當機床碰到機器人，會擦出怎樣的火花？

　　上上周科技界發生了一件震驚世界的大事，谷歌開發的人工智慧機器人Alpha Go以壓倒性優勢戰勝了世界圍棋冠軍李世石。這場驚世駭俗的對弈中，人工智慧機器人再次刷新了人們的認知觀！

　　如今，機器人與人工智慧已不再停留在暢想階段，它們正成為產業新風口，掀起新一輪技術創新浪潮。

　　工業機器人作為工業4.0的重要組成部分，在這波浪潮中，也是備受關注。工業機器人是工廠自動化的一部分，現在隨著人工成本增加，工業機器人越來越多地出現在了工廠中，尤其是製造廠。金屬加工小編在此找到關於工業機器人的具體定義、組成、分類及其在機床行業的應用等分析，特此分享給大家！

工業機器人的定義

　　1987年國際標準化組織對工業機器人的定義：一種具有自動控制操作和移動功能的、能完成各種作業的編程操作機。

　　通俗的說法就是：工業機器人是能模仿人體某些器官的功能（主要是動作功能）、有獨立的控制系統、可以改變工作程序和編程的多用途自動操作裝置。

　　因此，實際上具有機械手換刀功能的加工中心也是廣義上的工業機器人，也可說工業機器人是一種廣義的數控機床。

工業機器人的組成

　　工業機器人由控制系統、本體、執行機構、檢測系統及示教盒等組成。

1. 控制系統

　　如圖1所示，控制系統一般由控制計算機和伺服控制器組成。控制計算機發出指令，協調各關節驅動之間的運動，同時還要完成編程、示教/再現以及和其他環境狀態（感測器信息）、工藝要求及外部相關設備（如電焊機）之間的信息傳遞和協調工作。伺服控制各個關節驅動器，使各桿按一定的速度、加速度和位置要求進行運動，從而使執行系統按照規定的要求進行工作。

2. 工業機器人本體

　　工業機器人的本體如圖2所示。

3. 執行機構

　　工業機器人通過執行機構來完成規定的動作，通常執行機構有以下幾個部分：

　　（1）手部。手部是工業機器人用來握持工件或工具的部位，直接與工件或工具接觸。有些工業機器人直接將工具（ 如電焊槍、油漆噴槍及容器等）固定在手部，不再另外安裝手部。

　　（2）腕部。腕部是將手部和臂部聯接在一起的部件。它的作用是調整手部的方位和姿態，並可擴大臂部的活動範圍。

　　（3）臂部。臂部支承著腕部和手部，使手部活動的範圍擴大。無論是手部、腕部或是臂部都有許多孔，孔內有軸，軸和孔之間形成一個關節，機器人有一個關節就有了一個自由度。

4. 檢測系統

　　檢測系統主要用來檢測自己的執行系統所處的位置、姿勢，並將這些情況及時反饋給控制系統，控制系統根據這個反饋信息再發出調整動作的信號，使執行機構進一步動作，從而使執行系統的精度到達規定的位置和姿勢。

5. 示教盒

　　如圖3所示，操作者通過示教盒進行手動示教，控制機器人到達不同位姿，並記錄各個位姿點坐標，利用機器人語言進行在線編程，實現程序再現，讓機器人執行程序要求的軌跡運動。

工業機器人的分類

　　工業機器人常按以下方式分類：

1. 按幾何結構來分類

　　（1）串聯機器人。直角坐標機器人（見圖4）：這一類機器人其手部空間位置的改變，通過沿3個互相垂直的軸線移動來實現，即沿著X軸的縱向移動、沿著Y軸的橫向移動和沿著Z軸的升降。

　　柱面坐標機器人（見圖5）：

　　手臂可伸縮（沿r方向）；滑動架（托板）可沿柱上下移動（Z軸方向）；水平臂和滑動架組合件可作為基座上的一個整體而旋轉（繞Z軸）。一般不允許旋轉360°，這是因為有液壓、電氣或氣動聯結機構或連線造成的約束。

　　球面坐標機器人（見圖6）：

　　球面坐標機器人採用球坐標系，用一個滑動關節和兩個旋轉關節來確定部件的位置，再用一個附加的旋轉關節確定部件的姿態。

　　關節坐標機器人（見圖7）：

　　關節機器人的關節全部都是旋轉的，類似於人的手臂，主要由立柱、前臂和後臂組成。

　　（2） 並聯機器人（ 見圖8）。並聯機器人可以定義為動平台和定平台通過至少兩個獨立的運動鏈相聯接，機構具有兩個或兩個以上自由度，且以並聯方式驅動的一種閉環機器人。

