工业机器人在数控机床中的运用实践研究

申耀武

（广州南洋理工职业学院，广东 广州 510925）

1 工业机器人在数控机床中的应用优势

（1）工业机器人的加入，可以使数控机床具备高精度的加工能力，通过合理的参数设定，可对加工过程中产生的误差进行有效补偿，避免了误差的不断积累。

（2）工业机器人与数控机床的有机融合，使机床具备了高柔性的特点，可以按照加工工件的规格、型号、尺寸、形状等，对夹具进行更换，从而满足不同产品的加工需要，整个换产过程所耗费的时间比较短，有助于生产能效的提升。

（3）工业机器人的应用，使得数控机床的加工功能得到进一步拓展，单台机床能够同时完成多种加工。

（4）工业机器人的加入，使数控机床的自动化程度获得了大幅度提升，机床的操作过程变得更加简便，维护工作量显著减少，劳动强度随之降低。近年来，随着工业机器人的不断发展，其各方面性能日渐完善，机器人本体的结构变得更加灵巧，控制系统的功能越来越强大，智能化程度逐步提升，工业机器人在数控机床中的应用已经成为一种必然的发展趋势。

2 工业机器人在数控机床中的运用实践

数控车床简称CNC车床，是工业生产中使用较为广泛的一种数控机床，约占数控机床总数的25%。它的功能非常强大，不仅能够对轴、盘类零件的内外圆进行切削加工，而且还能完成切槽、钻孔、扩孔等。常规的数控车床由以下几个部分组成：数控装置、车床本体、主轴箱、刀架进给、液压、冷却、润滑等系统。目前，较为常见的数控车床有两种类型，一种是立式，另一种是卧式，前者能够对回转直径较大的盘类零件进行车削加工，后者可对轴向尺寸较长的盘类零件进行车削加工。目前，数控车床在机械加工企业得到了越来越广泛的应用，成为企业生产过程中不可或缺的核心设备。通过调查发现，大部分应用数控车床的机械加工企业采用的都是人工方式为车床装卸工件，由此导致生产效率不高。为解决这一问题，可对工业机器人进行运用。

2.1 总体设计思路

为提高数控车床的整体能效，针对传统的人工装卸工件方式进行技术改进，应用工业机器人替代人工完成上下料。可将工业机器人设置在2台数控车床的中间，使料箱处于机器人的上侧，料盘处于机器人的下侧，数控车床与工业机器人之间的距离设定为1200mm。2台数控车床的高度均为1500mm，主轴中心位置与地面之间的距离为900 mm，机床加工的工件形状为圆柱状，据此确定工业机器人的工业半径为1000mm。工业机器人的形式较多，不同形式的机器人有着自己的特点，如直角坐标机器人的定位精度高，但占地面积较大，整体灵活性一般；圆柱坐标机器人的控制简单，机体占用空间相对较小，但定位精度没有直角坐标机器人高，适用于工件的搬运；关节型机器人的结构与人体的关节非常类似，采用转动型关节，拥有6个自由度，基本可以满足大部分场合的使用需要，如自动上下料、喷漆、工件搬运等等，其特点是结构紧凑，占地面积小。通过比较，并结合生产实际，决定选用关节型机器人。

2.2 工作流程设计

文章设计的上下料单元由以下几个部分组成：数控车床（2台）、工业机器人（1台）、料盘（1个）、物料箱（1个）。数控机床接收到工业机器人发出的指令后，会控制液压卡盘完成夹紧和松开操作，在料盘的每个工位上均加装接近开关，可检测是否有工件，同时在料盘下方安装电机，可带动料盘做旋转运动，这样一来，料盘每次都能转动至一个有工件的工位上，机器人会从数控机床上抓取加工完毕的工件，放入到物料箱内。加工单元的具体流程如下：

Step1：工业机器人的末端执行器（机械手）会从待机的位置处移动到取料位置的一侧，机械手此时处于松开状态，当机器人接收到指令后，会移动到取料位置，机械手从松开状态转换为夹紧状态，夹取工件后，移动到待机位置。

Step2：工业机器人在待机位置处将夹取工件的机械手移动至数控车床安全门前方，随后将机械手移动至卡盘的正前方，以缓慢的速度移入到卡盘内，机械手转为松开状态，将工件放入卡盘，此时数控车床会将卡盘夹紧，机器人移至防护门前，恢复到待机位置处，数控车床开始对工件进行加工处理。

Step3：工业机器人从待机位置处移至数控车床的防护门前方，确认防护门开启到位后，将机械手移至卡盘正前方，然后以缓慢的速度移入卡盘内，此时机械手会从松开状态转为夹紧状态，数控车床松开卡盘，机器手将卡盘内的工件夹取后，移至防护门前，将加工好的工件放入到物料箱内。

