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工業機器人在數控機床壓鑄件加工行業的集成應用研究

2021-8-20 來源：廣州數控（kòng）設備有（yǒu）限公司作者：何敏佳江文明

1．壓鑄產品製造企業存在的一些問題

隨著生活水平的（de）不斷提升，人們對生活質量的需要也逐漸提高 ; 汽車、家用電器、電子通信（xìn）等產品（pǐn）的需求及更替越來越（yuè）快，而這些產品的零部件大多采用壓鑄成型製（zhì）造的工藝方式。因為壓鑄產品有（yǒu）著近終產品特（tè）性，具有成形狀態各異經濟指標優良，外形尺寸精度高和互換性好，設計（jì）材料利用率高，隻需經過少量（liàng）機械（xiè）加工即可裝配使用，製造效率高等優點，是今後更多任務業（yè）產品采用壓鑄（zhù）製造工藝的發展趨勢。

然而，為（wéi）了（le）滿足日益增長的訂單需求，壓鑄產品（pǐn）機械（xiè）加（jiā）工中企業又（yòu）麵臨諸多問題，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（zhèng）加工後品質（zhì）一致（zhì）性 ; 訂單（dān）多次少量、交貨期短，對產線物料供應（yīng）計劃及時性，生產計劃需更（gèng）加周密協調（diào） ; 數（shù）控機床加工的性能效率、編程與操作的複雜（zá），需要配（pèi）置更（gèng）加專業的操控技術人員 ; 生產連續（xù）化、工件的上下料裝夾，主要（yào）依（yī）賴工人的體力和（hé）技（jì）能，生產效（xiào）率低、勞動（dòng）強度大、缺少熟練（liàn）技工人才，很（hěn）難（nán）以保障產品（pǐn）加（jiā）工的穩定性和一（yī）致（zhì）性 ; 同時，隨著人口紅利的（de）缺失，企業更麵（miàn）臨用工荒、招工難，勞動力成本的大幅度上升等困境。

鑒於上（shàng）述存在的問題（tí），促使（shǐ）機床加工行業越來越多地利用自動化、信息化技術改造傳統工藝流程轉型（xíng）升級 ; 進一步提高企業的生產應變能力（lì），在短時間（jiān）內（nèi）轉換生（shēng）產，並兼容多（duō）種產品（pǐn）在線加工的智能化產線。需研究工業機器人在數控機床壓鑄產品加工（gōng）的智能生產線來解決企業存在（zài）的問題，並推動企業（yè）智能化改造（zào）升（shēng）級的必然發展趨勢。

2．改善企業生產製（zhì）造問題集成工業（yè）機器（qì）人（rén）應用的主要方式

工業機器人在數控（kòng）機床生產加（jiā）工中主（zhǔ）要是替代作業（yè）人員改變傳統的人工生產模式，將生（shēng）產（chǎn）物料在不（bú）同工序間進行搬運與轉換功能，實現產線的自（zì）動化生產流程 ; 機（jī）器人與數控機床集成（chéng）的方式主要有以下 :

（1）集成單機工作站（zhàn）生產

集成單機工作站是機器人（rén）在（zài）數控機床上實現自動化生產的典型應用。多應用於（yú）生產單次批量大、加工時（shí）間（jiān）短（duǎn）的中小零件加工 ; 對比人工操作上下料更準確、迅速、安（ān）全，機器人替代人工上下料作業的優勢明顯，也是（shì）實現產線自動化的基礎。

（2）集成多機數控機床與工業機器人組成自動化生產線

工業機器人與若幹台數控機床組成自（zì）動化生產線，完成生產中的幾個連續性加工工序（xù） ; 機器人（rén）主要承擔工件在各工序之間（jiān）的轉換（huàn）搬運工作 ;比集成單機上下料更為複雜也（yě）更有價值的一種應用。在當前（qián）工業轉型升級過程中，市場需求越來

