淺談桁架式上下料工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控加工中的應(yīng)用

劉剛 李元慶

【摘要】本文介紹了桁架式上下料工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)、作用及在數(shù)控加工中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】桁架式工業(yè)機(jī)器人

一、引言

隨著人類社會(huì)科技的不斷發(fā)展與進(jìn)步，智能化機(jī)器人被運(yùn)用到了制造行業(yè)。如今，中國制造總產(chǎn)量約占世界產(chǎn)量的25%，是名副其實(shí)的制造大國。改革以來，中國的經(jīng)濟(jì)得到了飛速發(fā)展，互聯(lián)更是在中國落地開花，茁壯成長，尤其近10年的發(fā)展，使得中國在互聯(lián)網(wǎng)智能化水平遠(yuǎn)超歐美等國家，盡管如此，國內(nèi)的制造業(yè)智能化發(fā)展還是相對(duì)滯后，為改變中國相對(duì)落后的制造業(yè)，2015年，李克強(qiáng)總理在政府工作報(bào)告中首次提出了“中國制造2025”，到2025年我國將邁入到世界制造強(qiáng)國的行列。

二、研究的歷史背景、目的及意義

工業(yè)機(jī)器人是一種多功能、多用途、具有人智能的機(jī)器，能夠代替普通人完成與人體上肢動(dòng)作相似的重復(fù)式機(jī)械類工作，從而大大減輕人們的勞動(dòng)力成本，提高生產(chǎn)效率。在日益國際化的市場競爭中博得一席之地。工業(yè)機(jī)器人水平的高低已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家現(xiàn)代化工業(yè)制造水平的標(biāo)準(zhǔn)，所以，我國要想從一個(gè)制造大國變成一個(gè)制造強(qiáng)國，實(shí)現(xiàn)“十三五”規(guī)劃的宏偉目標(biāo)，在智能制造方面，不僅要在工業(yè)機(jī)器人的控制與設(shè)計(jì)上投入大量的研究，還要提升工業(yè)機(jī)器人基本件的生產(chǎn)制造水平。

桁架式工業(yè)機(jī)器人簡稱直角坐工業(yè)機(jī)器人，他們主要以直線運(yùn)動(dòng)為主，可根據(jù)不同的工作需求加裝旋轉(zhuǎn)部分，通常由X、Y、Z軸的三個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，外加Z軸的旋轉(zhuǎn)，便構(gòu)成了機(jī)器人的基本運(yùn)動(dòng)形態(tài)，在此平臺(tái)上再進(jìn)行設(shè)計(jì)修改不同的運(yùn)動(dòng)元件，可以滿足不同的自由度要求，從而完成相應(yīng)的工作。如今，德國、日本等工業(yè)強(qiáng)國已經(jīng)將以關(guān)節(jié)機(jī)器人作為主的自動(dòng)化生產(chǎn)線廣泛應(yīng)用于汽車、電子以及工程機(jī)械等領(lǐng)域；桁架機(jī)器人作為一種高效、新型的長距離物料輸送設(shè)備，國外已進(jìn)行了比較全面的研究并且形成了比較成熟的系列產(chǎn)品。而在國內(nèi)，絕大多數(shù)研究都集中在關(guān)節(jié)機(jī)器人上，而桁架式機(jī)器人卻無人問津，國外有關(guān)技術(shù)相對(duì)成熟，且一直被壟斷，中國要想不受制于人，打破技術(shù)封鎖，在智能生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車，必將走自主研發(fā)道路。本文以機(jī)械加工零件為情景，用機(jī)器人代替人的相關(guān)工作，桁架式上、下料工業(yè)機(jī)器人是數(shù)控機(jī)床加工的輔助設(shè)備，負(fù)責(zé)將待加工零件放入數(shù)控機(jī)床的夾具中，并協(xié)助機(jī)床完成零件的定位與夾緊，待零件加工結(jié)束后，將成品放入傳送帶，運(yùn)至倉庫。其目的是為了整合零件加工的整個(gè)流程，完成工序與工序之間的智能化聯(lián)結(jié)，從而構(gòu)成柔性制造單元。所以，對(duì)桁架式機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，更符合現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)需要，具有十分重要的意義。

三、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展

第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生距今已有40多年，當(dāng)下各發(fā)達(dá)國家對(duì)工業(yè)機(jī)器人尤為重視，全力研究和發(fā)展工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，并將其投入工業(yè)生產(chǎn)過程。目前，世界上工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)非常成熟，未來可能會(huì)作為一種標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備應(yīng)用于各行各業(yè)。

（一）我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r

我國工業(yè)機(jī)器人起步于上世紀(jì)70年初期，到今天為止，已廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，并在未來幾年內(nèi)其使用量仍呈上升趨勢?；乜礆v史，雖我國緊跟世界其他國家的腳步，但在近20年內(nèi)也只是停留在研制階段，直到21世紀(jì)在互聯(lián)網(wǎng)的刺激下才得到迅猛發(fā)展，并在企業(yè)中廣泛應(yīng)用。

