淺談工業(yè)機(jī)器人機(jī)加工上下料的應(yīng)用

李勛

摘? 要：該文首先介紹了工業(yè)機(jī)器人機(jī)加工上下料應(yīng)用的組成、應(yīng)用的意義及特點(diǎn)，詳細(xì)分析了工業(yè)機(jī)器人機(jī)加工上下料應(yīng)用中工業(yè)機(jī)器人存在的剛度及精度、碰撞、故障后快速恢復(fù)問題，針對(duì)這些問題詳細(xì)分析了關(guān)鍵的解決技術(shù)。即末端負(fù)載自動(dòng)辨識(shí)技術(shù)和動(dòng)力學(xué)力矩前饋技術(shù)、碰撞檢測(cè)技術(shù)、零點(diǎn)恢復(fù)技術(shù)，最后提出了人機(jī)協(xié)作及信息融合的未來發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;機(jī)加工;上下料

中圖分類號(hào)：TP242.2? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 概述

隨著數(shù)控機(jī)床的普及，越來越多的用戶希望數(shù)控機(jī)床的上下料實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，一方面提高工人看護(hù)機(jī)床數(shù)量，降低人員成本，一方面提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人大面積應(yīng)用起源于汽車工業(yè)，隨著汽車工業(yè)應(yīng)用的飽和，通用工業(yè)對(duì)機(jī)器人的認(rèn)知越來越高。自20世紀(jì)90年代以來，通用領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用越來越廣，象焊接、碼垛、噴涂、上下料、拋光打磨等都是通用工業(yè)常見的應(yīng)用。該文著重闡述了工業(yè)機(jī)器人機(jī)加工上下料系統(tǒng)。

工業(yè)機(jī)器人機(jī)加工上下料系統(tǒng)主要用于加工單元和自動(dòng)生產(chǎn)線待加工毛坯件的上料、加工完工件的下料、機(jī)床與機(jī)床之間工序轉(zhuǎn)換工件的搬運(yùn)以及工件翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)車削、銑削、磨削、鉆削等金屬切削機(jī)床的自動(dòng)化加工。

機(jī)器人與機(jī)床的緊密結(jié)合，不僅使自動(dòng)化生產(chǎn)水平提高了，更是工廠生產(chǎn)效率革新與競(jìng)爭(zhēng)力的提升。機(jī)械加工上下料需要重復(fù)持續(xù)地作業(yè)，并要求作業(yè)的一致性與精準(zhǔn)性，而一般工廠對(duì)配件的加工工藝流程需要由多臺(tái)機(jī)床多道工藝連續(xù)加工制成。隨著用工成本的提高及生產(chǎn)效率提升帶來的競(jìng)爭(zhēng)壓力，加工能力的自動(dòng)化程度及柔性制造能力成為工廠競(jìng)爭(zhēng)力提升的關(guān)卡。機(jī)器人代替人工上下料作業(yè)，通過自動(dòng)供料料倉(cāng)、輸送帶等方式，實(shí)現(xiàn)高效的自動(dòng)上下料系統(tǒng)，如圖1所示。

一臺(tái)機(jī)器人可以根據(jù)加工工藝需求，對(duì)應(yīng)1臺(tái)至多臺(tái)機(jī)床的上料、下料作業(yè)。在機(jī)器人一對(duì)多上下料系統(tǒng)中，機(jī)器人在不同機(jī)床加工工作中，完成坯件及加工件的取放動(dòng)作，有效提升了機(jī)器人的使用效率。機(jī)器人可以通過安裝在地面的導(dǎo)軌在線性布局的機(jī)床流水線上進(jìn)行往復(fù)循環(huán)作業(yè)，最小化地占用工廠空間，并可以靈活適應(yīng)不同批次產(chǎn)品的不同作業(yè)工序切換。機(jī)器人可在惡劣環(huán)境中連續(xù)不間斷作業(yè)，24小時(shí)運(yùn)行，全面解放工廠產(chǎn)能，縮短交貨期，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 工業(yè)機(jī)器人機(jī)加工上下料應(yīng)用的特點(diǎn)

（1）高精度定位，快速搬運(yùn)夾取，縮短作業(yè)節(jié)拍，提高機(jī)床效率。

（2）機(jī)器人作業(yè)穩(wěn)定可靠，有效減少不合格品，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）無疲勞連續(xù)作業(yè)，降低機(jī)床閑置率，擴(kuò)大工廠產(chǎn)能。

（4）高自動(dòng)化水平，提高單品制造精度，提速批量生產(chǎn)效率。

（5）高度柔性，快速靈活適應(yīng)新任務(wù)和新產(chǎn)品，縮短交貨期。

2 工業(yè)機(jī)器人機(jī)加工上下料應(yīng)用存在的問題

2.1 剛度和精度問題

機(jī)加工機(jī)器人與一般的搬運(yùn)、抓取機(jī)器人不同，它是一種與加工工具直接接觸的作業(yè)，其運(yùn)動(dòng)原則必須同時(shí)考慮剛度和精度。串聯(lián)機(jī)器人重復(fù)定位精度很高，但是受加工、裝配、剛性等綜合因素的影響，軌跡精度均不高，針對(duì)機(jī)加工領(lǐng)域的打磨、拋光、去毛刺、切割等應(yīng)用影響較大。因此，機(jī)器人自身剛度和機(jī)器人軌跡精度是機(jī)加工機(jī)器人面臨的主要問題。

