工業(yè)機器人的規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用及要求

本文從工業(yè)機器人的規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用及要求、工業(yè)機器人的生產(chǎn)角色、機器人集成CNC數(shù)控生產(chǎn)系統(tǒng)的建立、智能工廠初步規(guī)劃等方面，由淺入深地探討了工業(yè)機器人在智能時代所起的重要作用及應(yīng)用方向。

1. 工業(yè)機器人的規(guī)模化生產(chǎn)應(yīng)用及要求

隨著“工業(yè)4.0”智能時代的到來以及《中國制造2025》的規(guī)劃，工業(yè)機器人作為其重要的構(gòu)成要素，在生產(chǎn)制造過程中，如雨后春筍般大量涌現(xiàn)出來，并且在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著越來越重要的角色。從因最初的企業(yè)“用工荒”為替代人力用于生產(chǎn)至今，工業(yè)機器人早已成為標準配置的自動化裝備，在生產(chǎn)的方方面面獲得了廣泛的應(yīng)用，并成為工廠規(guī)模化生產(chǎn)過程中一道獨特的風景線。

隨著市場發(fā)展及技術(shù)進步，工業(yè)機器人在工廠應(yīng)用的范圍越來越廣，實現(xiàn)的功能也越來越多。從替代直接生產(chǎn)人力，不知疲倦地完成簡單、重復(fù)的取放料動作，到目前從提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率、工藝及品質(zhì)入手，構(gòu)建系統(tǒng)化運作平臺，在實現(xiàn)以智能工廠為代表的“工業(yè)4.0”時代進程中，工業(yè)機器人成為不可替代的重要生產(chǎn)軍。

目前， 工業(yè)機器人的生產(chǎn)應(yīng)用已滲透到產(chǎn)品生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)中，在既定的程序和范圍內(nèi)，實現(xiàn)了產(chǎn)品的生產(chǎn)加工、取放、搬運等功能。

然而，并非所有的生產(chǎn)環(huán)節(jié)都有必要投入機器人，機器人在投入生產(chǎn)應(yīng)用前， 首先應(yīng)進行全面的技術(shù)經(jīng)濟效益評估，確保其生產(chǎn)應(yīng)用，滿足以下幾點：

①應(yīng)滿足產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝要求和集成化設(shè)備的技術(shù)要求。②滿足生產(chǎn)負荷要求和安全防護要求。③機器人取放料動作時間應(yīng)滿足生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)效率的要求。④機器人抓取物料應(yīng)滿足產(chǎn)品加工精度、外觀等品質(zhì)要求。

2. 工業(yè)機器人的生產(chǎn)角色

工業(yè)機器人在生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，使生產(chǎn)對機器人不斷提出新的要求，從而推動了機器人技術(shù)水平的提高。同時，機器人性能與智能水平的提高也使得機器人不斷取代人在生產(chǎn)中的角色，廣泛地代替人從事各項生產(chǎn)作業(yè)，成為企業(yè)生產(chǎn)活動中的主要勞動力。工業(yè)機器人在生產(chǎn)中的角色，從代替人的大部分體力勞動，到部分腦力勞動，再不斷進化到集成自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中，發(fā)揮著管理協(xié)調(diào)的作用。

孤立的機器人在生產(chǎn)中沒有任何實用價值。機器人在生產(chǎn)中的角色、作用實際上是根據(jù)生產(chǎn)內(nèi)容、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝要求等因素，通過不同的末端執(zhí)行裝置（手爪）結(jié)構(gòu)和功能體現(xiàn)出來的，實現(xiàn)了上下料、裝配、加工、檢測及智能判定等各種獨立或復(fù)合的作業(yè)功能。

對于執(zhí)行生產(chǎn)加工、產(chǎn)生產(chǎn)品附加價值的的工藝加工類機器人，其手爪整合了各類加工工具（焊槍、噴槍、刀具、砂輪及拋光輪等） ， 實現(xiàn)了焊接、涂裝、打磨、檢測、裝配等生產(chǎn)過程，在生產(chǎn)中承擔了主要角色，在工藝、精度、生產(chǎn)效率、品質(zhì)等方面是不可替代的。然而，對于那些配合工作母機或其他自動化設(shè)備，或獨立實現(xiàn)取放料的輔助類機器人，其手爪的結(jié)構(gòu)、功能較單一，在工藝、生產(chǎn)效率、品質(zhì)等方面并沒有明顯的優(yōu)勢，承擔了生產(chǎn)輔助工作，具有可替代性。目前，在生產(chǎn)各環(huán)節(jié)廣泛應(yīng)用的工業(yè)機器人，約75%從事著簡單取放物料的輔助工作。因而，承擔生產(chǎn)配角仍然是目前工業(yè)機器人生產(chǎn)應(yīng)用的主流。

