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    WMEM | 基于機(jī)器人的機(jī)加工自動(dòng)線的應(yīng)用及選擇

    2022年06月08日 11:37:24來(lái)源:《世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)(WMEM)》雜志2022年第2期作者:張傳思點(diǎn)擊:17570

      【機(jī)床商務(wù)網(wǎng)欄目 科技動(dòng)態(tài)】本文介紹了基于機(jī)器人的機(jī)械加工自動(dòng)線的典型特征,闡述了基于機(jī)器人機(jī)加自動(dòng)線的組成型式,分析了基于典型機(jī)器人的機(jī)加自動(dòng)線的結(jié)構(gòu)型式及每種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。提出了如何選擇適用于機(jī)加自動(dòng)線的機(jī)器人,總結(jié)了基于機(jī)器人機(jī)加自動(dòng)線的發(fā)展趨勢(shì)。
     
      機(jī)械加工由加工設(shè)備對(duì)金屬毛坯件通過(guò)材料去除的方式,達(dá)到圖樣要求。目前,金屬零件的機(jī)械加工多以金屬切削的方式來(lái)實(shí)現(xiàn),人為因素可導(dǎo)致零件的加工效率低、精度一致性差等。
     
      隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展,以及人口紅利的降低,基于機(jī)器人的自動(dòng)化加工單元、自動(dòng)化加工生產(chǎn)線已越來(lái)越多被采用。不僅局限于較成熟的汽車缸體缸蓋行業(yè),目前在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域零件的加工都朝著自動(dòng)化的加工方向發(fā)展,包括航空航天結(jié)構(gòu)件、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件目前都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化加工。
     
      1.機(jī)器人機(jī)加自動(dòng)線的特征及組成
     
      基于機(jī)器人的機(jī)加自動(dòng)線是集加工設(shè)備自動(dòng)化、工件上下料自動(dòng)化、工件定位夾緊自動(dòng)化、工件輸送自動(dòng)化、排屑自動(dòng)化、自動(dòng)線連鎖保護(hù)自動(dòng)化、工件與刀具自動(dòng)檢測(cè)及自動(dòng)控制等于一身的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng),具有良好的柔性,生產(chǎn)精度和效率較高,大大降低操作者勞動(dòng)強(qiáng)度,易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。其典型特征是將加工設(shè)備按照既定的工藝路線依次排列,用機(jī)器人及自動(dòng)輸送裝置、其它輔助裝置等連接起來(lái),使其按規(guī)定的程序進(jìn)行自動(dòng)工作。
     
      在自動(dòng)線中,工件以一定的生產(chǎn)節(jié)拍、按照工藝順序自動(dòng)地經(jīng)過(guò)各個(gè)工位,自動(dòng)完成預(yù)定的加工過(guò)程,最終形成合格的產(chǎn)品。
     
      典型的機(jī)加自動(dòng)線主要由機(jī)器人、加工設(shè)備、工藝裝備、輸送裝備、輔助裝備、控制系統(tǒng)等組成。基于工藝要求、工藝過(guò)程、生產(chǎn)率要求、自動(dòng)化程度等因素,機(jī)加自動(dòng)線的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜程度差別很大。
     
      (1)機(jī)器人
     
      加工設(shè)備的上下料裝置主要由機(jī)器人或小車來(lái)完成,具體有桁架式機(jī)器人、關(guān)節(jié)型機(jī)器人、RGV與AGV小車、協(xié)作機(jī)器人等。其中,桁架式機(jī)械手與關(guān)節(jié)機(jī)器人承載量較小,承載較大的多用RGV小車來(lái)完成。可根據(jù)產(chǎn)線布局及工件大小,進(jìn)行工件輸送設(shè)備和機(jī)床上下料裝置選擇。
     
      (2)加工設(shè)備
     
      主要為數(shù)控機(jī)床,多具有封閉的加工區(qū)域,含有自動(dòng)上下料門,具備自動(dòng)交換刀具功能,自動(dòng)排屑功能,有的還帶有機(jī)內(nèi)刀具測(cè)量、工件檢測(cè)系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的選擇主要根據(jù)被加工零件的尺寸、加工精度和生產(chǎn)類型等來(lái)進(jìn)行,同時(shí)也要兼顧加工效率和加工穩(wěn)定性,主要為立式加工中心、臥式加工中心、數(shù)控車床等。通常大批量生產(chǎn)選用組合機(jī)床,生產(chǎn)批量不大而品種繁多應(yīng)選柔性加工系統(tǒng)。
     
