工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床如何做到完美配合？

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

圖1 2012-2020年全球工業(yè)機(jī)器人銷售額及增長率

       除傳統(tǒng)的焊接應(yīng)用外，機(jī)器人在機(jī)床上下料、物料搬運(yùn)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(jī)床是機(jī)床工具的重要組成部分，成形加工通常與高勞動(dòng)強(qiáng)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(gè)崗位招人困難。工業(yè)機(jī)器人與成形機(jī)床集成，不僅可以解決企業(yè)用人問題，同時(shí)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(jī)器人和數(shù)控機(jī)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(jī)械手和數(shù)控機(jī)床上的？這里以FANUC機(jī)器人為例。

1、電機(jī)外殼加工生產(chǎn)線上的配合應(yīng)用

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

       自動(dòng)加工生產(chǎn)線配置了兩臺(tái)FANUC Robot M－20iA搬運(yùn)系統(tǒng)機(jī)器人，其中一臺(tái)機(jī)器人作為行走機(jī)器人R1，使用FANUC伺服電動(dòng)機(jī)αiF12／3000控制，通過精密減速機(jī)、齒輪及齒條進(jìn)行傳動(dòng)，重復(fù)精度高，可以輕松適應(yīng)機(jī)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(jī)床上料、加工工序間工件抓取以及加工成品卸除并運(yùn)送到傳輸帶上。

       另一臺(tái)固定機(jī)器人R2結(jié)合FANUC獨(dú)有的智能機(jī)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(jī)器人各環(huán)節(jié)每一個(gè)結(jié)合處為一個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(dòng)加工線設(shè)備布置

       電機(jī)外殼自動(dòng)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(jī)器人R1（導(dǎo)軌式）、固定機(jī)器人R2、兩臺(tái)VM850立式加工中心、一臺(tái)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(jī)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(jìn)行M4螺紋底孔鉆孔、M4螺紋攻螺紋及銑削外圓凸臺(tái)工序加工，如下圖所示。

圖5

（2）VM850加工中心2進(jìn)行鉆6個(gè)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(jìn)行內(nèi)孔及臺(tái)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(jì)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(jī)器人自動(dòng)上下料動(dòng)作設(shè)計(jì)

根據(jù)工件的外形特點(diǎn)設(shè)計(jì)機(jī)器人氣動(dòng)手爪部件，包含氣動(dòng)、傳感器及機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人行走到工件翻轉(zhuǎn)臺(tái)位置，進(jìn)行工件翻轉(zhuǎn)、交換，如下圖所示。

圖10

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

圖11

至此， 結(jié)束一個(gè)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(jī)器人動(dòng)作程序后，可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床加工與機(jī)器人上下料的完美組合。

5、專用夾具設(shè)計(jì)

依據(jù)三臺(tái)數(shù)控機(jī)床各自的加工工序任務(wù)，設(shè)計(jì)三套組合氣動(dòng)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(jìn)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(jìn)行鉆6個(gè)φ 5.5mm的通孔、孔口倒角工序加工，設(shè)計(jì)以氣動(dòng)三爪自定心卡盤夾緊工件，以兩個(gè)彈性V形塊定向的夾具，如下圖所示。

圖13

1．啟動(dòng)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(jìn)行內(nèi)孔及臺(tái)階孔、孔口倒角工序加工，設(shè)計(jì)以一面兩銷定位工件、以氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)夾緊器夾緊方式的夾具。

6、機(jī)器人、P LC與數(shù)控機(jī)床的接口

為保證機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的安全配合，要建立機(jī)器人、PLC以及數(shù)控機(jī)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(diǎn)進(jìn)行連接。軟件方面，通過機(jī)器人專用軟件、PLC接口，采集機(jī)床和機(jī)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(dá)到數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人的有效通信。

重點(diǎn)需要處置緊急停止信號(hào)、數(shù)控機(jī)床準(zhǔn)備完成信號(hào)、機(jī)器人手爪氣動(dòng)信號(hào)、數(shù)控機(jī)床夾具松夾信號(hào)以及安全門信號(hào)等，數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控畫面如下圖所示。

圖14

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

      機(jī)床是生產(chǎn)機(jī)器零部件的機(jī)器，簡單地說就是生產(chǎn)機(jī)器的機(jī)器。數(shù)控機(jī)床是機(jī)床的數(shù)字化和智能化，主要通過數(shù)控裝置發(fā)出信號(hào)，控制機(jī)床按圖紙的要求，根據(jù)形狀和尺寸，自動(dòng)地將零件加工生產(chǎn)。數(shù)控機(jī)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(jī)械零部件的生產(chǎn)從手工化，到機(jī)械化，再到數(shù)字化的應(yīng)用過程。

      而機(jī)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(huì)影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和操作精度。很多核心零部件比如伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器、減速器等都需要精確度高的機(jī)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(jī)床完成得，即便人工和機(jī)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(jī)器人應(yīng)用和推廣才有技術(shù)和質(zhì)量基礎(chǔ)。