工業機器人在數控機床中的運用實踐研究

申耀武

（廣州南洋理工職業學院，廣東 廣州 510925）

1 工業機器人在數控機床中的應用優勢

（1）工業機器人的加入，可以使數控機床具備高精度的加工能力，通過合理的參數設定，可對加工過程中產生的誤差進行有效補償，避免了誤差的不斷積累。

（2）工業機器人與數控機床的有機融合，使機床具備了高柔性的特點，可以按照加工工件的規格、型號、尺寸、形狀等，對夾具進行更換，從而滿足不同產品的加工需要，整個換產過程所耗費的時間比較短，有助于生產能效的提升。

（3）工業機器人的應用，使得數控機床的加工功能得到進一步拓展，單臺機床能夠同時完成多種加工。

（4）工業機器人的加入，使數控機床的自動化程度獲得了大幅度提升，機床的操作過程變得更加簡便，維護工作量顯著減少，勞動強度隨之降低。近年來，隨著工業機器人的不斷發展，其各方面性能日漸完善，機器人本體的結構變得更加靈巧，控制系統的功能越來越強大，智能化程度逐步提升，工業機器人在數控機床中的應用已經成為一種必然的發展趨勢。

2 工業機器人在數控機床中的運用實踐

數控車床簡稱CNC車床，是工業生產中使用較為廣泛的一種數控機床，約占數控機床總數的25%。它的功能非常強大，不僅能夠對軸、盤類零件的內外圓進行切削加工，而且還能完成切槽、鉆孔、擴孔等。常規的數控車床由以下幾個部分組成：數控裝置、車床本體、主軸箱、刀架進給、液壓、冷卻、潤滑等系統。目前，較為常見的數控車床有兩種類型，一種是立式，另一種是臥式，前者能夠對回轉直徑較大的盤類零件進行車削加工，后者可對軸向尺寸較長的盤類零件進行車削加工。目前，數控車床在機械加工企業得到了越來越廣泛的應用，成為企業生產過程中不可或缺的核心設備。通過調查發現，大部分應用數控車床的機械加工企業采用的都是人工方式為車床裝卸工件，由此導致生產效率不高。為解決這一問題，可對工業機器人進行運用。

2.1 總體設計思路

為提高數控車床的整體能效，針對傳統的人工裝卸工件方式進行技術改進，應用工業機器人替代人工完成上下料。可將工業機器人設置在2臺數控車床的中間，使料箱處于機器人的上側，料盤處于機器人的下側，數控車床與工業機器人之間的距離設定為1200mm。2臺數控車床的高度均為1500mm，主軸中心位置與地面之間的距離為900 mm，機床加工的工件形狀為圓柱狀，據此確定工業機器人的工業半徑為1000mm。工業機器人的形式較多，不同形式的機器人有著自己的特點，如直角坐標機器人的定位精度高，但占地面積較大，整體靈活性一般；圓柱坐標機器人的控制簡單，機體占用空間相對較小，但定位精度沒有直角坐標機器人高，適用于工件的搬運；關節型機器人的結構與人體的關節非常類似，采用轉動型關節，擁有6個自由度，基本可以滿足大部分場合的使用需要，如自動上下料、噴漆、工件搬運等等，其特點是結構緊湊，占地面積小。通過比較，并結合生產實際，決定選用關節型機器人。

2.2 工作流程設計

文章設計的上下料單元由以下幾個部分組成：數控車床（2臺）、工業機器人（1臺）、料盤（1個）、物料箱（1個）。數控機床接收到工業機器人發出的指令后，會控制液壓卡盤完成夾緊和松開操作，在料盤的每個工位上均加裝接近開關，可檢測是否有工件，同時在料盤下方安裝電機，可帶動料盤做旋轉運動，這樣一來，料盤每次都能轉動至一個有工件的工位上，機器人會從數控機床上抓取加工完畢的工件，放入到物料箱內。加工單元的具體流程如下：

Step1：工業機器人的末端執行器（機械手）會從待機的位置處移動到取料位置的一側，機械手此時處于松開狀態，當機器人接收到指令后，會移動到取料位置，機械手從松開狀態轉換為夾緊狀態，夾取工件后，移動到待機位置。

Step2：工業機器人在待機位置處將夾取工件的機械手移動至數控車床安全門前方，隨后將機械手移動至卡盤的正前方，以緩慢的速度移入到卡盤內，機械手轉為松開狀態，將工件放入卡盤，此時數控車床會將卡盤夾緊，機器人移至防護門前，恢復到待機位置處，數控車床開始對工件進行加工處理。

Step3：工業機器人從待機位置處移至數控車床的防護門前方，確認防護門開啟到位后，將機械手移至卡盤正前方，然后以緩慢的速度移入卡盤內，此時機械手會從松開狀態轉為夾緊狀態，數控車床松開卡盤，機器手將卡盤內的工件夾取后，移至防護門前，將加工好的工件放入到物料箱內。

