上世紀(jì)八十年代初期，國(guó)外推出以數(shù)控機(jī)床、數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)的柔性制造單元 （FMC）替代傳統(tǒng)的剛性生產(chǎn)線，開(kāi)創(chuàng)柔性生產(chǎn)線之先河。后來(lái)又發(fā)展成FMS（柔性制造系統(tǒng)）。由于FMS很復(fù)雜，使用維護(hù)難度大，價(jià)格昂貴，沒(méi)有普及，而被FTL所代替。近幾年又出現(xiàn)第三代柔性制造系統(tǒng)FRS，（FRC），利用機(jī)器人操作的新一代柔性制造技術(shù)。這種柔性生產(chǎn)線由多個(gè)動(dòng)力頭（或多臺(tái)機(jī)床）組成，在動(dòng)力頭上方裝有由數(shù)控系統(tǒng)控制的懸掛機(jī)械手，機(jī)械手沿橋式導(dǎo)軌及垂直滑枕作三坐標(biāo)移動(dòng)。機(jī)械手爪夾持毛坯或加工完的工件，能準(zhǔn)確將毛坯定位，或運(yùn)送到另外一個(gè)工位（包括送到中間儲(chǔ)料庫(kù)），機(jī)械手的動(dòng)作程序與機(jī)床加工的工步順序統(tǒng)一由數(shù)控系統(tǒng)控制。與過(guò)去幾代柔性制造系統(tǒng)比FRS機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，不像前兩代柔性制造系統(tǒng)有裝在機(jī)床外側(cè)的工件交換托盤(pán)、轉(zhuǎn)臺(tái)，或運(yùn)送小車。而FRS輕巧的機(jī)械手裝在動(dòng)力頭上方，既節(jié)省空間，還節(jié)省輔助時(shí)間，而且造價(jià)也便宜很多。
天津市精誠(chéng)機(jī)床制造有限公司為國(guó)內(nèi)著名的弧齒錐齒輪機(jī)床生產(chǎn)商，其生產(chǎn)的小模數(shù)數(shù)控弧齒錐齒輪加工機(jī)床連續(xù)3年排行國(guó)內(nèi)第一位。精誠(chéng)機(jī)床產(chǎn)品遠(yuǎn)銷到德國(guó)、美國(guó)、日本、韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，在國(guó)際上也具有較高的知名度。公司上下積極拼搏，牢記“快魚(yú)吃慢魚(yú)”道理，不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，每年都推出創(chuàng)新產(chǎn)品。2007年下半年，考慮到小模數(shù)弧齒錐齒輪加工時(shí)間短、需求量大等情況，決定研制一條自動(dòng)化生產(chǎn)線，以1臺(tái)三座標(biāo)機(jī)器人為2臺(tái)機(jī)床上下料，既可以有效減少加工輔助時(shí)間，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，也能將操作工人從單調(diào)生產(chǎn)勞動(dòng)中解放出來(lái)，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。
該生產(chǎn)線通過(guò)廠校合作，不到一年時(shí)間研制成功，該生產(chǎn)線屬國(guó)際先進(jìn)的第三代柔性制造系統(tǒng)FRS。參加2008年北京數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)，受到有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和媒體的贊揚(yáng)以及廣大用戶的關(guān)注。
一、機(jī)器人選型及技術(shù)分析
為了盡可能節(jié)省空間，在集體討論生產(chǎn)線方案時(shí)決定將上下料機(jī)器人布置在兩臺(tái)機(jī)床上方。由于橫向跨度較大，并且上下料時(shí)作業(yè)空間相當(dāng)狹窄，決定選用直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案。機(jī)器人橫向移動(dòng)為兩臺(tái)機(jī)床服務(wù)，利用縱軸和垂直滑枕手爪下移到機(jī)床芯軸位置并完成上下料作業(yè)。
擬采用的機(jī)器人有兩種解決辦法，一是購(gòu)買(mǎi)，二是自己制造。
國(guó)際上有數(shù)家著名的直角坐標(biāo)機(jī)器人生產(chǎn)廠家。德國(guó)BAHR公司為世界上著名的直角坐標(biāo)機(jī)器人專業(yè)制造廠商，幾十年來(lái)一直專注于直線定位系統(tǒng)及產(chǎn)品的研究和開(kāi)發(fā)，在業(yè)內(nèi)取得了良好聲譽(yù)，其產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于諸如汽車、電子、電器、檢測(cè)、醫(yī)療、航天、食品等領(lǐng)域，其型材內(nèi)部配有特殊的鋼軌以保證高的機(jī)械強(qiáng)度和平行度，負(fù)載從5Kg到3000Kg不等，重復(fù)定位精度有±0.2mm、±0.1mm、±0.05mm到±0.01mm。德國(guó)BERGER LAHR公司是另一家著名的生產(chǎn)廠商,該公司生產(chǎn)多種規(guī)格的直線運(yùn)動(dòng)單元/導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直線電機(jī)和多軸數(shù)控系統(tǒng)，提供各種規(guī)格的線性導(dǎo)軌、二維、三維標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人及用戶專用機(jī)器人和生產(chǎn)線。由于其導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)和控制系統(tǒng)等所有部件均全部自己生產(chǎn)，其機(jī)器人具有很高的整體性能。德國(guó)roboworker公司是第三家著名的直角坐標(biāo)機(jī)器人供應(yīng)商，該公司研發(fā)和生產(chǎn)多種規(guī)格的直線運(yùn)動(dòng)單元、各種手爪、伺服電機(jī)、 控制系統(tǒng)以及圖象處理系統(tǒng)等。
