六轴机器人在机床上下料中的应用

现今在很多零件的数控加工过程中，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工序加工。通常要把零件翻转和旋转一定角度后，再平移装到另一工装上加工，如此依序完成整个零件的全部加工。有时多个加工中心是在一字摆放，有时为省空间而面对面摆放或二种摆放的任意组合。有的加工用同一种机床，也有用不同类型机床完成整个零件的加工。这时零件从一个工装到另一个工装上装卡时，必须被翻转和旋转。在被翻转和旋转的同时，其位置也要变化。这时传统的方式是把一个六轴关节机器人安装在大型直线运动轨道上。整个机器人系统或安装在地面上或安装在空中，占用大量空间，而且成本很高。所以沈阳莱茵机器人有限公司根据客户实际需求定制研发出一系列新结构形式的六轴混合型机器人。这些新特性来自我们的经验及认识，有其局限性，不充分，仅供朋友们学习参考，下面就结合两个应用来介绍新结构形式的混合型六轴机器人。 一、混合型六轴机器人介绍 1、混合机器人的组成 如图1所示六自由度混合机器人由基于直角坐标机器人的三个直线运动轴和关节机器人的末端三个转动轴组成。三个直线运动轴分别定义为X轴，Y轴和Z轴，可以是图1中悬臂式三轴直角坐标机器人，也可以是龙门式三轴直角坐标机器人。在Z轴下端的三个转动轴是从上向下以此是旋转轴A轴,摆动轴B轴和B轴末端再带动一个旋转轴C轴。通常C轴的末端装机器人手爪。三个转动轴可以选择两种结构形式，一轴是由图1所示的三个伺服电机在一起，安装在Z轴下端。令一种是三个伺服电机直接安装在对应的减速机上，这样运动位置精度更高。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。

图1是一个典型的由悬臂式三维直角坐标机器人和三个旋转轴组成的混合式六轴机器人。图1中在最末端的旋转轴上安装有手抓。 2、混合型机器人的特点 1）超大工作空间 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）灵活的组合形式 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）超大负载能力 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：50公斤，100公斤和200公斤三种型号。 4）高定位精度 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。但最后末端的重复定位精度高于同类的关节机器人。 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）控制系统相对简单 混合型机器人是直角坐标和柱坐标的组合，不仅好理解，控制系统也简单。编程方便，开发。不需要特殊的专用高档控制系统。 7）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。 8）性价比高：无论首次购买，还是后期服务费用都低于关节型机器人。 二、在排气管加工中的应用 如图2所示，在立加的一个工作台上有两个工装，分别以不同的方位装夹两个排气管。这样在一个工作台上就可以对排气管的不同位置进行加工。难点在于要先把B工件取下，然后再把A工件取下后经两个方向的旋转放置到B工装上。把从前一加工中心的排气管抓取放置到工装A上。这里另外一个难点是两个排气管四周的空间小，给上下料增加难度。

图2：一个工作台上带有两个完全不同方位的工装

为了提高效率采用如图3所示，用一台六轴混合机器人给四台立加全自动上下料。根据这些要求，沈阳莱茵机器人有限公司为其量体裁衣设计生产了两套大行程大负载的6D混合式机器人。

图3：一台六自由度混合型机器人给四台立加上下料

整套设备组成： 1、X轴：采用Roboworker品牌的一根加强型RSL300直线运动单元，齿轮齿条传动，其有效行程12米。RSL300安装到机器人支架上。 2、Y轴：采用X轴同样的直线运动单元，其有效行程500mm。 3、Z轴：作为上下运动轴，它是一根独立的RSL300直线运动单元，Z轴安装到Y轴一端，随XY同时水平运动，但可独立上下运动，其有效行程1.4m，额定提升力300公斤。 4、3个旋转轴：采用精密减速机和伺服电机，可以任意角度旋转。 5、手爪：主要由Festo气缸带动手指运动。 6、下料传送带一条，上料工作台一个，桁架和防护。 7、控制系统1台； 三、从工装A到工装B的工作过程 本项目中最大的难点之一是如何把工装A上的排气管取下，经A轴和C轴的各自转动及B轴的摆动后装到工装B上。这里还有考虑机床内部空间对手爪运动轨迹及空间的限制。 具体工作过程是先用手爪从A工装抓取工件，然后顺着A工装方向取下排气管。排气管离开A工装后，被按到B工位的方向。然后手爪按B工装的导向柱把排气管安装到B工装上。图4给出了这一简单过程。

图4：左上图表示从工装A上抓住排气管。右上图表示把排气管取下后升高及转动。左下图表示排气管被调整到与工装B要求的方向。右下图表示把排气管按55.8度方向装到工装B上。

四、结论 对于这类加工中心上下料任务采用传统的直角坐标机器人是无法完成的。就算在Z轴上加两个旋转轴也没法完成工件的方位变化。而采用轨道加关节式机器人可以完成这类任务，但其占地空间大，采购和维护成本非常高。而沈阳莱茵机器人有限公司开发的这张混合型六自由度机器人结合了直角坐标机器人和关节机器人的优点，非常适合这类上下料任务。此为混合型六轴机器人还非常适合冷冲上下料，大型零件的焊接和切割等复杂任务。目前我公司已开发几款混合型直角坐标机器人，它们有非常广阔的应用前期。