基于启帆STS工业机器人基本技术及应用探讨*

2021-03-01李伟华李兴和罗安柳

机电工程技术 2021年1期

李伟华，王伟，李兴和，杨林，罗安柳

（广州启帆工业机器人有限公司，广州 511356）

0 引言

目前中国已成为世界上工业机器人增速最快的国家和市场，而且将继续保持高速增长，不久将成为全球装机数量最多的国家[1-2]。国内机器人产业爆发性发展态势，势必引发大量从业人员的需求。市面上机器人培训费用高，文献资料注重理论且抽象，宏观行业宣传过多[3-5]而基本技术、实际应用讲解很少且缺乏体系、范例等，不便于新从业人员快速学习和理解，因此，撰写工业机器人基本技术及应用的文章是很有必要的。本文以启帆STS工业机器人为研究对象，系统介绍了工业机器人定义、特点、发展趋势、系统组成、技术指标及典型应用，不仅能帮助新人快速认识和理解工业机器人，也可为现有从业人员提供参考。

1 工业机器人

工业机器人的定义有很多种[1]，如美国RIA、日本JIRA、中国、ISO 等，但目前大多遵循ISO 的定义：一种能自动控制，可重复编程，多功能、多自由度的操作机，能搬运工件、材料或操持工具来完成各种作业。工业机器人通常具有4 个显著的特点：（1）特定的机械机构模仿人或动物肢体，能完成相应肢体动作，典型代表是机械手臂；（2）通用性能灵活改变动作程序，能从事多种作业，比如分拣、搬运、码垛等；（3）一定的智能性智力或感觉、识别、决策等能力，比如防碰撞、最优动作路径等；（4）独立性完整的机器人系统在工作中可不依赖于人的干预，比如无人工厂。工业机器人没有统一的分类标准，有按负载、控制方式、自由度、结构、应用领域、技术等级等分类，启帆通常按机器人结构特征来划分。工业机器人机构运动特征通常用其坐标特性来描述，可将其分为直角坐标、柱面坐标以及关节型，如图1所示。

图1 启帆STS系列产品典型结构

目前全球机器人总销量的70%集中在日本、中国、美国、韩国、德国[1]，而工业机器人市场基本被ABB、FANUC、YASKAWA、KUKA 四大家族所占据[1-2]。近年来各大厂商推出了许多新机型，这里选取启帆STS系列代表性产品，如图2所示。工业机器人技术正向着模块化、系统化和智能化方向发展，比如结构的模块化和可重构化；控制技术的网络化和开放化；伺服驱动技术的分散化和数字化；多传感器融合技术的实用化等[1,3]。

图2 启帆STS系列代表性产品

2 工业机器人组成

启帆STS系列机器人基本为示教再现型，其产品主要由操作机、电箱和示教器组成，如图3所示。如需增加感知和智能功能[4]，则由传感器和软件来实现。

2.1 操作机

操作机也称作机器人本体，用来完成各种动作的执行机构，通常由机械臂、驱动单元、传动装置等组成。机械臂是由独立旋转的多关节连成一体的机械杆，可分为基座、腰部、臂部及手腕。驱动单元驱使机械臂运动，通常有液压、气压和电3 种方式，而启帆基本采用伺服电机驱动，且通常一个关节配一个伺服电机。启帆传动装置基本是减速机，主要有RV 和谐波两类，其中前者通常放置在基座、腰部、大臂等重负载位置；而后者通常放置在小臂、腕部等轻负载位置。

2.2 电箱

启帆控制器，宏观上称做电箱或电控柜，如图3～4所示，可将收到的指令通过各种硬软件来控制操作机完成作业任务的装置；狭义上，单指承载系统软件的硬件，具有示教功能、记忆功能、坐标设定功能、位置伺服功能、传感器接口、与外围设备联系功能、故障诊断安全保护功能等。

图3 启帆机器人组成

图4 启帆电箱内部

2.3 示教器

启帆示教器也称示教盒、示教编程器，通常由液晶屏和操作按键组成，是一个可手持移动的专用智能终端，如图5所示，是人机交互的接口。通过示教器，基本可以完成机器人的所有操作，比如点动机器人；编写、测试和运行机器人程序；设定、查阅机器人状态和位置等。

图5 启帆示教器

3 技术指标

启帆STS工业机器人主要技术指标有自由度、工作负载、最大工作速度和工作精度等，如表1 所示，另外运行范围图、控制方式、驱动方式、安装方式、本体重量、电源容量、容许惯量、环境条件等可查阅产品说明书。

表1 启帆SAR8-1400主要技术指标

4 应用案例

当今世界近50%的工业机器人集中使用在汽车领域[1,5]，主要进行搬运[3-4]、码垛、焊接[3-5]、涂装[4-5]和装配等复杂作业。启帆是国产机器人行业的中坚力量，产品涵盖所有类型的工业机器人，具有强大的硬软件实力和丰富的工程应用经验。下面主要介绍启帆STS系列机器人在冲压、码垛、焊接、涂装等行业中的应用。

4.1 冲压行业

图6 所示为某一汽配冲压件生产线[6]。在原有闭式压机生产线工人操作工位，“一字布线”6 轴STS SRD50-2050 工业机器人若干台，实现“多机联线”自动化生产，从取料、上料，到冲压各工序，如冲裁、弯曲、拉深等，全过程“一气呵成”。该方案有很多优点：客户不用调整原有工艺和设备或现有设备布局；生产效率显著提升，高达50%；显著减少人力成本，比如减少工人近50人等。

图6 一字布线

4.2 码垛行业

启帆专门为不同客户需求的搬码拣作业开发了一系列机器人与解决方案[7]。如客户有速度要求，可选用启帆立式全关节码垛机器人，如图7所示；如客户只做单线单码，且有极致成本要求，可选用启帆TX 系列码垛机器人，如图8 所示；针对上述产品的不足，启帆又开发了大负载水平多关节SCH 系列机器人（图1）。

4.3 焊接行业

图7 启帆SAR130机器人

图8 启帆TX系列

针对焊接行业的需求，尤其是弧焊，启帆已经研发出了多款通用型弧焊机器人，比如SRD6-2050ID、SRK6-1450ID等，但为了更好地满足客户需求，更大地突破现有弧焊机器人应用的不足，启帆创新性的开发了“XYZ架构+中空弧焊机器人456轴手腕的中空桁架机器人”解决方案[8]，如图9所示。启帆拥有完全自主的控制系统、完全自主的弧焊工艺软件包、所有焊机参数内置、多种弧焊的快捷组合键示教盒等。

图9 启帆桁架机器人

4.4 喷涂行业

针对当前家具行业喷漆机器人拖动示教的不足，启帆推出了全新的解决方案[9]：先经3D扫描，随后启帆三维视觉软件识别来料尺寸，再经RobotSail离线编程软件拾取定点，离线模拟计算喷涂路径，从而自动生成技术数据，实现机器人的自动喷涂，如图10 所示。启帆智能CAM 系统具有：板料的高度、方向都不受限制；不额外占据喷涂房空间，且使编程者远离了恶劣的工作环境；减少机器人的停机时间，当对其他任务编程时，机器人仍可工作；适用范围广，可对各种机器人进行编程，并能方便地实现优化编程；离线拖拽式示教路径、实现喷涂效果渲染、自动规划喷涂路径等优点。