日本最著名的直角坐標(biāo)機(jī)器人廠商是雅馬哈發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司。其新機(jī)型“PHASER MF15” 2008年初上市，截面尺寸僅為100×80mm，但可以搬動(dòng)重達(dá)15kg的重物，額定推力達(dá)到50N。
韓國(guó)Dasarobot機(jī)器人采用高剛度鋁合金機(jī)座和防塵用不銹鋼機(jī)罩，行程大能達(dá)到7000mm，可在潔凈度為clean class 10的環(huán)境中工作。
國(guó)內(nèi)有能力提供直角坐標(biāo)機(jī)器人的單位主要有3家。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所曾研制出直角坐標(biāo)機(jī)器人產(chǎn)品。海爾機(jī)器人公司專門(mén)生產(chǎn)注塑機(jī)用直角坐標(biāo)機(jī)器人。沈陽(yáng)新松機(jī)器人有限公司擁有雄厚實(shí)力，已經(jīng)批量生產(chǎn)直角坐標(biāo)機(jī)器人，主要用于汽車涂膠等場(chǎng)合。
由于國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格很高，還常常難以滿足一些特殊需要，最好采用國(guó)產(chǎn)機(jī)器人配國(guó)產(chǎn)機(jī)床，以有效提高國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品整體競(jìng)爭(zhēng)力。我們選擇自己制造機(jī)器人，而關(guān)鍵部件進(jìn)口的方案，如機(jī)器人末端執(zhí)行器用德國(guó)雄克公司產(chǎn)品，電器系統(tǒng)中多軸運(yùn)動(dòng)控制器采用日本歐龍產(chǎn)品。這樣使機(jī)器人系統(tǒng)既可靠、又省錢(qián)。
二、機(jī)器人設(shè)計(jì)與制造
憑借長(zhǎng)期研究積累的先進(jìn)技術(shù)和豐富經(jīng)驗(yàn)，我們決定根據(jù)需要自己研制機(jī)器人。
其技術(shù)關(guān)鍵有3處，一是鋁型材的設(shè)計(jì)與制造，要求長(zhǎng)度大、剛度高、扭轉(zhuǎn)變形小；二是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要求多軸聯(lián)動(dòng)、可靠性高，并且易于與機(jī)床原有控制系統(tǒng)進(jìn)行整合；三是機(jī)器人本體設(shè)計(jì)，要求運(yùn)動(dòng)精度高、適于生產(chǎn)線的模塊化變形。
先進(jìn)的直角坐標(biāo)機(jī)器人一般采用鋁型材作為直角坐標(biāo)機(jī)器人的基體，一是重量輕、剛度大，二是可以簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效降低制造成本。
本項(xiàng)目根據(jù)所需機(jī)器人跨度大、運(yùn)動(dòng)精度要求高的特點(diǎn)，專門(mén)設(shè)計(jì)了鋁型材及其模具。其橫截面下部采用封閉空腔，剛度大、便于走線；上部為敞開(kāi)式，便于安裝導(dǎo)軌和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。由天津市一家鋁型材廠家生產(chǎn)，一次開(kāi)模、一次拉制、一次成功。
在設(shè)計(jì)機(jī)器人控制系統(tǒng)時(shí)，為了較好地滿足需要，決定采用PLC模塊搭建而成，選用了OMRON公司生產(chǎn)的觸摸屏、CPU模塊、位控模塊以及輸入、輸出模塊，具有可靠性高、抗干擾性好、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠很方便地與機(jī)床原有控制系統(tǒng)進(jìn)行整合。
在鋁型材研制成功后，進(jìn)行好機(jī)器人本體設(shè)計(jì)成為整個(gè)項(xiàng)目的關(guān)鍵。為了簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)并減少誤差，采用雙軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)行成品下料和齒坯上料，以適應(yīng)于機(jī)床主軸的位姿狀態(tài)。鑒于X軸長(zhǎng)度較長(zhǎng)近4米，為了保證運(yùn)動(dòng)精度，采用了齒形帶運(yùn)動(dòng)方案，由電機(jī)經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)。在一端還設(shè)計(jì)了張緊裝置。Y軸和Z軸行程較短，均采用滾珠絲杠，具有很高的運(yùn)動(dòng)精度。為了防止因掉電導(dǎo)致機(jī)器人Z軸下落，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用了特殊的帶抱閘電機(jī)。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)行了細(xì)致的誤差分析和計(jì)算，合理地確定了零件精度和裝配精度，以保證整個(gè)機(jī)器人具有足夠高的重復(fù)定位精度。
機(jī)器人末端執(zhí)行器采用了德國(guó)雄克公司生產(chǎn)的可旋轉(zhuǎn)手腕（圖1），手爪自己設(shè)計(jì)制造。
