6ES7321-1FF10-0AA0性能参数
全自动化机床上下料机器人在国内外各种机加行业中被越来越广泛地应用。利用输送设备和机器手把多台机床设备连成一个全自动或半自动加工线。刹车盘的生产量大，加工时间短，很多企业都在想法设法提高生产效率和提高机加厂房的利用率。为此一些企业采用立式数控车来加工盘类件。与卧车相比，立车占地面积小，在厂房利用率上占有很大优势。通常采用双刀具切削，这样生产效率高。沈阳玉田精机等一些企业专门开发双通道（双刀架）立车。采用双刀架两把刀从两边进给切削，生产节拍大幅提高，车加工一道工序时间缩短到24秒左右。为了缩短上下料时间，下料采用气缸先顶起刹车盘，一气缸再向侧面把刹车盘推出机床外的方式。这样下料时间就缩短到2~3秒，大幅降低了上下料时间。节拍高了，效率高了，操作者的劳动强度大幅提高。为此沈阳莱茵机电开发了两种专为立式数控车自动上下料机器人，不仅可靠，实用，具有很高的性价比。下面就介绍其中的双Z轴上下料机器人。
一、 机器人的总体方案
由于刹车盘种类很多，下面介绍的机器人就是针对大约10公斤的刹车盘的自动上下料。由于每道车加工工序大约24秒，下料采用气缸推下方式，采用一台机器人为两台数控立车上料和下料。如图1所示，两台二维机器人给四台立车上料，共用一个上料仓和一个下料传送带，每台机器人各用一个刹车盘翻转机构，两个桁架和两套控制系统组成。下面对各个部分简单介绍：
1、 桁架：
桁架长度： 10.5米长，桁架高度： 2.4米。
2、水平运动机械手：
采用德国Roboworker公司的直线运动单元RSL200，有效行程：8600mm，高运行速度：2M/S，齿轮齿条传动方式，重复定位精度：±0.1mm。采用德国纽卡特公司的紧密行星减速机和松下伺服电机驱动。
3、上下运动机械手：
采用德国Roboworker公司的直线运动单元RSL90，有效行程：1100MM，高运行速度：1M/S，齿轮齿条传动，重复定位精度：±0.1mm。采用德国纽卡特公司的紧密行星减速机和松下伺服电机驱动。
4、机器人手爪：采用型号为3PG100型号的气动手爪，三指各自有效行程10mm,大夹持力1800N，张开和闭合时间分别是0.07s和0.08s，重复定位精度0.01mm,重量1.75KG。图3是手爪的实物照片和抓取刹车盘时的照片。由于手爪带有钩紧机构，该手爪实际上可以抓取住近20公斤中刹车盘。
5、上料传送带
采用滚轮方式传输，传送带上带有一个隔料器和两个对位机构。工作时人工把刹车盘毛坯料放置到滚轮输送带上，通过计数控制方式确保两台机器人的抓取处都有毛坯可以抓取。其中右边的机器人上料抓取处有一个气动升降隔料器。由于盘类零件的结构，采用类似图4给出的隔离对位机构。
隔料对位器作用是把待加工的毛坯从传送带上停止下来，及通过气缸顶紧。这样就能保证毛坯的中心位置处于手爪的中心。
6、滚轮下料传送带
后加工完的刹车盘被气缸顶起及推到滚轮下料传送带上。滚道宽度400mm，直接把上面的刹车盘滚运到侧面的，为多队机床配置的下料滚轮传送带上，再继续滚运到的下道工序（质量等）。
7、机床间传送及翻转机构
当台立车完成加工，机床门开了及液压卡盘松开后，气缸先把刹车盘顶起，立即推出到机床间传送带上。该传送带把刹车盘滚运到图5中翻转位置。如图5左图所示，待检测到刹车盘完全进入翻转机构后，翻转机构就翻转。被滚运到对位处。两边气缸顶紧，完成对位。这个位置就是给第二台立车的上料抓取处。
8、控制系统