如果說各類結(jié)構(gòu)和功能的手爪使工業(yè)機器人游刃有余地在生產(chǎn)中發(fā)揮巨大的作用，那么，增設(shè)輔助機械裝置，將機器人裝在可移動的滑臺、導(dǎo)軌或滾輪上，使機器人擴大生產(chǎn)作業(yè)空間，無異于給機器人安上腿腳、插上翅膀，實現(xiàn)了一個或多個維度的移動，大大提高了機器人的工作能力和應(yīng)用領(lǐng)域。

有了手和腳的機器人，再配置CCD、傳感器等視覺感應(yīng)裝置，就如同給機器人裝上了眼睛和大腦，使其具有可視化、分析判斷及系統(tǒng)反饋等功能，在生產(chǎn)系統(tǒng)集成環(huán)境下，可實現(xiàn)分析判斷、故障處理、生產(chǎn)管理等智能工作。

因此，高效率的機器人末端執(zhí)行裝置（手爪），不斷延伸機器人行動空間的輔助機械裝置，以及提升機器人的視覺、感知、檢測及分析等的智慧能力，是工業(yè)機器人在生產(chǎn)應(yīng)用中地位和角色的重要體現(xiàn)。

3. 機器人集成CNC數(shù)控生產(chǎn)系統(tǒng)的建立

產(chǎn)品在CNC數(shù)控生產(chǎn)加工過程中，所需的人力角色較多，有CNC數(shù)控機床操作及取放料人員、檢測人員、物流人員、流動夾具的裝拆夾人員、維修保養(yǎng)人員、品質(zhì)人員、生產(chǎn)技術(shù)及管理人員等。在這樣人工參預(yù)度較多的生產(chǎn)環(huán)境下，對管理協(xié)調(diào)的要求較高，產(chǎn)能、品質(zhì)、成本等方面很容易受到因溝通協(xié)調(diào)不暢、不及時等不利因素的影響，造成浪費。因此，如何利用機器人和自動化設(shè)備改變目前不利的生產(chǎn)局面顯得尤為重要。

首先，從降低人力需求、減少人工參預(yù)度的角度，對產(chǎn)品的CNC數(shù)控生產(chǎn)工藝過程、車間布局、物流狀況等方面進行分析，對現(xiàn)有的人工作業(yè)方式進行動作時間分析研究。

在滿足現(xiàn)有的生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，利用機器人模仿CNC操作及取放料人員的動作要求，替代CNC數(shù)控機床操作及取放料人員，開發(fā)機器人一拖二系統(tǒng)，如圖1所示，實現(xiàn)一臺機器人對應(yīng)兩臺CNC數(shù)控機床，完成取放物料的過程。

當整個車間的直接生產(chǎn)人力全部由機器人一拖二系統(tǒng)代替時，物流人員就成為車間的主要人力。為了減少物流人力，同時降低機器人的生產(chǎn)投入，開發(fā)了機器人“一拖N”系統(tǒng)。

如圖2所示，把機器人裝在導(dǎo)軌上，從而延伸了機器人的作業(yè)空間，提高了機器人的工作能力和應(yīng)用范圍，實現(xiàn)了一臺機器人在導(dǎo)軌上移動，對應(yīng)多臺CNC的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)。

為了讓機器人專心完成對CNC數(shù)控機床的取放料工作，通過規(guī)劃“二二相連”供收料流水線，在原有N套“一拖二”系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立專用的物流快速輸送通道，如圖3所示，實現(xiàn)物料的快速供應(yīng)和產(chǎn)品的快速周轉(zhuǎn)，使機器人及時配合CNC完成取放料作業(yè)，達到產(chǎn)能的最大化，并且滿足小批量、多品種的產(chǎn)品生產(chǎn)通用性要求。

無論是“一拖二”、“一拖N”還是“二二相連”等系統(tǒng)的開發(fā)，都實現(xiàn)了機器人與CNC數(shù)控機床的集成化生產(chǎn)，機器人配合CNC數(shù)控機床，完成了產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)加工過程。機器人集成化生產(chǎn)節(jié)省了操作人力，提高了CNC數(shù)控機床的利用率，避免了過多的人工干預(yù)導(dǎo)致的產(chǎn)能、品質(zhì)等不穩(wěn)定狀況的發(fā)生。

在CNC的輔助生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，自動化設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用同樣較好地解決了生產(chǎn)中人力需求較多、生產(chǎn)效率不足等問題。比如， 原有流動夾具的裝拆夾過程， 人力需求較多， 勞動強度大，生產(chǎn)效率較低，開發(fā)流動夾具的自動裝拆夾設(shè)備，以代替裝拆夾人員。

