機(jī)床和智能機(jī)器人的融合

1．前言

進(jìn)入21世紀(jì)后，F(xiàn)ANUC公司開發(fā)成功了配備有視覺傳感器和力覺傳感器的智能機(jī)器人。到現(xiàn)在，已擁有可搬運(yùn)質(zhì)量從2公斤到1.2噸的種類豐富的商品系列。隨后，F(xiàn)ANUC公司又開發(fā)了運(yùn)用這一智能機(jī)器人的長時間連續(xù)機(jī)械加工系統(tǒng)“機(jī)器人單元”。在整個加工工序中，加工作業(yè)本身使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行白動化加工已經(jīng)非常普遍了。但是，附帶作業(yè)，比如在加工中心的夾具上進(jìn)行加工材料裝卸的作業(yè)，以及去毛刺毛邊、清洗等作業(yè)中的很多部分，現(xiàn)在還是依靠人工來完成。機(jī)器人單元使用智能機(jī)器人，不但實現(xiàn)了這些作業(yè)的白動化，而且在世界上最早實現(xiàn)了720小時的長時間連續(xù)加工?，F(xiàn)在在FANUC公司的工廠共運(yùn)轉(zhuǎn)著13套這樣的機(jī)器人單元。機(jī)器人單元使用了兩種控制裝置，也就是CNC和機(jī)器人控制器。我們現(xiàn)在正在開發(fā)使這兩種控制裝置都可以單獨(dú)地顯示雙方狀態(tài)的功能，以進(jìn)一步推進(jìn)機(jī)床和機(jī)器人的融合。

借此機(jī)會，我想簡單介紹一下機(jī)器人單元的主要構(gòu)成要素。所謂工業(yè)用智能機(jī)器人的智能，并不是指具有和人類一樣的思考能力，而是指使機(jī)械具有能和熟練工相媲美的作業(yè)技能。不具有智能的，也就是普通的重復(fù)動作型機(jī)器人，的確可以提高工廠的自動化生產(chǎn)程度，降低生產(chǎn)成本。并且只要完成機(jī)器人動作的示教，它就能夠正確地重復(fù)動作，對產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定起到了很大的作用。但問題是必須由人將所有的動作細(xì)微環(huán)節(jié)都示教給機(jī)器人，這非?；üΨ?。不僅如此普通機(jī)器人還需要使用工件供給裝置等專用周邊設(shè)備，或很多工件定位用夾具，這就增加了設(shè)備投資費(fèi)用。另外，還要由人進(jìn)行事先把工件在所定的位置上正確地排放好―這樣非常簡單的日常勞動，出現(xiàn)人為機(jī)器人的白動化工作打下手的情況。為了解決這個問題，我們開發(fā)了配備有眼睛功能的視覺傳感器，和有手的觸覺功能的力覺傳感器的智能機(jī)器人，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了機(jī)器人單元。

2．機(jī)器人單元

（1）長時間連續(xù)機(jī)械加工系統(tǒng)的開發(fā)過程對機(jī)械加工系統(tǒng)來說，盡可能減少初期投資，和盡可能延長連續(xù)作業(yè)時間，才能降低加工成本。

80 年代我們開發(fā)的第一代機(jī)械加工系統(tǒng)，采用了將多個工件裝到有復(fù)數(shù)裝載面的隨行夾具上，并把夾具放在交換工作臺自動送給裝置上對加工中心進(jìn)行供料，從而實現(xiàn)了24小時連續(xù)加工。90年代的第二代加工系統(tǒng)，是將4到6臺的加工中心和可容納更多隨行夾具的立體倉庫相結(jié)合，實現(xiàn)了60小時的連續(xù)加工。這意味著可以從周五晚間到周一早晨進(jìn)行無人加工。進(jìn)人21世紀(jì)，我們開發(fā)了使用智能機(jī)器人的第三代機(jī)械加工系統(tǒng)“機(jī)器人單元”，實現(xiàn)了每月連續(xù)720小時加工。

（2）機(jī)器人單元的構(gòu)成

機(jī)器人單元是由加工中心、加工工件裝卸用機(jī)器人、加工完工件去毛刺和清洗用機(jī)器人、放隨行夾具的托盤搬運(yùn)車、以及材料倉庫構(gòu)成的。

（3）工件裝卸作業(yè)的機(jī)器人化

智能機(jī)器人的視覺傳感器，能檢測出托盤上雜亂擺放的加工工件的位置和旋轉(zhuǎn)角度。這樣機(jī)器人就可以用機(jī)械手來抓取工件了。為了能抓取多種工件，機(jī)械手使用伺服電機(jī)來驅(qū)動手指的開合。這樣就能通過機(jī)器人程序，根據(jù)工件的尺寸自由地改變手指的開合度，和根據(jù)工件的重量自由地改變抓取的力量。

要把抓取的工件正確地裝到夾具的所定位置上，需要對由于鑄件本身的尺寸誤差引起的抓取偏差進(jìn)行補(bǔ)正。機(jī)器人抓取的工件，由另一臺智能機(jī)器人用可測出對象物體的三維位置及角度的視覺傳感器對其進(jìn)行位置和角度測量。根據(jù)測量結(jié)果，可以求出動作示教時的工件抓取位置和實際抓取位置的偏差。當(dāng)機(jī)器人在夾具上進(jìn)行工件定位時，通過對抓取偏差進(jìn)行補(bǔ)正，就可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的定位了。最后，在機(jī)器人把工件裝上夾具時，通過特別的方式控制機(jī)器人的各個軸，在指定的直角坐標(biāo)系的方向上讓機(jī)器人的動作變得柔和，這樣就可以根據(jù)夾具的表面狀態(tài)來自動地調(diào)整工件的位置和角度。這一方法叫做Soft Float 功能（隨動功能），可以把工件高精度地裝上夾具。

有可充分利用場地、和操作簡單等特點，是很容易引進(jìn)的系統(tǒng)。

（4）大機(jī)器人

大型加工中心一般用來加工重型工件，因此FANUC 公司開發(fā)了最大可搬運(yùn)質(zhì)量達(dá)1.2 噸的“大機(jī)器人”來滿足重型工件的加工需要。大機(jī)器人，可以輕松地抓取小型機(jī)床的鑄件床身，并將它裝到加工中心的夾具土。

（5）CNC 和機(jī)器人控制器示教操作盤上的雙方向狀態(tài)顯示

為了使只會操作機(jī)器人，或是只會操作CNC 的操作員，也能操作機(jī)器人單元，F(xiàn)ANUC 公司開發(fā)了可在機(jī)器人示教操作盤的畫面上顯示CNC 狀態(tài)的功能、和可在CNC 畫面上顯示機(jī)器人狀態(tài)的功能。今后，我們還將繼續(xù)開發(fā)使兩者的功能相互融入，進(jìn)一步推進(jìn)CNC 和機(jī)器人的融合，并把實現(xiàn)提高的操作性作為今后的目標(biāo)。

3．結(jié)尾

我們認(rèn)為機(jī)器人單元，是可通過長時間連續(xù)機(jī)械加工大幅度削減加工成本的，極具國際競爭力的機(jī)械加工系統(tǒng)。這份資料如果能為讀者提供有用的信息，我將感到無比高興。