越廣泛。

（3）集成多（duō）機組成自動化、信息化的智能生產線

在與若（ruò）幹（gàn）台（tái）數控機床組成自動化生產線的（de）基（jī）礎上，需要對生產狀況、設備狀態、能（néng）源（yuán）消耗、生產質量（liàng）、物料消耗（hào）等信息進行實時采集和分析，進行高效排產和（hé）合理排班，顯著（zhe）提高設備利用率（OEE），柔性靈活調整工藝，適應小批量、多品種的混合生產智能（néng）模（mó）式 ;

3．工業機（jī）器人與數（shù）控（kòng）機床集成智能應用產線解決方案

3.1 智能生產集成（chéng）設計依據

通（tōng）過以壓鑄產（chǎn）品成（chéng）型後需要進行（háng）自動上料、工件識別、銑裝配麵、鑽孔、攻絲、清洗、自動下料生產工藝需求為例，闡述（shù）采用工業機器人與數控機床集成技術（shù）對產（chǎn）線智能改造升級方案製（zhì）定。

（1）壓鑄產品規格: 約為 520mm*320mm*20mm, 產品重量（liàng） <=12kg;

（2）壓鑄產品主（zhǔ）要加工要求見圖 1;

圖 1

（3）料倉上下料、自動識別工件裝（zhuāng）夾、換（huàn）產、生產信息監控等，實現數控機床連線（xiàn）自（zì）動生產。

3.2 智能生產線整體設計（jì）布局

項目采用3台數控機床加工係統、1台GSK-RB35 機器人、機器人第七軸移動係統（tǒng）、上下料（liào）倉、二次定（dìng）位及識別係（xì）統（tǒng）、翻麵裝置及清洗係統，以及（jí） GSK 製造執行係統等（děng）集成一體的智能加工生產線 ; 根據（jù）生產訂單（dān）需求不同，可同時進行（háng）一種或多種產品柔性（xìng）化混合生產 ; 實現不同工藝、型號批次產品的識別判斷，可以（yǐ）快速製定生（shēng）產計劃、柔（róu）性轉換智能生產，提高生產效率、保證產品質量。

3.3 集成的數控機床（chuáng）係統及工裝夾具

集成高效五麵體數（shù）控（kòng）加工中（zhōng）心（xīn） YHV1165 機床，有立、臥、回轉分度組合，實現車、銑及五麵加工，可代替（tì）多台加工設（shè）備的機器人流水（shuǐ）線，實現大（dà）零件複合加工，節（jiē）約能量，提高空間精度，提升產品品質 ; 廣泛運用於 LED 燈箱（xiāng）、新能源（yuán）、通訊等壓鑄腔體加工。

（1）五麵體加工中心是由一台臥式和一台立式（shì）加工中心組（zǔ）合而成（chéng） ; 使用同一套工作平麵係統，並裝有回轉分度裝置，可任意旋轉角度實現多麵、車銑複合加工能力 ; 一次裝夾（jiá），減少多次裝夾的誤差，提高精度與加工效率（lǜ）。

圖 2 整體設計布局圖

（2）機床有自動交換刀具的功能，通過刀庫（kù）安裝不同工藝用途的刀具，可在加工過程中自動切換主軸上的刀（dāo）具，實現鑽（zuàn）、鏜、鉸（jiǎo）、攻螺（luó）紋、切槽等多道工序加（jiā）工功能。

（3）一套係統控（kòng）製（zhì）立、臥兩（liǎng）個加工中心組合。配備直線和圓弧插補功（gōng）能外，還具有各種加工固定（dìng）循環、刀具半徑、長度自動補償、加工過（guò）程圖形顯示、人機對話、故障（zhàng）自動診斷、離線編程（chéng）等功（gōng）能。

（4）機（jī）床專業裝夾工裝，采用液壓夾緊、銷柱定位 ; 具有夾持剛性（xìng）強、重複定位精準及通（tōng）用可靠，並實（shí）現加工係統自動控製夾緊鬆開命令。

3.4 GSK RB35工業機器人搭配機械手夾具

（1）係統（tǒng）采用 GSK RB35 機器人（rén），重複定位精度高、速度快、控製靈活、服務（wù）半徑大 ; 適合本產（chǎn）線加工中（zhōng）抓取工件在各工序間（jiān）物料的搬運轉換作業 ;

