工業機器人再制造過程能力分析

凌天白

（上海亞彩機電科技有限公司 上海200090）

早在1930～1939年間美國汽車工業就已經領先展開了再制造生產。一些較為發達的國家，如：日本、美國以及歐洲等國歷經80多年的發展，已經構建了回收和拆解檢測廢舊產品、再制造產品營銷和技術研發，以及生產管控等整個系列的再制造體系；而再制造產品范圍則涉及到電氣和電子信息產品、航空和車類及其零部件、以及工程機械設備等諸多領域 ，構成了成熟穩健的再制造市場及其運營模式。

作為新型產業，再制造通過回收和充分利用廢舊產品及其零部件來保護環境、降低二氧化碳的排放量和節約多種資源等[1]。觀察國外再制造產業發現，法國7大戰略性產業在“工業振興新計劃”中，主要是指知識和技術密集的產業，而在美國，再制造戰略則側重于一些新型產業的創新和發展，如：生物技術和新能源等，日本則更側重于一些新型產業的研發。多數發達國家再制造戰略的主要目標在于保持或提高制造業的就業水平；加大制造業的增長力度；促使制造業外貿整體的格局更趨于平衡。再制造行業在日本已經發展的相當龐大，日常生活中的手機、汽車等不少都是由再制造零部件加工生產而成。而且再制造產品在日本多數情況下都是環保的代稱，通常都不會受到日本民眾的排斥。

我國2015年、2016年、2017年三年的工業機器人保有量分別為：26.29萬臺、30萬臺、33.23萬臺，工業機器人保有量穩居世界第一，發展到了2018年，我國的工業機器人市場保有量占比世界總產量超過了38%，有高達48.03萬臺的工業機品人生產量，無論是從保有量，還是機器人產量方面來講都位居全球首位。日本、韓國的機器人密度分別為：314臺、478臺每一萬人，與之相比，我國68臺每萬人具有很大的發展和上升空間。

發展到2021年，國內工業機器人很有可能會擴大到 58.9億美元的市場規模，年銷售量預計有 15萬臺左右，保有量估計會超過80萬臺，根據應用領域來劃分，工業機器人中運用較為普遍的是占比為50%汽車制造業，電子信息行業次之，工業機器人是高端制造中非常重要的模塊之一，也是高端和智能化轉型升級的必不可少的要素。

工業機器人再制造的間接經濟效益較為突出，能夠為公司或是用戶減少設備和技術培訓等費用，平均而言，成本上相較于同等性能水平的新機器人能降低大約40% ～ 60%的成本費用，交貨期縮短一半，而性能可達到或超過原有新品水平。

1 研究分析六軸工業機器人的動力學

再制造六軸工業機器人主要由底座和腰部連桿、大小臂和腕部、以及焊槍等組合而成。每一個六軸機器人的相鄰部分都是通過旋轉副連接，形成一個開環式的擁有6個鉸鏈的串聯機器人，開環的一端是用來直接工作的機械手，另一端則是固定在地面上的底座，其三維結構圖具體如圖1所示，通過電機來驅動所有的轉動關節，而驅動關節則是通過交流伺服電機與精密減速器緊固配合連接而得以完成，這其中，機械手的整體旋轉通過腰部連桿的轉動作用，并通過底座上的電機來控制其旋轉程度，大臂和腰之間的關節位置會有兩個電機，分別對大小臂的上下俯仰運動進行控制，3個電機在大小臂的關節連接的位置各自控制著弧焊手和小臂本身的旋轉及其腕部的俯仰運動，放置后3個電機的位置要盡可能的放在離尾端弧焊手相對較遠的位置，用以避免因為末端過重而出現危險。

圖1 六軸工業機器人三維模型

研究工業機器人的運動學，主要是分析機器人的正和逆兩種運動學，這其中，正運動學是已知關節變量的值，得到在空間內機器人具有唯一特性的位姿關系；在逆運動學中，給定在空間中的機器人位姿關系，用以對機器人關節變量的值進行求解，所以，研究分析逆運動學可能會出現三種情況，分別為：無解、多解以及唯一解，一般而言，會采用就近原則來選擇解。

Denavit 等人率先提出了DH參數法[2-3]，這是一種用于組建機器人位姿的矩陣方式，也就是說每一個連桿均能通過4個運動學的參數來加以闡述，其中連桿本身可用2個參數來進行闡述，另2個參數則用于對連桿間的連接關系進行闡述。一般θi代表的是轉動關節中的關節變量，此時另3個是固定的連桿參數；di代表的是移動關節中的關節變量，此時另3個是固定的連桿參數。此外，其它3個參數中，兩個相鄰連桿之間的連接關系可以用Di來進行闡述，也就是從公垂線ai+1與關節軸i的交點的有向距離，連桿沿Xi軸用ai表示，也就是從Zi移動到Zi+1之間的距離；兩段關節軸的公垂線長度則用ai表示；具體如下圖2。

圖2 連桿坐標系模型

機器人正運動學是已知機器人每一桿件的關節關量與幾何參數，對末端連桿坐標系的位姿進行求解。為了對機器人的運動學方程進行創建，在連桿i?1坐標系中連桿i坐標的位置和姿態則是用齊次變換矩陣T來表示。從D-H法創建的有關坐標系的相關原則可以得出如下計算公式（1）。

