基于機(jī)器人的機(jī)械加工自動線的典型特征

【摘要】本文介紹了基于機(jī)器人的機(jī)械加工自動線的典型特征，闡述了基于機(jī)器人機(jī)加自動線的組成型式，分析了基于典型機(jī)器人的機(jī)加自動線的結(jié)構(gòu)型式及每種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。提出了如何選擇適用于機(jī)加自動線的機(jī)器人，總結(jié)了基于機(jī)器人機(jī)加自動線的發(fā)展趨勢。

機(jī)械加工由加工設(shè)備對金屬毛坯件通過材料去除的方式，達(dá)到圖樣要求。目前，金屬零件的機(jī)械加工多以金屬切削的方式來實現(xiàn)，人為因素可導(dǎo)致零件的加工效率低、精度一致性差等。

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人口紅利的降低，基于機(jī)器人的自動化加工單元、自動化加工生產(chǎn)線已越來越多被采用。不僅局限于較成熟的汽車缸體缸蓋行業(yè)，目前在各個行業(yè)領(lǐng)域零件的加工都朝著自動化的加工方向發(fā)展，包括航空航天結(jié)構(gòu)件、汽車發(fā)動機(jī)零部件目前都已經(jīng)實現(xiàn)了自動化加工。

1.機(jī)器人機(jī)加自動線的特征及組成

基于機(jī)器人的機(jī)加自動線是集加工設(shè)備自動化、工件上下料自動化、工件定位夾緊自動化、工件輸送自動化、排屑自動化、自動線連鎖保護(hù)自動化、工件與刀具自動檢測及自動控制等于一身的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，具有良好的柔性，生產(chǎn)精度和效率較高，大大降低操作者勞動強(qiáng)度，易于實現(xiàn)批量生產(chǎn)。其典型特征是將加工設(shè)備按照既定的工藝路線依次排列，用機(jī)器人及自動輸送裝置、其它輔助裝置等連接起來，使其按規(guī)定的程序進(jìn)行自動工作。

在自動線中，工件以一定的生產(chǎn)節(jié)拍、按照工藝順序自動地經(jīng)過各個工位，自動完成預(yù)定的加工過程，最終形成合格的產(chǎn)品。

典型的機(jī)加自動線主要由機(jī)器人、加工設(shè)備、工藝裝備、輸送裝備、輔助裝備、控制系統(tǒng)等組成?；诠に囈?、工藝過程、生產(chǎn)率要求、自動化程度等因素，機(jī)加自動線的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜程度差別很大。

（1）機(jī)器人

加工設(shè)備的上下料裝置主要由機(jī)器人或小車來完成，具體有桁架式機(jī)器人、關(guān)節(jié)型機(jī)器人、RGV與AGV小車、協(xié)作機(jī)器人等。其中，桁架式機(jī)械手與關(guān)節(jié)機(jī)器人承載量較小，承載較大的多用RGV小車來完成?？筛鶕?jù)產(chǎn)線布局及工件大小，進(jìn)行工件輸送設(shè)備和機(jī)床上下料裝置選擇。

（2）加工設(shè)備

主要為數(shù)控機(jī)床，多具有封閉的加工區(qū)域，含有自動上下料門，具備自動交換刀具功能，自動排屑功能，有的還帶有機(jī)內(nèi)刀具測量、工件檢測系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的選擇主要根據(jù)被加工零件的尺寸、加工精度和生產(chǎn)類型等來進(jìn)行，同時也要兼顧加工效率和加工穩(wěn)定性，主要為立式加工中心、臥式加工中心、數(shù)控車床等。通常大批量生產(chǎn)選用組合機(jī)床，生產(chǎn)批量不大而品種繁多應(yīng)選柔性加工系統(tǒng)。

（3）工藝裝備

主要包括夾具系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、量具、輔具。其中，夾具完成對工件的裝夾及轉(zhuǎn)運，保證工件在每次加工中固定穩(wěn)定可靠。每次交換能夠準(zhǔn)確無誤完成工件的定位及緊固，夾具有固定在工位上的，也有隨工件一起運行的隨行夾具。

而刀具作為機(jī)加材料的去除工具，要保證刀具性能可靠。生產(chǎn)線所用的刀具種類規(guī)格較多，還要保證能自動交換，這就要求每臺加工設(shè)備具備自動交換刀具功能，具備自己的刀庫及換刀機(jī)械手。同時根據(jù)需要可以配中央刀庫，通過交換裝置把刀庫運到所需的設(shè)備上。為了掌握刀庫的使用情況，可配備RFID功能，掌握每把刀具的使用壽命等情況。同時機(jī)床內(nèi)還可安裝對刀儀，對刀具的磨損、刀長、刀徑、斷刀等進(jìn)行在線檢測。

