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WMEM | 基于機(jī)器人的機(jī)加工自動(dòng)線的應(yīng)用及選擇
WMEM | 基于機(jī)器人的機(jī)加工自動(dòng)線的應(yīng)用及選擇
【摘要】本文介紹了基于機(jī)器人的機(jī)械加工自動(dòng)線的典型特征，闡述了基于機(jī)器人機(jī)加自動(dòng)線的組成型式，分析了基于典型機(jī)器人的機(jī)加自動(dòng)線的結(jié)構(gòu)型式及每種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。提出了如何選擇適用于機(jī)加自動(dòng)線的機(jī)器人，總結(jié)了基于機(jī)器人機(jī)加自動(dòng)線的發(fā)展趨勢(shì)。
機(jī)械加工由加工設(shè)備對(duì)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(shí)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(dòng)化加工單元、自動(dòng)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(gè)行業(yè)領(lǐng)域零件的加工都朝著自動(dòng)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(dòng)機(jī)零部件目前都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化加工。
1. 機(jī)器人機(jī)加自動(dòng)線的特征及組成
基于機(jī)器人的機(jī)加自動(dòng)線是集加工設(shè)備自動(dòng)化、工件上下料自動(dòng)化、工件定位夾緊自動(dòng)化、工件輸送自動(dòng)化、排屑自動(dòng)化、自動(dòng)線連鎖保護(hù)自動(dòng)化、工件與刀具自動(dòng)檢測(cè)及自動(dòng)控制等于一身的自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度，易于實(shí)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(dòng)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(dòng)工作。
在自動(dòng)線中，工件以一定的生產(chǎn)節(jié)拍、按照工藝順序自動(dòng)地經(jīng)過各個(gè)工位，自動(dòng)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(dòng)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。基于工藝要求、工藝過程、生產(chǎn)率要求、自動(dòng)化程度等因素，機(jī)加自動(dòng)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。可根據(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(dòng)上下料門，具備自動(dòng)交換刀具功能，自動(dòng)排屑功能，有的還帶有機(jī)內(nèi)刀具測(cè)量、工件檢測(cè)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(shí)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(duì)工件的裝夾及轉(zhuǎn)運(yùn)，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(yùn)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(dòng)交換，這就要求每臺(tái)加工設(shè)備具備自動(dòng)交換刀具功能，具備自己的刀庫(kù)及換刀機(jī)械手。同時(shí)根據(jù)需要可以配中央刀庫(kù)，通過交換裝置把刀庫(kù)運(yùn)到所需的設(shè)備上。為了掌握刀庫(kù)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(shí)機(jī)床內(nèi)還可安裝對(duì)刀儀，對(duì)刀具的磨損、刀長(zhǎng)、刀徑、斷刀等進(jìn)行在線檢測(cè)。
（4）輸送裝備
主要包括工件輸送裝置、儲(chǔ)料裝置（料庫(kù)）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(yùn)轉(zhuǎn)，多為鏈?zhǔn)健絺魉蜋C(jī)構(gòu)。儲(chǔ)料裝置也可稱為料庫(kù)，主要用來存儲(chǔ)工件，包括毛坯、半成品與成品，有單一線形、矩陣式立體庫(kù)、環(huán)島式等型式。可依據(jù)工件大小、加工頻率、場(chǎng)地面積等進(jìn)行合理的料庫(kù)選擇。
（5）輔助裝備
主要包括清洗裝置、排屑裝置等。針對(duì)機(jī)加自動(dòng)線的持續(xù)高效加工，要保證將切屑及時(shí)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(huì)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(tái)加工設(shè)備通常具有自己的排屑系統(tǒng)，而每臺(tái)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(duì)積屑進(jìn)行壓塊處理。
（6）控制系統(tǒng)
自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)就像大腦一樣，控制整個(gè)產(chǎn)線協(xié)同生產(chǎn)，對(duì)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(shí)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(dòng)線主要包括數(shù)據(jù)層、物理層和人機(jī)交互平臺(tái)。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(chǎng)總線來完成。物理層通常包括控制站、操作站和現(xiàn)場(chǎng)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(tái)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(dòng)線典型結(jié)構(gòu)型式