采用PLC和触摸屏作为控制系统及人机交互界面。没有特殊要求，我们采用欧姆龙的PLC。如果需要把触摸屏的信息传给上位机，可以选择CANbus,RS485, ProfiBus或EtherCAT等。通常选配手脉控制器，便于调式用。
9、润滑泵
采用机床厂常用的国产润滑泵，也可以采用进口的润滑泵。
10、选项：
1）刀具破损检测
如果需要，我们可选配刀具破损检测机构。其主要原理是测量几个位置的外经值，与理论值对比，根据直径变大的差值大小来判断刀具是否打了。
2）排削措施
如需要可以加上对液压卡盘和手爪进行自动吹气排削，确保手爪和卡盘卡爪上干净，不影响装料到位。无论是卧车，还是立车都应考虑采用排削措施。
一、 工作流程及节拍分析
正常情况把台机床的供料传送带上刹车盘隔离对位处为每次工作的零点，以后叫工作零点。也是X轴和Z轴的回零点位置，下面就以手爪在工作零点来分析运动流程及节拍：
1、完成一次加工机床少用时
1）、机床卡盘张开用时大约4秒。
2）、把零件放入卡盘及等待卡盘卡紧，用时大约4秒。
3）、启动自动加工循环程序，从主轴启动，加工完，到主轴停止，总计用时24秒。
根据上面的加工时间和上下料时间，完成一个工序加工短用时为32.0秒。如果一台机器人给两台机床上料，那么就必须在16秒（=32/2）内完成一台机床的上料任务。
2、给台机床上料
1）、机器手Z轴从零点下降去抓取刹车盘，下降高度大约1500mm,用时1.5秒。
2）、抓住一个毛坯盘及把Z轴升高1500mm，用时2.0秒。
3）、机械手水平运动到机床卡盘正上方，运动距离大约1200mm,用时1.0秒。
4）、等待车床门打开，用时不定。机床门打开表示卡盘已张卡，其上面的刹车盘被推出机床外面的进床间传送带上。
5）、机器手Z轴从零点下降到刹车盘放入卡盘内，下降高度大约1500mm,用时1.5秒。
6）、手爪松开把抓住的毛坯盘放置到卡盘内，Z轴立即升高1500mm，用时2.0秒。
7）、机械手水平运动到工作零点上方，运动距离大约1200mm,用时1.0秒。
机器人运动总体用时：9.0秒。
其中步骤,5）和6）关键，总计用时为3.5秒。而液压卡盘的开合时间大约3~4秒。采用进行的方式，几乎没有浪费时间。
3、给第二台机床上料
1）、机器手Z轴从零点下降去抓取刹车盘，下降高度大约1500mm,用时1.5秒。
2）、抓住一个毛坯盘及把Z轴升高1500mm，用时2.0秒。
3）、机械手水平运动到机床卡盘正上方，运动距离大约4400mm,用时4秒。
4）、等待车床门打开，用时不定。机床门打开表示卡盘已张卡，其上面的刹车盘被推出机床外面的进床间传送带上。
5）、机器手Z轴从零点下降到刹车盘放入卡盘内，下降高度大约1500mm,用时1.5秒。
6）、手爪松开把抓住的毛坯盘放置到卡盘内，Z轴立即升高1500mm，用时2.0秒。
7）、机械手水平运动到工作零点上方，运动距离大约4400mm,用时4秒。
机器人运动总体用时：15.0秒。而按前面的分析在16秒完成一台机床的上料任务就可以。节拍上没有问题。完成台机床上料后就可以立即去抓毛坯，运动到第二台机床卡盘上面，这样就可以节省时间。采用机床间优化，不仅可以降低运行速度，还可以在平均12~13秒完成一台机床的上料。而选择的直线运动单元及驱动电机等可以是X轴和Z轴运行速度更高些，总之留有足够的余量。
三、结论
