基于工業(yè)機(jī)器人的車架自動出庫工位設(shè)計(jì)

李金義 陳 彬

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京100026）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人是在工廠車間內(nèi)用來移動各種材料、零件、工具以及其他物體的裝置，可以通過編程來控制它們的動作，實(shí)現(xiàn)物體的抓取、移動和精確放置。工業(yè)機(jī)器人是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，它既應(yīng)用了傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與傳動技術(shù)，又應(yīng)用了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、自動化技術(shù)以及傳感器技術(shù)，是一種綜合計(jì)算機(jī)、傳感器、自動控制等技術(shù)的產(chǎn)品。常見的工業(yè)機(jī)器人由操作部分（機(jī)器本體）、控制部分、伺服驅(qū)動部分以及傳感器裝置組成，具有自動控制、仿人操作、可重復(fù)編程的特點(diǎn)，能夠在三維空間中完成復(fù)雜的動作，尤其在變種類、變批量的柔性工作場合能達(dá)到提高工作效率、改善工人勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。本文將通過具體實(shí)例對機(jī)器人在汽車裝配領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)探討。

1 不同類型工業(yè)機(jī)器人的性能對比

隨著機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，如焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、抓取機(jī)器人等。工業(yè)機(jī)器人在抓取、運(yùn)輸方面的應(yīng)用，根據(jù)搬運(yùn)工件的大小和結(jié)構(gòu)的不同，有擺動橫桿式機(jī)械手、平行四連桿結(jié)構(gòu)擺臂式機(jī)械手和六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人等幾種形式，下面對它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行具體的對比和分析。

（1）擺動橫桿式機(jī)械手。這種結(jié)構(gòu)的機(jī)械手主要是通過對設(shè)置在橫桿上調(diào)節(jié)裝置的控制（最多可有5個(gè)自由度），實(shí)現(xiàn)工件在2個(gè)工位之間任意位置的停留或加工，其作用區(qū)域可以覆蓋橫桿搭放的2個(gè)豎桿之間的任意位置。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)相對比較簡單，容易控制，不會占太多空間，具有較高的負(fù)載能力。

（2）平行四連桿結(jié)構(gòu)擺臂式機(jī)械手。這種機(jī)械手是在工廠生產(chǎn)線上搬運(yùn)大型工件常用的工程設(shè)備，可分為雙平行四連桿擺臂式機(jī)械手和單平行四連桿擺臂式機(jī)械手。這種類型的機(jī)械手通常采用吊裝的方式，不占地面空間，具有很強(qiáng)的負(fù)載能力，運(yùn)動速度快，而且具有放大行程的優(yōu)點(diǎn)。

（3）六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人。近幾年來，六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人的運(yùn)動控制技術(shù)及其在工程實(shí)際中的應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，它有其他機(jī)械手不具備的特點(diǎn)，在工廠生產(chǎn)線上得到了廣泛應(yīng)用。六自由度機(jī)器人采用的關(guān)節(jié)型連接控制結(jié)構(gòu)，可以在三維空間的任意點(diǎn)運(yùn)動和停留，姿態(tài)調(diào)整靈活，柔性較高，但是它的末端速度是所有關(guān)節(jié)的運(yùn)動速度合成，速度相對較低，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)的限制導(dǎo)致其負(fù)載能力較小。這種機(jī)器人在安裝上十分簡單，地面固定安裝或吊裝都可以，工作范圍大，工作角度無限制。

3種工件運(yùn)送方式的性能對比如表1所示。

表1 3種工件運(yùn)送方式的性能對比表

從表1可以看出，與擺臂式機(jī)械手和橫桿式機(jī)械手相比，六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人用于自動化輸送工件具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、柔性高、維護(hù)容易的優(yōu)點(diǎn)，但也有效率偏低、無法承擔(dān)較大載荷的缺點(diǎn)，尤其對于大件、較長件以及工件的翻轉(zhuǎn)效果很不理想。對于本文所要求的工件——車架來說，六自由度機(jī)器人是最適合的搬運(yùn)工具，下面進(jìn)行具體論述。

2 六自由度機(jī)器人在車架自動出庫工位的應(yīng)用

車架自動出庫教學(xué)培訓(xùn)裝置實(shí)現(xiàn)模型汽車車架自動出庫動作，將模型汽車的車架從立體倉庫中取出來，完成汽車裝配工藝中的第一個(gè)工藝流程，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車架自動出庫教學(xué)培訓(xùn)裝置結(jié)構(gòu)圖

