摘 要 随着加工产品的多样化和快速替换，使得常规的自动化上下料方式无法满足要求，因而更多厂家开始将目光投入到工业机器人的应用上来。如今机器人自动上下料已经成为一种趋势，本课题研究的是本文针对两台数控车床、料盘和物料箱组成的加工单元设计了一种五自由度机器人对数控车床组进行上下料。希望通过本文的研究与分析，为机器人的实物制造提供了充分的理论依据。
关键词 上下料机器人；结构设计；方案
1 机器人设计的基本要求
本文主要是针对两台数控车床（组）的上下料，来设计一台机器人来替代人工完成车床的上下料，从而提高生产效率和产品质量。机器人在两台数控车床的中间位置，物料箱与料盘分别在机器人的上下侧，其中心位置距离机器人的中心位置都为 1200mm。本文以 CK6130 型号的车床为例，它的高度为 1500mm，主轴中心位置距离地面的距离为 900mm，工件的形状为圆柱状，直径为 150mm，设计负重约为 4 公斤。根据现场的工作布局，拟设计机器人的工作半径范围约为 1000mm[1]。
2 机器人的工作流程
上下料单元是由两台数控车床，一台机器人，一个料盘和一个物料箱构成的本加工单元中，机器人是主动设备，机床是从动设备。机器人发出信号传输给数控机床，控制液压卡盘的松开与夹紧。料盘上的每个工位都装有接近开关，用于检测是否有工件，料盘下面装有电动机，带动料盘进行旋转，每次料盘都会自动转动到一个有工件的工位。物料箱主要用于放置机器人从机床上抓取已经加工好的工件。自动上下料系统中机器人的工作流程如下：
（1）机器人抓取待加工工件：机器人末端执行器由待机位置移动至取料位置一侧，末端执行器松开（检测是否张开），接收信号后，然后移动至取料位置，末端执行器夹紧（检测是否夹紧），取得信号，移动至待机位置。
（2）机器人抓取工件上料：机器人在待机位置，将夹有工件的末端执行器移动至数控车床的安全门前方（检测防护门开到位），机器人将手部移动到卡盘的正前方，缓慢的移动至卡盘内，末端执行器松开工件，车床接收信号将卡盘夹紧后，机器人再缓慢移动至卡盘前位，防护门前，最后移动至待机位置，数控车床开始加工工件。
（3）机器人抓取工件下料：机器人在待机位置，移动至车床防护门前方（检测到防护门开到位），再将手部移动至卡盘的正前方，缓慢移动至卡盘内，末端执行器夹紧（检测夹紧信号），数控车床接收到让卡盘松开的信号，这时机器人将末端执行器移动至卡盘前方，再缓慢移动至防护门，机器人将加工好的工件移动至物料箱[2]。
3 数控车床机器人结构方案设计及其分析
3.1 机器人本体结构方案
（1）腰部回转结构方案设计
将电机安装在底座上端，通过谐波减速器直接与回转轴连接，输出轴与腰部连接，从而带动整个腰部在底座回转。电动机通过谐波减速器直接与输出轴连接，这样的结构方便安装维修，更可以提高机器人的控制精度。
（2）大臂和小臂回转结构方案设计
大臂回转是通过电机直接带动谐波减速器来回转，而小臂则是通过谐波减速器减速，带动一连杆机构，从而带动小臂的回转。比较适用于较大负荷的机器人。最为重要的是，在手臂结构设计中采用四杆结构。不仅可以使手臂的重量减轻，运动平稳，而且又能满足较大的作业空间要求。
（3）腕部的俯仰
电机通过联轴器与一对锥齿轮连接，通过传动轴传递到小臂前段从而改变回转方向，以此带动腕部的俯仰。力经过传动轴与锥齿轮连接，带动腕部的俯仰，方案结构合理。
（4）末端执行器的传动机构
本文选用的机构是由齿条直接驱动齿轮的杠杆式末端执行器。驱动杆1末端制造成双面齿条的形状，与一对扇齿轮2相啮合，扇齿轮与手指通过中间齿轮3固接在一起。在驱动力的作用下，推动齿条作直线的往复运动，即带动扇齿轮回转，从而使手指4 闭合或松开。结合实际情况，决定采用齿条齿轮杠杆式的手部结构，由于工件为圆柱形，故手指形状设计成V型，为了能够实现手部的抓取，需要一个驱动力P，因此单纯采用电机不能完成手部的开合动作。因此，手部采用电机通过谐波减速器与齿轮齿条结构实现手部的开合动作。
3.2 驱动方式的选择
驱动装置主要是指带动臂部到达预定位置的动力源。一般动力就是通过电缆或齿轮箱等元件传动到臂部。当前机器人有很多种驱动形式，主要包括电机驱动、液压驱动、气压驱动三种驱动方式。根据本文所研究的机器人的工作，选择伺服电机驱动的方式来驱动关节的转动，完成数控车床的上下料。
3.3 手臂的结构
机器人手臂在工作中既受弯曲力也受扭转力，因此要考虑如何减小这两方面的变形。机器人手臂大都采用空心封闭截面，采用这种空心结构不但可以提高刚度（相同材料下相互比较），还可以利用这个空腔安装其他的一些机构，向上的抗弯曲刚度也较大。手臂在机器人中可分为上臂和下臂。大臂与小臂的回转采用的是四杆机构，它可以不仅使该机器人的整体结构简化，手臂重量减轻，运动平稳，而且还能满足较大的作业空间。
3.4 传动系统的选择
在数控机床中，在机械结构方面有三个方面的重要要求，就是无间隙傳动、无摩擦传动和无变形传动。在机器人的设计中也要求者三个特性。根据前面所确定的方案，机器人的各个关节的驱动形式都是电机，而电机的输出的力矩比实际中需要的力矩要小，转速也远远高于所需要的转速，因此必须经过减速器才能达到既可以增加力矩又可以降速的目的。综合以上各个要求，该机器人采用的是谐波减速器。因为谐波减速器符合该机器人所需要的特点：首先它仅有三个基本构件、结构简单、零件数少、安装方便；其次它传动速比大、承载能力高、传动精度高；最重要的是谐波减速器的柔轮在传动过程中做匀速径向移动，因此，在传动过程中无冲击现象。故文采用的交流伺服电机和谐波减速的组合形式。
4 结束语
近几年的国内工业机器人的开发和应用得到了迅速的发展，显著提高了生产效率，降低了生产成本。本文研究机器人与机床的结合，不但缩短了机床的辅助时间，而且还可以全天无间断的进行工作，大大提高了生产效率；针对不同的零件可以采用不同的末端执行器完成工件的上下料，节约了机床辅助时间，提高了机床的柔性。
参考文献
[1] 胡旭兰.生产线组合机床自动上下料机械手[J].机械制造，2005，43 （5）：32-34.
[2] 吴晶，史步海.基于 EMC2 的工业机器人研究[D].广州：华南理工大学，2011.