李偉華，王 偉，李興和，楊 林，羅安柳

（廣州啟帆工業(yè)機(jī)器人有限公司，廣州 511356）

0 引言

目前中國(guó)已成為世界上工業(yè)機(jī)器人增速最快的國(guó)家和市場(chǎng)，而且將繼續(xù)保持高速增長(zhǎng)，不久將成為全球裝機(jī)數(shù)量最多的國(guó)家[1-2]。國(guó)內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)爆發(fā)性發(fā)展態(tài)勢(shì)，勢(shì)必引發(fā)大量從業(yè)人員的需求。市面上機(jī)器人培訓(xùn)費(fèi)用高，文獻(xiàn)資料注重理論且抽象，宏觀行業(yè)宣傳過多[3-5]而基本技術(shù)、實(shí)際應(yīng)用講解很少且缺乏體系、范例等，不便于新從業(yè)人員快速學(xué)習(xí)和理解，因此，撰寫工業(yè)機(jī)器人基本技術(shù)及應(yīng)用的文章是很有必要的。本文以啟帆STS工業(yè)機(jī)器人為研究對(duì)象，系統(tǒng)介紹了工業(yè)機(jī)器人定義、特點(diǎn)、發(fā)展趨勢(shì)、系統(tǒng)組成、技術(shù)指標(biāo)及典型應(yīng)用，不僅能幫助新人快速認(rèn)識(shí)和理解工業(yè)機(jī)器人，也可為現(xiàn)有從業(yè)人員提供參考。

1 工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人的定義有很多種[1]，如美國(guó)RIA、日本JIRA、中國(guó)、ISO 等，但目前大多遵循ISO 的定義：一種能自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，多功能、多自由度的操作機(jī)，能搬運(yùn)工件、材料或操持工具來完成各種作業(yè)。工業(yè)機(jī)器人通常具有4 個(gè)顯著的特點(diǎn)：（1）特定的機(jī)械機(jī)構(gòu)模仿人或動(dòng)物肢體，能完成相應(yīng)肢體動(dòng)作，典型代表是機(jī)械手臂；（2）通用性能靈活改變動(dòng)作程序，能從事多種作業(yè)，比如分揀、搬運(yùn)、碼垛等；（3）一定的智能性智力或感覺、識(shí)別、決策等能力，比如防碰撞、最優(yōu)動(dòng)作路徑等；（4）獨(dú)立性完整的機(jī)器人系統(tǒng)在工作中可不依賴于人的干預(yù)，比如無人工廠。工業(yè)機(jī)器人沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，有按負(fù)載、控制方式、自由度、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域、技術(shù)等級(jí)等分類，啟帆通常按機(jī)器人結(jié)構(gòu)特征來劃分。工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征通常用其坐標(biāo)特性來描述，可將其分為直角坐標(biāo)、柱面坐標(biāo)以及關(guān)節(jié)型，如圖1所示。

圖1 啟帆STS系列產(chǎn)品典型結(jié)構(gòu)

目前全球機(jī)器人總銷量的70%集中在日本、中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)[1]，而工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)基本被ABB、FANUC、YASKAWA、KUKA 四大家族所占據(jù)[1-2]。近年來各大廠商推出了許多新機(jī)型，這里選取啟帆STS系列代表性產(chǎn)品，如圖2所示。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正向著模塊化、系統(tǒng)化和智能化方向發(fā)展，比如結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化和開放化；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的分散化和數(shù)字化；多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化等[1,3]。

圖2 啟帆STS系列代表性產(chǎn)品

2 工業(yè)機(jī)器人組成

啟帆STS系列機(jī)器人基本為示教再現(xiàn)型，其產(chǎn)品主要由操作機(jī)、電箱和示教器組成，如圖3所示。如需增加感知和智能功能[4]，則由傳感器和軟件來實(shí)現(xiàn)。

2.1 操作機(jī)

操作機(jī)也稱作機(jī)器人本體，用來完成各種動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通常由機(jī)械臂、驅(qū)動(dòng)單元、傳動(dòng)裝置等組成。機(jī)械臂是由獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的多關(guān)節(jié)連成一體的機(jī)械桿，可分為基座、腰部、臂部及手腕。驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)使機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，通常有液壓、氣壓和電3 種方式，而啟帆基本采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，且通常一個(gè)關(guān)節(jié)配一個(gè)伺服電機(jī)。啟帆傳動(dòng)裝置基本是減速機(jī)，主要有RV 和諧波兩類，其中前者通常放置在基座、腰部、大臂等重負(fù)載位置；而后者通常放置在小臂、腕部等輕負(fù)載位置。

2.2 電箱

啟帆控制器，宏觀上稱做電箱或電控柜，如圖3～4所示，可將收到的指令通過各種硬軟件來控制操作機(jī)完成作業(yè)任務(wù)的裝置；狹義上，單指承載系統(tǒng)軟件的硬件，具有示教功能、記憶功能、坐標(biāo)設(shè)定功能、位置伺服功能、傳感器接口、與外圍設(shè)備聯(lián)系功能、故障診斷安全保護(hù)功能等。

圖3 啟帆機(jī)器人組成

圖4 啟帆電箱內(nèi)部

2.3 示教器

啟帆示教器也稱示教盒、示教編程器，通常由液晶屏和操作按鍵組成，是一個(gè)可手持移動(dòng)的專用智能終端，如圖5所示，是人機(jī)交互的接口。通過示教器，基本可以完成機(jī)器人的所有操作，比如點(diǎn)動(dòng)機(jī)器人；編寫、測(cè)試和運(yùn)行機(jī)器人程序；設(shè)定、查閱機(jī)器人狀態(tài)和位置等。

