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工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控機(jī)床壓鑄件加工行業(yè)的集成應(yīng)用研究

2021-8-20 來源：廣州數(shù)控設(shè)備有限公司作者：何敏佳江文明

1．壓鑄產(chǎn)品制造企業(yè)存在的一些問題

隨著生活水平的不斷提升，人們對(duì)生活質(zhì)量的需要也逐漸提高 ; 汽車、家用電器、電子通信等產(chǎn)品的需求及更替越來越快，而這些產(chǎn)品的零部件大多采用壓鑄成型制造的工藝方式。因?yàn)閴鸿T產(chǎn)品有著近終產(chǎn)品特性，具有成形狀態(tài)各異經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)良，外形尺寸精度高和互換性好，設(shè)計(jì)材料利用率高，只需經(jīng)過少量機(jī)械加工即可裝配使用，制造效率高等優(yōu)點(diǎn)，是今后更多任務(wù)業(yè)產(chǎn)品采用壓鑄制造工藝的發(fā)展趨勢(shì)。

然而，為了滿足日益增長(zhǎng)的訂單需求，壓鑄產(chǎn)品機(jī)械加工中企業(yè)又面臨諸多問題，比如壓鑄產(chǎn)品種類較多，但差異化小，需要多次裝夾定位、兼容互換等保證加工后品質(zhì)一致性 ; 訂單多次少量、交貨期短，對(duì)產(chǎn)線物料供應(yīng)計(jì)劃及時(shí)性，生產(chǎn)計(jì)劃需更加周密協(xié)調(diào) ; 數(shù)控機(jī)床加工的性能效率、編程與操作的復(fù)雜，需要配置更加專業(yè)的操控技術(shù)人員 ; 生產(chǎn)連續(xù)化、工件的上下料裝夾，主要依賴工人的體力和技能，生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、缺少熟練技工人才，很難以保障產(chǎn)品加工的穩(wěn)定性和一致性 ; 同時(shí)，隨著人口紅利的缺失，企業(yè)更面臨用工荒、招工難，勞動(dòng)力成本的大幅度上升等困境。

鑒于上述存在的問題，促使機(jī)床加工行業(yè)越來越多地利用自動(dòng)化、信息化技術(shù)改造傳統(tǒng)工藝流程轉(zhuǎn)型升級(jí) ; 進(jìn)一步提高企業(yè)的生產(chǎn)應(yīng)變能力，在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換生產(chǎn)，并兼容多種產(chǎn)品在線加工的智能化產(chǎn)線。需研究工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控機(jī)床壓鑄產(chǎn)品加工的智能生產(chǎn)線來解決企業(yè)存在的問題，并推動(dòng)企業(yè)智能化改造升級(jí)的必然發(fā)展趨勢(shì)。

2．改善企業(yè)生產(chǎn)制造問題集成工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的主要方式

工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)加工中主要是替代作業(yè)人員改變傳統(tǒng)的人工生產(chǎn)模式，將生產(chǎn)物料在不同工序間進(jìn)行搬運(yùn)與轉(zhuǎn)換功能，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的自動(dòng)化生產(chǎn)流程 ; 機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床集成的方式主要有以下 :

（1）集成單機(jī)工作站生產(chǎn)

集成單機(jī)工作站是機(jī)器人在數(shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的典型應(yīng)用。多應(yīng)用于生產(chǎn)單次批量大、加工時(shí)間短的中小零件加工 ; 對(duì)比人工操作上下料更準(zhǔn)確、迅速、安全，機(jī)器人替代人工上下料作業(yè)的優(yōu)勢(shì)明顯，也是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線自動(dòng)化的基礎(chǔ)。

（2）集成多機(jī)數(shù)控機(jī)床與工業(yè)機(jī)器人組成自動(dòng)化生產(chǎn)線

工業(yè)機(jī)器人與若干臺(tái)數(shù)控機(jī)床組成自動(dòng)化生產(chǎn)線，完成生產(chǎn)中的幾個(gè)連續(xù)性加工工序 ; 機(jī)器人主要承擔(dān)工件在各工序之間的轉(zhuǎn)換搬運(yùn)工作 ;比集成單機(jī)上下料更為復(fù)雜也更有價(jià)值的一種應(yīng)用。在當(dāng)前工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)過程中，市場(chǎng)需求越來

