WMEM | 基于机器人的机加工自动线的应用及选择
【机床商务网栏目 科技动态】本文介绍了基于机器人的机械加工自动线的典型特征，阐述了基于机器人机加自动线的组成型式，分析了基于典型机器人的机加自动线的结构型式及每种结构的优缺点。提出了如何选择适用于机加自动线的机器人，总结了基于机器人机加自动线的发展趋势。
机械加工由加工设备对金属毛坯件通过材料去除的方式，达到图样要求。目前，金属零件的机械加工多以金属切削的方式来实现，人为因素可导致零件的加工效率低、精度一致性差等。
随着机器人技术的不断发展，以及人口红利的降低，基于机器人的自动化加工单元、自动化加工生产线已越来越多被采用。不仅局限于较成熟的汽车缸体缸盖行业，目前在各个行业领域零件的加工都朝着自动化的加工方向发展，包括航空航天结构件、汽车发动机零部件目前都已经实现了自动化加工。
1.机器人机加自动线的特征及组成
基于机器人的机加自动线是集加工设备自动化、工件上下料自动化、工件定位夹紧自动化、工件输送自动化、排屑自动化、自动线连锁保护自动化、工件与刀具自动检测及自动控制等于一身的自动化生产系统，具有良好的柔性，生产精度和效率较高，大大降低操作者劳动强度，易于实现批量生产。其典型特征是将加工设备按照既定的工艺路线依次排列，用机器人及自动输送装置、其它辅助装置等连接起来，使其按规定的程序进行自动工作。
在自动线中，工件以一定的生产节拍、按照工艺顺序自动地经过各个工位，自动完成预定的加工过程，最终形成合格的产品。
典型的机加自动线主要由机器人、加工设备、工艺装备、输送装备、辅助装备、控制系统等组成。基于工艺要求、工艺过程、生产率要求、自动化程度等因素，机加自动线的结构和复杂程度差别很大。
（1）机器人
加工设备的上下料装置主要由机器人或小车来完成，具体有桁架式机器人、关节型机器人、RGV与AGV小车、协作机器人等。其中，桁架式机械手与关节机器人承载量较小，承载较大的多用RGV小车来完成。可根据产线布局及工件大小，进行工件输送设备和机床上下料装置选择。
（2）加工设备
主要为数控机床，多具有封闭的加工区域，含有自动上下料门，具备自动交换刀具功能，自动排屑功能，有的还带有机内刀具测量、工件检测系统。数控机床的选择主要根据被加工零件的尺寸、加工精度和生产类型等来进行，同时也要兼顾加工效率和加工稳定性，主要为立式加工中心、卧式加工中心、数控车床等。通常大批量生产选用组合机床，生产批量不大而品种繁多应选柔性加工系统。
（3）工艺装备
主要包括夹具系统、刀具系统、量具、辅具。其中，夹具完成对工件的装夹及转运，保证工件在每次加工中固定稳定可靠。每次交换能够准确无误完成工件的定位及紧固，夹具有固定在工位上的，也有随工件一起运行的随行夹具。
而刀具作为机加材料的去除工具，要保证刀具性能可靠。生产线所用的刀具种类规格较多，还要保证能自动交换，这就要求每台加工设备具备自动交换刀具功能，具备自己的刀库及换刀机械手。同时根据需要可以配中央刀库，通过交换装置把刀库运到所需的设备上。为了掌握刀库的使用情况，可配备RFID功能，掌握每把刀具的使用寿命等情况。同时机床内还可安装对刀仪，对刀具的磨损、刀长、刀径、断刀等进行在线检测。
（4）输送装备
主要包括工件输送装置、储料装置(料库)等。工件输送装置负责工件在不同机加设备之间运转，多为链式、带式传送机构。储料装置也可称为料库，主要用来存储工件，包括毛坯、半成品与成品，有单一线形、矩阵式立体库、环岛式等型式。可依据工件大小、加工频率、场地面积等进行合理的料库选择。
（5）辅助装备
主要包括清洗装置、排屑装置等。针对机加自动线的持续高效加工，要保证将切屑及时顺利清除出工作区，尤其是夹具定位面的切屑，如清除不干净就会导致定位不准或损伤工件，最终导致零件加工不合格。因此，加工设备通常配置主轴中心出水、主轴环喷、顶棚喷淋等装置，大力冲刷工件及夹具表面，保证工件准确定位及装夹。
每台加工设备通常具有自己的排屑系统，而每台设备的切屑统一排入产线的接屑系统中集中处理，即集中排屑，集中排屑后可对积屑进行压块处理。
（6）控制系统
自动化生产线的控制系统就像大脑一样，控制整个产线协同生产，对下位机的加工设备、输送设备、辅助装置等进行控制，实行统一调度管理，保证生产线按节拍有序进行。
智能的机加自动线主要包括数据层、物理层和人机交互平台。数据层主要负责数据的传输和分析，物理层与设备之间的数据交换主要依靠现场总线来完成。物理层通常包括控制站、操作站和现场控制层，主要负责数据的收集和遥感。人机交互平台使人与设备完美结合，保证产线准确、高效地完成既定加工。
2.机器人机加自动线典型结构型式
基于机器人的机加自动线，工件上下料的方式有采用桁架机器人、关节机器人、有轨自动化小车、AGV叉车、协作机器人等方式。
桁架式机加自动线主要由加工中心与桁架机器人组成，如图1所示。桁架机器人通常由主体、驱动系统与控制系统组成，也称直角坐标机器人，由两个或三个相互垂直的直线运动来实现，直线运动易于实现全闭环的位置控制，可达到很高的位置精度。
