機器人在機床上下料自動化中的應用要點分析

劉福全

摘 要：裝備制造業作為我國的基礎工業，在市場需求和技術進步雙重作用下，近幾年來工業機器人與數控機床集成應用發展很快，應用的形式不斷擴展。這里簡要分析“機器人+數控機床上下料自動化生產線（單元）”的典型方案及應用要點。

關鍵詞：機器人；下料；自動化

1 典型的機器人+數控機床生產線（單元）配置分析

典型的機器人+數控機床上下料生產線（單元）主要由以下幾部分組成：

（1）數控機床：作為生產線（單元）的加工主體，承擔加工工作，機床應具備自動化的夾具、自動防護門、信號確認傳感器等與自動化相關的功能，并且機床的數控系統具備與工業機器人（或總控系統）信號交互通訊的功能。

（2）工業機器人及控制器：作為自動化搬運（上下料）的主體，承擔物料在生產線內的轉移工作，工業機器人作為機器人+數控機床加工生產線（單元）的核心部件之一。機器人控制器作為工業機器人的大腦，承擔控制機器人精確穩定運行的工作，具備對生產線的控制功能，對于動作不是特別復雜的單元進行總控制（如128點的I/O信號），通過與機床的數控系統信號的交互，控制機床自動門開閉、夾具夾持/松開、相關工作；通過與物料倉儲單元的PLC之間的信號交互，控制物料倉儲單元的供料與倉儲等。

（3）末端執行器：即機器人前端的抓手、吸盤等用來直接拾取工作的執行機構，常用的氣動抓手、電動抓手、吸盤等，特殊的有電磁夾具、伺服夾具等。

（4）系統控制器：即總控制平臺，通過PROFIBUS等通訊協議控制整個生產線（單元）的自動化運行。以通訊電纜連接，實現工業機器人、數控機床、系統控制器、周邊設備之間的信號交互通訊，完成生產線的自動化控制。

（5）周邊設備：如上下料倉儲單元、檢測單元、清洗單元、烘干單元等，作為生產線基本功能之外的拓展功能使用，根據被加工工件的生產工藝流程來配置，實現盡可能多的自動化功能，但同時，自動作的功能部件越多，生產線的故障點可能會增加。

下圖為典型“機器人+數控機床加工生產線（單元）”的基本配置：

2 典型的機器人+數控機床布局分析

2.1 機器人制造島

1臺機器人對應1～3臺數控機床，機器人在地面固定的布局，行業內應用最為廣泛，優點是施工、維護方便，成本低；缺點是機器人一般在機床正面布置，占用機床操作位置空間，影響人工對機床的維護保養，夾具、刀具的更換等工作，并且機器人服務設備數量受到機器人自身動作范圍的限制。

2.2 地面軌道行走機器人系統

1臺機器人對應多臺數控機床，數控機床呈一字型在機器人軌道的一側或兩側擺放，拓展的機器人動作范圍，單臺機器人可以服務多臺機床，應用也較多。

2.3 桁架軌道行走機器人加工系統

與前述第2種布局類似，也是將機器人安裝在行走軌道上，區別是桁架式是將機器人安裝在空中桁架軌道上。相對于地面式，這種布局節約地面空間；不占用機床操作位置空間，對機床的維護、換刀等操作非常方便；但缺點是相對于地面式，施工比較復雜，對地基要求嚴格，并且自身維修保養不是很方便。

2.4 機器人與機器人一體化

這種布局，機器人專用服務于一臺機床，因此，當生產線（單元）中數控機床數量增加時，成本較高；但優點是機器人系統結構、動作、抓手均很簡單，故障點少，系統可靠性高。

2.5 綜合性生產系統

即數字化車間，借助MES＼CAPPS＼ERP等信息化管理系統，輔以物流及傳感技術，實現全生產過程監控、在線故障實時反饋、加工工藝數據管理、刀具信息管理、設備維護數據管理、產品信息記錄等功能；滿足無人化生產需求，實現加工系統的生產計劃、作業協調集成與優化運行。

3 機器人+數控機床自動化的誤區分析

3.1 效率最高、速度最快

從第一次世界大戰后期的機器人構想期開始，直至機器人高速發展的今天，機器人的定位一至是“代替人工從事簡單、重復、枯燥、繁重的工作”，也就是說機器換人才是機器人發展的主旨。當然，提高生產效率是機器人發展的核心追求。但我們在實際應用中，始終把提高綜合生產效率作為機器人自動化應用的核心，所謂“提高綜合生產效率”，即要求機器人自動化系統在可靠、穩定的前提下高效運行，簡單操作、減輕勞動強度、低成本、方便管理。

3.2 對承重考慮不足

機器人的使用，應當在一個合理的負荷下工作，當負荷逐漸增加、或者在存在偏心負荷的應用時，機器人的響應速度及壽命必將下降，帶來的結果是機器人系統在一個不經濟的條件下運行，效率降低，增加周期時間，延長投資回收期。

3.3 對機器人期望值不正確

（1）期望機器人做過多的事，前方介紹過，復雜的系統、管理困難，故障點多，任何一個小故障都可能影響整個生產線的運行，故障被放大；而讓機器人系統結構、動作簡單，可靠性才會提高，效率才能提升。

（2）對仿真軟件過于信賴：機器人仿真軟件可以仿真出生產線的運行姿態及干涉狀態，但對于電纜、管線的纏繞問題是仿真不了的。

（3）對機器人控制能力的不信任：前文介紹過，機器人的控制器是可以控制機器人生產系統運行的。對于不是特別復雜的系統，不必增加總控制系統，可以降低成本，節能降耗。

機器人+數控機床加工生產線（單元），是工業機器人驅動與控制技術、PLC通信技術及數控技術、信息化與傳感器技術等的綜合應用，在上下料時，降低了工人的勞動強度，大大提高了工作效率，并提高了數控機床操作的安全性。加強工業機器人與數控機床工業的融合，對于提高中國裝備制造業的綜合競爭力具有重大意義。

參考文獻

[1]謝吉紅，李誠人.工業機器人在機床上下料應用中的相關問題[J].山東工業技術，2015，（18）：25.

[2]徐正平.工業機器人在機床上應用漸成發展趨勢[N].中國工業報，2005-12-01（B03）.

（作者單位：大連機床集團）