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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(zhǔn)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)。
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