基于機器人自動上下料技術的數控機床產線的設計與應用

張新棋，董傳杰，王磊，李廣

（北京長征火箭裝備科技有限公司，北京 100076）

0 引言

現代化生產中對于柔性化制造的要求越來越高，企業常常希望對于批量較小但種類很多的相近類零件可以通過較少的制造單元完成生產，這樣可以節約制造企業的設備、人力、物料和場地，甚至可以將多品種小批量的產品集中到一個加工中心或者廠房內實現，這就要求制造型企業不斷加快和完善自己智能制造平臺的建設。對于機加工的智能制造，目前絕大多數企業采用的都是機器人上下料的方式實現的，其實現方式可以是一個機器人對應一臺機床，也可以是一個機器人對應多臺機床。對于一個機器人對應多臺機床的方式，除了機器人固定、合理分布機床布局的形式外，還可以采用地軌或桁架機器人的方式，即增加一個第七軸，使機器人可以沿第七軸移動，并在對應的機床位置進行上下料[1-4]。

對于一個機器人對應一臺或多臺機床的形式，通常適用于企業內部簡單的自動化改造，生產的也多是成熟的、批量化的產品；目前對于多品種小批量生產，企業應用更多的是桁架式機械手進行多個機床的上下料。這種方式不占用機床前面人工操作的場地，能夠有效地實現人工和自動切換，但實施起來通常都是根據機床的特點和布局進行非標定制，通用性較差。桁架形式的機械手通常不適用于機床相互位置較為擁擠或者廠房內部高度空間較小的場合。這種形式的機械手往往裝配困難，現場施工的工作量很大，常常需要企業內部生產設備的相互配合（比如天車、升降車、吊車等），生產過程中需要流轉設備的配合（如AGV車等），能夠兼顧的執行單元（如清洗、測量裝置等）較少，可擴展性差，后期維修維護也有很多的問題[5-9]。

因此，企業有時候也會采用地軌機器人的形式進行上下料。這就需要設計一種具備安全防護能力、可擴展性強且能夠充分利用場內空間的基于地軌機器人上下料的智能制造系統，通過上位機軟件總體控制，實現產品生產的進出料、流轉、上下料、機加工、清洗、測量等各個方面的管理。

1 產線設計

智能生產線整體布局示意圖如圖1所示。機床分為兩排相對布置在車間兩側，每一排機床后面配一條集中排屑機，將機床的廢屑通過集中排屑機的支線集中收集到其主線中，再通過集中排屑機的主線分別排到出口廢屑收集車里。中間通過護欄將地軌機器人、托盤庫、清洗烘干機、三坐標儀和恒溫機房包圍并與外部隔離起來，僅通過進出料平臺將裝夾好工件的托盤或生產完成產品的托盤進行線內外的傳送。進出料操作平臺示意圖如圖2所示。

圖1 智能生產線整體布局示意圖

圖2 進出料操作平臺示意圖

護欄包括兩側的手動門和對應機床的自動門。手動門平時不開啟，當線內遇到特殊情況或者需要維修時，可以打開手動門進入線內進行工作，此時整個生產線處于停止狀態，各環節均暫停工作。護欄的自動門位置與機器人在對應機床上下料的位置相協調，當系統處于手動狀態時，自動門全部關閉，線內設備不工作，此時可以人工操作機床；當系統處于半自動狀態時，機器人和人可以共線工作，自動門為常閉狀態，機器人不會到人工操作機床的位置進行上下料，且機器人到位后，自動門才會開啟，此時地軌機器人首先通過檢測雷達對機床前面區域進行探測，如發現有多余物體則停止上下料并報警；當系統處于全自動狀態時，自動門全部打開，人員不得進入操作機床。護欄一方面起到安全防護的作用，另一方面將線內線外區分開來，實現了系統手自切換的功能，可以增加車間內機床的利用率。

地軌機器人根據上位機的指示，除了機床上下料外，還可以將托盤從進出料平臺取出、取回，在托盤庫里存儲托盤，將裝夾工件的托盤放到清洗烘干機內清洗，或者放到三坐標測量儀中進行加工后的尺寸檢測。地軌機器人結構示意圖如圖3所示。

圖3 地軌機器人結構示意圖

托盤和托盤庫根據機床的特點和型號可以設計多種型式，只要保證接口統一即可。托盤接口應保證托盤可以在進出料平臺上自動定位和夾緊，并且能在機床上自動上料。在托盤流轉的過程中，可以增加工業相機或者RFID射頻模塊分別對產品和托盤進行識別。托盤庫結構示意圖如圖4所示。