圖5 啟帆示教器

3 技術(shù)指標(biāo)

啟帆STS工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)指標(biāo)有自由度、工作負(fù)載、最大工作速度和工作精度等，如表1 所示，另外運(yùn)行范圍圖、控制方式、驅(qū)動(dòng)方式、安裝方式、本體重量、電源容量、容許慣量、環(huán)境條件等可查閱產(chǎn)品說明書。

表1 啟帆SAR8-1400主要技術(shù)指標(biāo)

4 應(yīng)用案例

當(dāng)今世界近50%的工業(yè)機(jī)器人集中使用在汽車領(lǐng)域[1,5]，主要進(jìn)行搬運(yùn)[3-4]、碼垛、焊接[3-5]、涂裝[4-5]和裝配等復(fù)雜作業(yè)。啟帆是國(guó)產(chǎn)機(jī)器人行業(yè)的中堅(jiān)力量，產(chǎn)品涵蓋所有類型的工業(yè)機(jī)器人，具有強(qiáng)大的硬軟件實(shí)力和豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。下面主要介紹啟帆STS系列機(jī)器人在沖壓、碼垛、焊接、涂裝等行業(yè)中的應(yīng)用。

4.1 沖壓行業(yè)

圖6 所示為某一汽配沖壓件生產(chǎn)線[6]。在原有閉式壓機(jī)生產(chǎn)線工人操作工位，“一字布線”6 軸STS SRD50-2050 工業(yè)機(jī)器人若干臺(tái)，實(shí)現(xiàn)“多機(jī)聯(lián)線”自動(dòng)化生產(chǎn)，從取料、上料，到?jīng)_壓各工序，如沖裁、彎曲、拉深等，全過程“一氣呵成”。該方案有很多優(yōu)點(diǎn)：客戶不用調(diào)整原有工藝和設(shè)備或現(xiàn)有設(shè)備布局；生產(chǎn)效率顯著提升，高達(dá)50%；顯著減少人力成本，比如減少工人近50人等。

圖6 一字布線

4.2 碼垛行業(yè)

啟帆專門為不同客戶需求的搬碼揀作業(yè)開發(fā)了一系列機(jī)器人與解決方案[7]。如客戶有速度要求，可選用啟帆立式全關(guān)節(jié)碼垛機(jī)器人，如圖7所示；如客戶只做單線單碼，且有極致成本要求，可選用啟帆TX 系列碼垛機(jī)器人，如圖8 所示；針對(duì)上述產(chǎn)品的不足，啟帆又開發(fā)了大負(fù)載水平多關(guān)節(jié)SCH 系列機(jī)器人（圖1）。

4.3 焊接行業(yè)

圖7 啟帆SAR130機(jī)器人

圖8 啟帆TX系列

針對(duì)焊接行業(yè)的需求，尤其是弧焊，啟帆已經(jīng)研發(fā)出了多款通用型弧焊機(jī)器人，比如SRD6-2050ID、SRK6-1450ID等，但為了更好地滿足客戶需求，更大地突破現(xiàn)有弧焊機(jī)器人應(yīng)用的不足，啟帆創(chuàng)新性的開發(fā)了“XYZ架構(gòu)+中空弧焊機(jī)器人456軸手腕的中空桁架機(jī)器人”解決方案[8]，如圖9所示。啟帆擁有完全自主的控制系統(tǒng)、完全自主的弧焊工藝軟件包、所有焊機(jī)參數(shù)內(nèi)置、多種弧焊的快捷組合鍵示教盒等。

圖9 啟帆桁架機(jī)器人

4.4 噴涂行業(yè)

針對(duì)當(dāng)前家具行業(yè)噴漆機(jī)器人拖動(dòng)示教的不足，啟帆推出了全新的解決方案[9]：先經(jīng)3D掃描，隨后啟帆三維視覺軟件識(shí)別來料尺寸，再經(jīng)RobotSail離線編程軟件拾取定點(diǎn)，離線模擬計(jì)算噴涂路徑，從而自動(dòng)生成技術(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)噴涂，如圖10 所示。啟帆智能CAM 系統(tǒng)具有：板料的高度、方向都不受限制；不額外占據(jù)噴涂房空間，且使編程者遠(yuǎn)離了惡劣的工作環(huán)境；減少機(jī)器人的停機(jī)時(shí)間，當(dāng)對(duì)其他任務(wù)編程時(shí)，機(jī)器人仍可工作；適用范圍廣，可對(duì)各種機(jī)器人進(jìn)行編程，并能方便地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化編程；離線拖拽式示教路徑、實(shí)現(xiàn)噴涂效果渲染、自動(dòng)規(guī)劃噴涂路徑等優(yōu)點(diǎn)。

圖10 啟帆機(jī)器人噴涂

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)器人行業(yè)快速發(fā)展而急需從業(yè)人員，本文以啟帆STS工業(yè)機(jī)器人為研究對(duì)象，系統(tǒng)地介紹了啟帆產(chǎn)品基本技術(shù)與行業(yè)應(yīng)用，包括工業(yè)機(jī)器人的定義、特點(diǎn)、發(fā)展趨勢(shì)、組成及技術(shù)指標(biāo)，為新從業(yè)人員快速上崗提供了參考和指導(dǎo)。