通過計算公式（1）與KUKA KR6機器人的結構相結合，能得出坐標系中每個連桿所在位置和姿態，具體如下圖矩陣計算公式（2）～（7）所示。

通過兩個相鄰的連桿間矩陣關系的六軸機器人，統一計算每個連桿，在這整個過程中能夠獲得總運動學的方程式，具體如公式（8）所示。

通過計算公式（8）可以看出六軸機器人各軸之間的變換關系，對六軸機器人的空間位置和姿態的聯系進行求解，也能通過這個方程式的計算而得以完成。這樣也就完成了六軸機器人關節空間轉換到笛卡爾空間。六軸工業機器人目前在逆運動學中的問題是其通過已知機器人目標位姿，所求出的參數值。六軸工業機器人雖然有多種求解方式，但最具代表性的兩個解法分別為：數值解法和封閉解法。而求解的具體步驟可通過代數法來得以實現，也就是說逆矩陣T?1是一個左乘而又逐次求解的方程，緊接著依據每一個位置元素之間的相等關系而列出的與之相應的方程式和求出每個未知數，而且多次求解均可通過這種方式進行，直到將表達式中的關節變量全都求解出來，因此這一種方式也被稱之為分離變量法，具體如計算公式（9）所示。

六軸工業機器人現階段在逆運動學中的問題是其通過已知機器人目標位姿，求解出每個關節的機器人的變量。

2 工業機器人再制造過程分析

KR360再制造六軸工業機器人主要由底座和腰部連桿、大小臂和腕部、以及焊槍等組合而成。經過分類和檢測、拆卸和清洗之后，修復和再次加工工業機器人中一些包括萬向節、齒形帶等容易損壞的零部件；對電控系統進行再制造升級，更換電控箱與電器元件，升級伺服驅動器。從而使工業機器人的精度方面符合出廠標準，同時，也促使用戶在加工生產方面的需求得以實現和滿足。

完成拆卸和清洗之后，研究KR360六軸工業機器人的精度喪失的情況和每個零部件所存在的損失情況，并由此而制定相應的工藝方案，KR360六軸機器人的再制造工藝流程如下。工業機器人其中一個主要的零部件是鑄件，在整個機器人中，鑄件的重量可以占比70%以上。鑄件不僅對機器人整體起支撐作用，還影響機器人的工作范圍，工業機器人的底座、旋轉座、連接臂和肘部都為鑄件制造。當機器人發生碰撞導致鑄件損壞開裂時，該機器人則無法再制造，其余零部件只能做回收處理。KR360六軸機器人的鑄件在磨損不嚴重的情況下可使用鑄件粘合劑進行修補，并在鑄件運動接觸面處噴涂防銹油以延長鑄件的使用壽命。再制造后的工業機器人鑄件如圖3所示。

圖3 再制造后工業機器人本體鑄件

六軸工業機器人的前臂機構是工業機器人最核心的部件，由圖1可知其包括用于驅動前臂和腕關節的前臂驅動組件，即六軸機器人的第四軸輸入組件、第五軸輸入組件和第六軸輸入組件均設置于前臂機構殼體內部，KR360六軸工業機器人的前臂機構可同時進行A4、A5以及A6三軸旋轉聯動。由于前臂機構的使用頻率是所有機器人部件中最高的，因此其再制造時需更換所有易損部件，包括軸承、油封、齒輪皮帶以及磨損較多的齒輪部件。再制造后的前臂機構需進行運行測試，將前臂機構安裝于測試工裝上，進行4小時的連續運行工作。在測試工作中，前臂機構必須保持平穩運行無停滯的狀態，且硬件無報警及異響。KR360工業機器人前臂機構再制造后的測試運行如圖4所示。

圖4 再制造后機器人前臂機構測試運行

在對 KR360六軸工業機器人各部件進行修復與再加工后，調整各部件之間的間隙，并按裝配工藝流程進行裝配，恢復機器人整體精度。如圖5所示，使用萊卡AT402激光跟蹤儀檢測機器人重復定位精度。

圖5 再制造工業機器人機械精度檢測

運用polyworks軟件進行分析，并結合激光跟蹤儀來對相關的數據進行檢測，最后輸出 KR360六軸機器人每個關節軸的重復定位精度測試結果以及六軸聯動情況下的重復定位精度測試結果為0.072mm，如圖6所示。

圖6 再制造工業機器人重復定位精度測試

再制造 KR360工業機器人按新產品出廠標準進行檢驗與驗收，機器人需連續運行24小時無報警，且運行平穩無抖動和異響，在額定負載下全速運行無過載。再制造工業機器人的檢驗標準如表1所示。

表1 再制造工業機器人驗收標準

3 結語

通過六軸工業機器人再制造案例可知再制造機器人的機械精度及性能完全能達到新機器人的出廠標準。由于我國的工業機器人保有量的規模已經相對較大，因此有不少即將淘汰或是需要維修的機器人。再制造業務已經成為工業機器人新拓展的主要業務，通過回收廢舊機器人，全面再制造升級廢舊工業機器人。再造后的工業機器人精度與性能能夠匹配新制造機器人，而價格不到新品機器人的60%。