工業(yè)機器人和數(shù)控機床如何做到完美配合？

      與此同時，隨著勞動力成本的上升以及企業(yè)智能化的轉(zhuǎn)型，機器人市場卻備受追捧。

圖1 2012-2020年全球工業(yè)機器人銷售額及增長率

       除傳統(tǒng)的焊接應(yīng)用外，機器人在機床上下料、物料搬運碼垛、打磨、噴涂、裝配等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。金屬成形機床是機床工具的重要組成部分，成形加工通常與高勞動強度、噪聲污染、金屬粉塵等名詞聯(lián)系在一起，高溫高濕甚至有污染的作業(yè)環(huán)境使得這個崗位招人困難。工業(yè)機器人與成形機床集成，不僅可以解決企業(yè)用人問題，同時也能提高加工效率和安全性、提升加工精度，目前已成為大的發(fā)展趨勢。

      那工業(yè)機器人和數(shù)控機床是怎么配合工作的？又是需要哪些專用夾具是分別應(yīng)用到機械手和數(shù)控機床上的？這里以FANUC機器人為例。

1、電機外殼加工生產(chǎn)線上的配合應(yīng)用

       FANUC機器人在電機外殼加工生產(chǎn)線上的應(yīng)用過程，采用機器人自動上下料技術(shù)及利用iRVision視覺系統(tǒng)，合理地規(guī)劃機器人運動軌跡，把工業(yè)機器人搬運技術(shù)及數(shù)控機床加工技術(shù)有機地組合起來，實現(xiàn)自動裝卸工件、自動碼放加工成品，實現(xiàn)產(chǎn)品的高精度、高效率和低成本加工。

       自動加工生產(chǎn)線配置了兩臺FANUC Robot M－20iA搬運系統(tǒng)機器人，其中一臺機器人作為行走機器人R1，使用FANUC伺服電動機αiF12／3000控制，通過精密減速機、齒輪及齒條進行傳動，重復(fù)精度高，可以輕松適應(yīng)機床在導(dǎo)軌兩側(cè)布置的方案。

       主要用于毛坯工件的抓取、機床上料、加工工序間工件抓取以及加工成品卸除并運送到傳輸帶上。

       另一臺固定機器人R2結(jié)合FANUC獨有的智能機器人技術(shù)（iRVision視覺功能），用于下料，在料筐里碼放加工成品。

       FANUC Robot M－20iA機器人各環(huán)節(jié)每一個結(jié)合處為一個關(guān)節(jié)點或坐標(biāo)系，其外形及各關(guān)節(jié)位置如下圖所示。

圖2

2、自動加工線設(shè)備布置

       電機外殼自動加工生產(chǎn)線由上料輸送帶和下料輸送帶（分別配置iRVision視覺系統(tǒng)）、行走機器人R1（導(dǎo)軌式）、固定機器人R2、兩臺VM850立式加工中心、一臺CLX360數(shù)控車床、成品料筐和系統(tǒng)控制柜等組成，各設(shè)備布置如下圖所示。

圖3

3、數(shù)控加工工藝

      工件為電機外殼， 如下圖所示， 為大批量生產(chǎn)， 材料是ADC12鋁合金。加工內(nèi)容包含端面銑削鉆孔、攻螺紋和內(nèi)孔車削等內(nèi)容。

圖4

零件加工工序內(nèi)容分配如下：

（1）VM850立式加工中心1進行M4螺紋底孔鉆孔、M4螺紋攻螺紋及銑削外圓凸臺工序加工，如下圖所示。

圖5

（2）VM850加工中心2進行鉆6個φ 5.5mm的通孔、孔口倒角工序加工，如下圖所示。

圖6

（3）CLX360數(shù)控車床進行內(nèi)孔及臺階孔、孔口倒角工序加工，如下圖所示。

圖7

此外， 還需要設(shè)計專用夾具， 加工中心夾具采用內(nèi)夾方式，數(shù)控車床采用外夾方式。

4、機器人自動上下料動作設(shè)計

根據(jù)工件的外形特點設(shè)計機器人氣動手爪部件，包含氣動、傳感器及機械部件等。工件加工工藝流程如下：

①毛坯工件擺放在上料傳送帶上。

②行走機器人R1復(fù)合手爪抓取毛坯工件，行走到加工中心位置，將工件安裝到加工中心的專用夾具上，如下圖所示。

圖8

③待加工中心1加工完成后，行走機器人R1復(fù)合手爪取下工件，行走到加工中心2位置，將工件安裝到加工中心2的專用夾具上，如下圖所示。

圖9

④待加工中心2加工完成后，行走機器人R1取下工件到數(shù)控車床位置，將工件安裝到專用夾具上，如圖9所示。待工件加工完成后取下工件，機器人行走到工件翻轉(zhuǎn)臺位置，進行工件翻轉(zhuǎn)、交換，如下圖所示。