针对用户要求，机床采用面对面摆放，大幅缩短了水平轴的运动距离，保证了机床的高效节拍短的要求。而刹车盘的自动翻转结构简单，实用，高效。在本项目的设计时，沈阳莱茵机电的工程师们就以安全，可靠，稳定为出发点，无论在强度，驱动电机出力，还是高运送速度等方面都留有很大的余量。确保该机器人在工作中运行平稳，可靠。X轴高速运动时，Z轴不会晃动。沈阳莱茵机电不仅有立车加工刹车盘的机器人项目，还为利用卧车，磨床和加工中心（或钻床）设计了加工刹车盘上下料机器人。加上为曲轴等轴类件开发生产的上下料机器人，我们已能为很多种零件，各种机床设计，制造，使用不同结构的上下料类机器人。
编者按
中国计量科学研究院张钟华院士负责用量子化霍尔效应建立国家电阻标准，他带领的研究组研制的低温电流比较仪的不确定度达到10－10量级为一，在世界电学领域享有极高声誉。在中国仪器仪表学会2005学术年会上张钟华院士就“二十一世纪中的计量测试技术”做了精彩演讲，博得与会代表热烈掌声。会后就同一问题，接受了本刊记者的采访。
记者：计量测试技术的发展 经历了很长的阶段，请您谈谈计量工作的发展过程。
张钟华院士：适应社会发展状况的计量工作经历了以下阶段。阶段：农业社会，统一度量衡；计量工作适合农业社会中农产品和生活用品贸易的需要，测量准确度达到百分之一到千分之一（10－2到10－3量级）。第二阶段：工业社会，工业生产中的互换性要求，对工作的加工精度提出了更高要求；科学技术工作中对精密仪器提出了需要，测量准确度要达到万分之一到亿亿分之一（10－4到10－3量级）。为适应大规模工业生产提出的要求，生产过程中要求进行精密测量，自动化生产要求在线的、快速的测量设备。进入二十一世纪提出了新问题，如生物医疗、环境保护、国防安全等，都需要准确度更高的精密测量设备。
记者：基本单位的量值需要复现和保存，以便实际应用，这些任务是由计量基准来完成的。请您谈谈实物计量基准和量子计量基准的不同。
张钟华院士：20世纪上半叶以前，基本单位的量值由实物计量基准复现和保存。实物基准一般是根据经典物理学的原理，用某种特别稳定的实物来实现。例如一个保存在巴黎国际计量局（BIPM）的铂铱合金圆柱——千克原器砝码的质量就定义为质量单位千克，按x型铂铱合金米尺的刻线间距离定义长度单位米，用一组饱和式韦斯顿标准电池的端电压的平均值保持电压单位伏特，用一组标准电阻线圈的电阻平均值保持电阻单位等等。如米原器模型、千克原器模型等。实物基准存在以下局限性：
（1）高的计量基准为某种实物，就有其固有的缺点。这些实物墓准是用19世纪末20世纪初工业界所能提供的好的材料及工艺制成，在当时也满足了对于计量基准的准确度及稳定性的要求，这样的实物基准一旦制成后，总会有一些不易控制的物理、化学过程使其特性发生缓慢的变化，它们所保存的量值也会有所改变。以上述铂铱合金千克砝码原器为例，缓慢地吸附在其表面及内部的气体、表面沾上的微尘、甚至多年使用中形成的磨损及划痕均会使其质量发生变化。此种逐年积累的变化的准确数量也很难确切查明。
（2）高等级的实物计量基准全世界只有一个或一套，一旦由于天灾、战争或其他原因发生意外损坏，就无法完全一模一样地复制出来，原来连续保存的单位量值也会中断。
（3）量值传递检定系统庞大繁杂，从高等级的实物基准到具体应用场所，量值要经过多次传递，准确度也必然地有所下降。
上述问题已经使传统的量值传递检定系统日益不能适应需要。20世纪下半叶以来与传统的实物基准完全不同的量子计量基准的出现，为解决以上问题提供了全新的途径。量子计量基准的优点是：
（1）量子计量基准的准确度一般要比实物计量基准高几个数量级。
（2）量子计量基准是一种物理实验装置，可以多处建立。不会有一旦损坏不能准确复现的问题。
