基于工業機器人的車架自動出庫工位設計

李金義 陳 彬

（北京電子科技職業學院，北京100026）

0 引言

工業機器人是在工廠車間內用來移動各種材料、零件、工具以及其他物體的裝置，可以通過編程來控制它們的動作，實現物體的抓取、移動和精確放置。工業機器人是機電一體化的典型產品，它既應用了傳統的機械結構與傳動技術，又應用了計算機控制技術、自動化技術以及傳感器技術，是一種綜合計算機、傳感器、自動控制等技術的產品。常見的工業機器人由操作部分（機器本體）、控制部分、伺服驅動部分以及傳感器裝置組成，具有自動控制、仿人操作、可重復編程的特點，能夠在三維空間中完成復雜的動作，尤其在變種類、變批量的柔性工作場合能達到提高工作效率、改善工人勞動條件、提高產品質量的目的。本文將通過具體實例對機器人在汽車裝配領域的應用進行詳細探討。

1 不同類型工業機器人的性能對比

隨著機器人技術的迅速發展，其在工業領域的應用也越來越廣泛，如焊接機器人、搬運機器人、抓取機器人等。工業機器人在抓取、運輸方面的應用，根據搬運工件的大小和結構的不同，有擺動橫桿式機械手、平行四連桿結構擺臂式機械手和六自由度關節型機器人等幾種形式，下面對它們的優缺點進行具體的對比和分析。

（1）擺動橫桿式機械手。這種結構的機械手主要是通過對設置在橫桿上調節裝置的控制（最多可有5個自由度），實現工件在2個工位之間任意位置的停留或加工，其作用區域可以覆蓋橫桿搭放的2個豎桿之間的任意位置。這種機械手結構相對比較簡單，容易控制，不會占太多空間，具有較高的負載能力。

（2）平行四連桿結構擺臂式機械手。這種機械手是在工廠生產線上搬運大型工件常用的工程設備，可分為雙平行四連桿擺臂式機械手和單平行四連桿擺臂式機械手。這種類型的機械手通常采用吊裝的方式，不占地面空間，具有很強的負載能力，運動速度快，而且具有放大行程的優點。

（3）六自由度關節型機器人。近幾年來，六自由度關節型機器人的運動控制技術及其在工程實際中的應用已經十分成熟，它有其他機械手不具備的特點，在工廠生產線上得到了廣泛應用。六自由度機器人采用的關節型連接控制結構，可以在三維空間的任意點運動和停留，姿態調整靈活，柔性較高，但是它的末端速度是所有關節的運動速度合成，速度相對較低，關節型結構的限制導致其負載能力較小。這種機器人在安裝上十分簡單，地面固定安裝或吊裝都可以，工作范圍大，工作角度無限制。

3種工件運送方式的性能對比如表1所示。

表1 3種工件運送方式的性能對比表

從表1可以看出，與擺臂式機械手和橫桿式機械手相比，六自由度關節型機器人用于自動化輸送工件具有結構簡單、成本低、柔性高、維護容易的優點，但也有效率偏低、無法承擔較大載荷的缺點，尤其對于大件、較長件以及工件的翻轉效果很不理想。對于本文所要求的工件——車架來說，六自由度機器人是最適合的搬運工具，下面進行具體論述。

2 六自由度機器人在車架自動出庫工位的應用

車架自動出庫教學培訓裝置實現模型汽車車架自動出庫動作，將模型汽車的車架從立體倉庫中取出來，完成汽車裝配工藝中的第一個工藝流程，結構如圖1所示。

圖1 車架自動出庫教學培訓裝置結構圖

車架自動出庫教學培訓裝置由車架倉庫、傳感器、輸送線、六自由度機器人、氣動抓手組成，其動作流程如下：

（1）六自由度機器人啟動，氣動抓手運行到車架倉庫位置；

（2）根據車架倉庫傳感器判斷車架存儲狀態和位置，運行到即將抓取車架的位置；

（3）張開氣動抓手，將氣動抓手運動到能夠抓取車架的位置；

（4）閉合氣動抓手，抓緊車架；

（5）抓住車架向上抬起，離開倉庫；

（6）將車架運送到輸送線上；

（7）張開氣動抓手，將車架放下；

（8）機器人回到原始位置，準備下一次的抓取。

對于此工序來說，六自由度機器人既不需要過高的載荷，也不需要太高的效率，在立體庫中的車架是堆疊放置的；對于抓取它的機械手來說，需要較高的柔性和可控性，所以選擇六自由度工業機器人用于此工位，是非常合適的。

機器人的運動控制方式有以下2種：一種是點位控制，僅控制機器人目標點的位姿，不控制起始點和目標點的運動軌跡，這種控制方式控制簡單、運動速度快，尤其適用于物料的搬運作業；另一種是連續軌跡控制，通過控制機器人的運動軌跡進行運動，即使機器人按照規定的速度、路徑實現平穩而準確的運動。大多數機器人是采用2種方式相結合來進行控制。

3 工業機器人用于車架自動出庫工位的意義

隨著汽車行業的迅猛發展，自動化生產線的生產模式已經成為汽車生產的必然趨勢，而車架自動出庫工位采用六自由度機器人進行抓取、運輸和放置，對提高汽車自動化生產效率具有很重要的意義。

（1）避免車架在搬運過程中被碰傷。汽車的車架在搬運過程容易互相磕碰，采用機器人來搬運車架，徹底避免了車架磕碰造成汽車的表面損傷，能在很大程度上起到保護車架的作用。

（2）提高生產效率。采用人工或機械搬運，需要工人多，生產效率不穩定，極易人為造成車架損傷，為企業帶來不必要的損失。采用機器人生產線，過程穩定，生產效率高，不會產生車架損傷。

（3）改善工人工作環境和勞動強度。采用自動化生產線，由機器人取代部分工人進行操作，有效降低了生產線上工人的數量和勞動強度。

（4）增強生產線適應性。六自由度機器人適應性強，通過更改內部程序可以使其在不同的工位進行不同的工作，而且能夠實現對其載荷和工作范圍內不同工件的抓取及運送。

（5）保障工廠的安全。汽車生產是大型機器加工，采用工業機器人自動化生產線生產，減少了安全事故發生的可能性。

4 結語

本文介紹了車架自動出庫工位設計中六自由度工業機器人的特點，對比了其與擺臂式機械手和橫桿式機械手的優缺點，說明了其應用于車架自動出庫工位的獨特優勢。另外，還對六自由度工業機器人柔性高、可控性強的原因進行了探討，并分析了其應用于車架自動出庫生產線的重要意義。