圖4 托盤庫結構示意圖

清洗烘干機具備與標準托盤相配合的放置接口，由機器人將托盤放到設備的進出料口，進料清洗后可以選擇是否烘干，并在清洗完成后將產品和托盤送出，再由機器人取走。托盤結構及分類示意圖如圖5所示。三坐標儀和恒溫機房是整個系統的自動化測量檢驗部分，其中恒溫機房對應地軌機器人方向設計自動開閉的窗戶，機器人從該窗口取放料。中控臺是整個系統的總體管理、控制和監視的平臺，布置在線外進出料平臺所在方向，是整個系統的大腦。

圖5 托盤結構及分類示意圖

2 工作流程

在圖1、圖2所示總體布局中，機床分為兩排相對布置在車間兩側，每一排機床后面配一條集中排屑機，將機床的廢屑通過集中排屑機的支線集中收集到其主線中，再通過集中排屑機的主線分別排到出口廢屑收集車里。中間通過護欄將地軌機器人、托盤庫、清洗烘干機、三坐標儀和恒溫機房包圍并與外部隔離起來，僅通過進出料平臺將裝夾好工件的托盤或生產完成產品的托盤進行線內外的傳送。智能生產線俯視圖如圖6所示。

圖6 智能生產線俯視圖

護欄包括兩側的手動門和對應機床的自動門。手動門平時不開啟，當線內遇到特殊情況或者需要維修時，可以打開手動門進入線內進行工作，此時整個生產線處于停止狀態，各環節均暫停工作。護欄的自動門位置與機器人在對應機床上下料的位置相協調，當系統處于手動狀態時，自動門全部關閉，線內設備不工作，此時可以人工操作機床；當系統處于半自動狀態時，機器人和人可以共線工作，自動門為常閉狀態，機器人不會到人工操作機床的位置進行上下料，且機器人到位后，自動門才會開啟，此時地軌機器人首先通過檢測雷達對機床前面區域進行探測，如發現有多余物體則停止上下料并報警；當系統處于全自動狀態時，自動門全部打開，人員不得進入操作機床。護欄一方面起到安全防護的作用，另一方面將線內線外區分開來，實現了系統手自切換的功能，可以增加車間內機床的利用率。地軌機器人根據上位機的指示，除了機床上下料外，還可以將托盤從進出料平臺取出、取回，在托盤庫里存儲托盤，將裝夾工件的托盤放到清洗烘干機內清洗，或者放到三坐標測量儀中進行加工后的尺寸檢測。三坐標儀和恒溫機房是整個系統的自動化測量檢驗部分，其中恒溫機房對應地軌機器人方向設計自動開閉的窗戶，機器人從該窗口取放料。中控臺是整個系統的總體管理、控制和監視的平臺，布置在線外進出料平臺所在方向，是整個系統的大腦。系統工作流程如圖7所示。

圖7 系統工作流程圖

3 操作系統

通過對柔性單元的機床聯網改造預期將達到3個目的，對機床組網通信實現程序上傳下載，組態軟件的安裝實現機床數據采集和運行狀態的監控，對機床內置控制器的改造實現機床的遠程控制，與機器人的協同[10]。

PLC作為主控系統可實現各設備間的實時通信。觸摸屏在進出料平臺外側，操作員可通過觸摸屏調用程序指令、觀察設備狀態。操作員將工件定位在進出料平臺的托盤上，機器人抓取此處含有工件的托盤，然后依據程序配方自動送入相應機床，加工完畢后機器人將工件放入清洗機清洗后緩存至托盤物料庫中。系統具備托盤存儲管理和狀態監控等功能，所有工件可通過機器人中轉實現自動加工、清洗、測量，顯著減輕勞動強度。程序及通信示意圖如圖8所示，托盤存儲示意圖如圖9所示，狀態監控界面如圖10所示。

圖8 程序及通信示意圖

圖9 托盤存儲示意圖

圖10 狀態監控界面圖

4 結語

本設計以較為經濟的成本和布局方式實現了車銑混合、靈活可控的多品種小批量泵殼產品的智能制造。該設計使用地軌機器人完成對托盤的進出料、庫管理、機床上下料、自動清洗和測量，結構簡單，可實施性高，兼容性強，可以通過機器人的不同動作合成形成不同的功能單元，便于后期上位機智能排產的設計。本設計通過自動門護欄實現線外防護，可以實現手動、半自動和全自動的快速切換，同時設計了多種接口統一的托盤結構，可以同時兼顧車銑兩種不同切削方式的多種型號機床的自動化加工，整個系統通用性和可擴展性強。系統可以配置清洗、烘干、測量等多種設備，可以實現產品從毛坯到成品的全生命周期制造。系統應用實物圖如圖11所示。

圖11 系統應用實物圖