工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控機(jī)床中的運(yùn)用實(shí)踐研究

申耀武

（廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510925）

1 工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用優(yōu)勢

（1）工業(yè)機(jī)器人的加入，可以使數(shù)控機(jī)床具備高精度的加工能力，通過合理的參數(shù)設(shè)定，可對(duì)加工過程中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償，避免了誤差的不斷積累。

（2）工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的有機(jī)融合，使機(jī)床具備了高柔性的特點(diǎn)，可以按照加工工件的規(guī)格、型號(hào)、尺寸、形狀等，對(duì)夾具進(jìn)行更換，從而滿足不同產(chǎn)品的加工需要，整個(gè)換產(chǎn)過程所耗費(fèi)的時(shí)間比較短，有助于生產(chǎn)能效的提升。

（3）工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，使得數(shù)控機(jī)床的加工功能得到進(jìn)一步拓展，單臺(tái)機(jī)床能夠同時(shí)完成多種加工。

（4）工業(yè)機(jī)器人的加入，使數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度獲得了大幅度提升，機(jī)床的操作過程變得更加簡便，維護(hù)工作量顯著減少，勞動(dòng)強(qiáng)度隨之降低。近年來，隨著工業(yè)機(jī)器人的不斷發(fā)展，其各方面性能日漸完善，機(jī)器人本體的結(jié)構(gòu)變得更加靈巧，控制系統(tǒng)的功能越來越強(qiáng)大，智能化程度逐步提升，工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用已經(jīng)成為一種必然的發(fā)展趨勢。

2 工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控機(jī)床中的運(yùn)用實(shí)踐

數(shù)控車床簡稱CNC車床，是工業(yè)生產(chǎn)中使用較為廣泛的一種數(shù)控機(jī)床，約占數(shù)控機(jī)床總數(shù)的25%。它的功能非常強(qiáng)大，不僅能夠?qū)S、盤類零件的內(nèi)外圓進(jìn)行切削加工，而且還能完成切槽、鉆孔、擴(kuò)孔等。常規(guī)的數(shù)控車床由以下幾個(gè)部分組成：數(shù)控裝置、車床本體、主軸箱、刀架進(jìn)給、液壓、冷卻、潤滑等系統(tǒng)。目前，較為常見的數(shù)控車床有兩種類型，一種是立式，另一種是臥式，前者能夠?qū)剞D(zhuǎn)直徑較大的盤類零件進(jìn)行車削加工，后者可對(duì)軸向尺寸較長的盤類零件進(jìn)行車削加工。目前，數(shù)控車床在機(jī)械加工企業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，成為企業(yè)生產(chǎn)過程中不可或缺的核心設(shè)備。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分應(yīng)用數(shù)控車床的機(jī)械加工企業(yè)采用的都是人工方式為車床裝卸工件，由此導(dǎo)致生產(chǎn)效率不高。為解決這一問題，可對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)用。

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

為提高數(shù)控車床的整體能效，針對(duì)傳統(tǒng)的人工裝卸工件方式進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人替代人工完成上下料?？蓪⒐I(yè)機(jī)器人設(shè)置在2臺(tái)數(shù)控車床的中間，使料箱處于機(jī)器人的上側(cè)，料盤處于機(jī)器人的下側(cè)，數(shù)控車床與工業(yè)機(jī)器人之間的距離設(shè)定為1200mm。2臺(tái)數(shù)控車床的高度均為1500mm，主軸中心位置與地面之間的距離為900 mm，機(jī)床加工的工件形狀為圓柱狀，據(jù)此確定工業(yè)機(jī)器人的工業(yè)半徑為1000mm。工業(yè)機(jī)器人的形式較多，不同形式的機(jī)器人有著自己的特點(diǎn)，如直角坐標(biāo)機(jī)器人的定位精度高，但占地面積較大，整體靈活性一般；圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的控制簡單，機(jī)體占用空間相對(duì)較小，但定位精度沒有直角坐標(biāo)機(jī)器人高，適用于工件的搬運(yùn)；關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與人體的關(guān)節(jié)非常類似，采用轉(zhuǎn)動(dòng)型關(guān)節(jié)，擁有6個(gè)自由度，基本可以滿足大部分場合的使用需要，如自動(dòng)上下料、噴漆、工件搬運(yùn)等等，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。通過比較，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，決定選用關(guān)節(jié)型機(jī)器人。

