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： 廣州數控設備有限公司 作者：何敏佳 江文明
1．壓鑄產品制造企業存在的一些問題
隨著生活水平的不斷提升，人們對生活質量的需要也逐漸提高 ; 汽車、家用電器、電子通信等產品的需求及更替越來越快，而這些產品的零部件大多采用壓鑄成型制造的工藝方式。因為壓鑄產品有著近終產品特性，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，設計材料利用率高，只需經過少量機械加工即可裝配使用，制造效率高等優點，是今后更多任務業產品采用壓鑄制造工藝的發展趨勢。
然而，為了滿足日益增長的訂單需求，壓鑄產品機械加工中企業又面臨諸多問題，比如壓鑄產品種類較多，但差異化小，需要多次裝夾定位、兼容互換等保證加工后品質一致性 ; 訂單多次少量、交貨期短，對產線物料供應計劃及時性，生產計劃需更加周密協調 ; 數控機床加工的性能效率、編程與操作的復雜，需要配置更加專業的操控技術人員 ; 生產連續化、工件的上下料裝夾，主要依賴工人的體力和技能，生產效率低、勞動強度大、缺少熟練技工人才，很難以保障產品加工的穩定性和一致性 ; 同時，隨著人口紅利的缺失，企業更面臨用工荒、招工難，勞動力成本的大幅度上升等困境。
鑒于上述存在的問題，促使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升級 ; 進一步提高企業的生產應變能力，在短時間內轉換生產，并兼容多種產品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的智能生產線來解決企業存在的問題，并推動企業智能化改造升級的必然發展趨勢。
2．改善企業生產制造問題集成工業機器人應用的主要方式
工業機器人在數控機床生產加工中主要是替代作業人員改變傳統的人工生產模式，將生產物料在不同工序間進行搬運與轉換功能，實現產線的自動化生產流程 ; 機器人與數控機床集成的方式主要有以下 :
（1）集成單機工作站生產
集成單機工作站是機器人在數控機床上實現自動化生產的典型應用。多應用于生產單次批量大、加工時間短的中小零件加工 ; 對比人工操作上下料更準確、迅速、安全，機器人替代人工上下料作業的優勢明顯，也是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
工業機器人與若干臺數控機床組成自動化生產線，完成生產中的幾個連續性加工工序 ; 機器人主要承擔工件在各工序之間的轉換搬運工作 ;比集成單機上下料更為復雜也更有價值的一種應用。在當前工業轉型升級過程中，市場需求越來
越廣泛。
（3）集成多機組成自動化、信息化的智能生產線
在與若干臺數控機床組成自動化生產線的基礎上，需要對生產狀況、設備狀態、能源消耗、生產質量、物料消耗等信息進行實時采集和分析，進行高效排產和合理排班，顯著提高設備利用率（OEE），柔性靈活調整工藝，適應小批量、多品種的混合生產智能模式 ;
3．工業機器人與數控機床集成智能應用產線解決方案
3.1 智能生產集成設計依據
通過以壓鑄產品成型后需要進行自動上料、工件識別、銑裝配面、鉆孔、攻絲、清洗、自動下料生產工藝需求為例，闡述采用工業機器人與數控機床集成技術對產線智能改造升級方案制定。
（1） 壓鑄產品規格: 約為 520mm*320mm*20mm, 產品重量 <=12kg;
（2）壓鑄產品主要加工要求見圖 1;
圖 1
（3）料倉上下料、自動識別工件裝夾、換產、生產信息監控等，實現數控機床連線自動生產。
3.2 智能生產線整體設計布局
項目采用3臺數控機床加工系統、1臺GSK-RB35 機器人、機器人第七軸移動系統、上下料倉、二次定位及識別系統、翻面裝置及清洗系統，以及 GSK 制造執行系統等集成一體的智能加工生產線 ; 根據生產訂單需求不同，可同時進行一種或多種產品柔性化混合生產 ; 實現不同工藝、型號批次產品的識別判斷，可以快速制定生產計劃、柔性轉換智能生產，提高生產效率、保證產品質量。
3.3 集成的數控機床系統及工裝夾具
集成高效五面體數控加工中心 YHV1165 機床，有立、臥、回轉分度組合，實現車、銑及五面加工，可代替多臺加工設備的機器人流水線，實現大零件復合加工，節約能量，提高空間精度，提升產品品質 ; 廣泛運用于 LED 燈箱、新能源、通訊等壓鑄腔體加工。
（1）五面體加工中心是由一臺臥式和一臺立式加工中心組合而成 ; 使用同一套工作平面系統，并裝有回轉分度裝置，可任意旋轉角度實現多面、車銑復合加工能力 ; 一次裝夾，減少多次裝夾的誤差，提高精度與加工效率。
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具，實現鉆、鏜、鉸、攻螺紋、切槽等多道工序加工功能。
（3）一套系統控制立、臥兩個加工中心組合。配備直線和圓弧插補功能外，還具有各種加工固定循環、刀具半徑、長度自動補償、加工過程圖形顯示、人機對話、故障自動診斷、離線編程等功能。
（4）機床專業裝夾工裝，采用液壓夾緊、銷柱定位 ; 具有夾持剛性強、重復定位精準及通用可靠，并實現加工系統自動控制夾緊松開命令。
3.4 GSK RB35工業機器人搭配機械手夾具
（1）系統采用 GSK RB35 機器人，重復定位精度高、速度快、控制靈活、服務半徑大 ; 適合本產線加工中抓取工件在各工序間物料的搬運轉換作業 ;
