機(jī)器人在機(jī)床上下料自動(dòng)化中的應(yīng)用要點(diǎn)分析

劉福全

摘 要：裝備制造業(yè)作為我國(guó)的基礎(chǔ)工業(yè)，在市場(chǎng)需求和技術(shù)進(jìn)步雙重作用下，近幾年來工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床集成應(yīng)用發(fā)展很快，應(yīng)用的形式不斷擴(kuò)展。這里簡(jiǎn)要分析“機(jī)器人+數(shù)控機(jī)床上下料自動(dòng)化生產(chǎn)線（單元）”的典型方案及應(yīng)用要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；下料；自動(dòng)化

1 典型的機(jī)器人+數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)線（單元）配置分析

典型的機(jī)器人+數(shù)控機(jī)床上下料生產(chǎn)線（單元）主要由以下幾部分組成：

（1）數(shù)控機(jī)床：作為生產(chǎn)線（單元）的加工主體，承擔(dān)加工工作，機(jī)床應(yīng)具備自動(dòng)化的夾具、自動(dòng)防護(hù)門、信號(hào)確認(rèn)傳感器等與自動(dòng)化相關(guān)的功能，并且機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)具備與工業(yè)機(jī)器人（或總控系統(tǒng)）信號(hào)交互通訊的功能。

（2）工業(yè)機(jī)器人及控制器：作為自動(dòng)化搬運(yùn)（上下料）的主體，承擔(dān)物料在生產(chǎn)線內(nèi)的轉(zhuǎn)移工作，工業(yè)機(jī)器人作為機(jī)器人+數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)線（單元）的核心部件之一。機(jī)器人控制器作為工業(yè)機(jī)器人的大腦，承擔(dān)控制機(jī)器人精確穩(wěn)定運(yùn)行的工作，具備對(duì)生產(chǎn)線的控制功能，對(duì)于動(dòng)作不是特別復(fù)雜的單元進(jìn)行總控制（如128點(diǎn)的I/O信號(hào)），通過與機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)信號(hào)的交互，控制機(jī)床自動(dòng)門開閉、夾具夾持/松開、相關(guān)工作；通過與物料倉儲(chǔ)單元的PLC之間的信號(hào)交互，控制物料倉儲(chǔ)單元的供料與倉儲(chǔ)等。

（3）末端執(zhí)行器：即機(jī)器人前端的抓手、吸盤等用來直接拾取工作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，常用的氣動(dòng)抓手、電動(dòng)抓手、吸盤等，特殊的有電磁夾具、伺服夾具等。

（4）系統(tǒng)控制器：即總控制平臺(tái)，通過PROFIBUS等通訊協(xié)議控制整個(gè)生產(chǎn)線（單元）的自動(dòng)化運(yùn)行。以通訊電纜連接，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、系統(tǒng)控制器、周邊設(shè)備之間的信號(hào)交互通訊，完成生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制。

（5）周邊設(shè)備：如上下料倉儲(chǔ)單元、檢測(cè)單元、清洗單元、烘干單元等，作為生產(chǎn)線基本功能之外的拓展功能使用，根據(jù)被加工工件的生產(chǎn)工藝流程來配置，實(shí)現(xiàn)盡可能多的自動(dòng)化功能，但同時(shí)，自動(dòng)作的功能部件越多，生產(chǎn)線的故障點(diǎn)可能會(huì)增加。

下圖為典型“機(jī)器人+數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)線（單元）”的基本配置：

2 典型的機(jī)器人+數(shù)控機(jī)床布局分析

2.1 機(jī)器人制造島

1臺(tái)機(jī)器人對(duì)應(yīng)1～3臺(tái)數(shù)控機(jī)床，機(jī)器人在地面固定的布局，行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛，優(yōu)點(diǎn)是施工、維護(hù)方便，成本低；缺點(diǎn)是機(jī)器人一般在機(jī)床正面布置，占用機(jī)床操作位置空間，影響人工對(duì)機(jī)床的維護(hù)保養(yǎng)，夾具、刀具的更換等工作，并且機(jī)器人服務(wù)設(shè)備數(shù)量受到機(jī)器人自身動(dòng)作范圍的限制。

2.2 地面軌道行走機(jī)器人系統(tǒng)

1臺(tái)機(jī)器人對(duì)應(yīng)多臺(tái)數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床呈一字型在機(jī)器人軌道的一側(cè)或兩側(cè)擺放，拓展的機(jī)器人動(dòng)作范圍，單臺(tái)機(jī)器人可以服務(wù)多臺(tái)機(jī)床，應(yīng)用也較多。

2.3 桁架軌道行走機(jī)器人加工系統(tǒng)

