工業機器人和數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智能化的轉型，機器人市場卻備受追捧。

圖1 2012-2020年全球工業機器人銷售額及增長率

       除傳統的焊接應用外，機器人在機床上下料、物料搬運碼垛、打磨、噴涂、裝配等領域也得到了廣泛應用。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、金屬粉塵等名詞聯系在一起，高溫高濕甚至有污染的作業環境使得這個崗位招人困難。工業機器人與成形機床集成，不僅可以解決企業用人問題，同時也能提高加工效率和安全性、提升加工精度，目前已成為大的發展趨勢。

      那工業機器人和數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用到機械手和數控機床上的？這里以FANUC機器人為例。

1、電機外殼加工生產線上的配合應用

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

       自動加工生產線配置了兩臺FANUC Robot M－20iA搬運系統機器人，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，重復精度高，可以輕松適應機床在導軌兩側布置的方案。

       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結合FANUC獨有的智能機器人技術（iRVision視覺功能），用于下料，在料筐里碼放加工成品。

       FANUC Robot M－20iA機器人各環節每一個結合處為一個關節點或坐標系，其外形及各關節位置如下圖所示。

圖2

2、自動加工線設備布置

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

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3、數控加工工藝

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

圖4

零件加工工序內容分配如下：

（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。

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（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。

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（3）CLX360數控車床進行內孔及臺階孔、孔口倒角工序加工，如下圖所示。

圖7

此外， 還需要設計專用夾具， 加工中心夾具采用內夾方式，數控車床采用外夾方式。

4、機器人自動上下料動作設計

根據工件的外形特點設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臺位置，進行工件翻轉、交換，如下圖所示。

圖10

⑤工件在翻轉臺進行交換后，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， 結束一個完整的加工流程。各加工工序有相應的節拍，經過調整CNC加工程序以及機器人動作程序后，可實現數控機床加工與機器人上下料的完美組合。

5、專用夾具設計

依據三臺數控機床各自的加工工序任務，設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）數控車床專用夾具：數控車床進行內孔及臺階孔、孔口倒角工序加工，設計以一面兩銷定位工件、以氣動旋轉夾緊器夾緊方式的夾具。

6、機器人、P LC與數控機床的接口

為保證機器人與數控機床的安全配合，要建立機器人、PLC以及數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前狀態，編寫相應的符合上下料邏輯的控制程序，最終達到數控機床與機器人的有效通信。

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

圖14

      不僅是生產活動中，工業機器人代替人工在機床上進行兩個行業領域也在用各自的優勢互補。此外，中國機器人市場未來可預期的快速增長或也是上述機床行業紛紛涉足的關鍵原因之一。

      機床是生產機器零部件的機器，簡單地說就是生產機器的機器。數控機床是機床的數字化和智能化，主要通過數控裝置發出信號，控制機床按圖紙的要求，根據形狀和尺寸，自動地將零件加工生產。數控機床較好地解決了復雜、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從手工化，到機械化，再到數字化的應用過程。

      而機器人是高精尖的高科技產品，核心或者關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、驅動器、控制器、減速器等都需要精確度高的機床來生產，包括轉盤、大臂、小臂、箱體、腕體等關鍵零部件也是靠機床完成得，即便人工和機械能生產出來，也很難確保產品的精確度。所以，只有確保關鍵技術和零部件的精確度，機器人應用和推廣才有技術和質量基礎。