（2）針對工件的複雜性及應用環境（jìng）。機械手夾（jiá）具的設計采用膨（péng）脹銷自（zì）定位 + 外抱夾緊方式 ;同時，還裝有檢測傳感器、壓控機構。設計特點如下 :

A．采用（yòng）反重力外抱緊 + 膨脹銷自定位結構，避免因有切（qiē）削液（yè）等（děng）影響摩擦係數降低夾緊力因素;

B．膨脹銷自定位夾緊 , 限製工件 XY 軸向自由度，保證工（gōng）件定位精度的一致性 ;

C．整個夾具設（shè）計簡單、緊湊，減小機器（qì）人選型及運行負荷 ;

D．具（jù）有斷氣（qì）、斷電（diàn）自（zì）保護功能，防止機器人運行過程中意外斷氣、斷（duàn）電夾爪不會自行鬆開。

3.5 機器人（rén）第七軸移動係統

設計機器人行走軸可極（jí）大地擴展（zhǎn）工業機器人的工作空間，通（tōng）過機器人行走軸，一（yī）台機器（qì）人可完成 3 個機床加工工位（wèi），以及上（shàng）下料（liào）、檢測、翻麵、清洗工（gōng）位之間的工作服務空間。

（1）運動由（yóu）機器（qì）人係統（tǒng）直接控製，不需要增加控製係統。

（2）設計伺服馬達控製，通過精密（mì）減速機，齒輪，齒條進行傳動，重複（fù）精（jīng）度高 ; 運行速度 3米（mǐ） / 秒（miǎo），有效負載大，提高工作效率，減少機器人配比（bǐ）數量。

（3）針對機床加工特（tè）定環境（jìng）設計防（fáng）護性，可適用於機床加（jiā）工，塗膠，焊接、搬運等環境惡劣工況作業。

3.6 二次定位及識（shí）別係統

機器人從上料倉抓取的工件，先放（fàng）在二（èr）次定位夾（jiá）具定位、讀取二維碼數據，再進（jìn）入機床調用匹配程序加工。

（1）二次（cì）定位夾具設計有銷釘及基準定（dìng）位麵，並有吹氣裝（zhuāng）置清潔工件表麵雜質，保證工作放入機床夾具（jù）的精準性和一致性 ;

（2）工件二（èr）定位後，同時有非接觸式掃描讀取工件信息（xī），將工件生產信息發送數據給 GSK總控製係統及生產管理係統。

3.7 翻麵裝置及清（qīng）洗係（xì）統

翻麵裝置是依據（jù）工（gōng）藝要（yào）求，在工件 1、2 機床加工完成後需要進行翻麵定位，進行二次裝夾加工另一麵銑平麵（miàn）、鑽孔、攻絲工序所設計 ;

清洗係統（tǒng） :

（1）機床加工後會殘留（liú）大量（liàng）的切削液（yè）和切削（xuē）屑，必須把切削液留在機床回（huí）收循環使用，而切（qiē）削屑進行集中清除處理，保證加工零件清潔幹淨後傳送到下工序 ;

（2）在數控機床內，機械手夾具上設計有（yǒu）高壓（yā）氣槍，利用機器人的空間作業性設定（dìng）運（yùn）動軌跡對加（jiā）工零件（jiàn）進行全方位清理（lǐ）清潔不留死角位。

3.8 上下料倉及定位裝置

料倉主要用（yòng）於將貯存壓鑄工件，可持（chí）續集（jí）中為產線生產提供穩定（dìng）的（de）物料供應（yīng），節省（shěng）人力，減（jiǎn）輕勞動強度，提高工作效率 ; 項目（mù）上下料倉分別設計有雙工位料倉、料倉（cāng）定位（wèi）機構、檢測傳感裝置等裝置 ; 可滿足加工零件與（yǔ）機械（xiè）手之間保持精確的位置關係，上料、卸料的準確、快捷 ; 同時，