2.3 機器人的回轉結構

（1）腰部回轉。機器人的腰部回轉方案有兩種，第一種方案是在底座上端安裝電機，借助聯軸器和齒輪傳動，帶動機器人的腰部做回轉運動；第二種方案是在底座上端安裝電機，利用諧波減速器與回轉軸進行直連，通過輸出軸與腰部的連接，帶動腰部在底座上做回轉運動。通過對上述兩種回轉方案進行對比分析后，決定采用第二種方案，因為該方案的整體結構較為簡單，便于安裝和維修，同時還能使機器人的控制精度得到一定的提升。

（2）手臂回轉。工業機器人的手臂由大臂和小臂兩個部分組成，手臂的回轉方案有以下兩種，第一種是利用諧波減速器使電機直接與手臂相連，從而帶動大臂和小臂做回轉運動；第二種方案是借助電機帶動諧波減速器做回轉運動，機器人的小臂在減速器的減速作用下，帶動連桿機構完成小臂回轉。從理論的角度上講，這兩種方案均具有一定的可行性，對比而言，第一種方案的整體結構較為簡單，第二種方案的結構較為復雜，但是該方案的穩定性要優于第一種方案，手臂采用四桿結構，有利于減輕自重，從而使運動過程變得更加平穩，能夠滿足較大作業空間的使用需要。鑒于此，決定選用第二種方案作為機器人手臂的回轉方案。

（3）腕部俯仰。機器人腕部的俯仰有以下幾種方案：第一種方案是利用電機經諧波減速器帶動機器人的腕部做俯仰運動；第二種方案是電機經聯軸器與齒輪連接，經傳動軸傳送至小臂前端，改變回轉方向，帶動腕部做俯仰運動；第三種方案是電機通過橡膠同步帶，帶動同步帶輪做回轉運動，并將動力傳給機器人的小臂前端，實現腕部的俯仰運動。上述三種方案中，第一種方案為直驅，整體結構較為簡單，便于控制，但由于電機和減速器全都需要加裝在機器人的腕部，從而會導致腕部的重量增加；第二種方案的結構較為合理；第三種方案增加了同步帶和同步帶輪，不便于安裝和維修。綜合比較后，決定選用第二種方案，作為機器人腕部的俯仰運動方案。

（4）機械手傳動。機械手是機器人的末端執行器，典型的傳動機構有三種，分別為滑槽杠桿式、齒輪齒條式和左右螺旋桿式，上述三種結構形式，具有各自的優缺點，根據實際需要，通過比選之后，決定采用齒輪齒條杠桿式作為機械手的傳動機構。

（5）驅動方式。在本次設計中，驅動裝置的主要作用是為機器人的臂部到達預定位置提供動力源。工業機器人的驅動形式較多，常用的有3種，分別為電機、液壓和電氣。其中電機驅動的輸出功率較大，控制系統的反應靈敏度較高，能夠實現精確定位和連續的運動軌跡控制，響應速度快，結構緊湊，不存在密封問題。考慮到機器人的工作環境和使用需要，決定選用伺服電機作為機器人關節轉動的驅動方式，以此來完成數控車床的自動上下料。

2.4 傳動系統設計選型

對于數控車床而言，在機械結構上有三個基本要求，即傳動無間隙、傳動無摩擦、傳動無變形，將工業機器人應用于數控車床時，也必須同時滿足上述要求，這樣才能確保機器人的運動路徑與位置的準確性。按照上文中確定的機器人關節驅動方式為伺服電機驅動，由于電機本身的輸出力矩要小于實際所需的力矩，而轉速則高于實際所需的轉速。因此，必須經減速器調整后，才能達到有效驅動的目的。目前，在工業機器人中應用的減速器種類較多，比較常用的有以下幾種：減速齒輪、諧波減速器、同步帶等。在工業機器人上使用的減速器應具備較大的減速比和較小的回差，同時減速器本身的尺寸要盡可能小，這樣其重量才能比較輕，為同時滿足上述幾點要求，通過比選，決定采用諧波減速器。本次設計中的諧波減速器為雙波傳動，將抗彎環加裝在滾輪與柔輪之間，柔輪的內齒與輸出輪的外齒相嚙合。該減速器的輸出軸上無軸承，由此使得結構更加緊湊。

3 結語

綜上所述，工業機器人不斷發展和完善，使其應用領域進一步拓寬。數控機床作為機械制造加工中的關鍵設備，其整體利用效率的高低直接關系到產能，為在原有的基礎上，提升數控機床的利用效率，可對工業機器人進行合理運用。文章以數控機床中的車床作為研究對象，對工業機器人的運用實踐進行分析，工業機器人加入后，改變了上下料的方式，縮短了上下料時間，減輕了操作人員的勞動強度，提高了生產效率，給企業帶來巨大的經濟效益。