李勋

摘  要：该文首先介绍了工业机器人机加工上下料应用的组成、应用的意义及特点，详细分析了工业机器人机加工上下料应用中工业机器人存在的刚度及精度、碰撞、故障后快速恢复问题，针对这些问题详细分析了关键的解决技术。即末端负载自动辨识技术和动力学力矩前馈技术、碰撞检测技术、零点恢复技术，最后提出了人机协作及信息融合的未来发展趋势。

关键词：工业机器人;机加工;上下料

中图分类号：TP242.2        文献标志码：A

0 概述

随着数控机床的普及，越来越多的用户希望数控机床的上下料实现自动化，一方面提高工人看护机床数量，降低人员成本，一方面提高生产效率和生产质量。工业机器人大面积应用起源于汽车工业，随着汽车工业应用的饱和，通用工业对机器人的认知越来越高。自20世纪90年代以来，通用领域的工业机器人应用越来越广，象焊接、码垛、喷涂、上下料、抛光打磨等都是通用工业常见的应用。该文着重阐述了工业机器人机加工上下料系统。

工业机器人机加工上下料系统主要用于加工单元和自动生产线待加工毛坯件的上料、加工完工件的下料、机床与机床之间工序转换工件的搬运以及工件翻转，实现车削、铣削、磨削、钻削等金属切削机床的自动化加工。

机器人与机床的紧密结合，不仅使自动化生产水平提高了，更是工厂生产效率革新与竞争力的提升。机械加工上下料需要重复持续地作业，并要求作业的一致性与精准性，而一般工厂对配件的加工工艺流程需要由多台机床多道工艺连续加工制成。随着用工成本的提高及生产效率提升带来的竞争压力，加工能力的自动化程度及柔性制造能力成为工厂竞争力提升的关卡。机器人代替人工上下料作业，通过自动供料料仓、输送带等方式，实现高效的自动上下料系统，如图1所示。

一台机器人可以根据加工工艺需求，对应1台至多台机床的上料、下料作业。在机器人一对多上下料系统中，机器人在不同机床加工工作中，完成坯件及加工件的取放动作，有效提升了机器人的使用效率。机器人可以通过安装在地面的导轨在线性布局的机床流水线上进行往复循环作业，最小化地占用工厂空间，并可以灵活适应不同批次产品的不同作业工序切换。机器人可在恶劣环境中连续不间断作业，24小时运行，全面解放工厂产能，缩短交货期，提高市场竞争力。

1 工业机器人机加工上下料应用的特点

（1）高精度定位，快速搬运夹取，缩短作业节拍，提高机床效率。

（2）机器人作业稳定可靠，有效减少不合格品，提高产品质量。

（3）无疲劳连续作业，降低机床闲置率，扩大工厂产能。

（4）高自动化水平，提高单品制造精度，提速批量生产效率。

（5）高度柔性，快速灵活适应新任务和新产品，缩短交货期。

2 工业机器人机加工上下料应用存在的问题

2.1 刚度和精度问题

机加工机器人与一般的搬运、抓取机器人不同，它是一种与加工工具直接接触的作业，其运动原则必须同时考虑刚度和精度。串联机器人重复定位精度很高，但是受加工、装配、刚性等综合因素的影响，轨迹精度均不高，针对机加工领域的打磨、抛光、去毛刺、切割等应用影响较大。因此，机器人自身刚度和机器人轨迹精度是机加工机器人面临的主要问题。

2.2 碰撞问题

机加工机器人大多与车、铣、刨、磨机床共同配合作业，在机器人进行机械加工时，尤其要注意死区与工件发生干涉、碰撞的问题。一旦碰撞发生，机床和机器人都需要重新调校，这就大大增加了故障恢复的时间，造成产量的损失，严重的情况可能还会造成设备的损坏。碰撞之前的感知或者碰撞后的感知是机加工机器人安全稳定面临的主要问题。机加工机器人具有区域监控和碰撞检测功能就显得尤为重要。

2.3 故障后快速恢复问题

机器人的位置数据是通过驱动轴运动的电机编码器反馈的，因长期运行，机械结构、编码器电池、线缆等部件难免造成机器人的零点位置（基准位置）丢失，零点位置丢失后，机器人存储的程序数据都将没有实际意义，此时若不能准确无误地回复零点位置，机器人的作业恢复工作量是巨大的，因此零点位置的恢复问题也显得尤为重要。

3 关键解决技术

3.1 末端负载自动辨识技术和动力学力矩前馈技术

末端负载自动辨识技术能够辨识出机器人末端负载的质量、质心及惯量等参数，这些参数可以用在机器人动力学前馈、调整伺服参数及速度规划中，可以大大提高机器人轨迹精度及高动态性能。

动力学力矩前馈技术是在传统的PID控制基础上增加了力矩前馈控制技术。该功能可以根据机器人等静态信息及实时的速度、加速度等动态信息，运用机器人动力学模型及摩擦模型计算出规划轨迹路径时的最佳驱动力或者力矩，并依此计算值作为前馈值传递给控制器，使其在电流环中与电机预设值进行比较，从而获得最佳扭矩，驱动各轴高速、高精度运动，进而使末端TCP获得较高的轨迹精度。

3.2 碰撞检测技术

该技术建立在机器人动力学建模基础之上，当机器人或机器人末端负载与外围设备发生碰撞之后，机器人能够检测出由该碰撞产生的额外力矩，此时机器人自动停止或者与低速往碰撞反方向运行，避免或减小碰撞产生的损失。

3.3 零点恢复技术

普通的零点标定方式，在完成零标对齐后，仍会存在一定的误差，误差的大小取决于零标的加工质量以及操作人员的态度，且这部分误差无法通过提高加工要求及进行操作训练来消除。利用该技术，当机器人丢失零点后，将机器人运动到零点附近，使刻槽或划线能够充分对齐。此时读取电机编码器值确定出补偿量，使机器人能够精确恢复零位。

4 未来发展方向

4.1 人机协作

目前工業机器人的应用多是在工作站或流水线，还没有与人的接触和配合，未来针对比较复杂的生产工艺，人和机器人的协作将会是一个非常重要的发展方向。工业机器人实现人机协作需要解决的关键问题是如何感知人的操作，如何与人进行交互，最重要的是如何保证协作时人机的安全机制。实现人机协作，保证人的安全的同时，还需要充分考虑生产节拍，这将是一个重要的趋势。近年来，有一些人机协作机器人已经出现，但保证安全的情况下，节拍相对都比较慢，稳定性都还有待提升，更重要的是与应用场景的融合，寻找合适的应用场景才能更快地发展和提升。

4.2 信息融合

未来智慧工厂将物联网、传感器、机器人和大数据等领域集成在一起，工业机器人作为最重要的基础设备之一，不仅要与多传感之间进行有效地信息交互，还要与上位诸如MES系统进行信息交互。上位基于物联网和大数据进行工艺数据的提取、工艺程序的优化，或者设备的远程诊断和维护，下达指令至工业机器人，完成整个智能控制流程。因此工业机器人信息融合将是一个很重要的发展趋势。

参考文献

[1]熊有伦.机器人技术基础[M].武汉：华中科技大学出版社，1996.

[2]李定坤，叶声华，任永杰，等.机器人定位精度标定技术的研究[J]. 计量学报，2007，28（3）：224-227.

[3]刘振宇，陈英林，曲道奎，等.机器人标定技术研究[J].机器人， 2002：24（5）：447-450.