均与控制系统电连接。控制系统为工控机或PLC。

一种利用传感器检测工件6位置偏差和找正的方法，步骤如下：

设：X

一、被检测边为直线的工件6的检测位置偏差和找正步骤如下：

(1)设：X

(2)找正过程：

工件6上件后，存在三个维度的偏差：工件6与Y

(21)送检过程：

图2a所示为所述工作台的初始位置，在此位置工件6上件到工件支承盘7并固定，然后触发送检：数控纵向直线运动单元4不动，数控横向直线运动单元3向X轴反向运动(图中向左)，从而将工件支承盘7中的工件6移动到传感器感测区，在一号传感器121的A 点检测到工件被检测边上的一点A'(见图3a)，此时Y

工件6上件时的初始位Y

根据几何关系，可求得被检测边到O

K值确定后，工件被检测边在Y

上述送检过程是工件6偏转方向如图2a所示的情况，当出现工件6偏转方向如图2b所示的情况，则是在二号传感器122中的B点先检测到ab边上的一点B'，之后在一号传感器121的A点检测到工件6ab边上的另一点A'，这种情况下，偏转角β和被检测边到O

(22)偏转角找正过程：

控制系统根据检测、计算的结果，将回转方向及回转角度值即偏转角β的数值发送给数控回转机构2，数控回转机构2的电机按指令回转，回转停止时，Y轴、Y

极端情况下会出现工件6上件没有偏转角，此状态下，两个传感器12会同时检测到工件被检测边上的2个点，并同时发讯，控制系统则跳过偏转角找正过程，直接启动横向找正过程。

(23)横向找正过程：

偏转角找正完成，工作台自动启动工件6的横向找正，横向找正可分为对边找正、对中心线找正或者对中心点找正：

对边找正：不同规格的工件6，找正后，都是使被检测边ab到Y轴在X轴向的距离，与工件6理想位置时ab边到Y轴在X轴向的距离相同，该距离为H。设工件6在下一工位理想位置时，被检测边平行于Y轴且与Y轴的距离为H，其在X轴上的坐标值为x

对中心线找正：根据工件6后续的工艺过程不同，也经常需要实现工件6的对中心线找正，即不同规格的工件6，找正后，都是使工件6的中心线E与工件6理想中心线E’在同一条直线上，图4a为对边找正与对中心线找正结果比较，F为工件6理想位置时被检测边所在的位置，F’为工件6理想位置时中心线所在的位置。图4b中，由前述过程可知，K 值及x

对中心点找正：工件6对中心点的找正方法，与工件6的对中心线的找正方法类似：由前述过程可知，K值及x

(24)纵向找正过程：

横向找正过程完成后，启动纵向找正，并将工件6送至下一工位：数控纵向直线运动单元4的伺服电机启动，使得工件6向Y轴正向运动(图中向上)，辅助边设定为在纵向找正过程中数控纵向直线运动单元4移动时工件6最先被检测到的边，本实施例中，该辅助边设置为被检测边ab的邻边bc，当在二号传感器122的B点测到工件6邻边bc上的一点后发讯，触发控制系统开始数控纵向直线运动单元4伺服电机回转角度计数，当计数值与伺服电机回转角度设定值相等时，数控纵向直线运动单元4伺服电机停止，工件6送达下件位置，工件6的纵向位置同时得以找正，此过程相当于在二号传感器122的B点检测到工件6邻边bc后，数控纵向直线运动单元4行走固定距离D，使得工件6到达下一工位理想位置(见图3f)。

固定距离D其中一种设定方式为：工件6在下一工位理想位置时，邻边bc与Y轴交点到B点的距离，即：每个送到下一工位的工件6，其bc边到B点的距离都是相同的。将纵向找正过程与送件动作过程合并，节省了工艺时间。

如果工件6是具有中心线或对称中点的形状，工件6也可按上述方式进行对中心线、对中点找正，只是不同规格的工件6，找正行程设置不相同，可在程序中进行相应设定，设定方式与工件6的横向对中心线找正类似：当数控纵向直线运动单元4向图中上方运动，当在二号传感器122的B点测到工件6邻边bc上的一点后，因二号传感器122的B点到工件6理想中心线的距离C是已知的，工件bc边到工件6中心线的距离V也是已知的(不同规格的工件6，V值不同)，故数控纵向直线运动单元4行走固定距离D＝|C-V|，完成工件6 的纵向找正，并同时将工件6送到下一工位。

二、被检测边为圆弧形或圆形的工件6检测位置偏差和找正步骤如下：

(1)送检过程：

图5a所示为工作台的初始位置，工件6为圆形，在此位置工件6上件到工件支承盘7并固定，然后触发送检：数控纵向直线运动单元4不动，数控横向直线运动单元3向X轴反向运动(图中向左)从而将工件支承盘7和其上的工件6移动到传感器感测区，在一号传感器121的A点检测到工件被检测边上的一点A'(见图5b)，此时Y

工件6上件时的初始位Y

由送检过程可知圆心在前述圆弧上两点A'及B'的右侧，即：在x的两个解中选取绝对值小的一个，并以x的这个解，求得对应的y的值，于是控制系统计算出工件6此时位置圆心在YOX坐标系的坐标O

(2)找正过程：

图5d，工件6理想位置圆心在YOX坐标系的坐标为(0，W)，根据控制系统计算出的工件6实际圆心位置在YOX坐标系的坐标O

数控横向直线运动单元3横向移动距离为|x|，使工件6圆心O

数控纵向直线运动单元4纵向移动距离为|W-y|，使工件6圆心O

由圆弧形、圆形工件6的送检及找正过程可知，单纯用于圆弧形、圆形工件6的工作台，可以没有数控回转机构2。

三、被检测边为椭圆形的工件6检测位置偏差和找正步骤如下：

(1)送检过程：

图6a所示为工作台的初始位置，工件6为椭圆形，设Y

数控纵向直线运动单元4不动，数控横向直线运动单元3向X轴反向运动(图中向左) 从而将工件支承盘7和其上的工件6移动到传感器感测区，在一号传感器121的A点检测到工件被检测边上的一点A1(见图6b)，此时Y

求得F

控制系统将回转方向及回转角度β的数值发送给数控回转机构2的伺服控制器，数控回转机构2电机按指令回转，Y轴、Y

至此，椭圆的横向位置偏差与纵向位置偏差已完全确定，此后对椭圆的横向位置偏差和纵向位置偏差的找正，与圆形(圆弧形)工件6的找正方式类似，即通过数控横向直线运动单元3和数控纵向直线运动单元4将工件6焦点送到理想位置，具体步骤如下：

数控横向直线运动单元3横向移动距离为|H|，使工件6两个焦点在YOX坐标系中的坐标为0，工件6横向位置偏差得以找正；

设工件6在下一工位理想位置时，椭圆焦点F

同样，当工件6的偏转方向如图6h时，与被检测边为直线的工件6的情况类似，二号传感器122的B点先检测到工件6椭圆外廓上的一点B'，之后在一号传感器121的A点检测到工件6椭圆外廓上的另一点A'，这种情况下，工件6椭圆的各项偏差值的计算原理与上述一号传感器121的A点先检测到工件6椭圆外廓上的一点的情况是相同的，控制系统只需根据两个传感器检测到工件6的顺序，即可判断出工件6椭圆长轴角度偏差的方向，即：出现一号传感器121先检测到椭圆外廓上一点的情况，偏转角找正时，数控回转机构2 顺时针旋转消除工件6偏转角，而出现二号传感器122先检测到椭圆外廓上一点的情况，偏转角找正时，数控回转机构逆时针旋转消除工件6偏转角。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。