2.2 工作流程設(shè)計(jì)

文章設(shè)計(jì)的上下料單元由以下幾個(gè)部分組成：數(shù)控車床（2臺(tái)）、工業(yè)機(jī)器人（1臺(tái)）、料盤（1個(gè)）、物料箱（1個(gè)）。數(shù)控機(jī)床接收到工業(yè)機(jī)器人發(fā)出的指令后，會(huì)控制液壓卡盤完成夾緊和松開操作，在料盤的每個(gè)工位上均加裝接近開關(guān)，可檢測是否有工件，同時(shí)在料盤下方安裝電機(jī)，可帶動(dòng)料盤做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣一來，料盤每次都能轉(zhuǎn)動(dòng)至一個(gè)有工件的工位上，機(jī)器人會(huì)從數(shù)控機(jī)床上抓取加工完畢的工件，放入到物料箱內(nèi)。加工單元的具體流程如下：

Step1：工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器（機(jī)械手）會(huì)從待機(jī)的位置處移動(dòng)到取料位置的一側(cè)，機(jī)械手此時(shí)處于松開狀態(tài)，當(dāng)機(jī)器人接收到指令后，會(huì)移動(dòng)到取料位置，機(jī)械手從松開狀態(tài)轉(zhuǎn)換為夾緊狀態(tài)，夾取工件后，移動(dòng)到待機(jī)位置。

Step2：工業(yè)機(jī)器人在待機(jī)位置處將夾取工件的機(jī)械手移動(dòng)至數(shù)控車床安全門前方，隨后將機(jī)械手移動(dòng)至卡盤的正前方，以緩慢的速度移入到卡盤內(nèi)，機(jī)械手轉(zhuǎn)為松開狀態(tài)，將工件放入卡盤，此時(shí)數(shù)控車床會(huì)將卡盤夾緊，機(jī)器人移至防護(hù)門前，恢復(fù)到待機(jī)位置處，數(shù)控車床開始對(duì)工件進(jìn)行加工處理。

Step3：工業(yè)機(jī)器人從待機(jī)位置處移至數(shù)控車床的防護(hù)門前方，確認(rèn)防護(hù)門開啟到位后，將機(jī)械手移至卡盤正前方，然后以緩慢的速度移入卡盤內(nèi)，此時(shí)機(jī)械手會(huì)從松開狀態(tài)轉(zhuǎn)為夾緊狀態(tài)，數(shù)控車床松開卡盤，機(jī)器手將卡盤內(nèi)的工件夾取后，移至防護(hù)門前，將加工好的工件放入到物料箱內(nèi)。

2.3 機(jī)器人的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

（1）腰部回轉(zhuǎn)。機(jī)器人的腰部回轉(zhuǎn)方案有兩種，第一種方案是在底座上端安裝電機(jī)，借助聯(lián)軸器和齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)器人的腰部做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；第二種方案是在底座上端安裝電機(jī)，利用諧波減速器與回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行直連，通過輸出軸與腰部的連接，帶動(dòng)腰部在底座上做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過對(duì)上述兩種回轉(zhuǎn)方案進(jìn)行對(duì)比分析后，決定采用第二種方案，因?yàn)樵摲桨傅恼w結(jié)構(gòu)較為簡單，便于安裝和維修，同時(shí)還能使機(jī)器人的控制精度得到一定的提升。

（2）手臂回轉(zhuǎn)。工業(yè)機(jī)器人的手臂由大臂和小臂兩個(gè)部分組成，手臂的回轉(zhuǎn)方案有以下兩種，第一種是利用諧波減速器使電機(jī)直接與手臂相連，從而帶動(dòng)大臂和小臂做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；第二種方案是借助電機(jī)帶動(dòng)諧波減速器做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人的小臂在減速器的減速作用下，帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)完成小臂回轉(zhuǎn)。從理論的角度上講，這兩種方案均具有一定的可行性，對(duì)比而言，第一種方案的整體結(jié)構(gòu)較為簡單，第二種方案的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但是該方案的穩(wěn)定性要優(yōu)于第一種方案，手臂采用四桿結(jié)構(gòu)，有利于減輕自重，從而使運(yùn)動(dòng)過程變得更加平穩(wěn)，能夠滿足較大作業(yè)空間的使用需要。鑒于此，決定選用第二種方案作為機(jī)器人手臂的回轉(zhuǎn)方案。