（3）按照相同原理建立的量子计量基准，所复现的量值也相同，避免了计量基准的量值多次逐级传递而造成的一系列问题。
记者：请您谈谈量子计量基准的发展。
张钟华院士：日前已建立的量子计量基准总是伴随着某一种具体的量子物理手段，从而定义了一种基本单位。如果此种手段有厂新的发展，人们就会面临着是否要改变基本单位定义的问题。例如，现在的时间（频率）单位是用铯原子的超精细能级的跃迁频率定义的。如果发现了其他复现性更好的跃迁频率（目前的候选者有钙原子、激光等），时间（频率）单位的定义就有可能改变。单位定义的改变影响面很大，频繁地改变单位定义是人们所不希望的。人们就开始探索更为稳定化的单位定义方法。
从目前的物理学知识来看，基本物理常数（如真空中光速c、普朗克常数h、电子电荷e等）是不变的，有好的稳定性。如果能把基本单位用基本物理常数定义，基本单位的定义将能长期保持稳定。复现基本单位的具体技术手段可以随着科学技术的进步而不断与时俱进，但基本单位的定义可以无需更改。这样的基本单位制将更加科学，也可在更长的时期内为人们服务。
因为基本物理常数有几十个，彼此之间有各种各样的方程式互相联系。基本物理常数工作组定期（大约几年一次）对国际上发表的基本物理常数SI值的测定结果进行评定，并用小二乘法对发表的基本物理常数SI值进行乎差，得到一组基本物理常数的佳推荐值，供各有关方面使用。新两次基本物理常数的平差是1998年和2002年进行的。
1982年把长度单位定义成真空中光在（1／299792458）秒中走过的距离，就是把长度单位用真空中的光速和时间频率标准来定义。这是在此方向跨出的一步。
1988年国际计量委员会又建议用约瑟夫森量子电压标准和量子化霍尔电阻标准代替原来的电压、电阻实物基准，等效与用普朗克常数h、电子电荷e和时间频率标准复现电压和电阻单位。这是在用基本物理常数定义单位的方向上又跨出的一步。
在温度单位方面，也正在试探用波尔兹曼常数k定义温度单位开尔文的可能性。
现代准确的铯喷泉原子钟，3000万年误差1s。
记者：您研制的量子化霍尔电阻量值传递到100Ω的低温电流比较仪的测量不确定度达10－10“量级，是世界高水平，用量子化霍尔效应建立了国家电阻标准，为计量事业发展做出了重大贡献。请您介绍一下这方面的情况。
张钟华院士：1990年1月1日起，按照国际计量委员会的建议，已在世界范围内启用了量子化霍尔电阻自然基准代替原有的电阻实物基准。现已有BIPM及美、英、法、德、日、瑞士等实验室建成了此项量子基准。加拿大、澳大利亚、韩国、台湾、香港、新加坡、南非等国家和地区也正在积极建立此种基准。
我国建立电压量子基准的工作已完成。现在需要建立量子化霍尔电阻自然基准与之配套，导出SI单位制中电学量基本单位电流和实用中为广泛的功率、电能的单位，以适应我国加入WTO以后检定结果国际互认的要求。
1988年9月在巴黎举行的国际计量委员会电咨询委员会（CCE）第18次会议上，综合了各国用“可计算电容法”求得的h／e2以及用量子电动力学实验求出的。这两种不同类型的各次实验结果，给出了RH的国际推荐值。RH＝25812.807Ω，即i＝l时的RH值。
i＝2的平台处的量子化霍尔电阻值为
我介绍一下一些正在建立量子化霍尔电阻标准的国家和地区的情况；
澳大利亚：已进行多年，可用电阻网络把量子化霍尔电阻的量值传递到1Ω，准确度为10－8量级。但建立低温电流比较仪的工作尚未完成。
意大利：与澳大利亚相似。