車架自動出庫教學(xué)培訓(xùn)裝置由車架倉庫、傳感器、輸送線、六自由度機(jī)器人、氣動抓手組成，其動作流程如下：

（1）六自由度機(jī)器人啟動，氣動抓手運(yùn)行到車架倉庫位置；

（2）根據(jù)車架倉庫傳感器判斷車架存儲狀態(tài)和位置，運(yùn)行到即將抓取車架的位置；

（3）張開氣動抓手，將氣動抓手運(yùn)動到能夠抓取車架的位置；

（4）閉合氣動抓手，抓緊車架；

（5）抓住車架向上抬起，離開倉庫；

（6）將車架運(yùn)送到輸送線上；

（7）張開氣動抓手，將車架放下；

（8）機(jī)器人回到原始位置，準(zhǔn)備下一次的抓取。

對于此工序來說，六自由度機(jī)器人既不需要過高的載荷，也不需要太高的效率，在立體庫中的車架是堆疊放置的；對于抓取它的機(jī)械手來說，需要較高的柔性和可控性，所以選擇六自由度工業(yè)機(jī)器人用于此工位，是非常合適的。

機(jī)器人的運(yùn)動控制方式有以下2種：一種是點(diǎn)位控制，僅控制機(jī)器人目標(biāo)點(diǎn)的位姿，不控制起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，這種控制方式控制簡單、運(yùn)動速度快，尤其適用于物料的搬運(yùn)作業(yè)；另一種是連續(xù)軌跡控制，通過控制機(jī)器人的運(yùn)動軌跡進(jìn)行運(yùn)動，即使機(jī)器人按照規(guī)定的速度、路徑實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)而準(zhǔn)確的運(yùn)動。大多數(shù)機(jī)器人是采用2種方式相結(jié)合來進(jìn)行控制。

3 工業(yè)機(jī)器人用于車架自動出庫工位的意義

隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，自動化生產(chǎn)線的生產(chǎn)模式已經(jīng)成為汽車生產(chǎn)的必然趨勢，而車架自動出庫工位采用六自由度機(jī)器人進(jìn)行抓取、運(yùn)輸和放置，對提高汽車自動化生產(chǎn)效率具有很重要的意義。

（1）避免車架在搬運(yùn)過程中被碰傷。汽車的車架在搬運(yùn)過程容易互相磕碰，采用機(jī)器人來搬運(yùn)車架，徹底避免了車架磕碰造成汽車的表面損傷，能在很大程度上起到保護(hù)車架的作用。

（2）提高生產(chǎn)效率。采用人工或機(jī)械搬運(yùn)，需要工人多，生產(chǎn)效率不穩(wěn)定，極易人為造成車架損傷，為企業(yè)帶來不必要的損失。采用機(jī)器人生產(chǎn)線，過程穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，不會產(chǎn)生車架損傷。

（3）改善工人工作環(huán)境和勞動強(qiáng)度。采用自動化生產(chǎn)線，由機(jī)器人取代部分工人進(jìn)行操作，有效降低了生產(chǎn)線上工人的數(shù)量和勞動強(qiáng)度。

（4）增強(qiáng)生產(chǎn)線適應(yīng)性。六自由度機(jī)器人適應(yīng)性強(qiáng)，通過更改內(nèi)部程序可以使其在不同的工位進(jìn)行不同的工作，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對其載荷和工作范圍內(nèi)不同工件的抓取及運(yùn)送。

（5）保障工廠的安全。汽車生產(chǎn)是大型機(jī)器加工，采用工業(yè)機(jī)器人自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)，減少了安全事故發(fā)生的可能性。

4 結(jié)語

本文介紹了車架自動出庫工位設(shè)計(jì)中六自由度工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)，對比了其與擺臂式機(jī)械手和橫桿式機(jī)械手的優(yōu)缺點(diǎn)，說明了其應(yīng)用于車架自動出庫工位的獨(dú)特優(yōu)勢。另外，還對六自由度工業(yè)機(jī)器人柔性高、可控性強(qiáng)的原因進(jìn)行了探討，并分析了其應(yīng)用于車架自動出庫生產(chǎn)線的重要意義。