實現在線不停機上下供應物料。

3.9 安全防護圍欄

防（fáng）護圍欄采用標準金屬網麵搭配鋼結構立（lì）柱設（shè）計，網麵變形（xíng）結（jié）實並耐衝擊 ; 設（shè）置有（yǒu）安全門，安全感應光柵（shān）及安全鎖 ; 用於建（jiàn）立防護（hù）圍欄安（ān）全鎖防護係（xì）統，對設備和（hé）現場工作人員起到（dào）很好的安全隔離防護作（zuò）用。當發（fā）生（shēng）異常時（shí）係統會報警警示，並整線停止工作，保證係統安全穩定生產。

3.10 GSK製造執行係統

GSK 智能製造執行係統針（zhēn）對企（qǐ）業生產特點建立以 GMES 為核心的生產計劃協同管理平台，具備網絡化監視、控製、數（shù）據（jù）采集等功能。利用GSK-LINK 總線實現數控機床、工業機器人係統、識別係統及生產輔助設備的連接進行智能化監控

管理。

圖 3 GSK 製造執（zhí）行係統

（1）加工任務的創建規（guī）劃、生產工序管理，及加工程序管理和信息數（shù）據上傳 ;

（2）可在線檢測實時顯示和（hé）刀具補償修正，及機（jī）床啟停、初（chū）始化和管理 ;

（3）設置有智（zhì）能廣告牌功（gōng）能 : 可數據（jù）采集與可視化管理，實時掌握設備運行情（qíng）況、設備（bèi）利用率、生產效率與產品質量，反饋生產信息以（yǐ）及（jí）機床刀具監控等功能應用，便於（yú）生產管理人員快速響應。

4. 生產工序流程圖（見圖4）

圖 4

5. 工業機（jī）器人與數控機床集成應用效果

（1）機械手夾具采取快換設計，換產能自動（dòng）切換夾具 ; 可以（yǐ）兼容多種工（gōng）件的上下料工作，用較少的製造成（chéng）本解決了多型號、小批量生產在同一產線柔性生產的難題 ;

（2）工業機器人（rén）完（wán）全替代人工裝夾工件、工序轉換及操控數控機床作業，實現 1 台工業機器人應對（duì） 3 台數控機床加工的上下料供給，並可24 小時（shí）持續作業 ; 人（rén）工生產配置 4 名工（gōng）人 / 班，到升級後僅需要 1 名技術人員集中管理設備運行 ; 減少（shǎo）了設備及人員投入，還提高生產效（xiào）率 ;

（3）改造前產線需準備物料、設備調機換（huàn）產等準備工作，人工每班生產有效時間小於 7 小時，產線機器人改（gǎi）造升級後（hòu），每班可以連續生產 8 小時，平均生產效率提升 15%;

（4）工業機器人係統與（yǔ）數控機（jī）床、上下料倉、識別檢測裝置之間通過 GSK 製造執行係統緊密協調配合，節省工序轉換、設備操控時間，並（bìng）能連續穩定生產，最大化提升產線生產效率（lǜ），降低生產運營成本。

6. 結語

通過闡述應用案例，機器人與數（shù）控機床集成可以裝備應用壓鑄製造業智能化生產升級改造 ; “機器換人” 提高了（le）工作效率，降低（dī）成本，縮短製造周期，適應小批量、多品種混合的智能生產模式（shì）。

未來企業需要根據（jù）市場需求，彈性地調整（zhěng）產能，實現個性化（huà）定製，製造出更智能的產品 ; 這不（bú）能僅依靠自動化技術來（lái）實現，還必須依靠信息化技（jì）術來解決業務層麵的問題，為工廠賦予智慧（huì），為需要市場決策、數據分析調控、質量管控、售後服務與（yǔ）追溯（sù）等提供依據和支持，實現（xiàn）工業機器人在製造業自動（dòng）化與（yǔ）信息（xī）化結（jié）合才能夠發（fā）揮最大功效，並將促使企業產品向專業化、連續化、智能化生產（chǎn）趨勢發展。

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