机器人给机床自动上下料设计..

机器人给机床自动上下料设计

摘 要

由于机器人一词带有“人”字，再加上科幻小说和影视作品的宣传，人们往往把机器人想象成为外貌象人的机电装置，例如美国大片《终结者》、《变形金刚》、《机器警察》等等为我们形象的塑造了各种令人印象深刻的机器人形象。然而科幻片终究只是人类遥远的梦想，其实在现实中，特别是工业机器人，与人的外貌毫无相象之处。在国家标准中，工业机器人被定义为：“一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。它能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。”机器人赖以完成各种作业的机械实体被定义为：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置。”可见，工业机器人是一机电系统，它的灵活程度和动态性能，直接影响着机器人系统的工作质量。

搬运机器人不但能够代替人的某些功能和动作，有时还能超过人的体力能力。可以24小时甚至更长时间连续重复运转，还可以承受各种恶劣环境进行物体搬运作业，超过限度的必须由搬运机器人来完成。因此，在恶劣的环境中、重复性操作的工作一般可由机器人来代替。

关键词： 1、机器人 2、搬运 3、代替人工

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目 录

一、概 述 ............................................................ 1

1.1 机器人的发展概况 ............................................. 1 1.2 国外机器人研究现状 ............................................ 1 1.3 国内机器人研究现状 ............................................ 2 1.4 机器人总体结构类型 ........................................... 4 1.5 工业机器人的组成 ............................................. 6 二、 机器人给机床自动上下料设计 ...................................... 8

2.1 设计的相关信息 ............................................... 8 2.2 自动线设计布局 ............................................... 8 2.3 夹爪设计 ..................................................... 9 2.4 机器人选型 .................................................. 10 2.5 机器人外部轴设计 ............................................ 13 三、搬运机器人的未来发展趋势 ......................................... 15 四、结论 ............................................................. 16 致谢 ................................................. 错误！未定义书签。 参考文献 ............................................................. 17

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一、概 述

1.1 机器人的发展概况

自从20 世纪60 年代初美国人创造了第一台工业机器人以后，机器人就显示出它极大的生命力，经过四十多年的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。 目前，汽车制造业是制造业所有行业中人均拥有工业机器人密度最高的行业。随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机(飞行器)、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。

机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。有些人认为，最高级的机器人要做的和人一模一样，其实非也。实际上，机器人是利用机械传动、现代微电子技术组合而成的一种能模仿人某种技能的机械电子设备，他是在电子、机械及信息技术的基础上发展而来的。然而，机器人的样子不一定必须像人，只要能独立完成一些人类的技能或有一定危险性的工作，就属于机器人。

1.2 国外机器人研究现状

以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的谐波减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。

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并联机器人：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。

控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。

传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。

网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。

可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在已达到5万小时，基本上可以满足任何场合的需求。

经过五十多年的飞速发展，国外的机器人产业技术已经非常成熟，形成了多家拥有高端技术的机器人企业。根据其算法和自身特点，可分为两个派系，一个是以高精度、高性能的欧美机器人，代表性的公司如德国的KUKA、RIES，瑞典的ABB、史陶比尔等；另一个派系则是以精度、可靠性更具性价比的日本系机器人，比较有代表性的公司有FANUC、川崎、安川、那智不二越等。

1.3 国内机器人研究现状

我国工业机器人是从二十世纪八十年代开始起步，经过二十多年的努力，已经形成了一些具有竞争力的工业机器人研究机构和企业。先后研发出弧焊、电焊、装配、搬运、注塑、冲压及喷漆等工业机器人。近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关的产品的年销售额已突破10亿元。目前国内市场年需求量在3000台左右，年销售额在20亿元以上。统计数据显示，中国市场上工业机器人总共拥有量尽万台，占全球总量的0.56%，其中完全国产工业机器人行业集中度占30%左右，其余都是从日

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本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进的。国产工业机器人目前主要以国内市场应用为主，年出口量为100台左右，年出口额为0.2亿元以上。 目前，工业机器人的应用领域主要有弧焊、点焊、装配、搬用、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。

在我国，工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业，主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接。目前，由于机器人技术及研发的落后，工业机器人还主要应用在制造业，非制造业使用的较少。据不完全统计，近几年国内厂家所生产的哦工业机器人有超过一半是提供给汽车行业。由此可见，汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的原动力之一。进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。

