为中国2025打造柔性自动化生产线——CCMT2016展品评述

中捷机床有限公司　邹 月

为中国2025打造柔性自动化生产线——CCMT2016展品评述

中捷机床有限公司邹 月

2015年5月19日，国务院正式印发了《中国制造2025》。这是党中央、国务院总揽国际国内发展大势，站在增强我国综合国力、提升国际竞争力、保障国家安全的战略高度做出的重大战略部署，其核心是加快推进制造业创新发展、提质增效，实现从制造大国向制造强国转变。

《中国制造2025》提出，坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优先、人才为本”的基本方针，坚持“市场主导、政府引导，立足当前、着眼长远，整体推进、重点突破，自主发展、开放合作”的基本原则，通过“三步走”实现制造强国的战略目标。而此次在上海新国际博览会中心举办的第九届中国数控机床展览会（CCMT2016）上，很多机床厂家也是围绕这一发展趋势，推出了新的产品来迎合当今的国内市场。

本届展会的主题是“新环境、新格局、新作为”，意在新经济环境下，以积极主动之精神，探索寻求发展之路，实现新作为，再创新辉煌。

此次展会展出较多的便是智能化柔性加工单元和生产线，不论是德国的EMAG还是日本的FANUC，或者是国内的知名机床厂家，都在为中国2025打造智能工厂做出一步步的创新和规划。

一、国外典型柔性生产线厂家介绍

1.德国EMAG埃马克

EMAG埃马克此次展出的是TRACKMOTION自动化系统的齿轮生产线，可以说是整个德国展厅中最惹眼的一道亮点。整个生产线从加工到检测都是由快速道化输送系统和3台机床的主轴自动抓取完成。工件的水平传输速度和垂直抓取速度分别达到 150m/min和25m/min。整线结构紧凑，具有很高的柔性和效率，适用于齿轮特别是汽车工业变速箱齿轮的批量生产。这是EMAG在亚洲市场的首次展出，这条自动化生产线提供了齿轮 （直径200mm，最大模数4mm） 从毛坯-精车-滚齿加工的全套交钥匙解决方案。生产线由2台VL2倒立式车床、1台VL4H立式滚齿机和集输送带、转换器和翻转器功能为一体的TRACKMOTION自动化系统组成。EMAG产品向来以高效、高稳定性、高精度而著称，而质量的保障更是灌输到每一位EMAG员工的精神意识当中。按照精益生产的理念，生产过程中对质量的检验与控制应该在每一道工序中进行，保证及时发现质量问题。如果在生产过程中发现质量问题，根据情况，可以立即停止生产，直至问题解决，决不让一个环节的问题流向下一个环节。也正是因为这样，EMAG这次展出的TRACKMOTION自动化生产线，在每一道工序完成后都会有一个探针进行测量，可以随时检测出工件的尺寸及合格率。

图1　EMAG展出的生产线

图2　VL2倒立式车床

图3　VL4H立式滚齿机

图4　探针检测工件尺寸

2.日本FANUC发那科

此次FANUC展出的是智能机器人模型装配生产线，此生产线秉承了FANUC一贯的颜色，依旧将黄色作为他们的主打色彩，总是让参观人员眼前一亮。

从图5中可以看出，整个生产线从取料——送料——安装都是由机器人完成。下面详细介绍一下整个生产线的具体生产过程及机器人的作用和运动方式。

图5　FANUC展出的机器人模型生产线

图6　储存机器人模型零件的货架

图7　运送机器人模型零件的机器人

图7主要展示的是机器人输送零件的过程，在机器人的下方是用来横向行走的轨道，两轨道中间用带有花纹式的不锈钢板将其盖住，以方便工人在安装维修时踩踏。在轨道侧方有拖链连接至机器人，以便电线和液压管路随着机器人一起走动。

图8　机器人正在从摆放杂乱无章的零件中取件

图9　FANUC LR Mate 200iD 机器人正在进行装配

图10　FANUC LR Mate 200iD机器人正在进行零件摆放

图8主要展示的是机器人的取件过程。此机器人具有紧凑的结构和优越的动作性能，利用整体视觉系统，识别散乱堆放的零部件并快速精准地取出，从而完成高速拾取功能的作业；即便在被加工件出现装配位置错位的情况下，也能校正后精准作业。

