淺談桁架式上下料工業機器人在數控加工中的應用

劉剛 李元慶

【摘要】本文介紹了桁架式上下料工業機器人的特點、作用及在數控加工中的應用。

【關鍵詞】桁架式工業機器人

一、引言

隨著人類社會科技的不斷發展與進步，智能化機器人被運用到了制造行業。如今，中國制造總產量約占世界產量的25%，是名副其實的制造大國。改革以來，中國的經濟得到了飛速發展，互聯更是在中國落地開花，茁壯成長，尤其近10年的發展，使得中國在互聯網智能化水平遠超歐美等國家，盡管如此，國內的制造業智能化發展還是相對滯后，為改變中國相對落后的制造業，2015年，李克強總理在政府工作報告中首次提出了“中國制造2025”，到2025年我國將邁入到世界制造強國的行列。

二、研究的歷史背景、目的及意義

工業機器人是一種多功能、多用途、具有人智能的機器，能夠代替普通人完成與人體上肢動作相似的重復式機械類工作，從而大大減輕人們的勞動力成本，提高生產效率。在日益國際化的市場競爭中博得一席之地。工業機器人水平的高低已經成為衡量一個國家現代化工業制造水平的標準，所以，我國要想從一個制造大國變成一個制造強國，實現“十三五”規劃的宏偉目標，在智能制造方面，不僅要在工業機器人的控制與設計上投入大量的研究，還要提升工業機器人基本件的生產制造水平。

桁架式工業機器人簡稱直角坐工業機器人，他們主要以直線運動為主，可根據不同的工作需求加裝旋轉部分，通常由X、Y、Z軸的三個方向轉動，外加Z軸的旋轉，便構成了機器人的基本運動形態，在此平臺上再進行設計修改不同的運動元件，可以滿足不同的自由度要求，從而完成相應的工作。如今，德國、日本等工業強國已經將以關節機器人作為主的自動化生產線廣泛應用于汽車、電子以及工程機械等領域；桁架機器人作為一種高效、新型的長距離物料輸送設備，國外已進行了比較全面的研究并且形成了比較成熟的系列產品。而在國內，絕大多數研究都集中在關節機器人上，而桁架式機器人卻無人問津，國外有關技術相對成熟，且一直被壟斷，中國要想不受制于人，打破技術封鎖，在智能生產領域實現彎道超車，必將走自主研發道路。本文以機械加工零件為情景，用機器人代替人的相關工作，桁架式上、下料工業機器人是數控機床加工的輔助設備，負責將待加工零件放入數控機床的夾具中，并協助機床完成零件的定位與夾緊，待零件加工結束后，將成品放入傳送帶，運至倉庫。其目的是為了整合零件加工的整個流程，完成工序與工序之間的智能化聯結，從而構成柔性制造單元。所以，對桁架式機器人進行結構設計與優化，更符合現代工業生產需要，具有十分重要的意義。

三、工業機器人的發展

第一臺工業機器人誕生距今已有40多年，當下各發達國家對工業機器人尤為重視，全力研究和發展工業機器人技術，并將其投入工業生產過程。目前，世界上工業機器人技術已經非常成熟，未來可能會作為一種標準化設備應用于各行各業。

（一）我國工業機器人的發展狀況

我國工業機器人起步于上世紀70年初期，到今天為止，已廣泛應用于各類工業生產當中，并在未來幾年內其使用量仍呈上升趨勢。回看歷史，雖我國緊跟世界其他國家的腳步，但在近20年內也只是停留在研制階段，直到21世紀在互聯網的刺激下才得到迅猛發展，并在企業中廣泛應用。

2013年，我國曾被稱為世界上第一大機器人市場，2014年我國取得了機器人銷量占全球市場25%的份額，這主要得益于我國進行的對供給側產業結構的升級和改造，以及政府對該產業的大力扶植。市場前景如此之大，企業需求如此之強，而工業機器人研制與發展如此滯后，設備過多依賴于美日等國的進口，受制于人不如自主研發，應積極借鑒進口設備的優點，走適合中國市場的道路。

（二）工業機器人國外發展狀況

工業機器人興起于美國，許多美國的大公司，如通用電氣和通用汽車等紛紛加入對工業機器人技術研究，而在之后的很長一段時間內，不斷的改進與完善，推動當時美國發展更為先進成熟的工業機器人，從而奠定了其在工業強國的重要地位。日本作為一個工業強國，在工業機器人技術研究上也不甘落后，最初，日本的工業機器人幾乎由美國進口，為解決日本當時工業生產力不足等問題，日本的工業機器人得到了飛快速發展并后來者居上，在工業生產及機器人制造業領域很快超過了美國，日本的工業機器人產品在國際市場上形成了較強的競爭力。

四、桁架式上、下料工業機器人在數控加工中的應用

桁架式工業機器人相較于關節式機器人在同等規格下具有成本低、載重大、行程遠等特點，主要應用于上、下料搬運等機械生產過程。其可靠性高、機電一體化程度高、生產效率高，噪聲低、加工尺寸分散小，具有便于調整和維修等特點，是各種機械加工、零件批量生產的理想設備。

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

2.桁架式工業機器人負載高。相較于關節式機器人，桁架式工業機器人能承受的載荷優勢突出。這源于兩者結構上的不同，關節式機器人通過控制關節間的旋轉角度來改變兩臂之間的位置關系，從而實現工業機器人手臂的抓舉。而桁架式工業機器人是直上直下的運動方式，這種方式在承受載荷上更具優勢。畢竟旋轉機構比移動機構更靈活，更難保持原狀。

3.桁架式工業機器人成本低，經濟性好。我們知道，要想獲得較高的扭矩，使機器人更具力量，減速器是他核心部件。關節式工業機器人需要高減速比的減速器，因此對減速器的要求更高，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。而桁架式機器人可以用最單的減速器，可操作性強，經濟效益好。

雖然桁架式工業機器人有較多的優點，但并不代表他不是高精度儀器，要想達到更精準的使用效果，應對其進行正確操作便可以延長桁架機器人的使用壽命。現在實體行業的現狀是，勞動力成本上升、產能過剩和市場需求的個性化、定制化。這些內、外部因素的變化，導致制造模式必須變革，所以工業4.0提出了一種新的制造體系。

五、結束語

桁架式上下料工業機器人具有負載高、可操作性強、成本低，經濟效益好等優點，在我國工業領域得到了廣泛應用。