（3）腕部俯仰。機(jī)器人腕部的俯仰有以下幾種方案：第一種方案是利用電機(jī)經(jīng)諧波減速器帶動(dòng)機(jī)器人的腕部做俯仰運(yùn)動(dòng)；第二種方案是電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器與齒輪連接，經(jīng)傳動(dòng)軸傳送至小臂前端，改變回轉(zhuǎn)方向，帶動(dòng)腕部做俯仰運(yùn)動(dòng)；第三種方案是電機(jī)通過橡膠同步帶，帶動(dòng)同步帶輪做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并將動(dòng)力傳給機(jī)器人的小臂前端，實(shí)現(xiàn)腕部的俯仰運(yùn)動(dòng)。上述三種方案中，第一種方案為直驅(qū)，整體結(jié)構(gòu)較為簡單，便于控制，但由于電機(jī)和減速器全都需要加裝在機(jī)器人的腕部，從而會(huì)導(dǎo)致腕部的重量增加；第二種方案的結(jié)構(gòu)較為合理；第三種方案增加了同步帶和同步帶輪，不便于安裝和維修。綜合比較后，決定選用第二種方案，作為機(jī)器人腕部的俯仰運(yùn)動(dòng)方案。

（4）機(jī)械手傳動(dòng)。機(jī)械手是機(jī)器人的末端執(zhí)行器，典型的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有三種，分別為滑槽杠桿式、齒輪齒條式和左右螺旋桿式，上述三種結(jié)構(gòu)形式，具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際需要，通過比選之后，決定采用齒輪齒條杠桿式作為機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

（5）驅(qū)動(dòng)方式。在本次設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)裝置的主要作用是為機(jī)器人的臂部到達(dá)預(yù)定位置提供動(dòng)力源。工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)形式較多，常用的有3種，分別為電機(jī)、液壓和電氣。其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸出功率較大，控制系統(tǒng)的反應(yīng)靈敏度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位和連續(xù)的運(yùn)動(dòng)軌跡控制，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)緊湊，不存在密封問題?？紤]到機(jī)器人的工作環(huán)境和使用需要，決定選用伺服電機(jī)作為機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，以此來完成數(shù)控車床的自動(dòng)上下料。

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型

對(duì)于數(shù)控車床而言，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有三個(gè)基本要求，即傳動(dòng)無間隙、傳動(dòng)無摩擦、傳動(dòng)無變形，將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于數(shù)控車床時(shí)，也必須同時(shí)滿足上述要求，這樣才能確保機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑與位置的準(zhǔn)確性。按照上文中確定的機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于電機(jī)本身的輸出力矩要小于實(shí)際所需的力矩，而轉(zhuǎn)速則高于實(shí)際所需的轉(zhuǎn)速。因此，必須經(jīng)減速器調(diào)整后，才能達(dá)到有效驅(qū)動(dòng)的目的。目前，在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的減速器種類較多，比較常用的有以下幾種：減速齒輪、諧波減速器、同步帶等。在工業(yè)機(jī)器人上使用的減速器應(yīng)具備較大的減速比和較小的回差，同時(shí)減速器本身的尺寸要盡可能小，這樣其重量才能比較輕，為同時(shí)滿足上述幾點(diǎn)要求，通過比選，決定采用諧波減速器。本次設(shè)計(jì)中的諧波減速器為雙波傳動(dòng)，將抗彎環(huán)加裝在滾輪與柔輪之間，柔輪的內(nèi)齒與輸出輪的外齒相嚙合。該減速器的輸出軸上無軸承，由此使得結(jié)構(gòu)更加緊湊。

3 結(jié)語

綜上所述，工業(yè)機(jī)器人不斷發(fā)展和完善，使其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬。數(shù)控機(jī)床作為機(jī)械制造加工中的關(guān)鍵設(shè)備，其整體利用效率的高低直接關(guān)系到產(chǎn)能，為在原有的基礎(chǔ)上，提升數(shù)控機(jī)床的利用效率，可對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行合理運(yùn)用。文章以數(shù)控機(jī)床中的車床作為研究對(duì)象，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)用實(shí)踐進(jìn)行分析，工業(yè)機(jī)器人加入后，改變了上下料的方式，縮短了上下料時(shí)間，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。