国内外数控机床用机器人的研究现状

1. 概述

在切削加工中，过程自动化不仅与机床本身有关，也与连接机床的前后生产装置有关。工业机器人能够适合所有的操作工序，能解决诸如传送、质量检验、剔除有缺陷的工件、机床上下料、更换刀具、实际的加工操作、清洗和工件堆垛等任务。

现代工业机器人是一种可自由编程、十分精确和多功能的高效设备。如果给工业机器人装上传感器、手爪系统、集成的数字图像处理设备和智能过程控制软件，它可以为完成各种不同的任务进行编程。因此，对于完成同一个任务，机器人要比专用设备具有更高的柔性。机器人无须装备止动、定位、装夹和辅助等装置，因此，它可以使整个设备设计得很紧凑;对于投资者和企业家来说，其优点在于投资比较少，以及能以简单化的企业内部物料供给而充分利用空间和缩短生产时间。在产品换型和生产调整时，可以缩短准备时间和停机时间，可以较快地重新恢复生产，这符合准时制生产。

借助数字图形处理，机器人可以根据形状、大小、姿态和颜色对在传送带上无次序运送的工件进行可靠识别，这样，机器人用它的手爪随时可以可靠地抓取和操作工件。而用成像系统装备的机器人还可以完成更多的任务。它可以用来识别有缺陷的或错误的工件，把这种工件从生产过程链中取出，说得更确切些，就是把它们或者作为废料处理，或者对它们进行再加工，由此确保只有无缺陷的工件才能继续进行加工。所以，工业机器人是进行零缺陷生产的重要部件，如果人们从事相同或类似的操作，那么需要高度地集中注意力。但是，对工件的机械加工中，工业机器人能够精巧和有效地解决加工过程自动化于这种重复性的工作。工作场所的温度条件越不适合，周围环境的噪声越大，粉尘越多或存在的危险性越大，这种负面效果的影响就越大。机器人即使在特别恶劣的环境条件下，也总能以始终不变的可靠性和质量进行工作，所以，对工作场所合乎人道的要求，也是采用机器人进行辅助自动化的重要理由。在定期维护的情况下，在机器人上首次出现故障的平均间隔时间 (MTBF，又称为平均无故障时间) 显然超过65000h，这意味着在一年365天，每天24h连续运行的情况下，差不多7.5年才发生一次故障，其较高的可靠性和利用率是切削加工过程自动化中越来越多地采用工业机器人的重要原因。

当今工业机器人在机床上的应用已成为发展的一大趋向，机器人取代机床从事机械加工已初露锋芒。传统的金属切削加工都是由工人完成的: 换刀、取料、装夹工件、对刀、切削加工、下料、去毛刺。过去，机械加工操作与油污、噪声是分不开的，数控技术的发展大大降低了工人的劳动强度。在加工应用中，机器人常常使用力和扭矩传感器，以便感知加工表面的不一致性和不完整性，并切除最小量的材料来纠正它们。机器人的控制器和传感器结合在一起使用户可以规定机器人施加力的方向和大小。像操作机床那样，操作员可以启动或关闭机器人的转轴，改变每分钟转数，以及决定速度和进给量。

众所周知，工业机器人早已应用于工件的上下料和工件的打磨去毛刺。即使机器人与CNC机床外形结构完全不一样，但关节型机器人和传统的CNC机床一样，具有多轴功能。因为机器人的控制器、编程软件和CNC机床的数控系统不一样，因而导致机器人与CNC机床的用途不一样。只要实现机器人功能的控制器和编程软件具有数控机床数控系统的相同功能，机器人就完全具备CNC机床的多轴驱动功能，使机器人有可能成为数控机床。马丁路德机器人专家采用机器人Robotmaster软件，同时把机器人的终端执行器变为具有铣削、钻削、雕刻等功能的主轴系统，就使机器人成为机加工机床。

切削加工机器人与一般的工业机器人的搬运、抓取不同，其基本功能是提供金属切削加工所必需的运动和动力。一般工业机器人主要要求灵活性高 (要像人的手臂那样灵活)，对刚度及精度要求不高，因此大部分机器人的运动全部由机器人的操作机 (主机) 完成，作业对象一侧仅完成一些定向、转位等辅助运动。切削加工机器人的功能与普通机器人不同，它是用来进行切削加工的，其运动分配的原则应同时考虑刚性、精度及灵活性等要求。

2. 国外的研究现状

《机床和智能机器人融合 (Integration of Intelligent Robot and CNC Ma-chine)》的文章摘要: FANUC株式会社代表: 取缔役社长和工学博士稻叶善治开发了使用智能机器人能长时间无人操作的机械加工系统 (机器人单元)，机器人单元可配用搬运质量4～1200kg的各种类型的发那科机器人，不但用智能机器人代替人来完成工件的上下料作业，而且，所开发的智能控制装置既具有控制机床的功能，也具有控制机器人的功能，以促进机床和机器人的融合。

《机器人化加工平台的研制》的文章摘要: 功能的复合化、加工的自动化是数控机床的发展趋势之一。文章在分析工业机器人、复合化机床等现状的基础上，提出了研究复合加工用的机器人化加工平台的必要性，并对其进行了原理性设计，分析了其适用的典型加工零件及其经济性。