基于機(jī)器人的機(jī)加自動(dòng)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(dòng)化小車、AGV叉車、協(xié)作機(jī)器人等方式。
桁架式機(jī)加自動(dòng)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(dòng)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(gè)或三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，可達(dá)到很高的位置精度。
圖1 桁架式機(jī)加自動(dòng)線
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(yùn)較輕部件；龍門式結(jié)構(gòu)，主橫梁采用齒輪條加線軌傳動(dòng)，具有高剛性、負(fù)載重等特點(diǎn)，不會(huì)受到物件重量限制，整體移動(dòng)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(tái)機(jī)床輸送到另一臺(tái)機(jī)床上，桁架機(jī)器人兼有工序間運(yùn)輸和自動(dòng)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(duì)簡(jiǎn)捷，便于組合等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)節(jié)機(jī)器人機(jī)加自動(dòng)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(dòng)，在加工中心前面的軌道上直線運(yùn)行，形成第七軸，實(shí)現(xiàn)在不同加工中心間上下料及運(yùn)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(dòng)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。可通過更換末端執(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(diǎn)，可以滿足不同種類產(chǎn)品的生產(chǎn)。
圖2 關(guān)節(jié)機(jī)器人式機(jī)加自動(dòng)線
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(dòng)交換系統(tǒng)上，使產(chǎn)線加工中心的自動(dòng)換刀更加柔性化，提升加工中心的加工效率。該型式自動(dòng)線的料庫(kù)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(dòng)線（見圖3）主要由搬運(yùn)小車、軌道、加工中心、料庫(kù)等組成。小車通常具有三個(gè)直線軸：整體運(yùn)動(dòng)軸、伸縮軸、升降軸，有的還有第四軸的旋轉(zhuǎn)軸。其中，整體運(yùn)動(dòng)軸可使小車在各個(gè)工位的加工中心間運(yùn)行；伸縮軸可伸長(zhǎng)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(gè)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(dòng)線可用于輸送重質(zhì)量工件，小車軌道可隨需求任意加長(zhǎng)，具有速度快、可靠性高等特點(diǎn)。該類產(chǎn)線的料庫(kù)多布置在加工中心的對(duì)面，依據(jù)產(chǎn)量需求，可為單層與多層立體庫(kù)型式。
圖3 有軌小車式機(jī)加自動(dòng)線
圖4為由搬運(yùn)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(tái)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(yùn)送到不同位置機(jī)床進(jìn)行上下料，料庫(kù)也是垂直地面布置。雖然航空結(jié)構(gòu)件都很大，但這種長(zhǎng)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(dòng)線被應(yīng)用于很多飛機(jī)結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)商。
圖4 航空結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)線
AGV叉車式機(jī)加自動(dòng)線主要由AGV叉車與加工中心、料庫(kù)等組成。AGV更加靈活，柔性更大，生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)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(dòng)化水平更高，可十分便捷地與加工中心、物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)接，多臺(tái)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(dòng)線的機(jī)器人
機(jī)加自動(dòng)線型式多樣，如何選擇一款適合于機(jī)加自動(dòng)線的機(jī)器人呢？可關(guān)注以下幾個(gè)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jì)，才能提高自動(dòng)化效率。
（5）重復(fù)定位精度
指機(jī)器人重復(fù)執(zhí)行一個(gè)動(dòng)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(shí)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(yǔ)
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(huì)被更加廣泛地應(yīng)用于機(jī)加自動(dòng)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(dòng)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(cè)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(dòng)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(shí)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。
作者：張傳思（科德數(shù)控股份有限公司沈陽(yáng)分公司） 來源：《世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)（WMEM）》雜志2022年第2期