2. 按驅動形式來分類

　　按驅動形式來分， 可以分為氣壓驅動、液壓驅動及電驅動（步進驅動、直流伺服驅動與交流伺服驅動）等形式。

3. 按用途來分類

　　按用途來分， 工業機器人可分為焊接機器人、搬運機器人（ 上下料機器人） 、裝配機器人、噴塗機器人、機械加工機器人與碼垛工業機器人等。

　　（1） 焊接機器人（ 見圖9）。焊接機器人是工業機器人應用最為廣泛的一種類型。

（2）上下料機器人（見圖10）。目前，我國大部分生產線上的機床裝卸工件仍由人工完成， 其勞動強度大， 生產效率低，而且具有一定的危險性，已經滿足不了生產自動化的發展趨勢，為提高工作效率，降低成本，並使生產線發展為柔性生產系統，應現代機械行業自動化生產的要求，越來越多的企業已經開始利用工業機器人進行上下料了。

　　（3） 噴塗機器人（ 見圖11）。噴塗機器人能在惡劣環境下連續工作，並具有工作靈活、工作精度高等特點，因此噴漆機器人被廣泛應用於汽車、大型結構件等噴漆生產線，以保證產品的加工質量，提高生產效率，減輕操作人員勞動強度。

　　（4） 裝配機器人（ 見圖12）。隨著機器人智能程度的提高，使得它可對複雜產品如汽車發動機、電動機等進行自動裝配，並可大大提高產品質量和生產效率。

　　（5）機械加工工業機器人（見圖13）。機械加工機器人是指具有機械加工能力的工業機器人。

（6）碼垛工業機器人（見圖14）。碼垛工業機器人主要用於工業碼垛。

工業機器人與數控加工的集成

　　工業機器人與數控加工的集成主要集中在兩個方面：一是工業機器人與數控機床集成為工作站；二是工業機器人具有加工能力，即機械加工工業機器人。

1. 工業機器人與數控機床集成為工作站

　　工業機器人與數控機床的集成主要應用在柔性製造單元（F M C） 或柔性製造系統（FMS） 中，圖15所示加工中心上的工件，由機器人來裝卸，加工完畢的工件與毛坯放在傳送帶上。當然，也有不用傳送帶的，如圖16所示，所用到的工業機器人一般為上下料機器人，其編程較為簡單，只要示教編程後再現就可以了。但工業機器人與數控機床各有獨立的控制系統，機器人與數控機床、傳送帶之間都要進行數據通信。

　　圖17所示為某工作站的數據通信關係圖，LD上料工位通過Asi匯流排連接滾道上的感測器和執行元件，數控機床與LD通過硬體FIELD I/O模塊與FANUC ROBOT通信。

　　（1）硬體。①MC（加工中心）的I/O通過點對點接入FIELDI/O模塊，與LD通過PROFIBUSDP匯流排通信。②ROBOT（工業機器人）與LD通過PROFIBUSDP匯流排通信。③滾道附件（感測器和氣缸等執行元件）通過Asi匯流排接入LD。④MC與ROBOT通信通過LD中轉實現。

　　MC與ROBOT的通信是通過LD來中轉的，所以它們之間的介面由兩部分內容構成：LD與MC的介面；LD與ROBOT的介面，傳遞關係如圖18所示。

　　（2）介面信號。MC到LD的介面部分信號：①機床狀態：有無報警、緊停。②機床運行方式選擇：手動、自動及空運轉。③上下料的狀態：使能上下料狀態、上下料請求、機床門打開、工件夾具狀態及機床內有無工件的記憶狀態。④機器人的手動操作，如回零、去維修位和機器人夾爪的手動操作。⑤工件類型選擇等。

　　LD到MC的介面信號：①機器人和滾道狀態：無報警、運行狀態準備好。②運行模式、自動狀態。③ 位置狀態： 機器人在HOME位置、REPAIR位置。④工作完成狀態：上下料完成狀態、機器人夾爪狀態。⑤工件狀態：滾道上下料位置有無工件、滾道上下料托盤位置狀態、工件在機器人夾爪上等。

　　LD到ROBOT的介面信號：　①機器人標準輸入信號。②運行模式：空運轉、自動等。③上下料條件：機床工件托盤上有無工件、滾道上下料位置有無工件、滾道上下料托盤位置狀態、MC上料門打開。④來自於MC的機器人手動操作，打開、關閉夾爪。

　　ROBOT到LD的介面信號：①機器人標準輸出信號。②機器人位置狀態：機器人在HOME位置、REPAIR位置。③工作完成狀態：上下料完成狀態、機器人夾爪狀態。④機器人報警狀態等。

2. 機械加工工業機器人

　　這類機器人具有加工能力，本身具有加工工具， 比如刀具等，刀具的運動是由工業機器人的控制系統控制的。主要用於切割（見圖19）、去毛刺（見圖20）、拋光與雕刻等輕型加工，這樣的加工比較複雜，一般採用離線編程來完成。這類工業機器人有的已經具有了加工中心的某些特性，如刀庫等。圖21所示的雕刻工業機器人的刀庫如圖22所示，這類工業機器人的機械加工能力是遠遠低於數控機床的，因為剛度、強度等都沒有數控機床好。

作者：威海職業學院教授　韓鴻鸞