何敏佳,江文明,黃 江
(廣州數(shù)控設(shè)備有限公司,廣東廣州 510530)
工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的重要的現(xiàn)代制造業(yè)自動化裝備[1]。在勞動力成本上升、制造業(yè)升級需求越來越強(qiáng)烈的今天,工業(yè)機(jī)器人作為重要的基礎(chǔ)智能裝備,對未來工業(yè)產(chǎn)品的升級換代,具有十分重要的意義。我國工業(yè)機(jī)器人市場潛力巨大,國外工業(yè)機(jī)器人廠商對中國市場非常重視,紛紛設(shè)立子公司或者在國內(nèi)建廠[2]。另一方面,國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人經(jīng)過二十幾年的研究和發(fā)展,取得了長足的進(jìn)步,培育出沈陽新松、廣州數(shù)控、安徽埃夫特、南京埃斯頓等國產(chǎn)品牌。據(jù)中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟統(tǒng)計,2014年中國市場共銷售工業(yè)機(jī)器人57 000臺,其中國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人銷量超過16 900臺。從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面統(tǒng)計,2014年多關(guān)節(jié)機(jī)器人銷量近36 000臺,占市場的六成以上,以外資品牌為主。在六關(guān)節(jié)機(jī)器人方面,國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人仍以6 kg、8 kg、20 kg、50 kg中低載荷為主,與國外進(jìn)口機(jī)器人競爭國內(nèi)市場。以6 kg、8 kg載荷工業(yè)機(jī)器人為例,部分國產(chǎn)機(jī)器人銷售代理價已調(diào)整到8~9萬元價格區(qū)間,國外進(jìn)口機(jī)器人采用國內(nèi)設(shè)廠等本土化經(jīng)營方針,不斷下調(diào)機(jī)器人售價。
針對軸類、盤類零件上下料加工作業(yè)需求,廣州數(shù)控設(shè)備有限公司研制出一種適用于數(shù)控機(jī)床上下料的工業(yè)機(jī)器人(型號命名為RJ08A),其具有成本低、結(jié)構(gòu)精簡、安裝調(diào)試快、效率高的特點(diǎn),在市場上具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖1 RJ08A機(jī)器人本體
RJ08A機(jī)器人是一款應(yīng)用于機(jī)床上下料的低自由度機(jī)器人。如圖1所示,其結(jié)構(gòu)由底座、箱體、伸出臂及末端執(zhí)行器四個部分組成??紤]到自動化改造過程中的經(jīng)濟(jì)性,RJ08A機(jī)器人在滿足實際使用要求的情況下,采用了三自由度的結(jié)構(gòu)方式,其三個自由度分別為:
(1)底座與箱體之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,運(yùn)動范圍為0°~100°,命名為J1軸;
(2)伸出臂相對于箱體的直線往返運(yùn)動,運(yùn)動范圍為0~140 mm,命名為J2軸;
(3)伸出臂相對于箱體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,運(yùn)動范圍為-100°~100°,命名為J3軸。
J1、J3軸由伺服電機(jī)帶動擺線減速器運(yùn)動實現(xiàn),J2軸由伺服電機(jī)帶動滾珠絲杠運(yùn)動實現(xiàn),伺服電機(jī)及擺線減速器均由廣州數(shù)控自主研制。RJ08A機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu),由一個旋轉(zhuǎn)氣缸及兩個氣動機(jī)械夾爪組成,兩個氣動機(jī)械夾爪分別對應(yīng)于取料和放料作業(yè)。
配合廣州數(shù)控自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)式料倉,RJ08A機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床共同組成一套柔性自動化加工單元。該加工單元具體工作流程如下:
(1)運(yùn)動機(jī)器人J1、J3軸,機(jī)器人末端卡爪定位于旋轉(zhuǎn)式料倉之上;
從圖6可以看出,拉桿在過渡圓角處的應(yīng)力最大,達(dá)到1077.8 MPa。拉桿采用合金結(jié)構(gòu)鋼SCM435材料,如果夾具硬度過低,在進(jìn)行拉力試驗時,易造成夾具的破壞[5],根據(jù)GB/T 1172-1999[6],將此材料調(diào)質(zhì)至硬度HRC 38左右,抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1200 MPa,大于計算所得的最大應(yīng)力值。拉桿在此載荷作用下,最大變形位于拉桿與連接板螺紋連接的根部,最大變形量僅僅為0.1 mm。
(2)料倉推料裝置將待加工零件推送至待夾取位置;
(3)機(jī)器人J2軸運(yùn)動至零件待夾取位置,夾取零件(如圖2所示);
(4)運(yùn)動機(jī)器人J1、J2、J3軸,機(jī)器人將待加工零件搬運(yùn)至機(jī)床卡爪(如圖3所示);