图9和图10主要展示的是FANUC LR Mate 200iD 机器人的工作状态。该机器人是最新型多功能6轴小型机器人，本体轻量化至25kg，手腕部位最大负载提高至7kg；通过展示其高速高负载的运动特性，推动其在IT行业内的应用拓展。对于机器人上下料系统，机器人对无定位工件的自动柔性搬运系统的工作原理，就是利用高清晰摄像头（vision系统）实现对无定位工件的准确位置判断。在机器人收到信号后，机器人装上为工件定制的专用手爪可靠地抓取工件，在与机床进行通讯得到上料请求后，最终完成机床的上下料。通过2D照相机来检出、取出，再通过3D立体传感器校正工件偏差，并利用一体机电脑实时显示视觉拍摄图像。

FANUC iR Vision 2DV视觉系统主要是通过视觉系统软件设置，建立视觉画面上的点位与机器人位置相对应关系。对工件进行视觉成像，与已标定的工件进行比较，得出偏差值，即机器人抓放位置的补偿值，实现机器人自动抓放。加工工件只需放置于上下料滑台无定位装置的托盘上，待加工工件可以在托盘上移动±2cm以及旋转±30°。

3D视觉定位技术解决了定位面有偏差的工件上料位置变化问题。由于加工工件为毛坯件，机器人抓取工件后，上料的定位孔位置会发生变化，甚至工件上料时的平面度也有变化。2DV是通过摄像头计算平面变化量，3DL是通过摄像头和激光综合计算空间变化量，实际上是2DV与激光技术的综合应用。该技术的应用大大增加了系统设计的可行性，尤其是在遇到定位面有偏差的工件设计时。使用机器人服务加工中心组成柔性加工生产线的自动化方式逐步得到广泛采用，从而在提高生产效率、减少人工成本、保障作业安全、提高生产品质等方面起到了显著作用。视觉系统，识别散乱堆放的零件并快速精准地取出。

图11　FANUC机器人工作进度显示屏

FANUC为打造更可靠性机器人做了一次又一次的努力，在2015年的FANUC座谈会中，东京大学的石川教授和早稻田大学的菅野教授详细地讲述了未来FANUC机器人发展状态：

（1）从零停机时间的观点来看，机器人无论出现什么情况也不应停止运动，但今天看到的机器人在使用视觉传感器时一定会停下来。如果能够使用适配机器人运动状态下的高速视觉传感器，那么即使机器人不停下来也能完成检测，而且由于反馈也是在通用高速下完成的，因此在这个时间间隔内还能进行所有的控制。今天看到在三维测量时的图案投影也有些慢。我们几年前就注意到这一点，正在研究仅需1ms，视觉传感也仅需1ms，高精度的三维形状测量就能在一至数毫秒的时间内完成。

（2）现在许多企业开始考虑安全性及协同作业的问题。为了让日本的机器人领先世界一步，需要研发出即使接触、碰撞也能继续工作的机器人。在这种情况下，罩板的材料、执行机构和传感器等所有的技术都必须进入新的开发阶段。今年展示的区域传感器在环境方面的应用特点是：人员走近且要进入该区域时机器人就会停机，因此不需要护栏，如果能改变机器人周围的环境，考虑视觉等方面的传感器，人与机器人工作场所的建立方法和设计理论等，或许机器人与人能够更加接近地协同工作。

3.日本YAMAZEN山善

本次CCMT中，山善集团携手22家厂家联合出展，并为来场客户带来了由山善集团自主研发改装的整套自动化联动模拟流水线。整套生产线是由2台兄弟S500，安川机械手，泷泽TCN-2100组成的一条在现场进行实际加工的成品流水线。其中兄弟2台S500Z1机床间运用了由山善集团自主研发的工件自动转向驳接技术。该短接半自动化装置可以将放在Z轴的工件，由小机械手自动夹起转向后放入传送带，在设备完成加工后再将加工完的工件夹起放入传送带从而达到无时间及距离损失的最短加工路径。同时改传输加转向设备可以驳接多台设备。

图12　2台兄弟S500和泷泽TCN-2100

①搬送装置：防尘、防水，适用于高速加工。

②放置装置：可定角度旋转。

③工件放置台与机床设备无缝连接，安全稳定。

山善集团研发的本套转向驳接技术不单单可以运用在单个设备上，也可连接运用于多台设备间。本套改造方案致力于为各位客户构筑高品质、低成本的“柔性生产线”。本套改造方案能广泛适用，同时在整套短接自动化设备的性能上都有很大的提升，在变种变量生产中也可灵活对应。

