隨著(zhù)國民收入與GDP同步持續增長(cháng)及城鎮化快速發(fā)展，居民對日用家電產(chǎn)品的需求日益增加，再加上市場(chǎng)競爭激烈，企業(yè)不斷開(kāi)發(fā)新工藝、新技術(shù)、新產(chǎn)品來(lái)更新?lián)Q代，促使家電產(chǎn)品向大批量、專(zhuān)業(yè)化、連續化、自動(dòng)化生產(chǎn)趨勢發(fā)展。然而，目前家電企業(yè)零部件制造存在諸多問(wèn)題：種類(lèi)較多，但差異性小，生產(chǎn)計劃需周密；單次訂單批量大、交貨期短，制造裝配產(chǎn)線(xiàn)對零部件物料供應的及時(shí)性、配套性要求嚴格，實(shí)時(shí)性強；零部件生產(chǎn)精度高、一次合格率要求高，兼容互換，保證裝配品質(zhì)一致性；五金零部件生產(chǎn)連續化、批量大節奏快，人均生產(chǎn)率高，對工人勞動(dòng)力依賴(lài)性強。

鑒于上述存在的問(wèn)題，家電制造業(yè)的發(fā)展急需利用電子技術(shù)改造企業(yè)的生產(chǎn)手段，應用機械手、自動(dòng)化設備和柔性生產(chǎn)系統，進(jìn)一步提高企業(yè)的自動(dòng)化水平、應變能力，從而實(shí)現可快速變更產(chǎn)品品種及在同一生產(chǎn)線(xiàn)上同時(shí)生產(chǎn)多種產(chǎn)品。因此，開(kāi)發(fā)一種機器人與CNC設備集成的柔性加工生產(chǎn)線(xiàn)是解決企業(yè)目前問(wèn)題并推動(dòng)制造業(yè)改造升級的必然趨勢。

本文以小家電的五金零部件加工裝配平面、鉆孔、攻絲、檢測生產(chǎn)工藝為例，對改造前人工流水作業(yè)與升級改造后采用機器人柔性加工生產(chǎn)進(jìn)行對比分析介紹。

1 人工生產(chǎn)與集成機器人系統生產(chǎn)對比分析

1.1 生產(chǎn)效率的差距

人工生產(chǎn)作業(yè)中，每個(gè)工人只能負責1臺CNC設備生產(chǎn)作業(yè)；當CNC加工完成，期間人工要完成CNC機床內五金加工零件的成品拆卸與未制品安裝回夾具上固定定位。同時(shí)，人工頻繁、長(cháng)時(shí)間的進(jìn)入機臺內工作容易勞累。其結果占用過(guò)多的CNC設備生產(chǎn)時(shí)間，影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)能。

1.2 生產(chǎn)成本以及質(zhì)量的差距

人工生產(chǎn)的過(guò)程中，定期要抽檢產(chǎn)品尺寸公差，并操作CNC設備調整刀具的切削補償量、切削液濃度等檢測，經(jīng)常會(huì )出現因為人為的原因，導致了產(chǎn)品的不合格，以致生產(chǎn)成本的提高，包括原材料的浪費等。同時(shí)，有太多的因素可以影響工人的工作效率，質(zhì)量判斷標準；而應用智能檢測設備，可以自動(dòng)檢測零件尺寸公差，并自動(dòng)調整刀具補償量，檢測判定標準一致，保證產(chǎn)品加工質(zhì)量。

1.3 人工成本存在的劣勢

人工生產(chǎn)作業(yè)中，每個(gè)工人只能負責1臺CNC設備生產(chǎn)作業(yè)，而且技術(shù)以及經(jīng)驗是決定了產(chǎn)品的質(zhì)量的重要因素；而集成1臺機器人可以應對3臺CNC加工設備同時(shí)進(jìn)行一種或多種產(chǎn)品生產(chǎn)，并且可24小時(shí)連續作業(yè)；整套設備從人工生產(chǎn)需要配置4名工人/班，到自動(dòng)化改造后僅需要1名工人進(jìn)行產(chǎn)品集中收集。

其次，企業(yè)為了留住這些技術(shù)工人，不得不需要在人工成本上投入更多。如果發(fā)生流失這些技術(shù)工人的現象，則又不得不重新培養新的人員。相反，集成機器人自動(dòng)化生產(chǎn)的運動(dòng)過(guò)程就是重復循環(huán)工作，所以生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量有保證，產(chǎn)品數據可收集追溯、產(chǎn)品的穩定性強,且一次性投入，長(cháng)期回報，節約了大量的人工成本。