2013年，我國曾被稱為世界上第一大機(jī)器人市場，2014年我國取得了機(jī)器人銷量占全球市場25%的份額，這主要得益于我國進(jìn)行的對(duì)供給側(cè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)和改造，以及政府對(duì)該產(chǎn)業(yè)的大力扶植。市場前景如此之大，企業(yè)需求如此之強(qiáng)，而工業(yè)機(jī)器人研制與發(fā)展如此滯后，設(shè)備過多依賴于美日等國的進(jìn)口，受制于人不如自主研發(fā)，應(yīng)積極借鑒進(jìn)口設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，走適合中國市場的道路。

（二）工業(yè)機(jī)器人國外發(fā)展?fàn)顩r

工業(yè)機(jī)器人興起于美國，許多美國的大公司，如通用電氣和通用汽車等紛紛加入對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究，而在之后的很長一段時(shí)間內(nèi)，不斷的改進(jìn)與完善，推動(dòng)當(dāng)時(shí)美國發(fā)展更為先進(jìn)成熟的工業(yè)機(jī)器人，從而奠定了其在工業(yè)強(qiáng)國的重要地位。日本作為一個(gè)工業(yè)強(qiáng)國，在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究上也不甘落后，最初，日本的工業(yè)機(jī)器人幾乎由美國進(jìn)口，為解決日本當(dāng)時(shí)工業(yè)生產(chǎn)力不足等問題，日本的工業(yè)機(jī)器人得到了飛快速發(fā)展并后來者居上，在工業(yè)生產(chǎn)及機(jī)器人制造業(yè)領(lǐng)域很快超過了美國，日本的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品在國際市場上形成了較強(qiáng)的競爭力。

四、桁架式上、下料工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控加工中的應(yīng)用

桁架式工業(yè)機(jī)器人相較于關(guān)節(jié)式機(jī)器人在同等規(guī)格下具有成本低、載重大、行程遠(yuǎn)等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于上、下料搬運(yùn)等機(jī)械生產(chǎn)過程。其可靠性高、機(jī)電一體化程度高、生產(chǎn)效率高，噪聲低、加工尺寸分散小，具有便于調(diào)整和維修等特點(diǎn)，是各種機(jī)械加工、零件批量生產(chǎn)的理想設(shè)備。

1.桁架式工業(yè)機(jī)器人行程遠(yuǎn)。桁架式工業(yè)機(jī)器人可以安裝在軌道上，而軌道通常安裝在各個(gè)機(jī)床旁，連接不同工位。軌道上的機(jī)械手穿梭于機(jī)床與廠庫之間，將毛坯件從廠庫搬運(yùn)到機(jī)床旁，通過機(jī)械手臂的伸展，將毛坯件放入夾具中，通常，機(jī)器人的行程理論上能夠達(dá)到任意想要的長度，但考慮到機(jī)器人的工作效率，我們把行程控制在十米左右，通過增加工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量也可以提高行程?？筛鶕?jù)工作環(huán)境的不同合理安排機(jī)器人的行程長度。

2.桁架式工業(yè)機(jī)器人負(fù)載高。相較于關(guān)節(jié)式機(jī)器人，桁架式工業(yè)機(jī)器人能承受的載荷優(yōu)勢突出。這源于兩者結(jié)構(gòu)上的不同，關(guān)節(jié)式機(jī)器人通過控制關(guān)節(jié)間的旋轉(zhuǎn)角度來改變兩臂之間的位置關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人手臂的抓舉。而桁架式工業(yè)機(jī)器人是直上直下的運(yùn)動(dòng)方式，這種方式在承受載荷上更具優(yōu)勢。畢竟旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)比移動(dòng)機(jī)構(gòu)更靈活，更難保持原狀。

3.桁架式工業(yè)機(jī)器人成本低，經(jīng)濟(jì)性好。我們知道，要想獲得較高的扭矩，使機(jī)器人更具力量，減速器是他核心部件。關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人需要高減速比的減速器，因此對(duì)減速器的要求更高，通常采用RV減速器，諧波減速器等，這些減速器成本高，并且無法替代。而桁架式機(jī)器人可以用最單的減速器，可操作性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益好。

雖然桁架式工業(yè)機(jī)器人有較多的優(yōu)點(diǎn)，但并不代表他不是高精度儀器，要想達(dá)到更精準(zhǔn)的使用效果，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行正確操作便可以延長桁架機(jī)器人的使用壽命?，F(xiàn)在實(shí)體行業(yè)的現(xiàn)狀是，勞動(dòng)力成本上升、產(chǎn)能過剩和市場需求的個(gè)性化、定制化。這些內(nèi)、外部因素的變化，導(dǎo)致制造模式必須變革，所以工業(yè)4.0提出了一種新的制造體系。

五、結(jié)束語

桁架式上下料工業(yè)機(jī)器人具有負(fù)載高、可操作性強(qiáng)、成本低，經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，在我國工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。