越廣泛。

（3）集成多機(jī)組成自動(dòng)化、信息化的智能生產(chǎn)線

在與若干臺(tái)數(shù)控機(jī)床組成自動(dòng)化生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，需要對(duì)生產(chǎn)狀況、設(shè)備狀態(tài)、能源消耗、生產(chǎn)質(zhì)量、物料消耗等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析，進(jìn)行高效排產(chǎn)和合理排班，顯著提高設(shè)備利用率（OEE），柔性靈活調(diào)整工藝，適應(yīng)小批量、多品種的混合生產(chǎn)智能模式 ;

3．工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床集成智能應(yīng)用產(chǎn)線解決方案

3.1 智能生產(chǎn)集成設(shè)計(jì)依據(jù)

通過以壓鑄產(chǎn)品成型后需要進(jìn)行自動(dòng)上料、工件識(shí)別、銑裝配面、鉆孔、攻絲、清洗、自動(dòng)下料生產(chǎn)工藝需求為例，闡述采用工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床集成技術(shù)對(duì)產(chǎn)線智能改造升級(jí)方案制定。

（1）壓鑄產(chǎn)品規(guī)格: 約為 520mm*320mm*20mm, 產(chǎn)品重量 <=12kg;

（2）壓鑄產(chǎn)品主要加工要求見圖 1;

圖 1

（3）料倉上下料、自動(dòng)識(shí)別工件裝夾、換產(chǎn)、生產(chǎn)信息監(jiān)控等，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床連線自動(dòng)生產(chǎn)。

3.2 智能生產(chǎn)線整體設(shè)計(jì)布局

項(xiàng)目采用3臺(tái)數(shù)控機(jī)床加工系統(tǒng)、1臺(tái)GSK-RB35 機(jī)器人、機(jī)器人第七軸移動(dòng)系統(tǒng)、上下料倉、二次定位及識(shí)別系統(tǒng)、翻面裝置及清洗系統(tǒng)，以及 GSK 制造執(zhí)行系統(tǒng)等集成一體的智能加工生產(chǎn)線 ; 根據(jù)生產(chǎn)訂單需求不同，可同時(shí)進(jìn)行一種或多種產(chǎn)品柔性化混合生產(chǎn) ; 實(shí)現(xiàn)不同工藝、型號(hào)批次產(chǎn)品的識(shí)別判斷，可以快速制定生產(chǎn)計(jì)劃、柔性轉(zhuǎn)換智能生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量。

3.3 集成的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)及工裝夾具

集成高效五面體數(shù)控加工中心 YHV1165 機(jī)床，有立、臥、回轉(zhuǎn)分度組合，實(shí)現(xiàn)車、銑及五面加工，可代替多臺(tái)加工設(shè)備的機(jī)器人流水線，實(shí)現(xiàn)大零件復(fù)合加工，節(jié)約能量，提高空間精度，提升產(chǎn)品品質(zhì) ; 廣泛運(yùn)用于 LED 燈箱、新能源、通訊等壓鑄腔體加工。

（1）五面體加工中心是由一臺(tái)臥式和一臺(tái)立式加工中心組合而成 ; 使用同一套工作平面系統(tǒng)，并裝有回轉(zhuǎn)分度裝置，可任意旋轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)多面、車銑復(fù)合加工能力 ; 一次裝夾，減少多次裝夾的誤差，提高精度與加工效率。

圖 2 整體設(shè)計(jì)布局圖

（2）機(jī)床有自動(dòng)交換刀具的功能，通過刀庫安裝不同工藝用途的刀具，可在加工過程中自動(dòng)切換主軸上的刀具，實(shí)現(xiàn)鉆、鏜、鉸、攻螺紋、切槽等多道工序加工功能。

（3）一套系統(tǒng)控制立、臥兩個(gè)加工中心組合。配備直線和圓弧插補(bǔ)功能外，還具有各種加工固定循環(huán)、刀具半徑、長(zhǎng)度自動(dòng)補(bǔ)償、加工過程圖形顯示、人機(jī)對(duì)話、故障自動(dòng)診斷、離線編程等功能。

（4）機(jī)床專業(yè)裝夾工裝，采用液壓夾緊、銷柱定位 ; 具有夾持剛性強(qiáng)、重復(fù)定位精準(zhǔn)及通用可靠，并實(shí)現(xiàn)加工系統(tǒng)自動(dòng)控制夾緊松開命令。

3.4 GSK RB35工業(yè)機(jī)器人搭配機(jī)械手夾具

（1）系統(tǒng)采用 GSK RB35 機(jī)器人，重復(fù)定位精度高、速度快、控制靈活、服務(wù)半徑大 ; 適合本產(chǎn)線加工中抓取工件在各工序間物料的搬運(yùn)轉(zhuǎn)換作業(yè) ;