（2）針對工件的復雜性及應用環境。機械手夾具的設計采用膨脹銷自定位 + 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．采用反重力外抱緊 + 膨脹銷自定位結構，避免因有切削液等影響摩擦系數降低夾緊力因素;
B．膨脹銷自定位夾緊 , 限制工件 XY 軸向自由度，保證工件定位精度的一致性 ;
C．整個夾具設計簡單、緊湊，減小機器人選型及運行負荷 ;
D．具有斷氣、斷電自保護功能，防止機器人運行過程中意外斷氣、斷電夾爪不會自行松開。
3.5 機器人第七軸移動系統
設計機器人行走軸可極大地擴展工業機器人的工作空間，通過機器人行走軸，一臺機器人可完成 3 個機床加工工位，以及上下料、檢測、翻面、清洗工位之間的工作服務空間。
（1）運動由機器人系統直接控制，不需要增加控制系統。
（2）設計伺服馬達控制，通過精密減速機，齒輪，齒條進行傳動，重復精度高 ; 運行速度 3米 / 秒，有效負載大，提高工作效率，減少機器人配比數量。
（3）針對機床加工特定環境設計防護性，可適用于機床加工，涂膠，焊接、搬運等環境惡劣工況作業。
3.6 二次定位及識別系統
機器人從上料倉抓取的工件，先放在二次定位夾具定位、讀取二維碼數據，再進入機床調用匹配程序加工。
（1）二次定位夾具設計有銷釘及基準定位面，并有吹氣裝置清潔工件表面雜質，保證工作放入機床夾具的精準性和一致性 ;
（2）工件二定位后，同時有非接觸式掃描讀取工件信息，將工件生產信息發送數據給 GSK總控制系統及生產管理系統。
3.7 翻面裝置及清洗系統
翻面裝置是依據工藝要求，在工件 1、2 機床加工完成后需要進行翻面定位，進行二次裝夾加工另一面銑平面、鉆孔、攻絲工序所設計 ;
清洗系統 :
（1）機床加工后會殘留大量的切削液和切削屑，必須把切削液留在機床回收循環使用，而切削屑進行集中清除處理，保證加工零件清潔干凈后傳送到下工序 ;
（2）在數控機床內，機械手夾具上設計有高壓氣槍，利用機器人的空間作業性設定運動軌跡對加工零件進行全方位清理清潔不留死角位。
3.8 上下料倉及定位裝置
料倉主要用于將貯存壓鑄工件，可持續集中為產線生產提供穩定的物料供應，節省人力，減輕勞動強度，提高工作效率 ; 項目上下料倉分別設計有雙工位料倉、料倉定位機構、檢測傳感裝置等裝置 ; 可滿足加工零件與機械手之間保持精確的位置關系，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
防護圍欄采用標準金屬網面搭配鋼結構立柱設計，網面變形結實并耐沖擊 ; 設置有安全門，安全感應光柵及安全鎖 ; 用于建立防護圍欄安全鎖防護系統，對設備和現場工作人員起到很好的安全隔離防護作用。當發生異常時系統會報警警示，并整線停止工作，保證系統安全穩定生產。
3.10 GSK制造執行系統
GSK 智能制造執行系統針對企業生產特點建立以 GMES 為核心的生產計劃協同管理平臺，具備網絡化監視、控制、數據采集等功能。利用GSK-LINK 總線實現數控機床、工業機器人系統、識別系統及生產輔助設備的連接進行智能化監控
管理。
圖 3 GSK 制造執行系統
（1）加工任務的創建規劃、生產工序管理，及加工程序管理和信息數據上傳 ;
（2）可在線檢測實時顯示和刀具補償修正，及機床啟停、初始化和管理 ;
（3）設置有智能廣告牌功能 : 可數據采集與可視化管理，實時掌握設備運行情況、設備利用率、生產效率與產品質量，反饋生產信息以及機床刀具監控等功能應用，便于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，換產能自動切換夾具 ; 可以兼容多種工件的上下料工作，用較少的制造成本解決了多型號、小批量生產在同一產線柔性生產的難題 ;
（2）工業機器人完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 臺工業機器人應對 3 臺數控機床加工的上下料供給，并可24 小時持續作業 ; 人工生產配置 4 名工人 / 班，到升級后僅需要 1 名技術人員集中管理設備運行 ; 減少了設備及人員投入，還提高生產效率 ;
（3）改造前產線需準備物料、設備調機換產等準備工作，人工每班生產有效時間小于 7 小時，產線機器人改造升級后，每班可以連續生產 8 小時，平均生產效率提升 15%;
（4）工業機器人系統與數控機床、上下料倉、識別檢測裝置之間通過 GSK 制造執行系統緊密協調配合，節省工序轉換、設備操控時間，并能連續穩定生產，最大化提升產線生產效率，降低生產運營成本。
6. 結語
通過闡述應用案例，機器人與數控機床集成可以裝備應用壓鑄制造業智能化生產升級改造 ; “機器換人” 提高了工作效率，降低成本，縮短制造周期，適應小批量、多品種混合的智能生產模式。
未來企業需要根據市場需求，彈性地調整產能，實現個性化定制，制造出更智能的產品 ; 這不能僅依靠自動化技術來實現，還必須依靠信息化技術來解決業務層面的問題，為工廠賦予智慧，為需要市場決策、數據分析調控、質量管控、售后服務與追溯等提供依據和支持，實現工業機器人在制造業自動化與信息化結合才能夠發揮最大功效，并將促使企業產品向專業化、連續化、智能化生產趨勢發展。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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