上世紀八十年代初期，國外推出以數控機床、數控技術為基礎的柔性制造單元 （FMC）替代傳統的剛性生產線，開創柔性生產線之先河。后來又發展成FMS（柔性制造系統）。由于FMS很復雜，使用維護難度大，價格昂貴，沒有普及，而被FTL所代替。近幾年又出現第三代柔性制造系統FRS，（FRC），利用機器人操作的新一代柔性制造技術。這種柔性生產線由多個動力頭（或多臺機床）組成，在動力頭上方裝有由數控系統控制的懸掛機械手，機械手沿橋式導軌及垂直滑枕作三坐標移動。機械手爪夾持毛坯或加工完的工件，能準確將毛坯定位，或運送到另外一個工位（包括送到中間儲料庫），機械手的動作程序與機床加工的工步順序統一由數控系統控制。與過去幾代柔性制造系統比FRS機床結構緊湊，占地面積小，不像前兩代柔性制造系統有裝在機床外側的工件交換托盤、轉臺，或運送小車。而FRS輕巧的機械手裝在動力頭上方，既節省空間，還節省輔助時間，而且造價也便宜很多。
天津市精誠機床制造有限公司為國內著名的弧齒錐齒輪機床生產商，其生產的小模數數控弧齒錐齒輪加工機床連續3年排行國內第一位。精誠機床產品遠銷到德國、美國、日本、韓國等發達國家，在國際上也具有較高的知名度。公司上下積極拼搏，牢記“快魚吃慢魚”道理，不斷進行技術創新，每年都推出創新產品。2007年下半年，考慮到小模數弧齒錐齒輪加工時間短、需求量大等情況，決定研制一條自動化生產線，以1臺三座標機器人為2臺機床上下料，既可以有效減少加工輔助時間，提高勞動生產率，也能將操作工人從單調生產勞動中解放出來，提高企業競爭力。
該生產線通過廠校合作，不到一年時間研制成功，該生產線屬國際先進的第三代柔性制造系統FRS。參加2008年北京數控機床展覽會，受到有關領導和媒體的贊揚以及廣大用戶的關注。
一、機器人選型及技術分析
為了盡可能節省空間，在集體討論生產線方案時決定將上下料機器人布置在兩臺機床上方。由于橫向跨度較大，并且上下料時作業空間相當狹窄，決定選用直角坐標機器人結構方案。機器人橫向移動為兩臺機床服務，利用縱軸和垂直滑枕手爪下移到機床芯軸位置并完成上下料作業。
擬采用的機器人有兩種解決辦法，一是購買，二是自己制造。
國際上有數家著名的直角坐標機器人生產廠家。德國BAHR公司為世界上著名的直角坐標機器人專業制造廠商，幾十年來一直專注于直線定位系統及產品的研究和開發，在業內取得了良好聲譽，其產品被廣泛應用于諸如汽車、電子、電器、檢測、醫療、航天、食品等領域，其型材內部配有特殊的鋼軌以保證高的機械強度和平行度，負載從5Kg到3000Kg不等，重復定位精度有±0.2mm、±0.1mm、±0.05mm到±0.01mm。德國BERGER LAHR公司是另一家著名的生產廠商,該公司生產多種規格的直線運動單元/導軌、步進電機、交流伺服電機、直線電機和多軸數控系統，提供各種規格的線性導軌、二維、三維標準機器人及用戶專用機器人和生產線。由于其導軌、驅動電機、減速機和控制系統等所有部件均全部自己生產，其機器人具有很高的整體性能。德國roboworker公司是第三家著名的直角坐標機器人供應商，該公司研發和生產多種規格的直線運動單元、各種手爪、伺服電機、 控制系統以及圖象處理系統等。
日本最著名的直角坐標機器人廠商是雅馬哈發動機有限公司。其新機型“PHASER MF15” 2008年初上市，截面尺寸僅為100×80mm，但可以搬動重達15kg的重物，額定推力達到50N。
韓國Dasarobot機器人采用高剛度鋁合金機座和防塵用不銹鋼機罩，行程大能達到7000mm，可在潔凈度為clean class 10的環境中工作。
國內有能力提供直角坐標機器人的單位主要有3家。哈爾濱工業大學機器人研究所曾研制出直角坐標機器人產品。海爾機器人公司專門生產注塑機用直角坐標機器人。沈陽新松機器人有限公司擁有雄厚實力，已經批量生產直角坐標機器人，主要用于汽車涂膠等場合。
由于國外產品價格很高，還常常難以滿足一些特殊需要，最好采用國產機器人配國產機床，以有效提高國產產品整體競爭力。我們選擇自己制造機器人，而關鍵部件進口的方案，如機器人末端執行器用德國雄克公司產品，電器系統中多軸運動控制器采用日本歐龍產品。這樣使機器人系統既可靠、又省錢。
二、機器人設計與制造
憑借長期研究積累的先進技術和豐富經驗，我們決定根據需要自己研制機器人。
其技術關鍵有3處，一是鋁型材的設計與制造，要求長度大、剛度高、扭轉變形小；二是控制系統設計，要求多軸聯動、可靠性高，并且易于與機床原有控制系統進行整合；三是機器人本體設計，要求運動精度高、適于生產線的模塊化變形。
先進的直角坐標機器人一般采用鋁型材作為直角坐標機器人的基體，一是重量輕、剛度大，二是可以簡化機械結構設計有效降低制造成本。
本項目根據所需機器人跨度大、運動精度要求高的特點，專門設計了鋁型材及其模具。其橫截面下部采用封閉空腔，剛度大、便于走線；上部為敞開式，便于安裝導軌和驅動電機等。由天津市一家鋁型材廠家生產，一次開模、一次拉制、一次成功。
在設計機器人控制系統時，為了較好地滿足需要，決定采用PLC模塊搭建而成，選用了OMRON公司生產的觸摸屏、CPU模塊、位控模塊以及輸入、輸出模塊，具有可靠性高、抗干擾性好、可擴展性好等優點，能夠很方便地與機床原有控制系統進行整合。