（2）針對(duì)工件的復(fù)雜性及應(yīng)用環(huán)境。機(jī)械手夾具的設(shè)計(jì)采用膨脹銷自定位 + 外抱夾緊方式 ;同時(shí)，還裝有檢測(cè)傳感器、壓控機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下 :

A．采用反重力外抱緊 + 膨脹銷自定位結(jié)構(gòu)，避免因有切削液等影響摩擦系數(shù)降低夾緊力因素;

B．膨脹銷自定位夾緊 , 限制工件 XY 軸向自由度，保證工件定位精度的一致性 ;

C．整個(gè)夾具設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、緊湊，減小機(jī)器人選型及運(yùn)行負(fù)荷 ;

D．具有斷氣、斷電自保護(hù)功能，防止機(jī)器人運(yùn)行過程中意外斷氣、斷電夾爪不會(huì)自行松開。

3.5 機(jī)器人第七軸移動(dòng)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)機(jī)器人行走軸可極大地?cái)U(kuò)展工業(yè)機(jī)器人的工作空間，通過機(jī)器人行走軸，一臺(tái)機(jī)器人可完成 3 個(gè)機(jī)床加工工位，以及上下料、檢測(cè)、翻面、清洗工位之間的工作服務(wù)空間。

（1）運(yùn)動(dòng)由機(jī)器人系統(tǒng)直接控制，不需要增加控制系統(tǒng)。

（2）設(shè)計(jì)伺服馬達(dá)控制，通過精密減速機(jī)，齒輪，齒條進(jìn)行傳動(dòng)，重復(fù)精度高 ; 運(yùn)行速度 3米 / 秒，有效負(fù)載大，提高工作效率，減少機(jī)器人配比數(shù)量。

（3）針對(duì)機(jī)床加工特定環(huán)境設(shè)計(jì)防護(hù)性，可適用于機(jī)床加工，涂膠，焊接、搬運(yùn)等環(huán)境惡劣工況作業(yè)。

3.6 二次定位及識(shí)別系統(tǒng)

機(jī)器人從上料倉抓取的工件，先放在二次定位夾具定位、讀取二維碼數(shù)據(jù)，再進(jìn)入機(jī)床調(diào)用匹配程序加工。

（1）二次定位夾具設(shè)計(jì)有銷釘及基準(zhǔn)定位面，并有吹氣裝置清潔工件表面雜質(zhì)，保證工作放入機(jī)床夾具的精準(zhǔn)性和一致性 ;

（2）工件二定位后，同時(shí)有非接觸式掃描讀取工件信息，將工件生產(chǎn)信息發(fā)送數(shù)據(jù)給 GSK總控制系統(tǒng)及生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

3.7 翻面裝置及清洗系統(tǒng)

翻面裝置是依據(jù)工藝要求，在工件 1、2 機(jī)床加工完成后需要進(jìn)行翻面定位，進(jìn)行二次裝夾加工另一面銑平面、鉆孔、攻絲工序所設(shè)計(jì) ;

清洗系統(tǒng) :

（1）機(jī)床加工后會(huì)殘留大量的切削液和切削屑，必須把切削液留在機(jī)床回收循環(huán)使用，而切削屑進(jìn)行集中清除處理，保證加工零件清潔干凈后傳送到下工序 ;

（2）在數(shù)控機(jī)床內(nèi)，機(jī)械手夾具上設(shè)計(jì)有高壓氣槍，利用機(jī)器人的空間作業(yè)性設(shè)定運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)加工零件進(jìn)行全方位清理清潔不留死角位。

3.8 上下料倉及定位裝置

料倉主要用于將貯存壓鑄工件，可持續(xù)集中為產(chǎn)線生產(chǎn)提供穩(wěn)定的物料供應(yīng)，節(jié)省人力，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率 ; 項(xiàng)目上下料倉分別設(shè)計(jì)有雙工位料倉、料倉定位機(jī)構(gòu)、檢測(cè)傳感裝置等裝置 ; 可滿足加工零件與機(jī)械手之間保持精確的位置關(guān)系，上料、卸料的準(zhǔn)確、快捷 ; 同時(shí)，

