淺談工業(yè)機器人機加工上下料的應用

李勛

摘? 要：該文首先介紹了工業(yè)機器人機加工上下料應用的組成、應用的意義及特點，詳細分析了工業(yè)機器人機加工上下料應用中工業(yè)機器人存在的剛度及精度、碰撞、故障后快速恢復問題，針對這些問題詳細分析了關鍵的解決技術。即末端負載自動辨識技術和動力學力矩前饋技術、碰撞檢測技術、零點恢復技術，最后提出了人機協(xié)作及信息融合的未來發(fā)展趨勢。

關鍵詞：工業(yè)機器人;機加工;上下料

中圖分類號：TP242.2? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 概述

隨著數(shù)控機床的普及，越來越多的用戶希望數(shù)控機床的上下料實現(xiàn)自動化，一方面提高工人看護機床數(shù)量，降低人員成本，一方面提高生產效率和生產質量。工業(yè)機器人大面積應用起源于汽車工業(yè)，隨著汽車工業(yè)應用的飽和，通用工業(yè)對機器人的認知越來越高。自20世紀90年代以來，通用領域的工業(yè)機器人應用越來越廣，象焊接、碼垛、噴涂、上下料、拋光打磨等都是通用工業(yè)常見的應用。該文著重闡述了工業(yè)機器人機加工上下料系統(tǒng)。

工業(yè)機器人機加工上下料系統(tǒng)主要用于加工單元和自動生產線待加工毛坯件的上料、加工完工件的下料、機床與機床之間工序轉換工件的搬運以及工件翻轉，實現(xiàn)車削、銑削、磨削、鉆削等金屬切削機床的自動化加工。

機器人與機床的緊密結合，不僅使自動化生產水平提高了，更是工廠生產效率革新與競爭力的提升。機械加工上下料需要重復持續(xù)地作業(yè)，并要求作業(yè)的一致性與精準性，而一般工廠對配件的加工工藝流程需要由多臺機床多道工藝連續(xù)加工制成。隨著用工成本的提高及生產效率提升帶來的競爭壓力，加工能力的自動化程度及柔性制造能力成為工廠競爭力提升的關卡。機器人代替人工上下料作業(yè)，通過自動供料料倉、輸送帶等方式，實現(xiàn)高效的自動上下料系統(tǒng)，如圖1所示。

一臺機器人可以根據(jù)加工工藝需求，對應1臺至多臺機床的上料、下料作業(yè)。在機器人一對多上下料系統(tǒng)中，機器人在不同機床加工工作中，完成坯件及加工件的取放動作，有效提升了機器人的使用效率。機器人可以通過安裝在地面的導軌在線性布局的機床流水線上進行往復循環(huán)作業(yè)，最小化地占用工廠空間，并可以靈活適應不同批次產品的不同作業(yè)工序切換。機器人可在惡劣環(huán)境中連續(xù)不間斷作業(yè)，24小時運行，全面解放工廠產能，縮短交貨期，提高市場競爭力。

1 工業(yè)機器人機加工上下料應用的特點

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

（2）機器人作業(yè)穩(wěn)定可靠，有效減少不合格品，提高產品質量。

（3）無疲勞連續(xù)作業(yè)，降低機床閑置率，擴大工廠產能。

（4）高自動化水平，提高單品制造精度，提速批量生產效率。

（5）高度柔性，快速靈活適應新任務和新產品，縮短交貨期。

2 工業(yè)機器人機加工上下料應用存在的問題

2.1 剛度和精度問題

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

2.2 碰撞問題

機加工機器人大多與車、銑、刨、磨機床共同配合作業(yè)，在機器人進行機械加工時，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，機床和機器人都需要重新調校，這就大大增加了故障恢復的時間，造成產量的損失，嚴重的情況可能還會造成設備的損壞。碰撞之前的感知或者碰撞后的感知是機加工機器人安全穩(wěn)定面臨的主要問題。機加工機器人具有區(qū)域監(jiān)控和碰撞檢測功能就顯得尤為重要。

2.3 故障后快速恢復問題

機器人的位置數(shù)據(jù)是通過驅動軸運動的電機編碼器反饋的，因長期運行，機械結構、編碼器電池、線纜等部件難免造成機器人的零點位置（基準位置）丟失，零點位置丟失后，機器人存儲的程序數(shù)據(jù)都將沒有實際意義，此時若不能準確無誤地回復零點位置，機器人的作業(yè)恢復工作量是巨大的，因此零點位置的恢復問題也顯得尤為重要。

3 關鍵解決技術

3.1 末端負載自動辨識技術和動力學力矩前饋技術

末端負載自動辨識技術能夠辨識出機器人末端負載的質量、質心及慣量等參數(shù)，這些參數(shù)可以用在機器人動力學前饋、調整伺服參數(shù)及速度規(guī)劃中，可以大大提高機器人軌跡精度及高動態(tài)性能。

動力學力矩前饋技術是在傳統(tǒng)的PID控制基礎上增加了力矩前饋控制技術。該功能可以根據(jù)機器人等靜態(tài)信息及實時的速度、加速度等動態(tài)信息，運用機器人動力學模型及摩擦模型計算出規(guī)劃軌跡路徑時的最佳驅動力或者力矩，并依此計算值作為前饋值傳遞給控制器，使其在電流環(huán)中與電機預設值進行比較，從而獲得最佳扭矩，驅動各軸高速、高精度運動，進而使末端TCP獲得較高的軌跡精度。

3.2 碰撞檢測技術

該技術建立在機器人動力學建模基礎之上，當機器人或機器人末端負載與外圍設備發(fā)生碰撞之后，機器人能夠檢測出由該碰撞產生的額外力矩，此時機器人自動停止或者與低速往碰撞反方向運行，避免或減小碰撞產生的損失。

3.3 零點恢復技術

普通的零點標定方式，在完成零標對齊后，仍會存在一定的誤差，誤差的大小取決于零標的加工質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行操作訓練來消除。利用該技術，當機器人丟失零點后，將機器人運動到零點附近，使刻槽或劃線能夠充分對齊。此時讀取電機編碼器值確定出補償量，使機器人能夠精確恢復零位。

4 未來發(fā)展方向

4.1 人機協(xié)作

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

4.2 信息融合

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

參考文獻

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