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一文读懂工业机器人和数控机床是怎么融合工作的

北京市电子科技情报研究所2019-08-16 12:00:57

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我们常说团结就是力量,只有相互配合,才能把工作做得更加完美。这不仅仅适用于人类。工业机器人和数控机床也是一样的,也是需要相互配合才能做好工作,提高工厂的生产效率。所以今天要学习的是工业机器人和数控机床是怎么配合工作的?以FANUC机器人为例。


FANUC机器人在电机外壳加工生产线上的应用过程,采用机器人自动上下料技术及利用iRVision视觉系统,合理地规划机器人运动轨迹,把工业机器人搬运技术及数控机床加工技术有机地组合起来,实现自动装卸工件、自动码放加工成品,实现产品的高精度、高效率和低成本加工。


1、FANUC机器人


自动加工生产线配置了两台FANUC Robot M-20iA搬运系统机器人,其中一台机器人作为行走机器人R1,使用FANUC伺服电动机αiF12/3000控制,通过精密减速机、齿轮及齿条进行传动,重复精度高,可以轻松适应机床在导轨两侧布置的方案。


主要用于毛坯工件的抓取、机床上料、加工工序间工件抓取以及加工成品卸除并运送到传输带上。


另一台固定机器人R2结合FANUC独有的智能机器人技术(iRVision视觉功能),用于下料,在料筐里码放加工成品。


FANUC Robot M-20iA机器人各环节每一个结合处为一个关节点或坐标系,其外形及各关节位置如下图所示。



2、自动加工线设备布置


电机外壳自动加工生产线由上料输送带和下料输送带(分别配置iRVision视觉系统)、行走机器人R1(导轨式)、固定机器人R2、两台VM850立式加工中心、一台CLX360数控车床、成品料筐和系统控制柜等组成,各设备布置如下图所示。



3、数控加工工艺


工件为电机外壳, 如下图所示, 为大批量生产, 材料是ADC12铝合金。加工内容包含端面铣削钻孔、攻螺纹和内孔车削等内容。



零件加工工序内容分配如下:


(1)VM850立式加工中心1进行M4螺纹底孔钻孔、M4螺纹攻螺纹及铣削外圆凸台工序加工,如下图所示。



(2)VM850加工中心2进行钻6个φ 5.5mm的通孔、孔口倒角工序加工,如下图所示。



(3)CLX360数控车床进行内孔及台阶孔、孔口倒角工序加工,如下图所示。



此外, 还需要设计专用夹具, 加工中心夹具采用内夹方式,数控车床采用外夹方式。


4、机器人自动上下料动作设计


根据工件的外形特点设计机器人气动手爪部件,包含气动、传感器及机械部件等。工件加工工艺流程如下:


①毛坯工件摆放在上料传送带上。


②行走机器人R1复合手爪抓取毛坯工件,行走到加工中心位置,将工件安装到加工中心的专用夹具上,如下图所示。



③待加工中心1加工完成后,行走机器人R1复合手爪取下工件,行走到加工中心2位置,将工件安装到加工中心2的专用夹具上,如下图所示。



④待加工中心2加工完成后,行走机器人R1取下工件到数控车床位置,将工件安装到专用夹具上,如图9所示。待工件加工完成后取下工件,机器人行走到工件翻转台位置,进行工件翻转、交换,如下图所示。



⑤工件在翻转台进行交换后,机器人R1把加工成品放置在下料传送带上,如图11所示,由机器人R2进行工件下料、自动码放在成品料筐中,如下图所示。



至此, 结束一个完整的加工流程。各加工工序有相应的节拍,经过调整CNC加工程序以及机器人动作程序后,可实现数控机床加工与机器人上下料的完美组合。


5、专用夹具设计


依据三台数控机床各自的加工工序任务,设计三套组合气动夹具,介绍如下。


(1)立式加工中心1专用夹具:立式加工中心1进行钻孔、攻,如下图所示。



(2) 立式加工中心2 专用夹具:立式加工中心2进行钻6个φ 5.5mm的通孔、孔口倒角工序加工,设计以气动三爪自定心卡盘夹紧工件,以两个弹性V形块定向的夹具,如下图所示。

  


1.启动卡盘 2.支承块 3.弹性V形块 4.特制卡爪


(3)数控车床专用夹具:数控车床进行内孔及台阶孔、孔口倒角工序加工,设计以一面两销定位工件、以气动旋转夹紧器夹紧方式的夹具。


6 、机器人、P LC与数控机床的接口


为保证机器人与数控机床的安全配合,要建立机器人、PLC以及数控机床之间安全可靠的通信连接。


在硬件方面,通过屏蔽电缆将三者之间相应的输入与输出点进行连接。软件方面,通过机器人专用软件、PLC接口,采集机床和机器人当前状态,编写相应的符合上下料逻辑的控制程序,最终达到数控机床与机器人的有效通信。