（4）輸送裝備

主要包括工件輸送裝置、儲料裝置（料庫）等。工件輸送裝置負(fù)責(zé)工件在不同機(jī)加設(shè)備之間運轉(zhuǎn)，多為鏈?zhǔn)?、帶式傳送機(jī)構(gòu)。儲料裝置也可稱為料庫，主要用來存儲工件，包括毛坯、半成品與成品，有單一線形、矩陣式立體庫、環(huán)島式等型式?？梢罁?jù)工件大小、加工頻率、場地面積等進(jìn)行合理的料庫選擇。

（5）輔助裝備

主要包括清洗裝置、排屑裝置等。針對機(jī)加自動線的持續(xù)高效加工，要保證將切屑及時順利清除出工作區(qū)，尤其是夾具定位面的切屑，如清除不干凈就會導(dǎo)致定位不準(zhǔn)或損傷工件，最終導(dǎo)致零件加工不合格。因此，加工設(shè)備通常配置主軸中心出水、主軸環(huán)噴、頂棚噴淋等裝置，大力沖刷工件及夾具表面，保證工件準(zhǔn)確定位及裝夾。

每臺加工設(shè)備通常具有自己的排屑系統(tǒng)，而每臺設(shè)備的切屑統(tǒng)一排入產(chǎn)線的接屑系統(tǒng)中集中處理，即集中排屑，集中排屑后可對積屑進(jìn)行壓塊處理。

（6）控制系統(tǒng)

自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)就像大腦一樣，控制整個產(chǎn)線協(xié)同生產(chǎn)，對下位機(jī)的加工設(shè)備、輸送設(shè)備、輔助裝置等進(jìn)行控制，實行統(tǒng)一調(diào)度管理，保證生產(chǎn)線按節(jié)拍有序進(jìn)行。

智能的機(jī)加自動線主要包括數(shù)據(jù)層、物理層和人機(jī)交互平臺。數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸和分析，物理層與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換主要依靠現(xiàn)場總線來完成。物理層通常包括控制站、操作站和現(xiàn)場控制層，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集和遙感。人機(jī)交互平臺使人與設(shè)備完美結(jié)合，保證產(chǎn)線準(zhǔn)確、高效地完成既定加工。

2.機(jī)器人機(jī)加自動線典型結(jié)構(gòu)型式

基于機(jī)器人的機(jī)加自動線，工件上下料的方式有采用桁架機(jī)器人、關(guān)節(jié)機(jī)器人、有軌自動化小車、AGV叉車、協(xié)作機(jī)器人等方式。

桁架式機(jī)加自動線主要由加工中心與桁架機(jī)器人組成，如圖1所示。桁架機(jī)器人通常由主體、驅(qū)動系統(tǒng)與控制系統(tǒng)組成，也稱直角坐標(biāo)機(jī)器人，由兩個或三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)，直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，可達(dá)到很高的位置精度。

桁架型式主要為懸臂式、龍門式、天車式三種結(jié)構(gòu)。懸臂式用來搬運較輕部件；龍門式結(jié)構(gòu)，主橫梁采用齒輪條加線軌傳動，具有高剛性、負(fù)載重等特點，不會受到物件重量限制，整體移動十分靈活；桁架機(jī)器人在高空中輸送零件，直接把被加工零件從一臺機(jī)床輸送到另一臺機(jī)床上，桁架機(jī)器人兼有工序間運輸和自動上下料及物料回轉(zhuǎn)等輔助功能。具有輸送快捷、精準(zhǔn)、柔性，結(jié)構(gòu)相對簡捷，便于組合等優(yōu)點。

關(guān)節(jié)機(jī)器人機(jī)加自動線（見圖2）主要由關(guān)節(jié)機(jī)器人與加工中心組成，其中關(guān)節(jié)機(jī)器人多為六軸工業(yè)機(jī)器人，通常由齒輪齒條驅(qū)動，在加工中心前面的軌道上直線運行，形成第七軸，實現(xiàn)在不同加工中心間上下料及運輸工件。如地面面積有限，關(guān)節(jié)機(jī)器人可布置在桁架之上，桁架布置在加工中心之間，使產(chǎn)線空間更加緊湊。總之，關(guān)節(jié)機(jī)器人適用于各種機(jī)床的上下料，動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。關(guān)節(jié)型機(jī)器人自由度高，工作空間比較大?？赏ㄟ^更換末端執(zhí)行器及相關(guān)夾具類型，進(jìn)行換產(chǎn)，具有高效率、高穩(wěn)定性、易于維護(hù)、柔性化等優(yōu)點，可以滿足不同種類產(chǎn)品的生產(chǎn)。

關(guān)節(jié)機(jī)器人還可配置視覺系統(tǒng)，使產(chǎn)線更加智能化。關(guān)節(jié)機(jī)器人也可用在加工中心刀具的自動交換系統(tǒng)上，使產(chǎn)線加工中心的自動換刀更加柔性化，提升加工中心的加工效率。該型式自動線的料庫通常布置在產(chǎn)線的一側(cè)，便于集中管理。

