基于典型機器人的機加自動線結構型式

本文介紹了基于機器人的機械加工自動線的典型特征，闡述了基于機器人機加自動線的組成型式，分析了基于典型機器人的機加自動線的結構型式及每種結構的優缺點。提出了如何選擇適用于機加自動線的機器人，總結了基于機器人機加自動線的發展趨勢。

機械加工由加工設備對金屬毛坯件通過材料去除的方式，達到圖樣要求。目前，金屬零件的機械加工多以金屬切削的方式來實現，人為因素可導致零件的加工效率低、精度一致性差等。

隨著機器人技術的不斷發展，以及人口紅利的降低，基于機器人的自動化加工單元、自動化加工生產線已越來越多被采用。不僅局限于較成熟的汽車缸體缸蓋行業，目前在各個行業領域零件的加工都朝著自動化的加工方向發展，包括航空航天結構件、汽車發動機零部件目前都已經實現了自動化加工。

1.?機器人機加自動線的特征及組成

基于機器人的機加自動線是集加工設備自動化、工件上下料自動化、工件定位夾緊自動化、工件輸送自動化、排屑自動化、自動線連鎖保護自動化、工件與刀具自動檢測及自動控制等于一身的自動化生產系統，具有良好的柔性，生產精度和效率較高，大大降低操作者勞動強度，易于實現批量生產。其典型特征是將加工設備按照既定的工藝路線依次排列，用機器人及自動輸送裝置、其它輔助裝置等連接起來，使其按規定的程序進行自動工作。

在自動線中，工件以一定的生產節拍、按照工藝順序自動地經過各個工位，自動完成預定的加工過程，最終形成合格的產品。

典型的機加自動線主要由機器人、加工設備、工藝裝備、輸送裝備、輔助裝備、控制系統等組成。基于工藝要求、工藝過程、生產率要求、自動化程度等因素，機加自動線的結構和復雜程度差別很大。

（1）機器人

加工設備的上下料裝置主要由機器人或小車來完成，具體有桁架式機器人、關節型機器人、RGV與AGV小車、協作機器人等。其中，桁架式機械手與關節機器人承載量較小，承載較大的多用RGV小車來完成。可根據產線布局及工件大小，進行工件輸送設備和機床上下料裝置選擇。

（2）加工設備

主要為數控機床，多具有封閉的加工區域，含有自動上下料門，具備自動交換刀具功能，自動排屑功能，有的還帶有機內刀具測量、工件檢測系統。數控機床的選擇主要根據被加工零件的尺寸、加工精度和生產類型等來進行，同時也要兼顧加工效率和加工穩定性，主要為立式加工中心、臥式加工中心、數控車床等。通常大批量生產選用組合機床，生產批量不大而品種繁多應選柔性加工系統。

（3）工藝裝備

主要包括夾具系統、刀具系統、量具、輔具。其中，夾具完成對工件的裝夾及轉運，保證工件在每次加工中固定穩定可靠。每次交換能夠準確無誤完成工件的定位及緊固，夾具有固定在工位上的，也有隨工件一起運行的隨行夾具。

而刀具作為機加材料的去除工具，要保證刀具性能可靠。生產線所用的刀具種類規格較多，還要保證能自動交換，這就要求每臺加工設備具備自動交換刀具功能，具備自己的刀庫及換刀機械手。同時根據需要可以配中央刀庫，通過交換裝置把刀庫運到所需的設備上。為了掌握刀庫的使用情況，可配備RFID功能，掌握每把刀具的使用壽命等情況。同時機床內還可安裝對刀儀，對刀具的磨損、刀長、刀徑、斷刀等進行在線檢測。

（4）輸送裝備

主要包括工件輸送裝置、儲料裝置（料庫）等。工件輸送裝置負責工件在不同機加設備之間運轉，多為鏈式、帶式傳送機構。儲料裝置也可稱為料庫，主要用來存儲工件，包括毛坯、半成品與成品，有單一線形、矩陣式立體庫、環島式等型式。可依據工件大小、加工頻率、場地面積等進行合理的料庫選擇。

（5）輔助裝備

主要包括清洗裝置、排屑裝置等。針對機加自動線的持續高效加工，要保證將切屑及時順利清除出工作區，尤其是夾具定位面的切屑，如清除不干凈就會導致定位不準或損傷工件，最終導致零件加工不合格。因此，加工設備通常配置主軸中心出水、主軸環噴、頂棚噴淋等裝置，大力沖刷工件及夾具表面，保證工件準確定位及裝夾。

每臺加工設備通常具有自己的排屑系統，而每臺設備的切屑統一排入產線的接屑系統中集中處理，即集中排屑，集中排屑后可對積屑進行壓塊處理。

（6）控制系統

自動化生產線的控制系統就像大腦一樣，控制整個產線協同生產，對下位機的加工設備、輸送設備、輔助裝置等進行控制，實行統一調度管理，保證生產線按節拍有序進行。

智能的機加自動線主要包括數據層、物理層和人機交互平臺。數據層主要負責數據的傳輸和分析，物理層與設備之間的數據交換主要依靠現場總線來完成。物理層通常包括控制站、操作站和現場控制層，主要負責數據的收集和遙感。人機交互平臺使人與設備完美結合，保證產線準確、高效地完成既定加工。

