工业机器人再制造过程能力分析

凌天白

（上海亚彩机电科技有限公司 上海200090）

早在1930～1939年间美国汽车工业就已经领先展开了再制造生产。一些较为发达的国家，如：日本、美国以及欧洲等国历经80多年的发展，已经构建了回收和拆解检测废旧产品、再制造产品营销和技术研发，以及生产管控等整个系列的再制造体系；而再制造产品范围则涉及到电气和电子信息产品、航空和车类及其零部件、以及工程机械设备等诸多领域 ，构成了成熟稳健的再制造市场及其运营模式。

作为新型产业，再制造通过回收和充分利用废旧产品及其零部件来保护环境、降低二氧化碳的排放量和节约多种资源等[1]。观察国外再制造产业发现，法国7大战略性产业在“工业振兴新计划”中，主要是指知识和技术密集的产业，而在美国，再制造战略则侧重于一些新型产业的创新和发展，如：生物技术和新能源等，日本则更侧重于一些新型产业的研发。多数发达国家再制造战略的主要目标在于保持或提高制造业的就业水平；加大制造业的增长力度；促使制造业外贸整体的格局更趋于平衡。再制造行业在日本已经发展的相当庞大，日常生活中的手机、汽车等不少都是由再制造零部件加工生产而成。而且再制造产品在日本多数情况下都是环保的代称，通常都不会受到日本民众的排斥。

我国2015年、2016年、2017年三年的工业机器人保有量分别为：26.29万台、30万台、33.23万台，工业机器人保有量稳居世界第一，发展到了2018年，我国的工业机器人市场保有量占比世界总产量超过了38%，有高达48.03万台的工业机品人生产量，无论是从保有量，还是机器人产量方面来讲都位居全球首位。日本、韩国的机器人密度分别为：314台、478台每一万人，与之相比，我国68台每万人具有很大的发展和上升空间。

发展到2021年，国内工业机器人很有可能会扩大到 58.9亿美元的市场规模，年销售量预计有 15万台左右，保有量估计会超过80万台，根据应用领域来划分，工业机器人中运用较为普遍的是占比为50%汽车制造业，电子信息行业次之，工业机器人是高端制造中非常重要的模块之一，也是高端和智能化转型升级的必不可少的要素。

工业机器人再制造的间接经济效益较为突出，能够为公司或是用户减少设备和技术培训等费用，平均而言，成本上相较于同等性能水平的新机器人能降低大约40% ～ 60%的成本费用，交货期缩短一半，而性能可达到或超过原有新品水平。

1 研究分析六轴工业机器人的动力学

再制造六轴工业机器人主要由底座和腰部连杆、大小臂和腕部、以及焊枪等组合而成。每一个六轴机器人的相邻部分都是通过旋转副连接，形成一个开环式的拥有6个铰链的串联机器人，开环的一端是用来直接工作的机械手，另一端则是固定在地面上的底座，其三维结构图具体如图1所示，通过电机来驱动所有的转动关节，而驱动关节则是通过交流伺服电机与精密减速器紧固配合连接而得以完成，这其中，机械手的整体旋转通过腰部连杆的转动作用，并通过底座上的电机来控制其旋转程度，大臂和腰之间的关节位置会有两个电机，分别对大小臂的上下俯仰运动进行控制，3个电机在大小臂的关节连接的位置各自控制着弧焊手和小臂本身的旋转及其腕部的俯仰运动，放置后3个电机的位置要尽可能的放在离尾端弧焊手相对较远的位置，用以避免因为末端过重而出现危险。

图1 六轴工业机器人三维模型

研究工业机器人的运动学，主要是分析机器人的正和逆两种运动学，这其中，正运动学是已知关节变量的值，得到在空间内机器人具有唯一特性的位姿关系；在逆运动学中，给定在空间中的机器人位姿关系，用以对机器人关节变量的值进行求解，所以，研究分析逆运动学可能会出现三种情况，分别为：无解、多解以及唯一解，一般而言，会采用就近原则来选择解。

Denavit 等人率先提出了DH参数法[2-3]，这是一种用于组建机器人位姿的矩阵方式，也就是说每一个连杆均能通过4个运动学的参数来加以阐述，其中连杆本身可用2个参数来进行阐述，另2个参数则用于对连杆间的连接关系进行阐述。一般θi代表的是转动关节中的关节变量，此时另3个是固定的连杆参数；di代表的是移动关节中的关节变量，此时另3个是固定的连杆参数。此外，其它3个参数中，两个相邻连杆之间的连接关系可以用Di来进行阐述，也就是从公垂线ai+1与关节轴i的交点的有向距离，连杆沿Xi轴用ai表示，也就是从Zi移动到Zi+1之间的距离；两段关节轴的公垂线长度则用ai表示；具体如下图2。

图2 连杆坐标系模型

机器人正运动学是已知机器人每一杆件的关节关量与几何参数，对末端连杆坐标系的位姿进行求解。为了对机器人的运动学方程进行创建，在连杆i−1坐标系中连杆i坐标的位置和姿态则是用齐次变换矩阵T来表示。从D-H法创建的有关坐标系的相关原则可以得出如下计算公式（1）。

