机器人在机床上下料自动化中的应用要点分析

刘福全

摘 要：装备制造业作为我国的基础工业，在市场需求和技术进步双重作用下，近几年来工业机器人与数控机床集成应用发展很快，应用的形式不断扩展。这里简要分析“机器人+数控机床上下料自动化生产线（单元）”的典型方案及应用要点。

关键词：机器人；下料；自动化

1 典型的机器人+数控机床生产线（单元）配置分析

典型的机器人+数控机床上下料生产线（单元）主要由以下几部分组成：

（1）数控机床：作为生产线（单元）的加工主体，承担加工工作，机床应具备自动化的夹具、自动防护门、信号确认传感器等与自动化相关的功能，并且机床的数控系统具备与工业机器人（或总控系统）信号交互通讯的功能。

（2）工业机器人及控制器：作为自动化搬运（上下料）的主体，承担物料在生产线内的转移工作，工业机器人作为机器人+数控机床加工生产线（单元）的核心部件之一。机器人控制器作为工业机器人的大脑，承担控制机器人精确稳定运行的工作，具备对生产线的控制功能，对于动作不是特别复杂的单元进行总控制（如128点的I/O信号），通过与机床的数控系统信号的交互，控制机床自动门开闭、夹具夹持/松开、相关工作；通过与物料仓储单元的PLC之间的信号交互，控制物料仓储单元的供料与仓储等。

（3）末端执行器：即机器人前端的抓手、吸盘等用来直接拾取工作的执行机构，常用的气动抓手、电动抓手、吸盘等，特殊的有电磁夹具、伺服夹具等。

（4）系统控制器：即总控制平台，通过PROFIBUS等通讯协议控制整个生产线（单元）的自动化运行。以通讯电缆连接，实现工业机器人、数控机床、系统控制器、周边设备之间的信号交互通讯，完成生产线的自动化控制。

（5）周边设备：如上下料仓储单元、检测单元、清洗单元、烘干单元等，作为生产线基本功能之外的拓展功能使用，根据被加工工件的生产工艺流程来配置，实现尽可能多的自动化功能，但同时，自动作的功能部件越多，生产线的故障点可能会增加。

下图为典型“机器人+数控机床加工生产线（单元）”的基本配置：

2 典型的机器人+数控机床布局分析

2.1 机器人制造岛

1台机器人对应1～3台数控机床，机器人在地面固定的布局，行业内应用最为广泛，优点是施工、维护方便，成本低；缺点是机器人一般在机床正面布置，占用机床操作位置空间，影响人工对机床的维護保养，夹具、刀具的更换等工作，并且机器人服务设备数量受到机器人自身动作范围的限制。

2.2 地面轨道行走机器人系统

1台机器人对应多台数控机床，数控机床呈一字型在机器人轨道的一侧或两侧摆放，拓展的机器人动作范围，单台机器人可以服务多台机床，应用也较多。

2.3 桁架轨道行走机器人加工系统

与前述第2种布局类似，也是将机器人安装在行走轨道上，区别是桁架式是将机器人安装在空中桁架轨道上。相对于地面式，这种布局节约地面空间；不占用机床操作位置空间，对机床的维护、换刀等操作非常方便；但缺点是相对于地面式，施工比较复杂，对地基要求严格，并且自身维修保养不是很方便。

2.4 机器人与机器人一体化

这种布局，机器人专用服务于一台机床，因此，当生产线（单元）中数控机床数量增加时，成本较高；但优点是机器人系统结构、动作、抓手均很简单，故障点少，系统可靠性高。

2.5 综合性生产系统

即数字化车间，借助MES＼CAPPS＼ERP等信息化管理系统，辅以物流及传感技术，实现全生产过程监控、在线故障实时反馈、加工工艺数据管理、刀具信息管理、设备维护数据管理、产品信息记录等功能；满足无人化生产需求，实现加工系统的生产计划、作业协调集成与优化运行。

3 机器人+数控机床自动化的误区分析

3.1 效率最高、速度最快

从第一次世界大战后期的机器人构想期开始，直至机器人高速发展的今天，机器人的定位一至是“代替人工从事简单、重复、枯燥、繁重的工作”，也就是说机器换人才是机器人发展的主旨。当然，提高生产效率是机器人发展的核心追求。但我们在实际应用中，始终把提高综合生产效率作为机器人自动化应用的核心，所谓“提高综合生产效率”，即要求机器人自动化系统在可靠、稳定的前提下高效运行，简单操作、减轻劳动强度、低成本、方便管理。

3.2 对承重考虑不足

机器人的使用，应当在一个合理的负荷下工作，当负荷逐渐增加、或者在存在偏心负荷的应用时，机器人的响应速度及寿命必将下降，带来的结果是机器人系统在一个不经济的条件下运行，效率降低，增加周期时间，延长投资回收期。

3.3 对机器人期望值不正确

（1）期望机器人做过多的事，前方介绍过，复杂的系统、管理困难，故障点多，任何一个小故障都可能影响整个生产线的运行，故障被放大；而让机器人系统结构、动作简单，可靠性才会提高，效率才能提升。

（2）对仿真软件过于信赖：机器人仿真软件可以仿真出生产线的运行姿态及干涉状态，但对于电缆、管线的缠绕问题是仿真不了的。

（3）对机器人控制能力的不信任：前文介绍过，机器人的控制器是可以控制机器人生产系统运行的。对于不是特别复杂的系统，不必增加总控制系统，可以降低成本，节能降耗。

机器人+数控机床加工生产线（单元），是工业机器人驱动与控制技术、PLC通信技术及数控技术、信息化与传感器技术等的综合应用，在上下料时，降低了工人的劳动强度，大大提高了工作效率，并提高了数控机床操作的安全性。加强工业机器人与数控机床工业的融合，对于提高中国装备制造业的综合竞争力具有重大意义。

参考文献

[1]谢吉红，李诚人.工业机器人在机床上下料应用中的相关问题[J].山东工业技术，2015，（18）：25.

[2]徐正平.工业机器人在机床上应用渐成发展趋势[N].中国工业报，2005-12-01（B03）.

（作者单位：大连机床集团）