與前述第2種布局類似，也是將機(jī)器人安裝在行走軌道上，區(qū)別是桁架式是將機(jī)器人安裝在空中桁架軌道上。相對(duì)于地面式，這種布局節(jié)約地面空間；不占用機(jī)床操作位置空間，對(duì)機(jī)床的維護(hù)、換刀等操作非常方便；但缺點(diǎn)是相對(duì)于地面式，施工比較復(fù)雜，對(duì)地基要求嚴(yán)格，并且自身維修保養(yǎng)不是很方便。

2.4 機(jī)器人與機(jī)器人一體化

這種布局，機(jī)器人專用服務(wù)于一臺(tái)機(jī)床，因此，當(dāng)生產(chǎn)線（單元）中數(shù)控機(jī)床數(shù)量增加時(shí)，成本較高；但優(yōu)點(diǎn)是機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、動(dòng)作、抓手均很簡(jiǎn)單，故障點(diǎn)少，系統(tǒng)可靠性高。

2.5 綜合性生產(chǎn)系統(tǒng)

即數(shù)字化車間，借助MES＼CAPPS＼ERP等信息化管理系統(tǒng)，輔以物流及傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全生產(chǎn)過程監(jiān)控、在線故障實(shí)時(shí)反饋、加工工藝數(shù)據(jù)管理、刀具信息管理、設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)管理、產(chǎn)品信息記錄等功能；滿足無人化生產(chǎn)需求，實(shí)現(xiàn)加工系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃、作業(yè)協(xié)調(diào)集成與優(yōu)化運(yùn)行。

3 機(jī)器人+數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化的誤區(qū)分析

3.1 效率最高、速度最快

從第一次世界大戰(zhàn)后期的機(jī)器人構(gòu)想期開始，直至機(jī)器人高速發(fā)展的今天，機(jī)器人的定位一至是“代替人工從事簡(jiǎn)單、重復(fù)、枯燥、繁重的工作”，也就是說機(jī)器換人才是機(jī)器人發(fā)展的主旨。當(dāng)然，提高生產(chǎn)效率是機(jī)器人發(fā)展的核心追求。但我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中，始終把提高綜合生產(chǎn)效率作為機(jī)器人自動(dòng)化應(yīng)用的核心，所謂“提高綜合生產(chǎn)效率”，即要求機(jī)器人自動(dòng)化系統(tǒng)在可靠、穩(wěn)定的前提下高效運(yùn)行，簡(jiǎn)單操作、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、低成本、方便管理。

3.2 對(duì)承重考慮不足

機(jī)器人的使用，應(yīng)當(dāng)在一個(gè)合理的負(fù)荷下工作，當(dāng)負(fù)荷逐漸增加、或者在存在偏心負(fù)荷的應(yīng)用時(shí)，機(jī)器人的響應(yīng)速度及壽命必將下降，帶來的結(jié)果是機(jī)器人系統(tǒng)在一個(gè)不經(jīng)濟(jì)的條件下運(yùn)行，效率降低，增加周期時(shí)間，延長(zhǎng)投資回收期。

3.3 對(duì)機(jī)器人期望值不正確

（1）期望機(jī)器人做過多的事，前方介紹過，復(fù)雜的系統(tǒng)、管理困難，故障點(diǎn)多，任何一個(gè)小故障都可能影響整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行，故障被放大；而讓機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、動(dòng)作簡(jiǎn)單，可靠性才會(huì)提高，效率才能提升。

（2）對(duì)仿真軟件過于信賴：機(jī)器人仿真軟件可以仿真出生產(chǎn)線的運(yùn)行姿態(tài)及干涉狀態(tài)，但對(duì)于電纜、管線的纏繞問題是仿真不了的。

（3）對(duì)機(jī)器人控制能力的不信任：前文介紹過，機(jī)器人的控制器是可以控制機(jī)器人生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行的。對(duì)于不是特別復(fù)雜的系統(tǒng)，不必增加總控制系統(tǒng)，可以降低成本，節(jié)能降耗。

機(jī)器人+數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)線（單元），是工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)、PLC通信技術(shù)及數(shù)控技術(shù)、信息化與傳感器技術(shù)等的綜合應(yīng)用，在上下料時(shí)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高了工作效率，并提高了數(shù)控機(jī)床操作的安全性。加強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床工業(yè)的融合，對(duì)于提高中國(guó)裝備制造業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力具有重大意義。

參考文獻(xiàn)

[1]謝吉紅，李誠(chéng)人.工業(yè)機(jī)器人在機(jī)床上下料應(yīng)用中的相關(guān)問題[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015，（18）：25.

[2]徐正平.工業(yè)機(jī)器人在機(jī)床上應(yīng)用漸成發(fā)展趨勢(shì)[N].中國(guó)工業(yè)報(bào)，2005-12-01（B03）.

（作者單位：大連機(jī)床集團(tuán)）