数控机床上下料机器人综述

1、武汉理工大学Wuha n Uni versity of Tech no logy数控机床上下料机器人综述龚留杰（武汉理工大学机电工程学院武汉430070 ）摘要:首先简述了上下料机器人的总体结构类型，然后分析了机器人系统组成 和各组成部分的功能以及工作原理，控制系统。最后对上下料机器人系统的发展 和研究方向进行了展望。关键词:上下料；工业机器人；数控机床；PLCReview of loading and unloading robot on NC machine toolGong Liujie(Wuha n Un iversity of Tech no logy, Mecha nic and

2、Electro nic Engin eeri ng, Wuha n 430070)Abstract: Firstly, illustrate the general structure type of loading and unloading robot simply. Then analyze the composition of robot system, the function of each comp onent and operati ng prin ciple, con trol system. Fin ally future directi ons and prospects

3、 were discussedKey words : loadi ng and unl oadi ng; in dustrial robot; nu merical con trol mach ine武汉理工大学Wuha n Uni versity of Tech no logytool; PLC1. 引言21世纪以来，机器人已经成为现 代工业中不可缺少的重要工具。机器 人是最具代表性的现代多种高新技术 的综合体，它可从某种角度折射出一 个国家的科技水平和综合国力。自从 上世纪60年代第一台工业机器人问世 以来，机器人的种类已经从最初的操 作手逐渐衍生出各类机器人，并且深 入到人类生活的方方面

4、面。机床上下料机器人是在数控机床 上下料环节取代了人工的完成工件的 自动装卸功能，。数控机床上下料机器 人具有速度快、柔性高、效能高、精 度高、无污染等优点，主要适应的对 象大多为大批量重复性或者是工件质 量较大以及工作环境恶劣条件。在新 兴工业化时代，机床上下料工业机器 人能够满足快速、大批量加工节拍的 生产要求，能够节省人力资源成本，大大提高工厂的生产效率。其中在柔性制造系统方面，机械手 自动上下料装置是机器人技术应用的 一个重要方面，随着机床的高速高精 度发展趋势，机床加工中自动上下料 技术将具有更广阔的发展前景。2. 机器人总体结构类型2.1直角坐标机器人结构直角坐标机器人的空间运动是

5、用 三个相互垂直的直线运动来实现的， 由于直线运动易于实现全闭环的位置 控制，所以直角坐标机器人有可能达 到很高的位置精度，且机器人结构刚 度大，各个关节运动互相独立，容易 实现高定位精度。但是，直角坐标机 器人的运动空间相对机器人的结构尺 寸来讲是比较小的。因此，为了实现 一定的运动空间，直角坐标机器人的 结构尺寸要比其他类型的机器人的结 构尺寸大得多，操作灵活性比较差。直角坐标机器人的工作空间为一 空间长方体。直角坐标机器人主要用 于装配作业及搬运作业，有悬臂式， 龙门式，天车式三种结构。2.2圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是用 一个回转运动及两个直线运动来实现 的。在形同的工

6、作条件下，它的位置 精度略低于直角坐标机器人，移动轴 的设计复杂，但是控制简单，机体所 占空间要小于直角坐标机器人。这种 机器人构造比较简单，精度还可以， 常用于搬运作业。其运动空间是一个 圆柱状的空间。图2圆柱坐标机器人图1 直角坐标机器人球坐标机器人的空间运动是由两个 回转运动和一个直线运动来实现的， 这种机器人结构简单，成本较低，占 地面积小，结构紧凑，但因为它的平 衡性差、位置误差大，所以精度不是 很高。主要应用于搬运作业。其工作 空间是一个类球形的空间。23球坐标机器人结构2.4关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个 回转运动实现的。关节型机器人动作 灵活，结构紧凑，占地面积

7、小。相对 机器人本体尺寸，其工作空间比较大 此种机器人在工业中应用十分广泛， 如搬装配等作业，都广泛采用这种类 型的机器人。图4关节机器人3. 机器人组成部分功能与原理机器人系统主要由机器人机械 手、驱动装置、控制装置和传感器组 成。图5 工业机器人系统的基本组成3.1机械手机器人的机械手部分主要包括底 座、腰身、手臂、腕部、末端执行器 和行走机构，它们共同形成一个彼此 依赖的运动机构，也就是我们常说的 机械系统。其中的每一部分都存在一 个或多个自由度，这样就形成了一个 复杂的多自由度机构。3.2驱动装置驱动装置是机器人的重要组成部 分，末端执行器要实现预期的工作目 标，必须有动力源，而它就是

8、一个向 机械系统提供动力的装置。当前机器 人的驱动方式有多种，常见的有液压 式、气压式、电气式和机械式四种方 式。但是电力驱动是当前机器人采用 最多的一种驱动方式，首先它使用方 便，无污染，符合企业的发展；另外 它的响应速度快，更主要的是驱动力 大，可以精确控制机器人的运动轨迹。 电动机目前一般采用的是步进电动机 或伺服电动机。当今工业机器人的减 速器大都采用谐波减速器、摆线针轮 减速器或RV减速器。气动驱动系统是用电磁阀来控制 手爪的运动方向，用气流调节阀来调 节其运动速度。由于其价格较低，所 以启动夹持器在工业中应用较为普 遍。另外，由于气体可压缩性，使气 动手爪的抓取运动具有一定的柔顺