實(shí)現(xiàn)在線不停機(jī)上下供應(yīng)物料。

3.9 安全防護(hù)圍欄

防護(hù)圍欄采用標(biāo)準(zhǔn)金屬網(wǎng)面搭配鋼結(jié)構(gòu)立柱設(shè)計(jì)，網(wǎng)面變形結(jié)實(shí)并耐沖擊 ; 設(shè)置有安全門，安全感應(yīng)光柵及安全鎖 ; 用于建立防護(hù)圍欄安全鎖防護(hù)系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)工作人員起到很好的安全隔離防護(hù)作用。當(dāng)發(fā)生異常時(shí)系統(tǒng)會(huì)報(bào)警警示，并整線停止工作，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

3.10 GSK制造執(zhí)行系統(tǒng)

GSK 智能制造執(zhí)行系統(tǒng)針對(duì)企業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)建立以 GMES 為核心的生產(chǎn)計(jì)劃協(xié)同管理平臺(tái)，具備網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)視、控制、數(shù)據(jù)采集等功能。利用GSK-LINK 總線實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、識(shí)別系統(tǒng)及生產(chǎn)輔助設(shè)備的連接進(jìn)行智能化監(jiān)控

管理。

圖 3 GSK 制造執(zhí)行系統(tǒng)

（1）加工任務(wù)的創(chuàng)建規(guī)劃、生產(chǎn)工序管理，及加工程序管理和信息數(shù)據(jù)上傳 ;

（2）可在線檢測(cè)實(shí)時(shí)顯示和刀具補(bǔ)償修正，及機(jī)床啟停、初始化和管理 ;

（3）設(shè)置有智能廣告牌功能 : 可數(shù)據(jù)采集與可視化管理，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行情況、設(shè)備利用率、生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量，反饋生產(chǎn)信息以及機(jī)床刀具監(jiān)控等功能應(yīng)用，便于生產(chǎn)管理人員快速響應(yīng)。

4. 生產(chǎn)工序流程圖（見圖4）

圖 4

5. 工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床集成應(yīng)用效果

（1）機(jī)械手夾具采取快換設(shè)計(jì)，換產(chǎn)能自動(dòng)切換夾具 ; 可以兼容多種工件的上下料工作，用較少的制造成本解決了多型號(hào)、小批量生產(chǎn)在同一產(chǎn)線柔性生產(chǎn)的難題 ;

（2）工業(yè)機(jī)器人完全替代人工裝夾工件、工序轉(zhuǎn)換及操控?cái)?shù)控機(jī)床作業(yè)，實(shí)現(xiàn) 1 臺(tái)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)對(duì) 3 臺(tái)數(shù)控機(jī)床加工的上下料供給，并可24 小時(shí)持續(xù)作業(yè) ; 人工生產(chǎn)配置 4 名工人 / 班，到升級(jí)后僅需要 1 名技術(shù)人員集中管理設(shè)備運(yùn)行 ; 減少了設(shè)備及人員投入，還提高生產(chǎn)效率 ;

（3）改造前產(chǎn)線需準(zhǔn)備物料、設(shè)備調(diào)機(jī)換產(chǎn)等準(zhǔn)備工作，人工每班生產(chǎn)有效時(shí)間小于 7 小時(shí)，產(chǎn)線機(jī)器人改造升級(jí)后，每班可以連續(xù)生產(chǎn) 8 小時(shí)，平均生產(chǎn)效率提升 15%;

（4）工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床、上下料倉、識(shí)別檢測(cè)裝置之間通過 GSK 制造執(zhí)行系統(tǒng)緊密協(xié)調(diào)配合，節(jié)省工序轉(zhuǎn)換、設(shè)備操控時(shí)間，并能連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，最大化提升產(chǎn)線生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。

6. 結(jié)語

通過闡述應(yīng)用案例，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床集成可以裝備應(yīng)用壓鑄制造業(yè)智能化生產(chǎn)升級(jí)改造 ; “機(jī)器換人” 提高了工作效率，降低成本，縮短制造周期，適應(yīng)小批量、多品種混合的智能生產(chǎn)模式。

未來企業(yè)需要根據(jù)市場(chǎng)需求，彈性地調(diào)整產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制，制造出更智能的產(chǎn)品 ; 這不能僅依靠自動(dòng)化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，還必須依靠信息化技術(shù)來解決業(yè)務(wù)層面的問題，為工廠賦予智慧，為需要市場(chǎng)決策、數(shù)據(jù)分析調(diào)控、質(zhì)量管控、售后服務(wù)與追溯等提供依據(jù)和支持，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)自動(dòng)化與信息化結(jié)合才能夠發(fā)揮最大功效，并將促使企業(yè)產(chǎn)品向?qū)I(yè)化、連續(xù)化、智能化生產(chǎn)趨勢(shì)發(fā)展。

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