韩国：用磁放大电流比较仪把量子化霍尔电阻的量值传递到1Ω，准确度为10－7量级。建立低温电流比较仪的工作尚未完成。
我国台湾地区：已建立低温电流比较仪，但只能手动操作，准确度为10－8量级。
新加坡、香港特别行政区、挪威、南非、斯洛伐克：购买了牛津仪器公司的低温电流比较仪，但均未能正常工作。由于质量关，牛津仪器公司的低温电流比较仪已停产。
丹麦：建立低温电流比较仪的工作未完成。欲与中国计量院合作。
用电阻网络来传递量子化霍尔电阻的量值时，步骤多，准确度较低。20世纪90年代以后，各国发展了用低温电流比较仪传递量子化霍尔电阻的量值的新方法，准确度提高了一到两个数量级。1997年我院在世行贷款项目的支持下，启动了用低温电流比较仪传递量子化霍尔电阻的量值的新课题，课题完成后大幅度提高了我院量子化霍尔电阻基准的准确度，达到10－10量级。按目前已发表的资料来看，我院量子化霍尔电阻基准的准确度已位列一。
低温电流比较仪目前国际上在此方面遇到的主要问题有：
（1）准确度：低温电流比较仪的准确度可达到1×10－11以上，但量子化霍尔电阻与l00Ω比较时的比例调整误差达到1.2×10－5。补偿后的残余部分为10－9量级。
（2）随机误差：由于冻结磁通、液氦气压波动、SQUID器件发热等因素引起的数据分散性为10－9量级。低温电流比较仪本身的比例准确度很高。可优于10－11量级。但这种比例只能是两个整数之比（即初级与次级绕组的匝数之比）。而量子化霍尔电阻的国际推荐值为12906.4035Ω，与100Ω比较时需要129.064035∶1的准确比例。用两个整数之比来逼近此准确比例时必然留下一定量的调整误差。
课题研究中解决的几项问题：
（1）研究出了减少量子化霍尔电阻与100Ω比较时的比例调整误差的方法，调整误差已减少到5×10－7Ω（国际上为1.2×10－5Ω）。原则上还可提高。
（2）把有用的信号强度提高了5倍，信噪比也得到了同样程度的提高。
（3）设计并实现了一种特殊的插入式气压波动滤波器，可大大缩小由于氦气压波动而引起的随机误差。
（4）目前课题组在比较量子化霍尔电阻与100Ω时的准确度已进入10－10量级，传递到1n时的准确度为10—9量级，居国际水平。
由量子化霍尔电阻传递到十进标准电阻时的综合不确定度；传递到100Ω为0.48×10－9Ω；传递到1Ω为0.72×10－9Ω。
2000年10月，日本电子技术综合研究所（ETL）与我国计量院比对了电阻量值。结果表明，两国由量子化霍尔电阻导出的112电阻量值的差别仅为1.3×10－9Ω，为公开发表的比对结果的佳值。
韩国请中国专家在量子三角形研讨会上作量子电阻标准报告，诺贝尔物理学奖获得者崔琦教授来信向我们祝贺。
记者：请您谈谈量子基准的发展现状。
张钟华院士：7个基本单位：时间、长度、质量、电流、温度、光度、摩尔。
质量单位千克目前是保存在BIPM的千克原器的质量，是后一个仍在使用的实物基准。如何用给定基本物理常数以重新定义质量单位，已成为新世纪中对于计量科技工作者大的挑战。
目前的时间频率单位是用133铯原子的超精细能级跃迁频率来定义的。这是一种量子标准，但并未建立在基本物理常数的基础上。如果将来发现别的跃迁频率精度更高（例如可能是汞原子或钙原子），就会出现是否要更改时间频率单位定义的问题。已有人提出，可以用给定黎德堡常数以重新定义时间频率单位。
黎德堡常数的不确定度很小，为10－14量级。是除光速以外不确定度小的基本物理常数，准确性远远高于其他的各种基本物理常数，在乎差时是作为无误差常数输入的。有可能用给定黎德堡常数以重新定义时间频率单位，但目前这只是一种探讨。