图1 桁架式机加自动线
桁架型式主要为悬臂式、龙门式、天车式三种结构。悬臂式用来搬运较轻部件；龙门式结构，主横梁采用齿轮条加线轨传动，具有高刚性、负载重等特点，不会受到物件重量限制，整体移动十分灵活；桁架机器人在高空中输送零件，直接把被加工零件从一台机床输送到另一台机床上，桁架机器人兼有工序间运输和自动上下料及物料回转等辅助功能。具有输送快捷、精准、柔性，结构相对简捷，便于组合等优点。
关节机器人机加自动线(见图2)主要由关节机器人与加工中心组成，其中关节机器人多为六轴工业机器人，通常由齿轮齿条驱动，在加工中心前面的轨道上直线运行，形成第七轴，实现在不同加工中心间上下料及运输工件。如地面面积有限，关节机器人可布置在桁架之上，桁架布置在加工中心之间，使产线空间更加紧凑。总之，关节机器人适用于各种机床的上下料，动作灵活，结构紧凑，占地面积小。关节型机器人自由度高，工作空间比较大。可通过更换末端执行器及相关夹具类型，进行换产，具有高效率、高稳定性、易于维护、柔性化等优点，可以满足不同种类产品的生产。
图2 关节机器人式机加自动线
关节机器人还可配置视觉系统，使产线更加智能化。关节机器人也可用在加工中心刀具的自动交换系统上，使产线加工中心的自动换刀更加柔性化，提升加工中心的加工效率。该型式自动线的料库通常布置在产线的一侧，便于集中管理。
有轨小车式机加自动线(见图3)主要由搬运小车、轨道、加工中心、料库等组成。小车通常具有三个直线轴：整体运动轴、伸缩轴、升降轴，有的还有第四轴的旋转轴。其中，整体运动轴可使小车在各个工位的加工中心间运行；伸缩轴可伸长进入到工作区，之后升降轴升起，拖住工件托盘，之后缩回，到下一个工位升降轴再下降，伸缩轴再缩回，就完成了工件在不同工位之间的交换。该型式机加自动线可用于输送重质量工件，小车轨道可随需求任意加长，具有速度快、可靠性高等特点。该类产线的料库多布置在加工中心的对面，依据产量需求，可为单层与多层立体库型式。
图3 有轨小车式机加自动线
图4为由搬运小车组成的航空结构件生产线。由于航空结构件多采用大去除率的加工设备，故该类加工设备工作台垂直布置，工件在上下料位进行水平上料与下料，之后翻起，再交换到RGV小车上，由小车运送到不同位置机床进行上下料，料库也是垂直地面布置。虽然航空结构件都很大，但这种长线布局方式占地面积小，结构紧凑。如斯达拉格的Ecospeed航空结构件自动线被应用于很多飞机结构件生产商。
图4 航空结构件生产线
AGV叉车式机加自动线主要由AGV叉车与加工中心、料库等组成。AGV更加灵活，柔性更大，生产线结构得以简化，减少了有轨小车的轨道，缩小了占地面积，开放性更好。自动化水平更高，可十分便捷地与加工中心、物流系统实现自动对接，多台AGV叉车可组成多条柔性加工线，效率更高，更加智能化。
3. 选择适合机加自动线的机器人
机加自动线型式多样，如何选择一款适合于机加自动线的机器人呢？可关注以下几个主要方面。
（1）自由度
自由度即机器人的轴数，轴数越多机器人的灵活性也就越强。主要依据工作空间进行轴数的选择。空间足够，通常四轴机器人即可完成指定工作。如果空间狭小，需要避免障碍就要选择更多轴数的六轴机器人，再加上直线移动轴构成七轴。
（2）负载
要依据工件的重量，重量太大的只能应用工业机器人来完成，协作机器人承载较小无法满足，重量大小依次可选择RGV小车、桁架机器人、关节机器人。
（3）最大运动范围
要确定好机器人的有效臂展及回转直径，要保证能抓取到目标工件，路径上不能有其他障碍。
（4）速度
如果要考虑上下料的效率，还要选择合适的机器人速度，优化路径设计，才能提高自动化效率。
（5）重复定位精度
指机器人重复执行一个动作的位置准确性，只有重复定位精度高了，才能保证机器人每次都停在理论的目标位置。
另外，还要根据工件的几何形状、工艺特征、毛坯形状等，选择合适的机器人。同时要依据生产车间的面积大小及形状，考虑何种结构型式的机器人更能适应作业空间。机器人的选择尽量要满足生产线的柔性化，以便适应不同种类、不同特征零件的灵活换产，提高生产线的利用率。
4.结语
随着机器人技术的不断发展及智能制造装备的逐渐强大，机器人会被更加广泛地应用于机加自动线中，以提升加工效率和精度稳定性。基于机器人的机加自动线将朝着高度智能化方向发展，是信息化与工业化深度融合的具体体现。
具备多传感器融合的智能化机器人、智能化数控加工设备、智能化工艺装备、智能化在线测量部件、智能化物流输送装置等，与融合了先进信息技术、制造技术、自动化技术和人工智能技术的高度柔性及集成的智能化生产线相结合，将进一步形成智能化加工车间，最终真正实现无人化、智能化加工在机械行业各领域的广泛应用。
作者：张传思(科德数控股份有限公司沈阳分公司)
来源：《世界制造技术与装备市场(WMEM)》杂志2022年第2期
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