基于工业机器人的机床上下料工装设计与应用探析

 基于工业机器人的机床上下料工装设计与应用探析

潘高峰 ,邹子豪

一拖（洛阳）汇德工装有限公司    河南洛阳    471000

摘要：在制造业领域，加工企业习惯以人工操作机床的方式，对上下料进行加工，此类技术工艺存在一定缺陷。为提高工艺水平和加工效率，加工企业有必要应用工业机器人，对机床上下料工装进行合理设计。本文浅析了基于工业机器人的机床上下料工装设计与应用意义，结合相关案例，探究了基于工业机器人的机床上下料工装设计与应用，以期为相关研究提供借鉴。

关键词：工业机器人；机床；工装设计

前言：在制造业领域，加工企业越来越注重对工业机器人进行应用，这推动了生产加工方式的转变。在操作数控机床的过程中，对工业机器人进行应用，配合机床上下料，必须做好工装设计。工装设计要确保稳定可靠的工件定位，并保障承载力和夹持力充足。

一、基于工业机器人的机床上下料工装设计与应用意义

在制造业领域，加工企业在加工生产单一产品时，或者生产加工少量产品时，习惯以人工操作机床的方式，完成上下料。对于品种规格较多的产品和产量较大的产品进行加工，此类作业方式即呈现出缺陷：人工作业具有较大的劳动强度和较高的危险系数，且制造加工效率低，难以保障稳定的产品质量；专机具有较为复杂的结构，需耗费较高的运营成本，依托流水线实施自动化生产难以保障生产效能和经济效益；专机上下料仅适合对某种单一产品进行加工，难以实现柔性加工[1]。

上述方式显然存在一定弊端，可应用工业机器人对之进行改进，对机床上下料形成优化设计，其意义如下：一、能实现高效率的生产加工。利用工业机器人配合数控机床，对批量较大的产品和小零部件进行加工，能通过工业机器人实施抓取零件、上下料、装夹、翻转、移位、调头等各项操作，比传统人工方式耗费的成本要低，并能增强生产加工的高效性。二、能降低运行机床耗费的成本。对工业机器人进行应用，辅助机床实施上下料操作，能实现对作业区域的准确定位，并对工作频次进行调节，能良好满足各类产品的加工需求，并保障产品加工质量。还能降低机床损耗，简化维修涉及的各项工作。三、能良好实现柔性加工。工业机器人作为辅助机械加工的系统具有智能化特点，结合数控机床，能对FMS（即柔性制造系统）进行良好构建，配套设置各项制造单元，无需对运输工件的装置进行配置，能良好满足各类产品的生产加工需求，并增强作业适应性[2]。

二、相关案例

某盘类零件重量大约2kg，采用传统方法对之进行加工，是以人工方式上下料。通过两台车床加工两道工序，将两台车床间距控制为1.5m。第一道加工工序对零件内圆及其端面进行加工，需耗费40s的加工时间；在第二道工序，对零件外圆及其端面进行加工，需耗费48s的加工时间。

1、剖析零件加工各项条件

（1）第一道工序加工完成后，再按照第二道工序开展加工。（2）加工重量约为2kg的盘类零件，此项加工，需由一台机器人对2件零件的负荷进行承担，加上配备使用的上下料工装重量为3kg左右。因此，需选用可承重超过8kg负荷的机器人。（3）两台车床之间要保持1.5m的距离，过于狭小的空间仅能满足一台机器人的正常运转。

2、方案设计和工作原理

基于上述分析，对广州数控生产的RB08型号工业机器人进行选用。利用该型号工业机器人对零件进行加工，需借助夹料、回转上料以及翻转三部分机构，与机器人相配合。在一台机床对面安放另一条机床，将两台机床之间的距离设定为1.5m，并放置RB08机器人，使其以1.3m半径进行回转，在其一侧安放回转上料机构，在另一侧安放翻转机构，并配设零件箱。

上述方案采用如下工作原理：（1）发挥回转上料功能的机构，不仅设置了纵置导轨，还设置了变位机。变位机由大转盘和定位杆组成，定位杆的数量为30根。定位杆的功能在于对零件进行定位，防止倾倒，避免歪斜。在变位机配套的转盘上，暂时放置零件，受到变位机带动，转盘发生转动，由传感器感应工件，由导轨夹爪准确抓取工件，使工件上升到顶端，接收指令后，由气缸对机器人夹爪进行推动，进而准确夹走相应的工件。（2）将发挥夹料功能的机构设置于机器人轴，该机构上、下料分别使用不同夹爪。其中，上料时使用的夹爪配置有推板。通过液压缓冲器顶推导向杆，进而顶起推板，将工件推平后，对之预紧，并牢固粘合在卡盘端面上，据此保障加工精度。对于下料夹爪可随意摆放，无需通过推板预紧。（3）翻转机构主要由三部分构成，一是压板，二是气缸，三是V形块。在气缸的上部位置，对压板进行安装，在V形块侧板位置，对气缸进行安装，使用下料用的夹爪，将零件抓取后，放入翻转机构，对之进行压紧，再将夹爪松开，上料夹爪将零件从反面夹起，完成调头。

