申耀武

（廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510925）

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

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

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

（3）工業(yè)機器人的應(yīng)用，使得數(shù)控機床的加工功能得到進一步拓展，單臺機床能夠同時完成多種加工。

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

2 工業(yè)機器人在數(shù)控機床中的運用實踐

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)控機床，約占數(shù)控機床總數(shù)的25%。它的功能非常強大，不僅能夠?qū)S、盤類零件的內(nèi)外圓進行切削加工，而且還能完成切槽、鉆孔、擴孔等。常規(guī)的數(shù)控車床由以下幾個部分組成：數(shù)控裝置、車床本體、主軸箱、刀架進給、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行車削加工，后者可對軸向尺寸較長的盤類零件進行車削加工。目前，數(shù)控車床在機械加工企業(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，可對工業(yè)機器人進行運用。

2.1 總體設(shè)計思路

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

2.2 工作流程設(shè)計

文章設(shè)計的上下料單元由以下幾個部分組成：數(shù)控車床（2臺）、工業(yè)機器人（1臺）、料盤（1個）、物料箱（1個）。數(shù)控機床接收到工業(yè)機器人發(fā)出的指令后，會控制液壓卡盤完成夾緊和松開操作，在料盤的每個工位上均加裝接近開關(guān)，可檢測是否有工件，同時在料盤下方安裝電機，可帶動料盤做旋轉(zhuǎn)運動，這樣一來，料盤每次都能轉(zhuǎn)動至一個有工件的工位上，機器人會從數(shù)控機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)機器人的末端執(zhí)行器（機械手）會從待機的位置處移動到取料位置的一側(cè)，機械手此時處于松開狀態(tài)，當(dāng)機器人接收到指令后，會移動到取料位置，機械手從松開狀態(tài)轉(zhuǎn)換為夾緊狀態(tài)，夾取工件后，移動到待機位置。

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

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

2.3 機器人的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

（1）腰部回轉(zhuǎn)。機器人的腰部回轉(zhuǎn)方案有兩種，第一種方案是在底座上端安裝電機，借助聯(lián)軸器和齒輪傳動，帶動機器人的腰部做回轉(zhuǎn)運動；第二種方案是在底座上端安裝電機，利用諧波減速器與回轉(zhuǎn)軸進行直連，通過輸出軸與腰部的連接，帶動腰部在底座上做回轉(zhuǎn)運動。通過對上述兩種回轉(zhuǎn)方案進行對比分析后，決定采用第二種方案，因為該方案的整體結(jié)構(gòu)較為簡單，便于安裝和維修，同時還能使機器人的控制精度得到一定的提升。

（2）手臂回轉(zhuǎn)。工業(yè)機器人的手臂由大臂和小臂兩個部分組成，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直接與手臂相連，從而帶動大臂和小臂做回轉(zhuǎn)運動；第二種方案是借助電機帶動諧波減速器做回轉(zhuǎn)運動，機器人的小臂在減速器的減速作用下，帶動連桿機構(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，從而使運動過程變得更加平穩(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器人手臂的回轉(zhuǎn)方案。

（3）腕部俯仰。機器人腕部的俯仰有以下幾種方案：第一種方案是利用電機經(jīng)諧波減速器帶動機器人的腕部做俯仰運動；第二種方案是電機經(jīng)聯(lián)軸器與齒輪連接，經(jīng)傳動軸傳送至小臂前端，改變回轉(zhuǎn)方向，帶動腕部做俯仰運動；第三種方案是電機通過橡膠同步帶，帶動同步帶輪做回轉(zhuǎn)運動，并將動力傳給機器人的小臂前端，實現(xiàn)腕部的俯仰運動。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，但由于電機和減速器全都需要加裝在機器人的腕部，從而會導(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，作為機器人腕部的俯仰運動方案。

（4）機械手傳動。機械手是機器人的末端執(zhí)行器，典型的傳動機構(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，根據(jù)實際需要，通過比選之后，決定采用齒輪齒條杠桿式作為機械手的傳動機構(gòu)。

（5）驅(qū)動方式。在本次設(shè)計中，驅(qū)動裝置的主要作用是為機器人的臂部到達預(yù)定位置提供動力源。工業(yè)機器人的驅(qū)動形式較多，常用的有3種，分別為電機、液壓和電氣。其中電機驅(qū)動的輸出功率較大，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)的運動軌跡控制，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)緊湊，不存在密封問題?？紤]到機器人的工作環(huán)境和使用需要，決定選用伺服電機作為機器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的驅(qū)動方式，以此來完成數(shù)控車床的自動上下料。

2.4 傳動系統(tǒng)設(shè)計選型

對于數(shù)控車床而言，在機械結(jié)構(gòu)上有三個基本要求，即傳動無間隙、傳動無摩擦、傳動無變形，將工業(yè)機器人應(yīng)用于數(shù)控車床時，也必須同時滿足上述要求，這樣才能確保機器人的運動路徑與位置的準確性。按照上文中確定的機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動方式為伺服電機驅(qū)動，由于電機本身的輸出力矩要小于實際所需的力矩，而轉(zhuǎn)速則高于實際所需的轉(zhuǎn)速。因此，必須經(jīng)減速器調(diào)整后，才能達到有效驅(qū)動的目的。目前，在工業(yè)機器人中應(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，為同時滿足上述幾點要求，通過比選，決定采用諧波減速器。本次設(shè)計中的諧波減速器為雙波傳動，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)機器人不斷發(fā)展和完善，使其應(yīng)用領(lǐng)域進一步拓寬。數(shù)控機床作為機械制造加工中的關(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)控機床的利用效率，可對工業(yè)機器人進行合理運用。文章以數(shù)控機床中的車床作為研究對象，對工業(yè)機器人的運用實踐進行分析，工業(yè)機器人加入后，改變了上下料的方式，縮短了上下料時間，減輕了操作人員的勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。