因此，綜合家電產(chǎn)品企業(yè)生產(chǎn)的特性，設計一種機器人與CNC設備集成的智能加工生產(chǎn)線(xiàn)是很有必要的。

2 機器人集成應用解決方案

2.1 生產(chǎn)線(xiàn)整體布局

本設備為機器人與CNC設備集成的智能加工生產(chǎn)線(xiàn)，整產(chǎn)線(xiàn)由GSK-RBB15L機器人系統、CNC數控加工系統、檢測識別系統、清潔系統、倍速鏈輸送系統，以及GSK制造執行系統等設備組成；并根據用戶(hù)生產(chǎn)需求不同，可同時(shí)進(jìn)行一種或多種產(chǎn)品柔性化混合生產(chǎn)；實(shí)現不同工藝、型號批次的產(chǎn)品，可以快速柔性轉換生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品品質(zhì)。

生產(chǎn)線(xiàn)整體布局圖如圖1所示：

圖1 生產(chǎn)線(xiàn)整體布局

2.2 GSK-RBB15L機器人+機械手夾具

（1）系統采用GSK-RB15L機器人，重復定位精度高、速度快、控制靈活、服務(wù)半徑大；適合本系統應對3臺CNC數控設備連續生產(chǎn)進(jìn)行托盤(pán)的上下料搬運、定位作業(yè)；

（2）針對本應用工況的復雜性及特定應用環(huán)境，機械手夾具采用可自定位側銷(xiāo)夾緊方式設計；設計優(yōu)點(diǎn)：一是打破傳統的靠外抱摩擦力夾緊的費力抓取機構，僅需要設計2個(gè)ACQ20小氣缸就可以抓取10kg負載的托盤(pán)工件，避免托盤(pán)表面因有切削液等影響摩擦系數降低夾緊力因素，真正做到四兩撥千斤;二是側定位銷(xiāo)夾緊，對機器人抓取托盤(pán)空間運動(dòng)、放置進(jìn)行XYZ軸向二次精確定位；三是整個(gè)夾具設計簡(jiǎn)單、緊湊，減小機器人選型及運行負荷；四是具有斷氣、斷電自保護功能，防止機器人運行過(guò)程中意外斷氣、斷電托盤(pán)掉落。

2.3 托盤(pán)倍速鏈輸送系統

（1）專(zhuān)用托盤(pán)自動(dòng)循環(huán)鏈,采用倍速鏈輸送設計,易于實(shí)現積放輸送,可用做零件裝配和托盤(pán)物料的儲存定位與輸送；

（2）設計有1條托盤(pán)回收線(xiàn)、1條零件裝配線(xiàn)、1條托盤(pán)自動(dòng)循環(huán)線(xiàn)及3條托盤(pán)排隊輸出定位線(xiàn)；可滿(mǎn)足1-3種裝載不同零件的托盤(pán)同時(shí)排隊輸送、分揀，保證機器人對CNC機床的物料供給；

（3）系統對每個(gè)托盤(pán)植入RFID非接觸式自動(dòng)識別功能，可以快速識別不同托盤(pán)發(fā)送數據給GSK總控制系統，系統對托盤(pán)進(jìn)行輸送、排隊、分揀分配到指定CNC數控設備上料加工，以及對加工零件在線(xiàn)實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測、測量、數據統計等信息輸出。

2.4 清潔系統

托盤(pán)從CNC設備加工后會(huì )殘留大量的切削液和屑，必需把切削液留在機床回收循環(huán)使用，而切削屑進(jìn)行集中清楚處理，保證輸送線(xiàn)零件清潔干凈后回收。

（1）在CNC機床內，機械手夾具上設計有高壓氣槍?zhuān)脵C器人的空間作業(yè)性設定運動(dòng)軌跡對加工托盤(pán)零件進(jìn)行全方位清理清潔；

（2）在托盤(pán)進(jìn)入倍速鏈輸送系統回收前，對托盤(pán)進(jìn)行正反面，上下移動(dòng)式高壓氣槍進(jìn)行清理吹干，并采用低真空負壓抽吸殘留切削液和屑。