圖10

⑤工件在翻轉(zhuǎn)臺進行交換后，機器人R1把加工成品放置在下料傳送帶上，如圖11所示，由機器人R2進行工件下料、自動碼放在成品料筐中，如下圖所示。

圖11

至此， 結(jié)束一個完整的加工流程。各加工工序有相應(yīng)的節(jié)拍，經(jīng)過調(diào)整CNC加工程序以及機器人動作程序后，可實現(xiàn)數(shù)控機床加工與機器人上下料的完美組合。

5、專用夾具設(shè)計

依據(jù)三臺數(shù)控機床各自的加工工序任務(wù)，設(shè)計三套組合氣動夾具，介紹如下。

（1）立式加工中心1專用夾具：立式加工中心1進行鉆孔、攻，如下圖所示。

圖12

（2）立式加工中心2 專用夾具：立式加工中心2進行鉆6個φ 5.5mm的通孔、孔口倒角工序加工，設(shè)計以氣動三爪自定心卡盤夾緊工件，以兩個彈性V形塊定向的夾具，如下圖所示。

圖13

1．啟動卡盤 2．支承塊 3．彈性V形塊 4．特制卡爪

（3）數(shù)控車床專用夾具：數(shù)控車床進行內(nèi)孔及臺階孔、孔口倒角工序加工，設(shè)計以一面兩銷定位工件、以氣動旋轉(zhuǎn)夾緊器夾緊方式的夾具。

6、機器人、P LC與數(shù)控機床的接口

為保證機器人與數(shù)控機床的安全配合，要建立機器人、PLC以及數(shù)控機床之間安全可靠的通信連接。

在硬件方面，通過屏蔽電纜將三者之間相應(yīng)的輸入與輸出點進行連接。軟件方面，通過機器人專用軟件、PLC接口，采集機床和機器人當(dāng)前狀態(tài)，編寫相應(yīng)的符合上下料邏輯的控制程序，最終達到數(shù)控機床與機器人的有效通信。

重點需要處置緊急停止信號、數(shù)控機床準備完成信號、機器人手爪氣動信號、數(shù)控機床夾具松夾信號以及安全門信號等，數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控畫面如下圖所示。

圖14

      不僅是生產(chǎn)活動中，工業(yè)機器人代替人工在機床上進行兩個行業(yè)領(lǐng)域也在用各自的優(yōu)勢互補。此外，中國機器人市場未來可預(yù)期的快速增長或也是上述機床行業(yè)紛紛涉足的關(guān)鍵原因之一。

      機床是生產(chǎn)機器零部件的機器，簡單地說就是生產(chǎn)機器的機器。數(shù)控機床是機床的數(shù)字化和智能化，主要通過數(shù)控裝置發(fā)出信號，控制機床按圖紙的要求，根據(jù)形狀和尺寸，自動地將零件加工生產(chǎn)。數(shù)控機床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題。說白了，就是機械零部件的生產(chǎn)從手工化，到機械化，再到數(shù)字化的應(yīng)用過程。

      而機器人是高精尖的高科技產(chǎn)品，核心或者關(guān)鍵零部件有絲毫的誤差都會影響機器人的運動和操作精度。很多核心零部件比如伺服電機、驅(qū)動器、控制器、減速器等都需要精確度高的機床來生產(chǎn)，包括轉(zhuǎn)盤、大臂、小臂、箱體、腕體等關(guān)鍵零部件也是靠機床完成得，即便人工和機械能生產(chǎn)出來，也很難確保產(chǎn)品的精確度。所以，只有確保關(guān)鍵技術(shù)和零部件的精確度，機器人應(yīng)用和推廣才有技術(shù)和質(zhì)量基礎(chǔ)。