為了避免出現(xiàn)上下料失誤造成機(jī)器人或機(jī)床損失，專門(mén)設(shè)計(jì)了安全裝置，利用彈簧的可壓縮性避免“硬碰硬”（圖2）。當(dāng)整個(gè)手爪后退到一定程度，傳感器就會(huì)報(bào)警并停止一切運(yùn)動(dòng)。
圖1 PSK16可選轉(zhuǎn)手腕 圖2 帶安全裝置手爪系統(tǒng)
三、聯(lián)調(diào)與試生產(chǎn)
機(jī)器人制造出來(lái)并經(jīng)過(guò)一定的試驗(yàn)后，與機(jī)床進(jìn)行了聯(lián)調(diào)，編制了運(yùn)動(dòng)程序，調(diào)試了相關(guān)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，所研制出的機(jī)器人各軸重復(fù)定位誤差，在軸平均誤差為0.014毫米以內(nèi)，達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。整條生產(chǎn)線如圖3所示。
圖3 YH20603G弧齒錐齒輪自動(dòng)生產(chǎn)線
附：生產(chǎn)線的主要規(guī)格參數(shù)
機(jī)床技術(shù)參數(shù)
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參數(shù) |
YH20603G |
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大工件直徑（mm） |
125 |
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大加工模數(shù)（mm） |
2.5 |
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大傳動(dòng)比 |
10：1 |
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大齒面寬（mm） |
20 |
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加工齒數(shù)范圍 |
4-200 |
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銑刀盤(pán)直徑（英寸） |
1/2-31/2 |
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刀盤(pán)主軸轉(zhuǎn)數(shù)（r/min） |
200-900 |
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機(jī)床中心到工件主軸端面距離（mm） |
63 |
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工件主軸錐孔 |
莫氏4# |
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控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) |
西門(mén)子802D CNC |
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刀盤(pán)主軸電機(jī)功率（Kw） |
1.5 |
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液壓電機(jī)功率（Kw） |
0.75 |
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機(jī)床外形尺寸：長(zhǎng)×寬×高（mm） |
2150×1950×2350 |
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機(jī)床凈重（kg） |
3500 |
機(jī)械手技術(shù)參數(shù)：
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伺服軸 |
行程（mm） |
功率（W） |
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X |
3200 |
750 |
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Y |
310 |
400 |
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Z |
650 |
400 |
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退回軸 |
立臥，氣動(dòng)回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)角90° | |
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生產(chǎn)線外形 |
長(zhǎng)寬高5000×3200×3500 | |
該生產(chǎn)線于2008年4月參加了北京數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)，每天連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，表現(xiàn)出良好的品質(zhì)。
四、結(jié)語(yǔ)
YH20603G弧齒錐齒輪自動(dòng)生產(chǎn)線是廠校雙方精誠(chéng)合作的結(jié)晶，既體現(xiàn)了企業(yè)家的精明決策，也展現(xiàn)了科技人員的聰明才智，更說(shuō)明了廠校合作的重要性。相信我們國(guó)家經(jīng)過(guò)努力拼搏一定會(huì)由“中國(guó)制造”走向“中國(guó)創(chuàng)造”。