(5)機(jī)器人末端的旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)180°將未夾料的空卡爪對準(zhǔn)機(jī)床卡盤,運(yùn)動J2軸,實現(xiàn)對已加工完成的零件下料動作;
(6)旋轉(zhuǎn)氣缸再次旋轉(zhuǎn)180°,將從料盤處夾取過來的待加工零件對準(zhǔn)機(jī)床卡盤,通過運(yùn)動J2軸,完成上料動作;
(7)機(jī)器人移出機(jī)床,并將已加工件放料到旋轉(zhuǎn)料倉處,同時,機(jī)床對待加工零件進(jìn)行加工。
圖2 RJ08A機(jī)器人從料倉取料
圖3 RJ08A機(jī)器人運(yùn)動至機(jī)床卡爪位
RJ08A機(jī)床上下料機(jī)器人,巧妙地利用了J1、J3兩個旋轉(zhuǎn)軸來實現(xiàn)對工件的空間定點(diǎn)搬運(yùn)功能,同時充分地利用了J2直線運(yùn)動軸來實現(xiàn)對工件的取料、放料、上料、下料功能。相比常規(guī)的六關(guān)節(jié)自由度機(jī)器人來說,大大地提高了運(yùn)動軸的使用效率,降低了機(jī)器人和自動化產(chǎn)線改造的成本。從工作節(jié)拍上來看,三自由度的RJ08A機(jī)器人僅利用了兩個旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)搬運(yùn)工作,其對控制系統(tǒng)的要求更低,可實現(xiàn)更高的單軸速度運(yùn)行。另外,其配置的氣動機(jī)械卡爪,通過簡單的夾持手指設(shè)計,能夠適應(yīng)不同零件的尺寸要求,基本能滿足常見的軸類、盤類零件的加工。
針對電機(jī)零部件、軸承內(nèi)外圈、齒輪、法蘭盤等盤類零件和電機(jī)軸、閥芯等軸類零件,RJ08A機(jī)器人可實現(xiàn)無人加工。
RJ08A機(jī)器人性能參數(shù)如表1所示。
表1 RJ08A機(jī)器人性能參數(shù)
針對機(jī)床上下料應(yīng)用領(lǐng)域,目前市場上可見的主要有兩種方式:六關(guān)節(jié)機(jī)器人和桁架機(jī)械手。
(1)傳統(tǒng)六關(guān)節(jié)機(jī)器人
采用六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人給機(jī)床自動上下料,可以根據(jù)用戶實際需求,機(jī)器人采用地面或側(cè)掛安裝,可通過移動導(dǎo)軌,增加運(yùn)動行程和工作范圍,實現(xiàn)1臺機(jī)器人給多臺機(jī)床上下料[3]。
圖4 機(jī)器人地面導(dǎo)軌移動上下料
圖5 機(jī)器人地面導(dǎo)軌移動上下料
傳統(tǒng)加工的6關(guān)節(jié)機(jī)器人,優(yōu)勢是具有6個自由度,操作靈活,設(shè)備適應(yīng)性較好,多采用精密減速機(jī)傳動,重復(fù)定位精度高,零件加工精度較高,控制技術(shù)復(fù)雜,機(jī)器人價格高,后續(xù)維護(hù)成本較高。
(2)桁架機(jī)械手
桁架機(jī)械手,又叫龍門式機(jī)器人,隸屬于直角坐標(biāo)機(jī)器人,是以XYZ直角坐標(biāo)系統(tǒng)為基本數(shù)學(xué)模型,以伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動的單軸機(jī)械臂為基本工作單元,以滾珠絲桿、同步皮帶、齒輪齒條為常用的傳動方式所架構(gòu)起來的機(jī)器人系統(tǒng),可以完成在XYZ三維坐標(biāo)系中任意一點(diǎn)的到達(dá),并遵循可控的運(yùn)動軌跡[4]。
在歐美日等發(fā)達(dá)工業(yè)體系,由高速加工中心和桁架機(jī)械手組成的敏捷柔性生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)是主流產(chǎn)品,桁架機(jī)械手在高空中輸送零件,直接把被加工零件從一臺機(jī)床輸送到另一臺機(jī)床上,桁架機(jī)械手兼有工序間運(yùn)輸和自動上下料及物料回轉(zhuǎn)等輔助功能。由于它輸送快捷、精準(zhǔn)、柔性,結(jié)構(gòu)相對簡捷,便于組合。因而,被機(jī)床制造商所器重[5]。
圖6 桁架機(jī)械手上下料
桁架機(jī)械手進(jìn)行機(jī)床上下料,優(yōu)勢是成本低廉,控制系統(tǒng)簡單,設(shè)備適應(yīng)性一般,常采用滾珠絲桿、同步皮帶、齒輪齒條的傳動方式,重復(fù)定位精度一般,速度快;局限在于主要應(yīng)用在多工位單機(jī)和短自動性上,對于長自動線其占用的空間位置較大,使用上受到一定限制。
RJ08A機(jī)器人,采用廣州數(shù)控設(shè)備有限公司自主研制的減速器、伺服裝置、機(jī)器人控制器,成本可以控制,采用封裝技術(shù)實現(xiàn)料倉和機(jī)器人生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝和調(diào)試的一體化,在不移動用戶現(xiàn)場機(jī)床位置的情況下就可以進(jìn)行加裝改造,節(jié)省用戶現(xiàn)場調(diào)試時間。
三種解決方案優(yōu)劣比較如表2所示。
相比傳統(tǒng)的六關(guān)節(jié)搬運(yùn)機(jī)器人和桁架機(jī)器人,RJ08A機(jī)器人融合廣州數(shù)控設(shè)備有限公司的伺服控制、減速器、機(jī)器人控制器、料倉技術(shù),滿足上下料作業(yè)的成本、效率、精度需求,預(yù)計其在市場上具有廣泛的應(yīng)用前景。
表2 機(jī)床上下料解決方案優(yōu)劣勢比較
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