      (3)工藝裝備
     
      主要包括夾具系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、量具、輔具。其中,夾具完成對(duì)工件的裝夾及轉(zhuǎn)運(yùn),保證工件在每次加工中固定穩(wěn)定可靠。每次交換能夠準(zhǔn)確無(wú)誤完成工件的定位及緊固,夾具有固定在工位上的,也有隨工件一起運(yùn)行的隨行夾具。
     
      而刀具作為機(jī)加材料的去除工具,要保證刀具性能可靠。生產(chǎn)線所用的刀具種類規(guī)格較多,還要保證能自動(dòng)交換,這就要求每臺(tái)加工設(shè)備具備自動(dòng)交換刀具功能,具備自己的刀庫(kù)及換刀機(jī)械手。同時(shí)根據(jù)需要可以配中央刀庫(kù),通過(guò)交換裝置把刀庫(kù)運(yùn)到所需的設(shè)備上。為了掌握刀庫(kù)的使用情況,可配備RFID功能,掌握每把刀具的使用壽命等情況。同時(shí)機(jī)床內(nèi)還可安裝對(duì)刀儀,對(duì)刀具的磨損、刀長(zhǎng)、刀徑、斷刀等進(jìn)行在線檢測(cè)。
     
      (4)輸送裝備
     
      主要包括工件輸送裝置、儲(chǔ)料裝置(料庫(kù))等。工件輸送裝置負(fù)責(zé)工件在不同機(jī)加設(shè)備之間運(yùn)轉(zhuǎn),多為鏈?zhǔn)健絺魉蜋C(jī)構(gòu)。儲(chǔ)料裝置也可稱為料庫(kù),主要用來(lái)存儲(chǔ)工件,包括毛坯、半成品與成品,有單一線形、矩陣式立體庫(kù)、環(huán)島式等型式。可依據(jù)工件大小、加工頻率、場(chǎng)地面積等進(jìn)行合理的料庫(kù)選擇。
     
      (5)輔助裝備
     
      主要包括清洗裝置、排屑裝置等。針對(duì)機(jī)加自動(dòng)線的持續(xù)高效加工,要保證將切屑及時(shí)順利清除出工作區(qū),尤其是夾具定位面的切屑,如清除不干凈就會(huì)導(dǎo)致定位不準(zhǔn)或損傷工件,最終導(dǎo)致零件加工不合格。因此,加工設(shè)備通常配置主軸中心出水、主軸環(huán)噴、頂棚噴淋等裝置,大力沖刷工件及夾具表面,保證工件準(zhǔn)確定位及裝夾。
     
      每臺(tái)加工設(shè)備通常具有自己的排屑系統(tǒng),而每臺(tái)設(shè)備的切屑統(tǒng)一排入產(chǎn)線的接屑系統(tǒng)中集中處理,即集中排屑,集中排屑后可對(duì)積屑進(jìn)行壓塊處理。
     
      (6)控制系統(tǒng)
     
      自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)就像大腦一樣,控制整個(gè)產(chǎn)線協(xié)同生產(chǎn),對(duì)下位機(jī)的加工設(shè)備、輸送設(shè)備、輔助裝置等進(jìn)行控制,實(shí)行統(tǒng)一調(diào)度管理,保證生產(chǎn)線按節(jié)拍有序進(jìn)行。
     
      智能的機(jī)加自動(dòng)線主要包括數(shù)據(jù)層、物理層和人機(jī)交互平臺(tái)。數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸和分析,物理層與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換主要依靠現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)完成。物理層通常包括控制站、操作站和現(xiàn)場(chǎng)控制層,主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集和遙感。人機(jī)交互平臺(tái)使人與設(shè)備完美結(jié)合,保證產(chǎn)線準(zhǔn)確、高效地完成既定加工。
     
      2.機(jī)器人機(jī)加自動(dòng)線典型結(jié)構(gòu)型式
     
      基于機(jī)器人的機(jī)加自動(dòng)線,工件上下料的方式有采用桁架機(jī)器人、關(guān)節(jié)機(jī)器人、有軌自動(dòng)化小車、AGV叉車、協(xié)作機(jī)器人等方式。
     