山善集团自身并不是做设备的，而是做设备代理的，换句话说就是一个代理商。但是这位代理商不单单是把每个设备随意地卖给客户，而是根据客户的需求，将所有他们代理的设备进行了组合安装。就拿这次展会上的生产线来说，总共有三台主要设备，两台兄弟S500，1台泷泽TCN-2100，这两家的设备系统并不是一致的，而为了满足客户，山善电气设计人员将两种不一样的系统进行了连接，使客户在使用时，只有一种系统在执行。而两种机床的连接方式，是使用工件自动转向驳接技术，这是由山善机械设计人员完成的结构上的改变，而传送带也是代理的日本另一家设备。整个生产线就是通过山善自己的设计团队完成，完全得到了客户的认可和好评。同时，山善拥有自己的售前、售后服务人员，服务质量甚至超过了所代理产品厂家的服务质量，使客户省去了为某一台设备出了故障而去找原设备生产厂家所带来的不必要麻烦。这种商业模式可以说是销售模式，是每一个企业应当借鉴和揣摩的。

二、国内典型柔性生产线厂家介绍

4.北一机床

面对当前“新环境、新格局、新作为”的机床工具行业发展和行业市场的时代特征，北一机床着眼“制造智能化”，为用户提供“数字化工厂”，全面展示公司在智能化制造领域的探索成果。在此次展会上，北一根据企业的理解与实践，通过“数字化工厂”将全面展现“智能化生产调度”与“全自动物流系统”的理念，通过立式加工中心组和RV减速器偏心轴试件加工机床组，以及MAR-500H卧式加工中心和XKR40双摆转台五轴加工中心的组合来诠释北一打造“数字化车间”的理念与实力。

立式加工中心组主要包括XHAE788精密立式加工中心与MXR-460V立式加工中心，凭借机器人智能抓取和AGV小车自动巡航运输，完成机床与工装库/刀具库/工件库间的自动化智能交互。

此生产线能有效解决自动化单元的工件装夹和产品快速换型问题，通过模块化的方式有效解决车间生产的标准化。同时，用户在小终端通过简单的操作，可以进行合理安排，实现机床生产数据的管理，进行生产资源调配。

RV减速器偏心轴试件加工机床组主要由LBR-370数控车床与B2-K1026型随动式数控偏心轴磨床组成，此条生产线选取了用在工业机器人减速机上的一个关键零件——RV减速器偏心轴作为实切零件，先利用LBR-370数控车床进行车削工序，然后再转到B2-K1026随动式RV减速器偏心轴磨床进行磨的工序。生产线上的2台机床由机器人衔接，负责工件的抓取、上料，连贯完成偏心轴零件的自动转换工序和车、磨加工，实现由计算机控制的自动化生产。

MAR-500H卧式加工中心采用精密坐标镗床式T型整体式床身，通过有限元分析方法设计的铸铁厚壁床身，床身三点支撑定位保证机床稳定可靠。主轴采用日本原装内藏式大功率高速度电主轴，可以保证主轴结构更加简单可靠，同时大大降低运转噪音。主轴前轴承采用一个高精度双列圆柱滚动轴承和两个成组高精度止推球轴承，可承受强力切削、重力切削的传统布局。安装BT50刀柄，主轴功率20/15kW（10分钟/连续），最大扭矩可达466N m。

MAR-500H卧式加工中心广泛用于汽车制造、机床制造、发电动力机械、磨具等机械加工行业的应用，高速可靠的完成中小型箱体、阀体及各种复杂加工中的钻、铣、镗、攻丝等工作。

XKR40双摆转台五轴加工中心主要用于各种燃机、压气机叶轮和小型模具、特型箱体等形状复杂的零件高效五轴加工，是航空、航天、汽车、模具等行业必不可少的设备。这种机床是目前用途最广、技术最先进的五轴联动机床。

以上所有加工组、机床、机器人、AGV小车均实现信息集成，同时通过网络可实现机床加工、上下料及物料运输的自动化管理与调度。用户可以通过一个大显示屏实时观看整个“数字化工厂”的运行状况。

5.华中数控

此次展会华中数控展出的是手机壳自动生产线，如下图所示：

图13　3C加工智能工厂展示

此生产线分为几个单元：

（1）1拖4CNC加工单元

设备由1台机器人实现对4台CNC加工上下料，前面两个机台加工产品的正面工序，然后机器人夹手把正面加工好的成品取出后通过机器人夹手再自动削面放到后面2台CNC机台进行反面工序的加工。加工完成后，放回输送线上的料盘内。

