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1上下料机器人工作站系统的认识

1.1工业机器人在机床上下料领域的应用

由于生产力水平的提高与科学技术的日益进步，工业机器人得到了更为广泛的应用，正

向着高速度、高精度、轻质、重载、高灵活性和高可靠性的方向发展。在工业生产中，机器

人已经广泛应用于涂、焊、拆装、码垛、搬运、包装等作业。与此同时，数控机床在机械制

造领域的应用也广泛，数控机床自从20世纪50年代问世以来，发展迅速，在发达国家的机

床业总产值中已占大部分，其应用范围己从小批量生产扩展到大批量生产的领域。现在，部

分发达国家，例如日本、美国、西班牙等国家，已经在数控机床数控系统的控制下，实现了

零件加工过程的柔性自动化。我国大多数工厂的生产线上，数控机床装卸工件仍由人工完成，

其生产效率低、劳动强度大，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展需求。

为了提高工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代机械行业自动

化生产的要求，有必要针对具体生产工艺，结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计出

用一台上下料机械手代替人工工作，从而提高劳动生产率。因为机械手能代替人类完成重复、

枯燥、危险的工作，减轻人类劳动强度，提高工作效率，以至于机械手得到了越来越广泛的

应用，在机械行业中它可用于加工工件的搬运、装卸、零部件组装，尤其是在自动化数控

机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统（FMS）和柔性制

造单元（FMC）中一个重要组成部分。将机床设备和机械手组合成一个柔性制造单元或柔

性加工系统，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，而且结构紧凑，适

应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断加工生产新的品种，

提高产品质量与生产率，更好地适应市场竞争的需要。

1.2上下料系统类型

对于特别复杂的零件，往往需要多个工序的加工，甚至还要增加一些检测、清洗、试漏、

压装和去毛刺等辅助工序，还有可能和锻造、齿轮加工、旋压、热处理和磨削等工序的设备

连接起来，就需要组成一个完成复杂零件全部加工内容的自动化生产线。

因为自动化生产线会有不同种类的设备，所以通过桁架式的机械手、关节机器人和自动

物流等自动化方式组合起来，从而实现从毛坯进去一直到成品工件出来的全自动化加工。

1.桁架式机械手

对于一些结构简单的零部件加工，通常的加工都不超过两个工序就可以全部完成的自动

化加工单元，这个单元就采用一个桁架式的机械手配合几台机床和一个到两个料仓组成，如

图1-1所示。

图1-1桁架式机械手工作示意

图1-2桁架式机械手结构示意图

桁架式机器人由多维直线导轨搭建而成，如图1-2所示。直线导轨由精制铝型材、齿型

带、直线滑动导轨和伺服电机等组成。作为运动框架和载体的精制铝型材其截面形状通过有

限元分析法来优化设计，生产中的精益求精确保其强度和直线度。采用轴承光杠和直线滑动

导轨作为运动导轨。运动传动机构采用齿型带，齿条或滚珠丝杠。

桁架式机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的。由于直线运动易于实

现全闭环的位置控制，所以，桁架式机器人有可能达到很高的位置精度（μm级）。但是，

这种桁架式机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一

定的运动空间，桁架式机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。桁架式

机器人的工作空间为一空间长方体。

桁架式机器人机械手主要由3个大部件和4个电机组成：（1）手部，采用丝杆螺母结构，

通过电机带动实现手抓的张合。（2）腕部，采用一个步进电机带动蜗轮蜗杆实现手部回转

90°~180°（3）臂部，采用滚珠丝杠，电机带动丝杆使螺母在横臂上移动来实现手臂平动，

带动丝杆螺母使丝杆在直臂上移动实现手臂升降。

2.关节式工业机器人

对于一些由多个工序加工，而且工件的形状比较复杂的情况下，可以采用标准关节型机

器人配合供料装置组成一个自动化加工单元。一个机器人可以服务于多个加工设备从而节省

自动化的成本。关节机器人有5~6轴的自由度，适合几乎任何轨迹或角度的工作，对于客户

厂房高度无要求。关节机器人可以安装在地面，也可以安装在机床上方，对于数控机床设备

的布局可以自由组合，常用的安装方式有三种：“地装式机器人上下料”（岛式加工单元）、

“地装行走轴机器人上下料”（机床成直线布置）、“天吊行走轴