      桁架式機(jī)加自動(dòng)線主要由加工中心與桁架機(jī)器人組成,如圖1所示。桁架機(jī)器人通常由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)組成,也稱直角坐標(biāo)機(jī)器人,由兩個(gè)或三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn),直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制,可達(dá)到很高的位置精度。
     
    圖片
    圖1 桁架式機(jī)加自動(dòng)線
     
      桁架型式主要為懸臂式、龍門式、天車式三種結(jié)構(gòu)。懸臂式用來(lái)搬運(yùn)較輕部件;龍門式結(jié)構(gòu),主橫梁采用齒輪條加線軌傳動(dòng),具有高剛性、負(fù)載重等特點(diǎn),不會(huì)受到物件重量限制,整體移動(dòng)十分靈活;桁架機(jī)器人在高空中輸送零件,直接把被加工零件從一臺(tái)機(jī)床輸送到另一臺(tái)機(jī)床上,桁架機(jī)器人兼有工序間運(yùn)輸和自動(dòng)上下料及物料回轉(zhuǎn)等輔助功能。具有輸送快捷、精準(zhǔn)、柔性,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)捷,便于組合等優(yōu)點(diǎn)。
     
      關(guān)節(jié)機(jī)器人機(jī)加自動(dòng)線(見圖2)主要由關(guān)節(jié)機(jī)器人與加工中心組成,其中關(guān)節(jié)機(jī)器人多為六軸工業(yè)機(jī)器人,通常由齒輪齒條驅(qū)動(dòng),在加工中心前面的軌道上直線運(yùn)行,形成第七軸,實(shí)現(xiàn)在不同加工中心間上下料及運(yùn)輸工件。如地面面積有限,關(guān)節(jié)機(jī)器人可布置在桁架之上,桁架布置在加工中心之間,使產(chǎn)線空間更加緊湊。總之,關(guān)節(jié)機(jī)器人適用于各種機(jī)床的上下料,動(dòng)作靈活,結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小。關(guān)節(jié)型機(jī)器人自由度高,工作空間比較大。可通過(guò)更換末端執(zhí)行器及相關(guān)夾具類型,進(jìn)行換產(chǎn),具有高效率、高穩(wěn)定性、易于維護(hù)、柔性化等優(yōu)點(diǎn),可以滿足不同種類產(chǎn)品的生產(chǎn)。
     
    圖片
    圖2 關(guān)節(jié)機(jī)器人式機(jī)加自動(dòng)線
     
      關(guān)節(jié)機(jī)器人還可配置視覺系統(tǒng),使產(chǎn)線更加智能化。關(guān)節(jié)機(jī)器人也可用在加工中心刀具的自動(dòng)交換系統(tǒng)上,使產(chǎn)線加工中心的自動(dòng)換刀更加柔性化,提升加工中心的加工效率。該型式自動(dòng)線的料庫(kù)通常布置在產(chǎn)線的一側(cè),便于集中管理。
     
      有軌小車式機(jī)加自動(dòng)線(見圖3)主要由搬運(yùn)小車、軌道、加工中心、料庫(kù)等組成。小車通常具有三個(gè)直線軸:整體運(yùn)動(dòng)軸、伸縮軸、升降軸,有的還有第四軸的旋轉(zhuǎn)軸。其中,整體運(yùn)動(dòng)軸可使小車在各個(gè)工位的加工中心間運(yùn)行;伸縮軸可伸長(zhǎng)進(jìn)入到工作區(qū),之后升降軸升起,拖住工件托盤,之后縮回,到下一個(gè)工位升降軸再下降,伸縮軸再縮回,就完成了工件在不同工位之間的交換。該型式機(jī)加自動(dòng)線可用于輸送重質(zhì)量工件,小車軌道可隨需求任意加長(zhǎng),具有速度快、可靠性高等特點(diǎn)。該類產(chǎn)線的料庫(kù)多布置在加工中心的對(duì)面,依據(jù)產(chǎn)量需求,可為單層與多層立體庫(kù)型式。
     