2.5 檢測測量系統

托盤(pán)清潔后通過(guò)RFID自動(dòng)識別工件型號，進(jìn)入檢測系統，利用激光測量相關(guān)加工數據。

（1）檢測數據與系統通信，判定零件加工尺寸是否合格，并可收集數據便于追溯；

（2）檢測數據系統分析，調整CNC機床刀補償量。

2.6 CNC數控加工系統及機床夾具

集成現代亞威400T數控加工設備，具有加工靈活、通用性強、精度高、生產(chǎn)效率高性能等特點(diǎn)，特別適合3C家電行業(yè)消費電子類(lèi)的殼體，五金零部件中的小型零件加工生產(chǎn)。

（1）有自動(dòng)交換刀具的功能，通過(guò)在刀庫安裝不同用途的刀具，可在一次裝夾中通過(guò)自動(dòng)換刀裝置改變主軸上的加工刀具，實(shí)現鉆、鏜、鉸、攻螺紋、切槽等多道工序加工功能。

（2）能實(shí)現三軸聯(lián)動(dòng)控制，以保證刀具進(jìn)行復雜表面的加工。加工中心除具有直線(xiàn)插補和圓弧插補功能外，還具有各種加工固定循環(huán)、刀具半徑自動(dòng)補償、刀具長(cháng)度自動(dòng)補償、加工過(guò)程圖形顯示、人機對話(huà)、故障自動(dòng)診斷、離線(xiàn)編程等功能。

（3）機床專(zhuān)業(yè)托盤(pán)加工夾具，采用液壓夾緊、定位銷(xiāo)定位；具有夾持剛性強、重復定位精準及通用性可靠的特點(diǎn)。

2.7 GSK制造執行系統

GSK智能制造執行系統具備網(wǎng)絡(luò )化監視、控制、數據采集等功能?？衫肎SK-LING總線(xiàn)實(shí)現數控機床、機器人系統、托盤(pán)輸送系統、檢測測量系統及生產(chǎn)輔助設備的高速連接，實(shí)現智能化監控管理。

（1）加工任務(wù)創(chuàng )建、加工任務(wù)管理、加工程序管理和上傳；

（2）可在線(xiàn)檢測實(shí)時(shí)顯示和刀具補償修正，及機床啟停、初始化和管理；

（3）設置有智能看板功能：實(shí)時(shí)監控生產(chǎn)設備、生產(chǎn)信息以及機床刀具監控等功能應用。

圖2 GSK制造執行管理系統圖

3 機器人集成應用實(shí)施效果

（1）采取兼容柔性化機械手設計，用較少的制造成本解決了多型號、小批量生產(chǎn)在同一產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)的難題；

（2）機器人替代人工作業(yè)，實(shí)現1對3臺CNC數控機床可24小時(shí)持續作業(yè)，穩定完成工作任務(wù)；

（3）機器人系統與CNC數控銑床、檢測測量系統、倍速鏈輸送之間通過(guò)GSK制造執行系統緊密協(xié)調配合，工作穩定，最大化提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)運營(yíng)成本。

（4）CNC數控加工時(shí)間平均2分鐘/件，人工生產(chǎn)產(chǎn)能：300件/小時(shí)；產(chǎn)線(xiàn)集成機器人上下料改造生產(chǎn)產(chǎn)能：350件/小時(shí)，提升生產(chǎn)效率16%。

圖3 機器人集成應用效果圖

通過(guò)實(shí)際應用案例論證，家電行業(yè)零部件生產(chǎn)制造，使用機器人集成CNC數控加工設備替代人工生產(chǎn)是必然趨勢。隨著(zhù)科技的發(fā)展，機器人的技術(shù)也逐漸成熟，其穩定性、可靠性、工作效率以及加工精度都有了很大的進(jìn)步。同時(shí)，集成應用范圍也越來(lái)越廣泛，技術(shù)的普及使其價(jià)格和成本開(kāi)始逐步降低，越來(lái)越多的生產(chǎn)商開(kāi)始使用機器人生產(chǎn)。這也將促使家電產(chǎn)品向大批量、專(zhuān)業(yè)化、連續化、智能化生產(chǎn)趨勢發(fā)展。

作者簡(jiǎn)介：

鐘志斌（1978-），男，江西寧都人，中級工程師，大學(xué)本科，工程師，現任廣州數控設備有限公司機械工程師，從事工業(yè)機器人集成應用方案設計。

江文明（1984-），男，江西金溪人，中級工程師，大學(xué)本科，中級經(jīng)濟師，現任廣州數控設備有限公司機器人研發(fā)室主任，從事工業(yè)機器人整機研制及產(chǎn)業(yè)化推廣。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年9月刊