（2） 数字化体仓库

由立体仓库和仓库机器人组成，一共33个仓位分3层。仓库每个仓位都有自感应器，用于检测仓位是否有料盘，仓库机器人沿导轨运动，从仓库内取放料盘。此数字化立体仓库整合了机器人上下料、机器人夹具以及机器人自动化线上的整体控制，以达到自动上下料目的，可以调整各项参数，带有记忆功能，且有故障警示以及系统参数显示功能。

（3） 基于RFID的数字化自动流水线

数字化自动流水线由坯料输送线、成品输送线、RFID系统、挡料机构、顶升机构、料盘转移机构等部分组成，保障钻攻中心、清洗机、视觉检测等物料流通的需求。使用RFID系统在线实时跟踪物料信息，实现物料的定点投送及混流生产。

（4）超声波清洗机

机器人把CNC加工单元加工好的成品放入清洗机内部工装板上，清洗机把工件下沉、盖子合上后，清洗机启动清洗程序开始对工件进行表面油污和切削清洗、吹干，为下一道工序或检测做好准备。

（5） 自动检测单元

机器人把加工好的成品放入三坐标工作台的冶具上，三坐标收到有料信号后，起动三坐标测量机对工件进行形位公差的检验和测量，判断该工件的误差是不是在公差范围之内，再把测量出来的数据传输到总控系统的数据库内。

（6）AGV小车

AGV小车作为物料运输的载体，可通过长距离投料和收料，实现物料的有效配送和成品收回。在控制系统的统一指挥下，组成一个柔性化的自动搬运。用无线网络通信系统来实现AGV车的调度与生产物料系统（MES）。

目前，智能手机已进入市场普及阶段，市场竞争焦点也已从内部性能创新转移到外观设计创新，最明显的体现是“核”战升级步伐有所减慢，而金属外壳的设计则逐渐成为外观创新的一个重要的发展方向。从3C行业的发展趋势来看，外观革新的首要途径是机壳的金属化。相对于平板及笔电等终端设备，手机中的金属机壳比例还比较低，随着无线通信屏蔽问题的逐渐解决，未来金属机壳在手机中的应用将具更大的潜力与空间。

华中数控敏锐地扑捉到3C行业加工市场发展动态，利用其自主开发的高速、高精度、高可靠的H8系列数控系统优势，通过与珠三角地区钻工中心装备制造商的密切合作，成功打入前景广阔的东莞3C市场。3C行业用户对手机金属机壳加工的要求在于获得加工表面高光洁度和精度，需要机床连续运转不停机，对机床的可靠性要求极高，最关键的是高速通过拐角又不能产生振动。华中数控针对用户这一特定需求，派出工程技术人员来到用户加工现场，与用户一起联合攻关，经过反复测试，不断优化加工软件算法，同时配合华中数控最新研发的LDD伺服电机，加减速性能提高了1.5倍，最高转速达到4500r/min，一举攻克了3C加工技术上的难点，获得用户对国产数控系统的高度信任。

6.大连机床

大连机床此次展出的是DZHX001卧式加工中心生产线，这条生产线也是长安汽车发动机缸盖柔性生产线的一部分，能实现多品种缸盖零件的混流轮番生产，完成汽车发动机缸盖从毛胚到成品包括粗、精加工在内的全部加工内容，高精度、高效率、高柔性，智能化与自动控制相结合。生产线加工设备为高速、精密卧式加工中心单元（HDL-50），工件输送采用桁架机械手自动上下料，生产线年产汽车发动机缸盖可达20万件，生产节拍≤1.2分钟，工序能力指数CPK值≥1.33，整线技术指标达到国际先进水平。

这段时间景花厂没一个人提出辞工，工作都很投入。八十个人等米下锅啊，王义山多次告催，说车间没活干了，员工们闲着了。他的话像一根鞭子，抽在我和阿花的身上，我们马不停蹄往外跑，为八十名员工打工。跑了老客户，又找新客户，丢了大客户，捡起小客户。阿花那张俏丽的脸是一张惹人注目的名片，无须开口，先给了人家几份好感。我的技术也是一张漂亮的名片，给景花厂赢来了技术和质量上的口碑。人家有订单呢，多少会分一点，没订单呢，人家只有耸耸肩。