重点需要处置紧急停止信号、数控机床准备完成信号、机器人手爪气动信号、数控机床夹具松夹信号以及安全门信号等,数控机床状态监控画面如下图所示。




随着工业机器人的应用越来越广泛,应用技术也越来越高,因此工业机器人自动上下料机构作为数控机床辅助部件,越来越受到机床制造商和用户的重视。


通过机器人和数控机床的紧密配合,保证系统加工过程的紧密性,降低了工人的劳动强度,大大提高了工作效率,具有较好的应用价值。


工业机器人与数控机床融合发展的途径探讨



近年来,机床行业市场规模整体萎缩、产能过剩等问题日益凸显,机床工具产业正面临和经受调整转型的严峻考验。自2011年起,机床企业的净利润纷纷开始下滑,整个机床行业可谓万马齐喑。与此同时,随着劳动力成本的上升以及企业智能化的转型,机器人市场却备受追捧。


事实上,相对于其他行业,机床行业进军机器人有着无可比拟的优势。机器人关键应用在于运动控制,而运动控制则是保证机床精度的一个重要因素。从这个角度来说,机床制造与机器人制造技术关联度非常大。


除传统的焊接应用外,机器人在机床上下料、物料搬运码垛、打磨、喷涂、装配等领域也得到了广泛应用。金属成形机床是机床工具的重要组成部分,成形加工通常与高劳动强度、噪声污染、金属粉尘等名词联系在一起,高温高湿甚至有污染的作业环境使得这个岗位招人困难。工业机器人与成形机床集成,不仅可以解决企业用人问题,同时也能提高加工效率和安全性、提升加工精度,目前已成为大的发展趋势。


机床是生产机器零部件的机器,简单地说就是生产机器的机器。数控机床是机床的数字化和智能化,主要通过数控装置发出信号,控制机床按图纸的要求,根据形状和尺寸,自动地将零件加工生产。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题。说白了,就是机械零部件的生产从手工化,到机械化,再到数字化的应用过程。


而机器人是高精尖的高科技产品,很多核心零部件比如伺服电机、驱动器、控制器、减速器等都需要精确度高的机床来生产,包括转盘、大臂、小臂、箱体、腕体等关键零部件也是靠机床完成得,即便人工和机械能生产出来,也很难确保产品的精确度。


核心或者关键零部件有丝毫的误差都会影响机器人的运动和操作精度。尤其是电子产品行业对机器人的要求非常苛刻。所以,只有确保关键技术和零部件的精确度,机器人应用和推广才有技术和质量基础。洛江区政府的这一做法,将很好地推动机器人产品生产,对提到产品质量有很大示范性作用。


此外,中国机器人市场未来可预期的快速增长或也是上述机床行业纷纷涉足的关键原因之一。


工业机器人与数控机床的融合应用



两大产业现状


我国数控机床中低档产品基本满足市场需求,设计、研发和应用水平有一定提高。可以说,我国数控机床的生产总量和规模已经跃居世界前列。但我国以五轴、高速、精密为代表的高端数控机床在国际竞争中仍然处于弱势地位,与工业发达国家相比仍然存在阶段性差距,特别是高档数控系统为代表的高端关键功能部件对外依存度较高。


机床制造过程中许多岗位主要依赖工人的体力和技能,生产效率低、劳动强度大、缺少熟练技工人才,难以保障产品稳定性和一致性,促使机床行业越来越多地采用工业机器人及智能制造技术来改造传统工艺流程。以往,昂贵的进口机器人和生产线主要在汽车等少数行业使用,在机床行业等装备制造业领域应用比例偏低,很大程度上制约着国内机床行业自动化程度的提高。


因此,如何推动工业机器人产业和机床工具产业的融合发展,如何做到工业机器人与数控机床的互为集成应用,已成为当前现代装备制造业产业升级的重要话题。


此外,随着智能制造行业的不断推进和制造业人力成本的不断提升,工业领域“机器换人”现象普遍。结合我国目前的情况来看,我国人工成本仍然处于上升阶段,并且从2012年工业机器人爆发以来,才持续了不到5年时间,从日本长达10年高速增长的经验走势,我国正在使机器人行业往更深度,更全面的领域发展。


如何提升机器人产业的整体质量?总的来说,具有数控系统的基础,控制系统、伺服电机、伺服控制系统都能够批量生产的企业具有一定优势。日本FUNAC公司的产业推进路线,就是一个成功的典型案例,值得借鉴与参考。


国内已有几家数控系统企业纷纷进入工业机器人产业,走在最先的广州数控,自2006年起规划研制工业机器人产业,已走过8个年头。借助自身控制器、伺服驱动、伺服电机产品生产积累的经验,已完成工业机器人系列化的全自主开发,产品覆盖了3~200kg,功能包括搬运、机床上下料、焊接、码垛、涂胶、打磨抛光、切割、喷涂、分拣、装配等。