2.3 机器人的回转结构

（1）腰部回转。机器人的腰部回转方案有两种，第一种方案是在底座上端安装电机，借助联轴器和齿轮传动，带动机器人的腰部做回转运动；第二种方案是在底座上端安装电机，利用谐波减速器与回转轴进行直连，通过输出轴与腰部的连接，带动腰部在底座上做回转运动。通过对上述两种回转方案进行对比分析后，决定采用第二种方案，因为该方案的整体结构较为简单，便于安装和维修，同时还能使机器人的控制精度得到一定的提升。

（2）手臂回转。工业机器人的手臂由大臂和小臂两个部分组成，手臂的回转方案有以下两种，第一种是利用谐波减速器使电机直接与手臂相连，从而带动大臂和小臂做回转运动；第二种方案是借助电机带动谐波减速器做回转运动，机器人的小臂在减速器的减速作用下，带动连杆机构完成小臂回转。从理论的角度上讲，这两种方案均具有一定的可行性，对比而言，第一种方案的整体结构较为简单，第二种方案的结构较为复杂，但是该方案的稳定性要优于第一种方案，手臂采用四杆结构，有利于减轻自重，从而使运动过程变得更加平稳，能够满足较大作业空间的使用需要。鉴于此，决定选用第二种方案作为机器人手臂的回转方案。

（3）腕部俯仰。机器人腕部的俯仰有以下几种方案：第一种方案是利用电机经谐波减速器带动机器人的腕部做俯仰运动；第二种方案是电机经联轴器与齿轮连接，经传动轴传送至小臂前端，改变回转方向，带动腕部做俯仰运动；第三种方案是电机通过橡胶同步带，带动同步带轮做回转运动，并将动力传给机器人的小臂前端，实现腕部的俯仰运动。上述三种方案中，第一种方案为直驱，整体结构较为简单，便于控制，但由于电机和减速器全都需要加装在机器人的腕部，从而会导致腕部的重量增加；第二种方案的结构较为合理；第三种方案增加了同步带和同步带轮，不便于安装和维修。综合比较后，决定选用第二种方案，作为机器人腕部的俯仰运动方案。

（4）机械手传动。机械手是机器人的末端执行器，典型的传动机构有三种，分别为滑槽杠杆式、齿轮齿条式和左右螺旋杆式，上述三种结构形式，具有各自的优缺点，根据实际需要，通过比选之后，决定采用齿轮齿条杠杆式作为机械手的传动机构。

（5）驱动方式。在本次设计中，驱动装置的主要作用是为机器人的臂部到达预定位置提供动力源。工业机器人的驱动形式较多，常用的有3种，分别为电机、液压和电气。其中电机驱动的输出功率较大，控制系统的反应灵敏度较高，能够实现精确定位和连续的运动轨迹控制，响应速度快，结构紧凑，不存在密封问题。考虑到机器人的工作环境和使用需要，决定选用伺服电机作为机器人关节转动的驱动方式，以此来完成数控车床的自动上下料。

2.4 传动系统设计选型

对于数控车床而言，在机械结构上有三个基本要求，即传动无间隙、传动无摩擦、传动无变形，将工业机器人应用于数控车床时，也必须同时满足上述要求，这样才能确保机器人的运动路径与位置的准确性。按照上文中确定的机器人关节驱动方式为伺服电机驱动，由于电机本身的输出力矩要小于实际所需的力矩，而转速则高于实际所需的转速。因此，必须经减速器调整后，才能达到有效驱动的目的。目前，在工业机器人中应用的减速器种类较多，比较常用的有以下几种：减速齿轮、谐波减速器、同步带等。在工业机器人上使用的减速器应具备较大的减速比和较小的回差，同时减速器本身的尺寸要尽可能小，这样其重量才能比较轻，为同时满足上述几点要求，通过比选，决定采用谐波减速器。本次设计中的谐波减速器为双波传动，将抗弯环加装在滚轮与柔轮之间，柔轮的内齿与输出轮的外齿相啮合。该减速器的输出轴上无轴承，由此使得结构更加紧凑。

3 结语

综上所述，工业机器人不断发展和完善，使其应用领域进一步拓宽。数控机床作为机械制造加工中的关键设备，其整体利用效率的高低直接关系到产能，为在原有的基础上，提升数控机床的利用效率，可对工业机器人进行合理运用。文章以数控机床中的车床作为研究对象，对工业机器人的运用实践进行分析，工业机器人加入后，改变了上下料的方式，缩短了上下料时间，减轻了操作人员的劳动强度，提高了生产效率，给企业带来巨大的经济效益。