图14　DZHX001卧式加工中心生产线

图15　正在加工的发动机缸盖

HDL50主机：首次出展的新一代卧式三坐标加工中心单元，数控系统采用FANUC 31i系统，机床坚稳持久的刚性主结构，经由工程力学的反复仿真与优化，设计合理，结构稳定可靠，达到了刚性倍增而质量精简的工程需求。三向进给系统采用了高速滚珠丝杠、大电机驱动等先进技术，配合高品质的直线滚动导轨的应用，使得本机床具有高速度、高效率、高精度的一流品质。该机床可广泛适用于板类、盘类、箱体类、壳体类以及精密零件的加工，零件一次装夹后可加工完成铣、镗、钻、扩、铰、攻丝等多种工序，既适用于工序集中零件的多品种中小批量加工，又适于组成柔性加工自动线，用于各类机械零部件的大批量生产，尤其适用于汽车发动机行业。

图16　桁架机械手自动上下料

在国际机床业巨星云集的背景下，大连机床代表中国机床的尖端力量，携工业机器人、DMTG-a数控系统和系列化的设备、智能生产线、汽车行业专业设备、钻攻中心、立卧式加工中心、车铣中心、数控机床等尖端技术精彩亮相，全面展示了其“智能化时代制造专家”时代风貌。

7.昆明机床

昆明机床此次展出的是FML800柔性制造单元，是昆明机床专为汽车领域用户生产制造的。FML800智能制造单元以工作台宽度为800mm的双工位精密卧式加工中心KHA80/2为基础，配以1台自动传输线、20个工位的双层立体仓储库和上、下料装卸站组成的智能制造单元。

该智能制造单元系统由计算机实现自动控制，能对加工和运输过程汇总所需各种信息自动采集、处理、反馈，并通过工业计算机或其他控制装置（液压、气压装置等），对加工单元（机床）及传输设备（传输小车）实行分级控制的系统，完成对加工单元和物流系统的自动控制和作业协调，可实现主机不停机，并完成工件的装夹及上、下料工序，满足多品种、变批量精密箱体类、盘类、杂件类、模具类零件的加工。

该智能制造单元集高刚性、高速性、高效性于一身。机床独特的设计可有效提高机床的整体刚度，确保机床的运动精度和强力切削性能；60m/min的快速移动速度（X、Y、Z）、1g（9.8m/s2）的加速度，配备双托盘交换站，极大地提高了零件的生产效率，降低产品成本，并有效地提高批量零件的加工精度，可使用户获得较好的经济效益。

三、柔性生产线未来发展趋势

随着科学技术的发展，人类社会对产品的功能与质量的要求越来越高，产品更新换代的周期越来越短，产品的复杂程度也随之增高，传统的大批量生产方式受到了挑战。这种挑战不仅对中小企业形成了威胁，而且也困扰着国有大中型企业。因为，在大批量生产方式中，柔性和生产率是相互矛盾的。众所周知，只有品种单一、批量大、设备专用、工艺稳定、效率高，才能构成规模经济效益；反之，多品种、小批量生产，设备的专用性低，在加工形式相似的情况下，频繁地调整工夹具，工艺稳定难度增大，生产效率势必受到影响。为了同时提高制造工业的柔性和生产效率，使之在保证产品质量的前提下，缩短产品生产周期，降低产品成本，最终使中小批量生产能与大批量生产抗衡，柔性自动化系统便应运而生。

未来竞争的核心不是商品也不是商家，而是消费者，只有满足消费者的个性化需求才能留住消费者。今年年初，总理在政府工作报告中指出，努力改善产品和服务供给。鼓励企业开展个性化定制、柔性化生产、培育精益求精的工匠精神，增品种、提品质、创品牌。

所谓“个性化定制，柔性化生产”，就是通过互联网实行“预售”模式，在生产商品之前，企业先发布供应信息，接受消费者的个性化定制，接到客户的订单后，再安排生产加工。这对于企业和消费者来说，都是双赢的模式。

个性化定制完全打破了库存，是真正的消费者交了钱我们再生产，厂家根据消费者的需求来满足，按需生产的。所以品牌运作成本远远降低，消费者可以用相对便宜的价格，买到物美价廉的商品。现在企业不仅实现了自身的成功转型，还打造出一套柔性生产的整体解决方案。未来企业的目标是成为整体解决方案提供商，来帮助更多的中小企业实现转型升级。□