針對產(chǎn)品在CNC加工后的品質(zhì)檢測環(huán)節(jié)，檢測人力需求多，生產(chǎn)效率低，且人工檢測品質(zhì)不易保證，從而開發(fā)了自動檢測設(shè)備，代替檢測人員。同時，自動化設(shè)備的取放料過程，都可通過機器人自動完成。

無論是機器人集成系統(tǒng)，還是自動化設(shè)備，其重要的衡量指標，是適應(yīng)相似產(chǎn)品的生產(chǎn)互換性。互換性越好，則系統(tǒng)或設(shè)備的價值、使用效率及壽命就越高。機器人集成系統(tǒng)互換性的基本要求是產(chǎn)品變更后，只需調(diào)整流動夾具、末端執(zhí)行器（手爪）等與產(chǎn)品相適應(yīng)的部分，而不會影響機器人集成系統(tǒng)整體的運行方式及功能實現(xiàn)。

4. 智能工廠初步規(guī)劃

機器人集成CNC數(shù)控生產(chǎn)加工過程的實現(xiàn)，不僅需充分考慮產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)拍（TT）、加工周期（CT）等條件，還要合理規(guī)劃車間生產(chǎn)布局、物流方式，實現(xiàn)物料快速周轉(zhuǎn)。

科學合理的工廠自動物流系統(tǒng)的規(guī)劃，是實現(xiàn)智能工廠的前提條件。在CNC“一拖N”系統(tǒng)、“二二相連”系統(tǒng)及自動化設(shè)備等基礎(chǔ)上，根據(jù)各加工單元和工站的物料需求方式、需求量及需求節(jié)拍等，建立系統(tǒng)化集成的物料供給系統(tǒng)，開發(fā)物流調(diào)度邏輯，設(shè)置各物流對接站點。

利用AGV自動移載機器人代替物流人員，將車間一個個孤立的生產(chǎn)設(shè)備、加工單元、工站、自動裝拆、檢測等環(huán)節(jié)有機連接起來，以減少中間環(huán)節(jié)、縮短產(chǎn)品物流周期，使加工、裝配、檢測、物流及取放物料等生產(chǎn)過程融為一體，實現(xiàn)物料準確、連續(xù)、及時地在各工站之間進行自動傳遞對接，如圖4所示。

在機器人集成CNC系統(tǒng)、自動化設(shè)備以及AGV自動物流系統(tǒng)等基礎(chǔ)上，構(gòu)建CNC車間的SCADA數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、遠程監(jiān)控、實時顯示及異常處理等功能的智能生產(chǎn)系統(tǒng)。

通過SCADA系統(tǒng)，實時采集、分析、監(jiān)控產(chǎn)品在CNC機床的加工數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信息、AGV實時運行狀況、產(chǎn)能及生產(chǎn)效率、設(shè)備故障及原因分析、產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)等，并將生產(chǎn)數(shù)據(jù)、信息（刀具壽命、產(chǎn)能、檢測數(shù)據(jù)等）實時傳遞到生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，使CNC刀具實時自動換刀或自動補償，以確保產(chǎn)品生產(chǎn)品質(zhì)和生產(chǎn)運行連續(xù)，同時，還不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低損耗，提高效率。最終，替代了車間的部分生產(chǎn)技術(shù)及管理人員、品質(zhì)人員以及維修保養(yǎng)人員。

通過建立“機器人集成CNC數(shù)控生產(chǎn)系統(tǒng)+自動化設(shè)備+AGV自動物流系統(tǒng)+SCADA網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)”，使智能工廠的目標實現(xiàn)又前進了一步。

5. 結(jié)語

工業(yè)機器人通過高效率、可互換的末端執(zhí)行裝置（手爪）以及與數(shù)控機床等設(shè)備對接的集成化輔助機械裝置、流水線等，提高了機器人的動作效率，擴展了作業(yè)空間，替代了大量的生產(chǎn)人力，滿足了產(chǎn)能要求。

然而，經(jīng)過長期的機器人生產(chǎn)應(yīng)用實踐，企業(yè)不再滿足機器人只是在有限程度上代替生產(chǎn)人力、達成產(chǎn)能，持續(xù)發(fā)展才是企業(yè)追求的根本目標。

因此，通過建立生產(chǎn)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，使機器人在系統(tǒng)環(huán)境中，不僅有效執(zhí)行生產(chǎn)加工任務(wù)，同時，維護生產(chǎn)管理，持續(xù)不斷地提升產(chǎn)品品質(zhì)、生產(chǎn)工藝及管理水平。達到這樣的智慧化程度，不僅需要大幅提升機器人集成技術(shù)，更需要企業(yè)精益生產(chǎn)管理能力與機器人集成技術(shù)的緊密融合。
責任編輯:pj