数控机床上下料机器人综述

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；PLC
Review of loading and unloading robot on NC machine tool
Gong Liujie
(Wuhan University of Technology, Mechanic and Electronic Engineering, Wuhan 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 component and operating principle, control system. Finally future directions and prospects were discussed．
Key words：loading and unloading; industrial robot; numerical control machine tool; PLC
1.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。

图1 直角坐标机器人
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
2.3.球坐标机器人结构
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。

图3 球坐标机器人
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。

关节型机器人结构有水平关节型和垂直关节型两种。

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。

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。

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）→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）→小臂缩回→料架转位→小臂伸出→手指夹紧（抓住待加工的工件）→大臂上摆（从料架上取走工件）→小臂下摆→手腕横移向右（把工件装到卡盘上）→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] Sandeep S, K.R.Prakash.Automation of Loading and Unloading to CNC Turning Center.
[2] Md.Abdul Kadir, Md.Belayet Chowdhury, Jaber AL Rashid, Shifur Rahman Shakil. An Autonomous Industrial Robot for Loading and Unloading Goods. In Proc. of 2015 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, pp.1-6,2015
[3]郑泽钿,陈银清,林文强,等.工业机器人上下料技术及数控车床加工技术组合应用研究[J].组合机床与自动化加工技术,2013(7) [4]李荣丽.基于PLC的上下料机器人控制系统设计[J].装备制造技术,2007(2)
[5]王学良.机械手上下料控制系统关键技术研究.江南大学,2012
[6]司建星.数控车床上下料机器人的研究.陕西科技大学，2014。