通过计算公式（1）与KUKA KR6机器人的结构相结合，能得出坐标系中每个连杆所在位置和姿态，具体如下图矩阵计算公式（2）～（7）所示。

通过两个相邻的连杆间矩阵关系的六轴机器人，统一计算每个连杆，在这整个过程中能够获得总运动学的方程式，具体如公式（8）所示。

通过计算公式（8）可以看出六轴机器人各轴之间的变换关系，对六轴机器人的空间位置和姿态的联系进行求解，也能通过这个方程式的计算而得以完成。这样也就完成了六轴机器人关节空间转换到笛卡尔空间。六轴工业机器人目前在逆运动学中的问题是其通过已知机器人目标位姿，所求出的参数值。六轴工业机器人虽然有多种求解方式，但最具代表性的两个解法分别为：数值解法和封闭解法。而求解的具体步骤可通过代数法来得以实现，也就是说逆矩阵T−1是一个左乘而又逐次求解的方程，紧接着依据每一个位置元素之间的相等关系而列出的与之相应的方程式和求出每个未知数，而且多次求解均可通过这种方式进行，直到将表达式中的关节变量全都求解出来，因此这一种方式也被称之为分离变量法，具体如计算公式（9）所示。

六轴工业机器人现阶段在逆运动学中的问题是其通过已知机器人目标位姿，求解出每个关节的机器人的变量。

2 工业机器人再制造过程分析

KR360再制造六轴工业机器人主要由底座和腰部连杆、大小臂和腕部、以及焊枪等组合而成。经过分类和检测、拆卸和清洗之后，修复和再次加工工业机器人中一些包括万向节、齿形带等容易损坏的零部件；对电控系统进行再制造升级，更换电控箱与电器元件，升级伺服驱动器。从而使工业机器人的精度方面符合出厂标准，同时，也促使用户在加工生产方面的需求得以实现和满足。

完成拆卸和清洗之后，研究KR360六轴工业机器人的精度丧失的情况和每个零部件所存在的损失情况，并由此而制定相应的工艺方案，KR360六轴机器人的再制造工艺流程如下。工业机器人其中一个主要的零部件是铸件，在整个机器人中，铸件的重量可以占比70%以上。铸件不仅对机器人整体起支撑作用，还影响机器人的工作范围，工业机器人的底座、旋转座、连接臂和肘部都为铸件制造。当机器人发生碰撞导致铸件损坏开裂时，该机器人则无法再制造，其余零部件只能做回收处理。KR360六轴机器人的铸件在磨损不严重的情况下可使用铸件粘合剂进行修补，并在铸件运动接触面处喷涂防锈油以延长铸件的使用寿命。再制造后的工业机器人铸件如图3所示。

图3 再制造后工业机器人本体铸件

六轴工业机器人的前臂机构是工业机器人最核心的部件，由图1可知其包括用于驱动前臂和腕关节的前臂驱动组件，即六轴机器人的第四轴输入组件、第五轴输入组件和第六轴输入组件均设置于前臂机构壳体内部，KR360六轴工业机器人的前臂机构可同时进行A4、A5以及A6三轴旋转联动。由于前臂机构的使用频率是所有机器人部件中最高的，因此其再制造时需更换所有易损部件，包括轴承、油封、齿轮皮带以及磨损较多的齿轮部件。再制造后的前臂机构需进行运行测试，将前臂机构安装于测试工装上，进行4小时的连续运行工作。在测试工作中，前臂机构必须保持平稳运行无停滞的状态，且硬件无报警及异响。KR360工业机器人前臂机构再制造后的测试运行如图4所示。

图4 再制造后机器人前臂机构测试运行

在对 KR360六轴工业机器人各部件进行修复与再加工后，调整各部件之间的间隙，并按装配工艺流程进行装配，恢复机器人整体精度。如图5所示，使用莱卡AT402激光跟踪仪检测机器人重复定位精度。

图5 再制造工业机器人机械精度检测

运用polyworks软件进行分析，并结合激光跟踪仪来对相关的数据进行检测，最后输出 KR360六轴机器人每个关节轴的重复定位精度测试结果以及六轴联动情况下的重复定位精度测试结果为0.072mm，如图6所示。

图6 再制造工业机器人重复定位精度测试

再制造 KR360工业机器人按新产品出厂标准进行检验与验收，机器人需连续运行24小时无报警，且运行平稳无抖动和异响，在额定负载下全速运行无过载。再制造工业机器人的检验标准如表1所示。

表1 再制造工业机器人验收标准

3 结语

通过六轴工业机器人再制造案例可知再制造机器人的机械精度及性能完全能达到新机器人的出厂标准。由于我国的工业机器人保有量的规模已经相对较大，因此有不少即将淘汰或是需要维修的机器人。再制造业务已经成为工业机器人新拓展的主要业务，通过回收废旧机器人，全面再制造升级废旧工业机器人。再造后的工业机器人精度与性能能够匹配新制造机器人，而价格不到新品机器人的60%。