很多企業年每天要加工的氣動元件、家電零件、各種車輛零部件、儀器儀表、零件標準件和日用品等數以百萬計。對有些零件要完成機械加工，如：車，銑削，磨削，鉆孔和檢驗等，對有些零部件要完成檢驗和裝配，對有些零部件要完成表面處理和分類等，對有些零部件要完成包裝和貼標等，這些令部件幾乎涉及到人們日常生產的方方面面。為了滿足人們上面的需求，德國百格拉公司20多年來開發生產了一系列標準化的大批量小零件的自動供料系統、自動碼垛系統、自動供料和下料系統等。沈陽萊茵機電有限公司有20多家具體的應用案例和圖紙，詳情請與李剛經理聯系（[email protected]）。我公司根據一機床用戶加工活塞的要求設計了全自動供料及全自動給機床上料和下料直角坐標機器人系統。這個系統雖然是針對活塞設計的，但它是一通用系統，可以用到很多相關產品的上料，下料和碼垛工作。我們參照德國百格拉公司的圖紙來設計，利用百格拉公司的直線運動單元為主要運動單元實現了整套系統，目前系統運行正常平穩，用戶比較滿意。

一 基本方案
1 基本要求：
1） 進料和出料用人工推車，
2） 每個車上放置12個拖盤，
3） 每個拖盤放置15個鋁活塞，
4） 每個活塞重350克，
5） 如果僅僅碼垛要每8秒搬運完一個活塞，
6） 拖盤交換時間不長于7秒，
7） 可以完成車床的上料和下料工作。

圖1：碼垛機器人原理圖和活塞照片
2 供料機器人方案
我們設計了圖1所示的方案。整個系統主要由一個拖盤上下運動部分，水平運動軸和二維XZ搬運機器人，下面分別加以簡介：

帶動拖盤上下運動部分采用兩根PAS44BB直線運動單元，兩根PAS44BB直線運動單元各帶兩個滑塊，通過鋁板和角鐵等做成可以升降的滑道平臺。兩根PAS44BB直線運動單元通過一個軸聯動，由伺服電機配減速機驅動，可以任意升降及精確停止。

水平推動軸由兩根PAS42BB直線運動單元組成，兩根直線運動單元各帶兩個滑塊，通過鋁板和角鐵等做成水平移動平臺。兩根直線運動單元通過一個軸聯動，由伺服電機配減速機驅動，可以任意運動及精確停止。

搬運機器人我們采用圖2所示的二維XZ機器人。其中水平運動軸采用兩根PAS42BB，上下運動軸是LM-A42BB。X軸的有效行程是1800mm, Z軸有效行程是400mm。這種雙X軸機構能保證以90米/分鐘的高速運動時運行平穩，震動小，噪聲低。

圖2：XZ二維上下料機器人
二 驅動電機和控制系統的選擇
1 驅動電機和減速機的選擇
首先根據機床的加工時間來確定整個機器人系統的工作節拍，再依此設計出每個軸的最高運行速度，最大加速度和最高減速度值等每個軸詳細的運動軌跡。所設計的運動軌跡和節拍要比實際需要的快些，這樣就能保證長期穩定可靠地工作。在選擇驅動電機時，首先要考慮負載的轉動慣量與驅動電機的轉動慣量比。大量應用經驗證明當用步進電機驅動時，轉動慣量比要小于10；而用伺服電機驅動時，轉動慣量比要小于8。如果轉動慣量比超過這個經驗值就要給驅動電機配行星減速機來降低轉動慣量比。只有當轉動慣量比足夠小時才能保證運動軸有高速高動態運動。其次要考慮驅動電機最大出力與按規劃的軌跡（最高速度，加速度和減速度）運動所需出力的關系。通常情況下驅動電機的最大出力至少是所需出力的一倍以上。還有要考慮伺服電機的最高工作轉速要低于2800轉/分。

基于上面的考慮我們選擇的電機如下：
升降運動平臺采用4Nm交流伺服電機配德國Neugart行星減速機PLE80-40。水平運動軸選用400W交流伺服電機配Neugart行星減速機PLE60-8。而XZ機器人的Z軸我們選擇帶抱閘400W交流伺服電機配Neugart行星減速機PLE60-8，X軸我們選擇帶抱閘750W交流伺服電機配Neugart行星減速機PLE60-8。

2 手爪和控制系統選擇
手爪選擇日本SMC的氣動手爪。

這里選用德國Engelhardt公司F44四軸通用數控系統來控制整個機器人系統。它自帶64路I/O口，完成限位控制。F44系統還通過I/O口與車床的開門和關門信號，啟動信號，主軸停止信號等通訊，同步有序工作。

三 工作流程
1 人工把裝滿待加工活塞的手推車推動升降平臺處，保證前后和左右位置誤差滿足要求，
2 升降平臺把整摞拖盤升高，使要處理的一拖盤處于水平運動軸同一水平面上，
3水平運動軸取來一拖盤及每次運動一個活塞直徑的1.2倍的位置，
4 XZ二維機器人每次取走一個活塞，放到交換臺上，取回加工完的另一活塞及放回拖盤里，
5 如果一個托盤被全部處理完，要把該拖盤送回升降平臺上，升降平臺再升高及取下另一托盤
6 如果全部托盤處理完就報警，通知人工取走該車，及推入另一車活塞。

四 實驗結果及結論
按照前面的方案我們制造及安裝調式了整套機器人供料系統。整個系統運行平穩，可靠，速度等指標滿足設計要求，用戶比較滿意。目前我們僅把它作為供料機構，但經小的改動就可以在活塞生產中用來給活塞數控車上料和下料，還可以用來給活塞裝配鋼環。實踐證明這類機器人系統幾乎可以在工業生產中的各行各業被大量廣泛應用。經過改動和更換ＸＺ機器人和手爪就可以用來給加個中心上料和下料，還可以代替人來完成對藥品和很多日常用品進行檢驗，裝包裝等大量繁瑣的工作。由直角坐標機器人組成的大批量供料，上料和碼垛機器人不僅應用非常廣泛，還比其它的機器人成本低，而且效率更高，必將被在更多的行業被更廣泛的應用。