3、应用效果和优点

上述设计将工人从重复繁重的劳动生产中解放，实现高效的生产加工，形成优质产品。以往零件的生产加工，需要两人以上对机床进行操作，借助RB08机器人，只要一个操作工提供辅助即可。在普及应用数控机床的背景下，对机器人手抓结构进行巧妙设计，能将其通讯功能与数控机床有效结合起来，快速实现高精度的上下料功能。

三、基于工业机器人的机床上下料工装设计与应用内容

1、关键部位设计

对机床配套的上下料工装进行设计时，应用工业机器人，能实现快速的上料与下料，工人无需再承担繁重的劳动。其工作具体流程是：对工作站通电后，将其启动，工业机器人即和上料机构形成复位，利用PLC发送指令信号，由上料机构对信号进行接收，再取出需要加工的工件，借助工业机器人，能自动进行取件。将需要加工的各个工件暂时放在第一台机床上，机床对工件完成加工操作后，向机器人发出取件信号，机器人对信号接收后，即调头将工件放置在第二台机床上，由第二台机床对工件进行加工，完成加工后，即向机器人发送取件信号，机器人接收信号后，即将工件从第二台机床上取出，将工件放下料输送线上[3]。

2、机器人末端执行器设计

末端执行器实际上是机械抓手，其工作状态有两种，一种是夹紧，一种是松开，且能对两种状态进行自由转换，据此抓取工件和放置工件。机械手是否稳定直接影响上下料的安全性和可靠性。需要通过机械手对不同规格型号、尺寸大小和外观形状的工件进行抓取，因此，设计多种样式的机械手。常见样式有两种，一种是钳式机械手，一种是吸附式机械手。

3、机器人设置

（1）构建工具坐标系

工具坐标主要用于对机械手抓涉及的各项参数进行描述。通电将机器人启动后，将传输控制机械手的对应协议移动到工具末端，为完成这一任务，需构建准确的工具坐标系。采用双工位手爪，需构建两个工具坐标系，对编程语言进行应用，构建坐标系[4]。

（2）布设机器人点位

对机器人布设点位数据，从如下方面实施：一，布设X轴、Y轴以及Z轴各自的坐标值；二，对点位布设相应的欧拉角度，对坐标轴进行围绕旋转，对RX、RY、RZ值分别进行表示；三是布设四元数，对方向进行表示；四是布设外轴相关数据。为确保机器人运行与预设轨迹相符，为机器人运动设置起点和终点，对机器人运行进行试验校正，确保其对每个位置的有效覆盖，避免机器人与其他设备发生触碰。按照机器人运行的具体精度要求，设置较多点位，控制其运动，确保其按照预期轨迹运行[5]。

（3）保存点位

对机器人点位作出妥善安排后，要对之进行保存。例如，对抓取工件的具体点位，以手动方式操纵选取与该点位相对应的工具坐标系，将机器人移动至该点位；打开示教盒，从显示程序数据选取robtarget，进入页面之后，新建，并对参数点进行设置，保存点位[6]。

结语

综上所述，传统的人工方式实施机床上下料，工作效率相对较低，且具有较高的劳动强度，难以保障工人安全。对此，可加强工业机器人在机床上下料工装设计中的应用，将工业机器人设置在机床中间，通过机械手对加工工件实施上下料操作，提高工作效率，并降低操作人员的工作强度，保障作业安全。基于工业机器人的机床上下料工装设计与应用内容主要包括关键部位设计、机器人末端执行器设计、机器人设置等内容，应用基于工业机器人的机床上下料工装设计，能有效提高生产加工效益。

参考文献

[1]申耀武.机床上下料工装设计中工业机器人的应用研究[J].南方农机,2019,50(08):2-3.

[2]贾文静.基于工业机器人的机床上下料工装设计与应用[J].化工管理,2016(07):224.

[3]刘海龙,张敏三.基于工业机器人的CNC上下料柔性工作站设计与研究[J].南方农机,2016,47(10):99+102.

[4]张炜,谢宗华,常明升.机床上下料专用工业机器人结构优化设计[J].内燃机与配件,2019(21):61-62.

[5]吴慧君,蒋庆磊.一种用于机床上下料的工业机器人行走机构设计[J].现代工业经济和信息化,2021,11(09):72-73.

[6]谢国强,张宝进,任雷.基于PLC的工业机器人自动上下料控制系统设计[J].电工技术,2021(14):20-22.