从90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。

在机器人操作方面机制方面：已开发出一些先进的操作机和特种机器人，如AVG、壁面爬行机器人，重复定位精度为0.024mm的装配机器人，可潜入海底6000m的水下机器人，移动机器人，移动遥控机器人等，有些已达到实用化水平并应用于实际工程。在应用工程方面：目前国内已建立了多条弧焊机器人生产线，装配机器人生产线，喷涂生产线和焊接生产线。国内的机器人技术研发力量已达到国际同类产品的先进水平，而整体价格仅为国外同类产品的三分之二甚至一半，具有很好的性能价格比和市场竞争力。

然而，我们的机器人事业起步较晚，在发展的过程中同样受到世界上多个大机器人企业的市场排挤，发展也并非一帆风顺。目前仍然有些难点需要我们克服，例如RV减速机的制造、伺服马达、机器人的控制系统等。在有压力的同时也有动力，不肯服输的中国人也有一些做得比较好的机器人品牌，如新松、广数等。

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1.4 机器人总体结构类型

工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。

1．4．1.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。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。

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，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。

下图为直角坐标机器人：

1．4．2.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。这种

机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。

示意图如下：

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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，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。

示意图如下：

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

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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，如焊接、喷漆、搬运、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。 下图为六轴机器人：

1.5 工业机器人的组成

工业机器人通常由执行机构、驱动一传动装置和控制系统三部分组成(如下图所示)。

手部执行机构腕部臂部机器人腰部基座部（固定或移动）驱动-传动系统电、液或气驱动装置单关节伺服控制器控制系统关节协调及其它信息交换计算机

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1）．执行机构

执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。

2）．驱动和传动装置

工业机器人的驱动和传动装置包括驱动器和传动机构两个部分，它们通常与执行机构连成一体。传动机构常用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带以及各种齿轮轮系。驱动器通常有伺服电机、液压或气动装置，目前使用最多的是交流伺服电机。

3）．控制系统

控统一般由控制计算机和伺服控制器组成。前者发出指令协调各关节驱动器之间的运动，同时还要完成编程、示教／再现以及和其他环境状况(传感器信息)、工艺要求、外部相关设备(如电焊机)之间的信息传递和协调工作。后者控制各关节驱动器，使各杆按一定的速度、加速度和位置要求进行运动。

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二、 机器人给机床自动上下料设计

2.1 设计的相关信息

目标：用机器人给四台数控机床自动上下料，全程无人参与加工。

加工工件：调心滚子轴承内圈，内径∮260mm，外径∮330mm,重量为30KG。 机床数量：四台磨床+三台退磁清洗机 工件的加工节拍：180S/件

加工工艺流程：内圈外径磨——退磁清洗——内圈双滚道磨——退磁清洗——内圈内径磨——退磁清洗——超精滚道

2.2 自动线设计布局

根据已知信息，从占地面积及工艺流程的流畅性和可行性进行分析，作出了以下比较合理的布局方式，如下图：

图中OP10为内圈外径磨，OP10为内圈双滚道磨，OP30为内圈内径磨，OP40为超精滚道。

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2.3 夹爪设计

一般机器人手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型，按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。

机器人夹爪的驱动方式主要有三种

1.气动驱动方式 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。由于气动驱动系统价格较低并且系统相对简单，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。

2.电动驱动方式 电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，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。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。另外，用电机作为夹爪的驱动方式，结构体积较大且较重，不适宜安装在负载能力有限的机器人终端轴上。

3.液压驱动方式 液压驱动系统传动刚度大，可实现连续位置控制。但系统较复杂，管路较多，在一定程度上会限制机器人的活动范围，不利于机构设计。

2.3.1机器人夹爪的典型结构

1.楔块杠杆式手爪

利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。 2.滑槽式手爪

当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。

3.连杆杠杆式手爪

这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（松开）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。

4.齿轮齿条式手爪

这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。 5.平行杠杆式手爪

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采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。