有軌小車式機(jī)加自動線（見圖3）主要由搬運小車、軌道、加工中心、料庫等組成。小車通常具有三個直線軸：整體運動軸、伸縮軸、升降軸，有的還有第四軸的旋轉(zhuǎn)軸。其中，整體運動軸可使小車在各個工位的加工中心間運行；伸縮軸可伸長進(jìn)入到工作區(qū)，之后升降軸升起，拖住工件托盤，之后縮回，到下一個工位升降軸再下降，伸縮軸再縮回，就完成了工件在不同工位之間的交換。該型式機(jī)加自動線可用于輸送重質(zhì)量工件，小車軌道可隨需求任意加長，具有速度快、可靠性高等特點。該類產(chǎn)線的料庫多布置在加工中心的對面，依據(jù)產(chǎn)量需求，可為單層與多層立體庫型式。

圖4為由搬運小車組成的航空結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)線。由于航空結(jié)構(gòu)件多采用大去除率的加工設(shè)備，故該類加工設(shè)備工作臺垂直布置，工件在上下料位進(jìn)行水平上料與下料，之后翻起，再交換到RGV小車上，由小車運送到不同位置機(jī)床進(jìn)行上下料，料庫也是垂直地面布置。雖然航空結(jié)構(gòu)件都很大，但這種長線布局方式占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊。如斯達(dá)拉格的Ecospeed航空結(jié)構(gòu)件自動線被應(yīng)用于很多飛機(jī)結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)商。

AGV叉車式機(jī)加自動線主要由AGV叉車與加工中心、料庫等組成。AGV更加靈活，柔性更大，生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)得以簡化，減少了有軌小車的軌道，縮小了占地面積，開放性更好。自動化水平更高，可十分便捷地與加工中心、物流系統(tǒng)實現(xiàn)自動對接，多臺AGV叉車可組成多條柔性加工線，效率更高，更加智能化。

3. 選擇適合機(jī)加自動線的機(jī)器人

機(jī)加自動線型式多樣，如何選擇一款適合于機(jī)加自動線的機(jī)器人呢？可關(guān)注以下幾個主要方面。

（1）自由度

自由度即機(jī)器人的軸數(shù)，軸數(shù)越多機(jī)器人的靈活性也就越強(qiáng)。主要依據(jù)工作空間進(jìn)行軸數(shù)的選擇。空間足夠，通常四軸機(jī)器人即可完成指定工作。如果空間狹小，需要避免障礙就要選擇更多軸數(shù)的六軸機(jī)器人，再加上直線移動軸構(gòu)成七軸。

（2）負(fù)載

要依據(jù)工件的重量，重量太大的只能應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人來完成，協(xié)作機(jī)器人承載較小無法滿足，重量大小依次可選擇RGV小車、桁架機(jī)器人、關(guān)節(jié)機(jī)器人。

（3）最大運動范圍

要確定好機(jī)器人的有效臂展及回轉(zhuǎn)直徑，要保證能抓取到目標(biāo)工件，路徑上不能有其他障礙。

（4）速度

如果要考慮上下料的效率，還要選擇合適的機(jī)器人速度，優(yōu)化路徑設(shè)計，才能提高自動化效率。

（5）重復(fù)定位精度

指機(jī)器人重復(fù)執(zhí)行一個動作的位置準(zhǔn)確性，只有重復(fù)定位精度高了，才能保證機(jī)器人每次都停在理論的目標(biāo)位置。

另外，還要根據(jù)工件的幾何形狀、工藝特征、毛坯形狀等，選擇合適的機(jī)器人。同時要依據(jù)生產(chǎn)車間的面積大小及形狀，考慮何種結(jié)構(gòu)型式的機(jī)器人更能適應(yīng)作業(yè)空間。機(jī)器人的選擇盡量要滿足生產(chǎn)線的柔性化，以便適應(yīng)不同種類、不同特征零件的靈活換產(chǎn)，提高生產(chǎn)線的利用率。

4.結(jié)語

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展及智能制造裝備的逐漸強(qiáng)大，機(jī)器人會被更加廣泛地應(yīng)用于機(jī)加自動線中，以提升加工效率和精度穩(wěn)定性。基于機(jī)器人的機(jī)加自動線將朝著高度智能化方向發(fā)展，是信息化與工業(yè)化深度融合的具體體現(xiàn)。

具備多傳感器融合的智能化機(jī)器人、智能化數(shù)控加工設(shè)備、智能化工藝裝備、智能化在線測量部件、智能化物流輸送裝置等，與融合了先進(jìn)信息技術(shù)、制造技術(shù)、自動化技術(shù)和人工智能技術(shù)的高度柔性及集成的智能化生產(chǎn)線相結(jié)合，將進(jìn)一步形成智能化加工車間，最終真正實現(xiàn)無人化、智能化加工在機(jī)械行業(yè)各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

審核編輯 ：李倩