2.2 碰撞問題

機(jī)加工機(jī)器人大多與車、銑、刨、磨機(jī)床共同配合作業(yè)，在機(jī)器人進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，尤其要注意死區(qū)與工件發(fā)生干涉、碰撞的問題。一旦碰撞發(fā)生，機(jī)床和機(jī)器人都需要重新調(diào)校，這就大大增加了故障恢復(fù)的時(shí)間，造成產(chǎn)量的損失，嚴(yán)重的情況可能還會(huì)造成設(shè)備的損壞。碰撞之前的感知或者碰撞后的感知是機(jī)加工機(jī)器人安全穩(wěn)定面臨的主要問題。機(jī)加工機(jī)器人具有區(qū)域監(jiān)控和碰撞檢測(cè)功能就顯得尤為重要。

2.3 故障后快速恢復(fù)問題

機(jī)器人的位置數(shù)據(jù)是通過驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)的電機(jī)編碼器反饋的，因長(zhǎng)期運(yùn)行，機(jī)械結(jié)構(gòu)、編碼器電池、線纜等部件難免造成機(jī)器人的零點(diǎn)位置（基準(zhǔn)位置）丟失，零點(diǎn)位置丟失后，機(jī)器人存儲(chǔ)的程序數(shù)據(jù)都將沒有實(shí)際意義，此時(shí)若不能準(zhǔn)確無誤地回復(fù)零點(diǎn)位置，機(jī)器人的作業(yè)恢復(fù)工作量是巨大的，因此零點(diǎn)位置的恢復(fù)問題也顯得尤為重要。

3 關(guān)鍵解決技術(shù)

3.1 末端負(fù)載自動(dòng)辨識(shí)技術(shù)和動(dòng)力學(xué)力矩前饋技術(shù)

末端負(fù)載自動(dòng)辨識(shí)技術(shù)能夠辨識(shí)出機(jī)器人末端負(fù)載的質(zhì)量、質(zhì)心及慣量等參數(shù)，這些參數(shù)可以用在機(jī)器人動(dòng)力學(xué)前饋、調(diào)整伺服參數(shù)及速度規(guī)劃中，可以大大提高機(jī)器人軌跡精度及高動(dòng)態(tài)性能。

動(dòng)力學(xué)力矩前饋技術(shù)是在傳統(tǒng)的PID控制基礎(chǔ)上增加了力矩前饋控制技術(shù)。該功能可以根據(jù)機(jī)器人等靜態(tài)信息及實(shí)時(shí)的速度、加速度等動(dòng)態(tài)信息，運(yùn)用機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型及摩擦模型計(jì)算出規(guī)劃軌跡路徑時(shí)的最佳驅(qū)動(dòng)力或者力矩，并依此計(jì)算值作為前饋值傳遞給控制器，使其在電流環(huán)中與電機(jī)預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，從而獲得最佳扭矩，驅(qū)動(dòng)各軸高速、高精度運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使末端TCP獲得較高的軌跡精度。

3.2 碰撞檢測(cè)技術(shù)

該技術(shù)建立在機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建?；A(chǔ)之上，當(dāng)機(jī)器人或機(jī)器人末端負(fù)載與外圍設(shè)備發(fā)生碰撞之后，機(jī)器人能夠檢測(cè)出由該碰撞產(chǎn)生的額外力矩，此時(shí)機(jī)器人自動(dòng)停止或者與低速往碰撞反方向運(yùn)行，避免或減小碰撞產(chǎn)生的損失。

3.3 零點(diǎn)恢復(fù)技術(shù)

普通的零點(diǎn)標(biāo)定方式，在完成零標(biāo)對(duì)齊后，仍會(huì)存在一定的誤差，誤差的大小取決于零標(biāo)的加工質(zhì)量以及操作人員的態(tài)度，且這部分誤差無法通過提高加工要求及進(jìn)行操作訓(xùn)練來消除。利用該技術(shù)，當(dāng)機(jī)器人丟失零點(diǎn)后，將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到零點(diǎn)附近，使刻槽或劃線能夠充分對(duì)齊。此時(shí)讀取電機(jī)編碼器值確定出補(bǔ)償量，使機(jī)器人能夠精確恢復(fù)零位。

4 未來發(fā)展方向

4.1 人機(jī)協(xié)作

目前工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用多是在工作站或流水線，還沒有與人的接觸和配合，未來針對(duì)比較復(fù)雜的生產(chǎn)工藝，人和機(jī)器人的協(xié)作將會(huì)是一個(gè)非常重要的發(fā)展方向。工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作需要解決的關(guān)鍵問題是如何感知人的操作，如何與人進(jìn)行交互，最重要的是如何保證協(xié)作時(shí)人機(jī)的安全機(jī)制。實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作，保證人的安全的同時(shí)，還需要充分考慮生產(chǎn)節(jié)拍，這將是一個(gè)重要的趨勢(shì)。近年來，有一些人機(jī)協(xié)作機(jī)器人已經(jīng)出現(xiàn)，但保證安全的情況下，節(jié)拍相對(duì)都比較慢，穩(wěn)定性都還有待提升，更重要的是與應(yīng)用場(chǎng)景的融合，尋找合適的應(yīng)用場(chǎng)景才能更快地發(fā)展和提升。

4.2 信息融合

未來智慧工廠將物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、機(jī)器人和大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域集成在一起，工業(yè)機(jī)器人作為最重要的基礎(chǔ)設(shè)備之一，不僅要與多傳感之間進(jìn)行有效地信息交互，還要與上位諸如MES系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。上位基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝數(shù)據(jù)的提取、工藝程序的優(yōu)化，或者設(shè)備的遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)，下達(dá)指令至工業(yè)機(jī)器人，完成整個(gè)智能控制流程。因此工業(yè)機(jī)器人信息融合將是一個(gè)很重要的發(fā)展趨勢(shì)。

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