大批量小零件的上下料机器人

很多企业年每天要加工的气动元件、家电零件、各种车辆零部件、仪器仪表、零件标准件和日用品等数以百万计。对有些零件要完成机械加工，如：车，铣削，磨削，钻孔和检验等，对有些零部件要完成检验和装配，对有些零部件要完成表面处理和分类等，对有些零部件要完成包装和贴标等，这些令部件几乎涉及到人们日常生产的方方面面。为了满足人们上面的需求，德国百格拉公司20多年来开发生产了一系列标准化的大批量小零件的自动供料系统、自动码垛系统、自动供料和下料系统等。沈阳莱茵机电有限公司有20多家具体的应用案例和图纸，详情请与李刚经理联系（25817009@163.com）。我公司根据一机床用户加工活塞的要求设计了全自动供料及全自动给机床上料和下料直角坐标机器人系统。这个系统虽然是针对活塞设计的，但它是一通用系统，可以用到很多相关产品的上料，下料和码垛工作。我们参照德国百格拉公司的图纸来设计，利用百格拉公司的直线运动单元为主要运动单元实现了整套系统，目前系统运行正常平稳，用户比较满意。

一 基本方案

1 基本要求：

1） 进料和出料用人工推车，

2） 每个车上放置12个拖盘，

3） 每个拖盘放置15个铝活塞，

4） 每个活塞重350克，

5） 如果仅仅码垛要每8秒搬运完一个活塞，

6） 拖盘交换时间不长于7秒，

7） 可以完成车床的上料和下料工作。



图1：码垛机器人原理图和活塞照片

2 供料机器人方案

我们设计了图1所示的方案。整个系统主要由一个拖盘上下运动部分，水平运动轴和二维XZ搬运机器人，下面分别加以简介：

带动拖盘上下运动部分采用两根PAS44BB直线运动单元，两根PAS44BB直线运动单元各带两个滑块，通过铝板和角铁等做成可以升降的滑道平台。两根PAS44BB直线运动单元通过一个轴联动，由伺服电机配减速机驱动，可以任意升降及精确停止。

水平推动轴由两根PAS42BB直线运动单元组成，两根直线运动单元各带两个滑块，通过铝板和角铁等做成水平移动平台。两根直线运动单元通过一个轴联动，由伺服电机配减速机驱动，可以任意运动及精确停止。

搬运机器人我们采用图2所示的二维XZ机器人。其中水平运动轴采用两根PAS42BB，上下运动轴是LM-A42BB。X轴的有效行程是1800mm, Z轴有效行程是400mm。这种双X轴机构能保证以90米/分钟的高速运动时运行平稳，震动小，噪声低。



图2：XZ二维上下料机器人

二 驱动电机和控制系统的选择

1 驱动电机和减速机的选择

首先根据机床的加工时间来确定整个机器人系统的工作节拍，再依此设计出每个轴的最高运行速度，最大加速度和最高减速度值等每个轴详细的运动轨迹。所设计的运动轨迹和节拍要比实际需要的快些，这样就能保证长期稳定可靠地工作。在选择驱动电机时，首先要考虑负载的转动惯量与驱动电机的转动惯量比。大量应用经验证明当用步进电机驱动时，转动惯量比要小于10；而用伺服电机驱动时，转动惯量比要小于8。如果转动惯量比超过这个经验值就要给驱动电机配行星减速机来降低转动惯量比。只有当转动惯量比足够小时才能保证运动轴有高速高动态运动。其次要考虑驱动电机最大出力与按规划的轨迹（最高速度，加速度和减速度）运动所需出力的关系。通常情况下驱动电机的最大出力至少是所需出力的一倍以上。还有要考虑伺服电机的最高工作转速要低于2800转/分。

基于上面的考虑我们选择的电机如下：

升降运动平台采用4Nm交流伺服电机配德国Neugart行星减速机PLE80-40。水平运动轴选用400W交流伺服电机配Neugart行星减速机PLE60-8。而XZ机器人的Z轴我们选择带抱闸400W交流伺服电机配Neugart行星减速机PLE60-8，X轴我们选择带抱闸750W交流伺服电机配Neugart行星减速机PLE60-8。

2 手爪和控制系统选择

手爪选择日本SMC的气动手爪。

这里选用德国Engelhardt公司F44四轴通用数控系统来控制整个机器人系统。它自带64路I/O口，完成限位控制。F44系统还通过I/O口与车床的开门和关门信号，启动信号，主轴停止信号等通讯，同步有序工作。

三 工作流程

1 人工把装满待加工活塞的手推车推动升降平台处，保证前后和左右位置误差满足要求，

2 升降平台把整摞拖盘升高，使要处理的一拖盘处于水平运动轴同一水平面上，

3水平运动轴取来一拖盘及每次运动一个活塞直径的1.2倍的位置，

4 XZ二维机器人每次取走一个活塞，放到交换台上，取回加工完的另一活塞及放回拖盘里，

5 如果一个托盘被全部处理完，要把该拖盘送回升降平台上，升降平台再升高及取下另一托盘

6 如果全部托盘处理完就报警，通知人工取走该车，及推入另一车活塞。

四 实验结果及结论

按照前面的方案我们制造及安装调式了整套机器人供料系统。整个系统运行平稳，可靠，速度等指标满足设计要求，用户比较满意。目前我们仅把它作为供料机构，但经小的改动就可以在活塞生产中用来给活塞数控车上料和下料，还可以用来给活塞装配钢环。实践证明这类机器人系统几乎可以在工业生产中的各行各业被大量广泛应用。经过改动和更换ＸＺ机器人和手爪就可以用来给加个中心上料和下料，还可以代替人来完成对药品和很多日常用品进行检验，装包装等大量繁琐的工作。由直角坐标机器人组成的大批量供料，上料和码垛机器人不仅应用非常广泛，还比其它的机器人成本低，而且效率更高，必将被在更多的行业被更广泛的应用。