9、性。电动驱动手爪一般采用直流伺服 电机或步进电机，并需要减速器以获 得足够大的驱动力和力矩。电动方式 可实现手爪的力与位置控制。液压驱动方式是利用液压系统进 行控制，传动刚度大，可实现连续位 置控制。3.3控制装置控制装置一般为计算机控制，通过 接受来自传感器的信号，对其进行数 据处理，并按照机器人发出的指令， 即机器人的状态和环境状况等，形成 控制信号来驱动各个关节完成主要机 器人的执行机构规定的运动和功能。 如果机器人能够接收到来自传感器的 反馈信号，则说明该控制系统为闭环 控制系统，反之则为开环控制系统。 控制系统又分为两种控制，只控制机 器人末端执行器的起始位置，而不关 心其中间位置的

10、运动轨迹，称之为点 为控制，这种控制可以完成没有障碍 物条件下的上下料、搬运等工作；而 要求机器人以高精度到达目标点，则 称之为连续路径控制，它适用于机器 人喷漆、弧焊等工作。3.4感知系统感知系统由内部传感器模块和外 部传感器模块组成，主要提供机器人 视觉、触觉、力矩等各个感知系统， 前者用来检测自身状态的信息，主要 是位置、速度、加速度等传感器，并 且作为反馈信号构成伺服控制；后者 是用来检测机器人作业对象和作业环 境信息的传感器，如测量夹持器夹紧 力的压力传感器，对外界进行识别的 视觉、触觉、听觉等传感器。传感器 的广泛应用提高了机器人的机动性、 适应性；其中人机交互系统也是传感 的一部

11、分，它紧紧将工作人员和机器 人的控制联系在一起。4. 控制系统4.1控制器的选型机械手控制系统的硬件设计上考 虑到机械手工作的稳定性、可靠性以 及各种控制元件连接的灵活性和方便 性，控制器选择有极高可靠性、专门 面向恶劣工作环境设计开发的工业控 制器-PLC，选择应用较多的西门子 PLC。图7机器人操作面板4.2控制系统原理分析因为机械手作业时，取工件、放 工件，安装工件、卸下工件都有定位 精度的要求，所以在机械手控制中， 除了要对垂直手臂、执行手爪液压缸和腰部步进驱动进行开环控制外，还 要水平手臂进行闭环伺服控制。为了减少PLC的I/O点数，以伺 服放大器作为闭环的比较点。伺服放 大器具有传

12、感器反馈输入端，给定的 输入信号和反馈信号进行比较后形成 的控制信号经过PID调节和功率放大 后，驱动电液伺服阀对液压缸进行伺 服定位。PLC将上位机输入的给定信 号转换为电压信号，输出至伺服放大 器，由伺服放大器作为闭环比较点， 组成模拟控制系统，这使得PLC控制 量少，节省了系统资源，而且编程简 单，不必过多考虑控制算法。机床(CNC):l.O 麴出图6水平手臂伺服定位控制原理图4.3系统操作与工作流程图7上下料工作过程示意图机器人有手动和自动两种工作方 式，由万能转换开关SA1选择。在手 动操作方式下，各种动作都是用按钮 控制来实现，其控制程序可单独设计， 与自动工作方式控制程序相对独立

13、。 因此总程序设计成两段独立的部分：自动操作程序和手动操作程序。手动操作主要用于检验调整，通过 按钮对机器人的每一步动作进行单独 控制。在正常运行时，机器人处于自动操 作方式。数控机床在加工零件时，机 器人大臂竖立、小臂伸出并处于水平、 手腕横移向右、手指松开，即处于原 始位置，原点指示灯亮。加工完毕后， 按一下启动按钮 SB1，机器人动作顺 序为：原始位置（大臂竖立、小臂水 平且缩回、手腕横移向右、手指松开） 一手指夹紧（抓住卡盘上的工件）- 手腕横移向左（从卡盘上卸下工件） f小臂缩回f料架转位f小臂伸出f 手指夹紧（抓住待加工的工件）-大 臂上摆（从料架上取走工件）f小臂 下摆f手腕横移

14、向右（把工件装到卡 盘上）f手指松开（原位）。机器人完成 一个自动循环后处于原始位置，然后 数控机床开始加工。待加工完毕，再 按启动按钮，机器人又重复上述动作。5. 研究展望随着工业自动化的全面发展和科 学技术的不断提高，对工作效率的提 高迫在眉睫。单纯的手工劳作根本满 足不了工业自动化的要求，因此，必 须使用先进的自动化生产设备来取代 人的劳动，满足工业自动化的需求， 其中机器人便是其发展过程中的代表 产物。将机器人技术运用在数控机床 中，它不仅提高了生产效率，还提高 了加工速度和加工精度，辅助数控机 床来实现无人自动化生产。1) 工业机器人操作机结构的 优化设计技术：探索新的高强度轻 质材

15、料，进一步提高负载/自重比，同 时机构向着模块化、可重构方向发展。2) 机器人控制技术：重点研究 开放式，模块化控制系统，人机界面 更加友好，语言、图形编程界面正在 研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器 已成为研究热点。编程技术除进一步 提高在线编程的可操作性之外，离线 编程的实用化将成为研究重点。3) 多传感系统：为进一步提高 机器人的智能和适应性，多种传感器 的使用是其问题解决的关键。其研究 热点在于有效可行的多传感器融合算 法，特别是在非线性及非平稳、非正 态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。6. 参考文献1 San deep S, K.R. Prakash.Automatio n of Loading and Unioading to CNC Turning Cen ter.2 Md.Abdul Kadir, Md.Belayet Chowdhury, Jaber AL Rashid, Shifur Rahman Shakil. An Aut onom ous In dustrial Robot for Loadi ng and Unloading Goods. In Proc. of