随着用工成本上涨、技能人才缺少、高危环保、高强度作业等问题的凸显,工业机器人参与生产制造已被广泛认知和不断使用,成为社会关注的焦点。政府更是借此促进产业转型升级,企业用其开展技术改造,转变生产方式,提高作业效能。然而,中国的机器人保有量不大,民族品牌尚在培育中,综合竞争力有待提升。那么,机器人行业将以什么样的模式向前发展?现阶段更需要机器人整机企业、机器人关键部件供应商、机器人集成商产业链的协同发展。



机器人与机床融合的集成方式


工业机器人与机床当前具体的应用形式主要有:


1、单机上下料


单机上下料是机器人在机床上最典型和最成熟的应用。它比人工上下料更准确、迅速、安全。对生产批量大、加工时间短的中小零件加工,或需吊装的笨重工件而言,机器人上下料的优势特别明显。


机器人与机床的结构关系分为机器人安装于机床外部和与机床构成一体两种形式。安装于机床外部的机器人,又分为固定式、移动式和椼架式等类型。


2、机器人与机床组成柔性生产线


由机器人承担工件的工序转换工作,与若干台机床组成柔性生产线,是一种比单机上下料更为复杂也更有价值的一种应用。在当前工业转型升级过程中,市场需求越来越旺盛。


在这种应用场合下,机床布局取决于工艺路线和现场条件等因素。常见的有L型、U型和直线型、对面布置等形式,其中三台数控机床构成U型的布局,由一台机器人在场地中间进行工件转换,这种布局十分紧凑。


3、与机床共同完成加工工艺过程


机器人夹持工件在冲剪、折弯机上实现加工操作,不仅是简单的上下料,而是替代了所有原来的人工作业。这比人工操作现加准确和快速,从而提高了产品质量和生产效率。尤其是彻底解决了冲压类机床的工伤隐患。


4、独立完成加工工序


给机器人装上专用手爪,机器人可以完成切割、打磨、抛光、清洗等工艺过程。甚至于可以让机器人直接夹持切削工具,对工件进行打孔、攻丝、铆接,也可以进行切削加工。在这种情形下,机器人本身就是一台机床。


具备视觉、触觉的机器人可以用于组装、零件分选等复杂工序,即使是上下料,也可以不用带有定位装置的专用工位器具。


给机器人装备特殊手爪,可用于高温环境下作业的铸造、锻造机械,完成取铁水、浇注、上下热毛坯、更换热态的模具等人工难以直接完成的工作。



常见的集成四大应用举例


数控折弯机集成应用


机器人折弯集成应用主要有两种方式。


一是以折弯机为中心,机器人配置真空吸盘,磁力分张上料架、定位台、下料台、翻转架形成折弯单元。


二是机器人与激光设备或数控转台冲床、工业机器人行走轴,板料传输线,定位台,真空吸盘抓手形成的板材柔性加工线。


应用案例



压力机冲压集成应用


机器人与压力机冲压集成应用主要有两种方式。


一是单台机器人冲压上下料:通过机器人将板料从拆垛台移送到定位台,定位后再移送到压力机模具中实施冲压,冲压结束后,通过机器人取料放入堆垛台,实现单台压力机机器人自动上下料。


二是机器人冲压连线:通过多台机器人在多台压力机之间建立冲压连线。根据加工工件成形工艺要求,需要在多台压力机配合加工,整条生产线由拆垛机器人,上料机器人、压力机之间传输搬运机器人,尾线机器人组成。与直线坐标的机械手相比,采用工业机器人更有柔性,对模具没有等高要求,容易集成。


应用案例



热模锻集成应


用热模锻生产线通常由两台模锻压机组成,一台用于冲压,另一台用于切边。


热模锻机器人集成应用通常配置两台机器人,一台负责将中频炉处理后的高温物料移送给冲压成形模锻压机,另一台负责从冲压成形模锻压机取料后移送到另一台模锻压机进行切边。


为防止高温冲压工件粘住模具,需要每次冲压后对模具进行石墨润滑,润滑可以由机器人完成,也可以采用专门机构实现。



由于锻造是高温高湿且又有石墨润滑带来的恶劣环境,特别要注意机器人的防护工作以及机器人本身抗热辐射能力,埃斯顿公司机器人4-5-6轴电机在机器人大臂和小臂连接处,具有自我远离热辐射的结构特点。在模锻压机安装电子凸轮控制系统,使模锻压机运行与机器人运行协调,提高加工效率,提升系统的安全性。


焊接应用


焊接是成形机床板材加工后道工序,机器人焊接有电阻焊和弧焊两种类型,焊接机器人应用占整个机器人应用的40%以上。


弧焊应用是以机器人为核心,配置焊机、送丝机、焊枪、工装夹具等组成焊接工作站。



电阻焊应用是以机器人为核心,配置点焊枪、焊接控制器、水气单元、管线包、工装夹具等组成点焊工作站。


机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表,智能化工业装备已经成为全球制造业升级转型的基础。工业机器人与数控机床集成应用,使智能制造与数字化车间、智能工厂从概念走向现实。



来源:工信微报

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