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）

0 引言

工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進技術(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)升級需求越來越強烈的今天，工業(yè)機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)機器人市場潛力巨大，國外工業(yè)機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)機器人經(jīng)過二十幾年的研究和發(fā)展，取得了長足的進步，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)機器人57 000臺，其中國產(chǎn)工業(yè)機器人銷量超過16 900臺。從機械結(jié)構(gòu)方面統(tǒng)計，2014年多關(guān)節(jié)機器人銷量近36 000臺，占市場的六成以上，以外資品牌為主。在六關(guān)節(jié)機器人方面，國產(chǎn)工業(yè)機器人仍以6 kg、8 kg、20 kg、50 kg中低載荷為主，與國外進口機器人競爭國內(nèi)市場。以6 kg、8 kg載荷工業(yè)機器人為例，部分國產(chǎn)機器人銷售代理價已調(diào)整到8～9萬元價格區(qū)間，國外進口機器人采用國內(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)控機床上下料的工業(yè)機器人（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，在市場上具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 RJ08A機器人的結(jié)構(gòu)特點及工作原理

圖1 RJ08A機器人本體

RJ08A機器人是一款應(yīng)用于機床上下料的低自由度機器人。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。考慮到自動化改造過程中的經(jīng)濟性，RJ08A機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)運動，運動范圍為0°～100°，命名為J1軸；

（2）伸出臂相對于箱體的直線往返運動，運動范圍為0～140 mm，命名為J2軸；

（3）伸出臂相對于箱體的旋轉(zhuǎn)運動，運動范圍為-100°～100°，命名為J3軸。

J1、J3軸由伺服電機帶動擺線減速器運動實現(xiàn)，J2軸由伺服電機帶動滾珠絲杠運動實現(xiàn)，伺服電機及擺線減速器均由廣州數(shù)控自主研制。RJ08A機器人的末端執(zhí)行機構(gòu)，由一個旋轉(zhuǎn)氣缸及兩個氣動機械夾爪組成，兩個氣動機械夾爪分別對應(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機器人與數(shù)控機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）運動機器人J1、J3軸，機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，抗拉強度可以達到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）機器人J2軸運動至零件待夾取位置，夾取零件（如圖2所示）；

（4）運動機器人J1、J2、J3軸，機器人將待加工零件搬運至機床卡爪（如圖3所示)；

（5）機器人末端的旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)180°將未夾料的空卡爪對準(zhǔn)機床卡盤，運動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)機床卡盤，通過運動J2軸，完成上料動作；

（7）機器人移出機床，并將已加工件放料到旋轉(zhuǎn)料倉處，同時，機床對待加工零件進行加工。

圖2 RJ08A機器人從料倉取料

圖3 RJ08A機器人運動至機床卡爪位

RJ08A機床上下料機器人，巧妙地利用了J1、J3兩個旋轉(zhuǎn)軸來實現(xiàn)對工件的空間定點搬運功能，同時充分地利用了J2直線運動軸來實現(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)自由度機器人來說，大大地提高了運動軸的使用效率，降低了機器人和自動化產(chǎn)線改造的成本。從工作節(jié)拍上來看，三自由度的RJ08A機器人僅利用了兩個旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)搬運工作，其對控制系統(tǒng)的要求更低，可實現(xiàn)更高的單軸速度運行。另外，其配置的氣動機械卡爪，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。

2 RJ08A機器人的應(yīng)用及性能參數(shù)

針對電機零部件、軸承內(nèi)外圈、齒輪、法蘭盤等盤類零件和電機軸、閥芯等軸類零件，RJ08A機器人可實現(xiàn)無人加工。

RJ08A機器人性能參數(shù)如表1所示。

表1 RJ08A機器人性能參數(shù)

3 幾種機床上下料解決方案優(yōu)劣勢比較

針對機床上下料應(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)機器人和桁架機械手。

（1）傳統(tǒng)六關(guān)節(jié)機器人

采用六關(guān)節(jié)工業(yè)機器人給機床自動上下料，可以根據(jù)用戶實際需求，機器人采用地面或側(cè)掛安裝，可通過移動導(dǎo)軌，增加運動行程和工作范圍，實現(xiàn)1臺機器人給多臺機床上下料[3]。

圖4 機器人地面導(dǎo)軌移動上下料

圖5 機器人地面導(dǎo)軌移動上下料

傳統(tǒng)加工的6關(guān)節(jié)機器人，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，機器人價格高，后續(xù)維護成本較高。

（2）桁架機械手

桁架機械手，又叫龍門式機器人，隸屬于直角坐標(biāo)機器人，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、步進電機為驅(qū)動的單軸機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)起來的機器人系統(tǒng)，可以完成在XYZ三維坐標(biāo)系中任意一點的到達，并遵循可控的運動軌跡[4]。

在歐美日等發(fā)達工業(yè)體系，由高速加工中心和桁架機械手組成的敏捷柔性生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)是主流產(chǎn)品，桁架機械手在高空中輸送零件，直接把被加工零件從一臺機床輸送到另一臺機床上，桁架機械手兼有工序間運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，被機床制造商所器重[5]。

圖6 桁架機械手上下料

桁架機械手進行機床上下料，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)料倉和機器人生產(chǎn)、運輸、安裝和調(diào)試的一體化，在不移動用戶現(xiàn)場機床位置的情況下就可以進行加裝改造，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。

4 結(jié)語

相比傳統(tǒng)的六關(guān)節(jié)搬運機器人和桁架機器人，RJ08A機器人融合廣州數(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 機床上下料解決方案優(yōu)劣勢比較

［1］徐方.工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.機器人技術(shù)與應(yīng)用，2007（5）：2-4.

［2］江文明.A公司RB50工業(yè)機器人研發(fā)項目風(fēng)險管理研究［D］.廣州：中山大學(xué)，2014.

［3］白東明，陳勇，陳振華.汽車挺柱體銅銷的上料裝置設(shè)計研究［J］.機電工程，2014（09）：1159-1162.

［4］文懷興，柳建華，白路，等.基于Trio運動控制器的直角坐標(biāo)機器人控制系統(tǒng)［J］.輕工機械，2009（3）：50-51.

［5］權(quán)占群，張樹禮.桁架機械手及在柔性加工自動線上的應(yīng)用［J］.金屬加工：冷加工，2014（12）：23-25.