2.?機器人機加自動線典型結構型式

基于機器人的機加自動線，工件上下料的方式有采用桁架機器人、關節機器人、有軌自動化小車、AGV叉車、協作機器人等方式。

桁架式機加自動線主要由加工中心與桁架機器人組成，如圖1所示。桁架機器人通常由主體、驅動系統與控制系統組成，也稱直角坐標機器人，由兩個或三個相互垂直的直線運動來實現，直線運動易于實現全閉環的位置控制，可達到很高的位置精度。

桁架型式主要為懸臂式、龍門式、天車式三種結構。懸臂式用來搬運較輕部件；龍門式結構，主橫梁采用齒輪條加線軌傳動，具有高剛性、負載重等特點，不會受到物件重量限制，整體移動十分靈活；桁架機器人在高空中輸送零件，直接把被加工零件從一臺機床輸送到另一臺機床上，桁架機器人兼有工序間運輸和自動上下料及物料回轉等輔助功能。具有輸送快捷、精準、柔性，結構相對簡捷，便于組合等優點。

關節機器人機加自動線（見圖2）主要由關節機器人與加工中心組成，其中關節機器人多為六軸工業機器人，通常由齒輪齒條驅動，在加工中心前面的軌道上直線運行，形成第七軸，實現在不同加工中心間上下料及運輸工件。如地面面積有限，關節機器人可布置在桁架之上，桁架布置在加工中心之間，使產線空間更加緊湊。總之，關節機器人適用于各種機床的上下料，動作靈活，結構緊湊，占地面積小。關節型機器人自由度高，工作空間比較大。可通過更換末端執行器及相關夾具類型，進行換產，具有高效率、高穩定性、易于維護、柔性化等優點，可以滿足不同種類產品的生產。

關節機器人還可配置視覺系統，使產線更加智能化。關節機器人也可用在加工中心刀具的自動交換系統上，使產線加工中心的自動換刀更加柔性化，提升加工中心的加工效率。該型式自動線的料庫通常布置在產線的一側，便于集中管理。

有軌小車式機加自動線主要由搬運小車、軌道、加工中心、料庫等組成。小車通常具有三個直線軸：整體運動軸、伸縮軸、升降軸，有的還有第四軸的旋轉軸。其中，整體運動軸可使小車在各個工位的加工中心間運行；伸縮軸可伸長進入到工作區，之后升降軸升起，拖住工件托盤，之后縮回，到下一個工位升降軸再下降，伸縮軸再縮回，就完成了工件在不同工位之間的交換。該型式機加自動線可用于輸送重質量工件，小車軌道可隨需求任意加長，具有速度快、可靠性高等特點。該類產線的料庫多布置在加工中心的對面，依據產量需求，可為單層與多層立體庫型式。

圖4為由搬運小車組成的航空結構件生產線。由于航空結構件多采用大去除率的加工設備，故該類加工設備工作臺垂直布置，工件在上下料位進行水平上料與下料，之后翻起，再交換到RGV小車上，由小車運送到不同位置機床進行上下料，料庫也是垂直地面布置。雖然航空結構件都很大，但這種長線布局方式占地面積小，結構緊湊。如斯達拉格的Ecospeed航空結構件自動線被應用于很多飛機結構件生產商。

AGV叉車式機加自動線主要由AGV叉車與加工中心、料庫等組成。AGV更加靈活，柔性更大，生產線結構得以簡化，減少了有軌小車的軌道，縮小了占地面積，開放性更好。自動化水平更高，可十分便捷地與加工中心、物流系統實現自動對接，多臺AGV叉車可組成多條柔性加工線，效率更高，更加智能化。

3. 選擇適合機加自動線的機器人

機加自動線型式多樣，如何選擇一款適合于機加自動線的機器人呢？可關注以下幾個主要方面。

（1）自由度

自由度即機器人的軸數，軸數越多機器人的靈活性也就越強。主要依據工作空間進行軸數的選擇。空間足夠，通常四軸機器人即可完成指定工作。如果空間狹小，需要避免障礙就要選擇更多軸數的六軸機器人，再加上直線移動軸構成七軸。

（2）負載

要依據工件的重量，重量太大的只能應用工業機器人來完成，協作機器人承載較小無法滿足，重量大小依次可選擇RGV小車、桁架機器人、關節機器人。

（3）最大運動范圍

要確定好機器人的有效臂展及回轉直徑，要保證能抓取到目標工件，路徑上不能有其他障礙。

（4）速度

如果要考慮上下料的效率，還要選擇合適的機器人速度，優化路徑設計，才能提高自動化效率。

（5）重復定位精度