五轴机器人在激光喷丸中的应用

　　摘要：本文主要介绍直角坐标机器人与关节式机器人相结合后新式五轴混合型机器人的特性，以及在实际机床上下料生产中的应用。

　　关键字：直角坐标机器人 关节机器人 混合型机器人 机床上下料机器人

　　前言：在很多零件的数控加工过程中，要通过几台不同类型的机床来逐序加工，在不同面上进行铣削和钻孔攻丝等。通常是根据节省空间和零件从一台机床到另一台机床间按加工工序和短流程传送关系来确定几台机床的空间位置关系。这时通常要把第一工序加工完的零件先取下，然后以刚加工完面作为定位基准在同一工作台的另一工装上或另一加工中心上完成第二加工工序。还有要把零件翻转或旋转一定角度后在装到另一工装上加工，如此依序完成整个零件的全部加工。沈阳莱茵机器人根据客户实际需求定制研发了一种五自由度混合型机器人。这种定制的机器人工作效率高，成本低，非常有推广价值。下面就结合这一应用来介绍我们的新型五轴机器人。

　　一、 任务描述

　　图1中最左边的图就是要加工的零件，其重量约12.0KG。用户要求先按图1中间图所示的工装给两台卧加上下料。然后从立加上取下零件检验其加工尺寸是否合格。如果经检验零件尺寸合格就把该零件按图1最右边的方式把零件放置到立加的工装上。立加的工作台上有两个完全相同的工装，从立加的第一个工装上取下的零件，要以水平轴为中心转动180度后放置到第二个工装上。机床的排序是按图2所示的一字摆放。根据上面的要求，沈阳莱茵机器人为其量体裁衣生产设计了一台如图2所示的，双手爪，五自由度的混合机器人。

　　图1: 从左到右三幅图分别是CAP零件图，卧加工装和立加工装

　　如图2所示两台卧加对CAP完成相同的加工任务，平均每3分钟加工完一个CAP。用一台立加对铣削加工完的零件在两个面上先钻孔，然后攻丝( 3分钟内要完成)。根据用户要求，沈阳莱茵机器人为其量体裁衣生产设计了一套双手爪4D混合机器人。

　　图2：双手爪五自由度混合型机器人给两台卧加和一台立加上下料

　　二、五自由度混合型机器人介绍

　　1、混合机器人的组成(要一新的图)

　　如图2所示五自由度混合机器人由三个直线运动轴和两个转动轴组成。图2中五自由度混合型机器人的三个直线运动轴是悬臂型直角坐标机器人。其中最长的水平运动轴叫X轴，其有效运动行程大约11米。安装在X轴上面，与X轴运动方向相互垂直的水平运动轴叫Y轴，其有效运动行程800mm。

　　在Y轴的最外端安装有与地面垂直运动的Z轴，其有效行程为1.5米。Z轴的下端第一个以Z轴为转动轴心的旋转轴叫A轴，它带动两个完全不同的手爪绕着Z轴轴线转动。

　　下端带动一个旋转轴，而旋转轴带动一个摆动轴，摆动轴末端再带动一个旋转轴。最末端的旋转轴带动手爪。由于两个旋转轴和摆动轴其实就是关节机器人的末端三个运动轴，所以六轴混合机器人就是三轴直角坐标机器人加上关节机器人的三个最末端运动轴组合而成。根据实际需要，混合型机器人的直线运动轴也可以是二维的XY轴结构或XZ轴结构，也可以是龙门式结构。其各个直线运动轴的行程及承载能力可以按要求去做。

　　(2)混合机器人的特点

　　1、工作空间

　　具有直角坐标机器人的大行程，大跨度的优点。比如拼装后X轴可达到100m，Y轴20m;总之可以按要求组合成所需工作空间的大型机器人。

　　2、组合形式

　　混合型机器人的直线运动轴也可以是二维的XY轴结构或XZ轴结构，也可以是龙门式结构。根据每个直线运动轴的行程及承载能力还可以是多根组合来保证各个轴不变形，有足够的强度。最末端的三个旋转轴也可以选择为两个旋转轴。总之混合型机器人完全可以设计成所以的结构形式及工作行程。

　　3、负载能力

　　直角坐标型的龙门框架结构，承载能力强，可无限扩展，稳定可靠，造价相对低很多。抓取物体的能力主要受三个末端旋转轴的限制。目前配合手爪后可以抓取的物体重量是：25公斤，50公斤和100公斤三种型号。

　　4、工作精度

　　通常单根直线运动轴的重复定位精度0.05mm，而丝杠驱动型和精密齿轮齿条驱动型可达0.01mm，甚至更高。还可以加位置反馈信号，比如磁珊来提高定位精度。最后综合精度取决于末端的三个旋转轴。

　　5、安装调式简单

　　混合型机器人是模块化结构，在装配厂全部预连接运行，然后拆装出厂。现场通过螺栓简单拼装，调水平即可电气调试，用户甚至可以自行完成机械安装。龙门式框架为整个安装空间，其工作空间也在框架范围内。不需要非常专业人员调式，简单安装，调式和以后服务费用低。

　　6、后期维护费用低

　　不需要非常专业人员调式，简单安装，调式和后期维护费用低。而关节机器人的编程和操控必须由供应商通过专业培训才能完成(厂家软件编程费用300元/小时)，而且特殊软件需要收费。

　　7、性价比高：无论首次购买，还是后期服务费用都远低于关节型机器人。

　　四，工作流程

　　设备包括：

　　(1)X轴：采用Roboworker品牌的RSL300型直线运动单元，齿轮齿条传动，其行程大约15米左右;

　　(2)Y轴：采用同上的结构，行程为200mm;

　　(3)Z轴：作为上下运动轴它是基于RSL200直线运动单元的加强型抓取轴，其有效行程大约1.4m，额定拉力400公斤;

　　(4)旋转轴：伺服电机驱动法兰输出精密行星减速机，可以任意角度的旋转，保证满足工位的定位要求;

　　(5)控制系统1台，含手动，自动，急停按钮;

　　(6)对应到位否及有无零件传感器1套(多个);

　　(7)工作状态指示塔灯1套。

　　手爪部分包括：

　　A手爪功能：

　　手爪型号：2PG2125

　　额定夹持力：2060N，开合时间0.17秒，开合重复位置

　　精度0.05mm。重量2.35公斤，两指各自移动距离13mm.

　　B手爪功能：(略)

　　A手爪工作过程：

　　A手爪抓取毛坯件手爪到达定位位置对机床进行上料

　　B手爪工作过程：(略)

　　五、结论

　　混合型六轴机器人除完成传统的直角坐标机器人、关节式机器人任务外，更适合给卧加和立加上下料。它的结构形式使手爪可以更方便伸入到机床防护罩内部的工作台上，如果被抓取工件给多台设备上下料，需要对零件进行水平旋转，甚至上下翻转才能完成各个设备的上下料工作，无论是冷冲压，还是热冲压有时需要把钢板伸入到上下模中间，那么混合机器人就非常合适

　　总之需要从侧面把零件伸到工作台上方(双工位机床)以及零件从一台设备到另一台设备间搬运时必须旋转或翻转，这类大负载的搬运和上下料应用等，混合机器人是非常合适的。