2.3.2设计具体采用方案

结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为330mm来设计。手爪的具体结构形式如下图所示：

2.4 机器人选型

因六轴机器人的相关技术已经很成熟，直接采购比自己开发的机器人会更可靠更便宜，故机器人只需要在知名品牌中选型并购买即可，无需自己设计。

为了提高机器人给机床上下料的效率，在机器人的第六轴上安装两个夹爪，可以同时夹持两个工件。机器人首先从上料仓抓取一个待加工的毛坯，当机床加工完毕后打开门，机器人进入机床内，用空的夹爪将加工好的工件取下来，然后旋转180度，将毛坯件装到机床夹具上，最后退出机床。在上下料的过程中动作一贯相连，提高了自动上下料的效率。

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当两个夹爪都夹持工件时，机器人所承受的负载最大，所以在机器人的选型过程中，一定要注意机器人的负载能力，另外还要看机器人最大的活动范围是否可以覆盖机器人搬运的目的地点。

当机器人两夹爪都夹持工件时，负载

G＝（工件重量M1+夹爪重量M2）*2+结构件重量M3 ＝（30+10）*2+30 ＝110KG

根据负载情况查看相关机器人生产厂家的选型手册，我们选日本安川机器人，选择出合理的机器人型号。通过查找对比，安川的MOTOMAN MH165这款机器人比较符合以上的条件。其相关参数如下图：

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2.5 机器人外部轴设计

通过了增加机器人外部轴行走机构，实现了一台机器人多工位操作，从而大大提高了机器人的利用率，降低设备的投入成本。

行走机构主要是由移动板部分和行走机构底座部分组成，移动板部分上的伺服电机由配备该设备的机器人控制柜进行控制，该部分可以实现机器人的直线运动，从而实现在同工位之间的切换，该部分被称作机器人的外部追加直线轴。直线行走的工作原理是由安装在移动板上的伺服电机通过行星减速机驱动齿轮齿条，使移动板上的六轴机器人可以精确的到达第七轴上的任意位置点。

如下图所示：

机器人的直线行走由两条平行的滑轨带四个安装滑块进行导向，确保移动位置的精度。通过计算可得到机器人加上移动板及其他结构件的总重量约为1.6T，根据滑轨的

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参数分析，选择滑轨宽度为45mm系列。从以往的设计经验来看，齿轮齿条的模数暂时取m=3，齿数取z=25，在此场合下强度应该足够。

为满足生产节拍的需要，现设定机器人行走的速度为1.5M/S,伺服电机选中贯量的，额定转速为2000r/min,则可求出减速机的减速比：

i=60v/3.14dn＝5.95,取整得减速比为1：6。 伺服电机功率计算：

电机的启动和停止所需的力矩必须大摩擦力和惯性力的合力。因移动部分的重量为约1.5T，所以加速度不能取太大，暂定为1.5M/S^2。 合力 F＝f+F惯 ＝uN+ma

=0.05*1.5*10^4+1.5*1.5*10^3 =3*10^3N 对减速机输出轴之矩： T＝F*d/2

=3*10^3*4*10^-2/2 =120N 电机功率：

P＝nT/(9550*6)=4.1KW 取P＝5KW

标准件的选型确定后，即可根据其安装尺寸进行其余的结构件设计。之后再进行一些相关的校核工作，比如齿轮齿条的校核等。

机器人的主体结构设计好后，接着就要设计后面的上料仓，外围的防护栏等。

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三、搬运机器人的未来发展趋势

目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下10个方面：

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。

4．机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。 5．机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。

6．虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。

7．多智能体（multi-agent）调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。

8．微型和微小机器人技术（micro/miniature robotics）:这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。

9．软机器人技术（soft robotics）:主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，

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机器人对人是友好的。

四、结论

本文在广泛查阅资料，了解工业机器人特性的基础上，对机器人运用的工作原理进行了的研究。

本文探究了国内外机器人发展的现状，通过学习机器人的工作原理，熟悉了搬运机器人的运动机理。在此基础上，熟悉了机床上下料机器人，搬运机器人的基本系统结构，了解了机器人机械方面的设计（包括传动部分、执行部分、驱动部分）工作。文章从搬运机器人的实用方面入手，，设计了一套机器人给机床自动上下料生产线。最后并着眼于现实，展望未来，对未来搬运机器人的发展趋势作出探究，并作个人的研究推测。

由于时间与能力有限，本文所设计的还有待于进一步的改进。

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参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/iza.html