《基于工业机器人的柔性制造单元实现》的文章摘要: 柔性制造系统主要由一台机器人、一台数控车床及一台加工中心组成。该系统的主要功能是自动装卸工件，并使需要车与铣两种加工工艺的工件在加工中循环，两台机床的待机时间最短; 或在独立使用两台机床时，使得两台机床的待机时间最短。GUI风格的编程软件SCORBASE可管理和协调柔性制造单元的所有资源，并提供了丰富的指令。另外，文章还提出了一种新的机器人加工单元工作时间循环分析符号法，并给出了软件设计方案及主要界面。该方法消除了自然语言描述工艺的歧义性，提高了工艺设计的效率，也为工艺计算机的表达创造了条件。通过所提出的时间循环分析法进行合理的时间规划，以及机器人系统的有关参数设置，可使整个系统的资源在一定的约束条件下达到最为有效的利用。

3. 国内的研究现状

RB系列工业机器人是广州数控设备有限公司自主研发生产、具有独立知识产权的新产品。它采用国内最先进的GSK-RC机器人控制器，具有高稳定性、长寿命、容易保养、超经济性等一系列领先优势，已与车削中心配套，应用于工件的上下料。要保证机器人在数控车床加工时准确无误及时地上下料，需考虑以下几个问题:

①分析数控车床加工工件的车削工艺流程;

②设计合适的机器人末端工具 (手爪);

③规划机器人上下料的运动轨迹、设计流程图及编制运动程序;

④设备布局方式: 单台机器人服务单台数控车床，实现数控车床与机器人的通信。

根据工件的外形特点，设计机器人末端工具 (手爪) 部件，包含气动、传感器及机械部件等。

此夹具的特点是: 底板和机器人的端部连接，两套气缸分别控制两手爪，气缸上安装传感器，用于检测手爪的松开和夹紧到位情况。两手爪分别用于夹取毛坯和半成器或半成品和成品，操作时间短，效率高。

为了更好地协调机器人与数控车床的工作，要建立机器人和机床之间安全可靠的通信机制，采用快速I/O的通信模式。在硬件方面，利用屏蔽信号电缆将两者之间的PLC处理器中相应的输入与输出点进行连接，屏蔽电缆可以保证信号传输的稳定性。软件方面，通过GSK机器人专用应用软件，根据采集机床和机器人当前状态，编写相应的符合上下料逻辑的控制程序，最终达到数控机床与机器人的有效通信，从而实现模块化自动上下料柔性制造系统单元安全高效运行。

金石机器人常州有限公司是国内首批研发和生产桁架式机器人的专业公司之一，是国内最专业、最大的桁架机器人制造工厂之一，被评为第七届国内最具投资价值的50强企业之一。金石机器人的产品主要应用于机械加工自动化生产线，在数控机床自动上下料领域上具有独到的技术优势，填补了国内空白。金石机器人产品的最大速度超过300m/min，最大加速度超过1g，最大抓取能力超过4t。

金石提倡并全力推广工业桁架机器人与数控机床集成、设备融资等模式，为用户提供全方位的服务，有能力满足企业大规模的“机器换人”计划。金石积极响应政府“机器换人”的号召，全力推进“机器换人”进程，实施千台“机器换人”计划，通过桁架式机器人的标准化、模块化、集成化和简单化，同时推荐融资租赁等更多灵活的操作方式，致力于满足用户快速使用工业桁架机器人的要求。“机器换人”工程是一个自上向下的过程，更是一个自下向上的过程。因为最终制造企业采用“机器换人”，将在产业升级、成本节约和质量提升等方面有长足的进步，并且和其应用机器人的广度和深度成正比。如何让终端企业更便捷地应用机器人，从中受益，并形成良性循环，将是问题的关键。对很多制造业企业来说，设计与制造工业机器人的成本、技术难度和复杂性都很高。金石可以为客户提供一站式的交钥匙整体解决方案，便于用户在最短的时间内投入生产，减少转换成本。

金石的“一体机”三大系列共12种机型，都是“机器换人”的成熟商品。金石“一体机”系列属于高度封装的桁架机器人一体机，即将机器人本体、机械手臂、轨道、立柱、抓手系统、控制柜、操作面板、人机界面、料仓、翻转台、抽检工位等封装到一起，做成一台标准的机器人自动上下料单元体，能够实现整体安装、调试和运输。“一体机”特别适用于加工节拍短、大批量生产的产品，可以兼容同类的多种零件，进行柔性化生产; 可以在短时间内组建大规模无人工厂，做到1人值守16～20台机床，节省人工、质量稳定、大幅提升效率。

值得一提的是，金石机器人“一体机”拥有自主研发并获得知识产权的MC5控制系统。这套控制系统是国内首创的“标签式”机器人语言系统，整个编程过程中不需要输入指令代码，全部采用“标签式”语言，并采用全中文操作界面，大大降低了操作者的使用难度，操作者可以随时随地进行机器人的逻辑控制，因此不需要专业的PLC编程人员进行程序修改。金石将之称为“傻瓜式”编程系统。

如图3-1所示为数控机床用上下料的六轴关节臂机器人。