    圖片
    圖3 有軌小車式機(jī)加自動(dòng)線
     
      圖4為由搬運(yùn)小車組成的航空結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)線。由于航空結(jié)構(gòu)件多采用大去除率的加工設(shè)備,故該類加工設(shè)備工作臺(tái)垂直布置,工件在上下料位進(jìn)行水平上料與下料,之后翻起,再交換到RGV小車上,由小車運(yùn)送到不同位置機(jī)床進(jìn)行上下料,料庫(kù)也是垂直地面布置。雖然航空結(jié)構(gòu)件都很大,但這種長(zhǎng)線布局方式占地面積小,結(jié)構(gòu)緊湊。如斯達(dá)拉格的Ecospeed航空結(jié)構(gòu)件自動(dòng)線被應(yīng)用于很多飛機(jī)結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)商。
     
    圖片
    圖4 航空結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)線
     
      AGV叉車式機(jī)加自動(dòng)線主要由AGV叉車與加工中心、料庫(kù)等組成。AGV更加靈活,柔性更大,生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化,減少了有軌小車的軌道,縮小了占地面積,開放性更好。自動(dòng)化水平更高,可十分便捷地與加工中心、物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)接,多臺(tái)AGV叉車可組成多條柔性加工線,效率更高,更加智能化。
     
      3. 選擇適合機(jī)加自動(dòng)線的機(jī)器人
     
      機(jī)加自動(dòng)線型式多樣,如何選擇一款適合于機(jī)加自動(dòng)線的機(jī)器人呢?可關(guān)注以下幾個(gè)主要方面。
     
      (1)自由度
     
      自由度即機(jī)器人的軸數(shù),軸數(shù)越多機(jī)器人的靈活性也就越強(qiáng)。主要依據(jù)工作空間進(jìn)行軸數(shù)的選擇。空間足夠,通常四軸機(jī)器人即可完成指定工作。如果空間狹小,需要避免障礙就要選擇更多軸數(shù)的六軸機(jī)器人,再加上直線移動(dòng)軸構(gòu)成七軸。
     
      (2)負(fù)載
     
      要依據(jù)工件的重量,重量太大的只能應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人來(lái)完成,協(xié)作機(jī)器人承載較小無(wú)法滿足,重量大小依次可選擇RGV小車、桁架機(jī)器人、關(guān)節(jié)機(jī)器人。
     
      (3)最大運(yùn)動(dòng)范圍
     
      要確定好機(jī)器人的有效臂展及回轉(zhuǎn)直徑,要保證能抓取到目標(biāo)工件,路徑上不能有其他障礙。
     
      (4)速度
     
      如果要考慮上下料的效率,還要選擇合適的機(jī)器人速度,優(yōu)化路徑設(shè)計(jì),才能提高自動(dòng)化效率。
     
      (5)重復(fù)定位精度
     
      指機(jī)器人重復(fù)執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作的位置準(zhǔn)確性,只有重復(fù)定位精度高了,才能保證機(jī)器人每次都停在理論的目標(biāo)位置。
     
      另外,還要根據(jù)工件的幾何形狀、工藝特征、毛坯形狀等,選擇合適的機(jī)器人。同時(shí)要依據(jù)生產(chǎn)車間的面積大小及形狀,考慮何種結(jié)構(gòu)型式的機(jī)器人更能適應(yīng)作業(yè)空間。機(jī)器人的選擇盡量要滿足生產(chǎn)線的柔性化,以便適應(yīng)不同種類、不同特征零件的靈活換產(chǎn),提高生產(chǎn)線的利用率。
     
      4.結(jié)語(yǔ)
     
      隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展及智能制造裝備的逐漸強(qiáng)大,機(jī)器人會(huì)被更加廣泛地應(yīng)用于機(jī)加自動(dòng)線中,以提升加工效率和精度穩(wěn)定性。基于機(jī)器人的機(jī)加自動(dòng)線將朝著高度智能化方向發(fā)展,是信息化與工業(yè)化深度融合的具體體現(xiàn)。
     
      具備多傳感器融合的智能化機(jī)器人、智能化數(shù)控加工設(shè)備、智能化工藝裝備、智能化在線測(cè)量部件、智能化物流輸送裝置等,與融合了先進(jìn)信息技術(shù)、制造技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和人工智能技術(shù)的高度柔性及集成的智能化生產(chǎn)線相結(jié)合,將進(jìn)一步形成智能化加工車間,最終真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人化、智能化加工在機(jī)械行業(yè)各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
     
      作者:張傳思(科德數(shù)控股份有限公司沈陽(yáng)分公司)
     
      來(lái)源:《世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)(WMEM)》雜志2022年第2期
    (來(lái)源:《世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)(WMEM)》雜志2022年第2期)


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