在鋁型材研制成功后，進行好機器人本體設計成為整個項目的關鍵。為了簡化機構并減少誤差，采用雙軸聯動進行成品下料和齒坯上料，以適應于機床主軸的位姿狀態。鑒于X軸長度較長近4米，為了保證運動精度，采用了齒形帶運動方案，由電機經減速器驅動。在一端還設計了張緊裝置。Y軸和Z軸行程較短，均采用滾珠絲杠，具有很高的運動精度。為了防止因掉電導致機器人Z軸下落，其驅動電機采用了特殊的帶抱閘電機。
在設計過程中，進行了細致的誤差分析和計算，合理地確定了零件精度和裝配精度，以保證整個機器人具有足夠高的重復定位精度。
機器人末端執行器采用了德國雄克公司生產的可旋轉手腕（圖1），手爪自己設計制造。
為了避免出現上下料失誤造成機器人或機床損失，專門設計了安全裝置，利用彈簧的可壓縮性避免“硬碰硬”（圖2）。當整個手爪后退到一定程度，傳感器就會報警并停止一切運動。
圖1 PSK16可選轉手腕 圖2 帶安全裝置手爪系統
三、聯調與試生產
機器人制造出來并經過一定的試驗后，與機床進行了聯調，編制了運動程序，調試了相關參數。實驗測試表明，所研制出的機器人各軸重復定位誤差，在軸平均誤差為0.014毫米以內，達到國外先進水平。整條生產線如圖3所示。
圖3 YH20603G弧齒錐齒輪自動生產線
附：生產線的主要規格參數
機床技術參數
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參數 |
YH20603G |
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大工件直徑（mm） |
125 |
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大加工模數（mm） |
2.5 |
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大傳動比 |
10：1 |
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大齒面寬（mm） |
20 |
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加工齒數范圍 |
4-200 |
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銑刀盤直徑（英寸） |
1/2-31/2 |
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刀盤主軸轉數（r/min） |
200-900 |
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機床中心到工件主軸端面距離（mm） |
63 |
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工件主軸錐孔 |
莫氏4# |
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控制及驅動系統 |
西門子802D CNC |
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刀盤主軸電機功率（Kw） |
1.5 |
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液壓電機功率（Kw） |
0.75 |
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機床外形尺寸：長×寬×高（mm） |
2150×1950×2350 |
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機床凈重（kg） |
3500 |
機械手技術參數：
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伺服軸 |
行程（mm） |
功率（W） |
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X |
3200 |
750 |
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Y |
310 |
400 |
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Z |
650 |
400 |
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退回軸 |
立臥，氣動回轉頭轉角90° | |
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生產線外形 |
長寬高5000×3200×3500 | |
該生產線于2008年4月參加了北京數控機床展覽會，每天連續運轉，表現出良好的品質。
四、結語
YH20603G弧齒錐齒輪自動生產線是廠校雙方精誠合作的結晶，既體現了企業家的精明決策，也展現了科技人員的聰明才智，更說明了廠校合作的重要性。相信我們國家經過努力拼搏一定會由“中國制造”走向“中國創造”。