2l世纪内引人注目的工作将是建立量子质量基准的工作。
基本单位定义的更改是一件影响深远的事，必须极为慎重。每一小点进步都需要付出长期的坚持不懈的努力。未来的国际单位制的建立将是一个漫长的过程。我们希望中国的科学家也能在此过程中做出自己的贡献。
21世纪全世界的计量工作者将集中全力建立质量的量子基准。目前正在进行的有3种方案。
第1种方案是把12C原子的质量作为基本标准，通过对晶体中原子计数，过渡到宏观质量。
第2种方案是通过电功率天平把电功率与力学功率联系起来，通过P＝mv的方程导出质量标准。
第3种方案是把金的离子射线收集起来得到质量标准，射线中的金离子个数通过测量金离子对应的电流来确定。
用测量阿伏伽德罗常数建立质量自然基准的要点：
（1）测出硅单晶的晶格常数；
（2）数出一个硅单晶球体中的硅原子数目；
（3）测出硅单晶球的质量；
（4）求出阿伏伽德罗常数；
（5）建立基于硅原子质量的宏观物体的质量自然基准。
目前，日本NMIJ、德国PTB、意大利INGC、澳大利亚CSIRO等国测量用同位素自然丰度制作的样品，结果的重复性已达到3×10－7。
为了减小同位素丰度对测量准确度的影响，日本已经在进行用纯28Si制作样品的工作。目前纯28Si单晶只能拉到200g，不够制作样品。预计两年后可以做出5kg的纯28Si单晶。可以从中挖出1kg的球型样品进行试验。希望将阿佛加德罗常数测定的相对不确定度从目前的3.1×10－7到2006年达到6.9×10－8，到2009年达到2.1×10－8。
目前此方案大的问题是所测得的结果与“电功率天平法”的结果相差了1×10－6。与会者认为可能存在系统误差，大问题可能是硅球的表面问题（表面氧化层、表面张力等等）。
记者：我国加入WTO后，在许多方面需要与国际接轨，请介绍一下计量检测证书的国际互认问题。
张钟华院士：1999年10月，在巴黎国际计量局37个国家计量院院长签订了计量检测证书国际互认协议，并预定将于2003年10月正式生效。
119项关键比对及我国计量标准的现状：1／3的项目状况较好，在国际比对中合格；
1／3的项目需改造，改进后可参加国际比对；
1／3的项目为我国空白项目。
但电学量项目有80％为类，主要项目达到国际先进水平。
记者：中国计量科学研究院是国家高的计量科学技术研究机构，请您介绍一下计量院的定位和主要任务。
张钟华院士：中国计量科学研究院是非营利、公益性事业单位，为政府和社会服务，保证国内量值统一并与国际一致。
计量院有两项主要任务：
其一包括：①计量科学的基础研究（量子物理、自然基准、基本常数）；②测量和校准服务（长、热、力、电、光、放、无、时频、声、化）；③测量技术和方法的转移（转让、咨询）。
其二包括：①国家计量基标准的研究、建立、运行、维护、完善和提升；②政府法律和法规的测量技术保证；③国际互认协议（MRA）、国际比对和合作；④质量体系的运行、维护、完善和提升；⑤拓宽服务领域，与企业合作，促进其产品和技术的市场竞争力的提高。
记者：中国计量科学研究院昌平区实验基地已开工建设，请介绍一下情况。
张钟华院士：今年7月27日，中国计量科学研究院昌平区实验基地开工建设。实验基地占地面积55.3万m2，建筑面积4.7万m2。实验基地建成后，将建立我国量子计量实验室和超精密测量实验室，大大改善科研条件。欢迎有志于献身我国计量事业的青年人，到计量院来，参加计量技术的基础研究，为计量发展做贡献。