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隨著國(guó)民收入與GDP同步持續(xù)增長(zhǎng)及城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，居民對(duì)日用家電產(chǎn)品的需求日益增加，再加上市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(xù)化、自動(dòng)化生產(chǎn)趨勢(shì)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(jì)劃需周密；單次訂單批量大、交貨期短，制造裝配產(chǎn)線對(duì)零部件物料供應(yīng)的及時(shí)性、配套性要求嚴(yán)格，實(shí)時(shí)性強(qiáng)；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(xù)化、批量大節(jié)奏快，人均生產(chǎn)率高，對(duì)工人勞動(dòng)力依賴(lài)性強(qiáng)。

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(yīng)用機(jī)械手、自動(dòng)化設(shè)備和柔性生產(chǎn)系統(tǒng)，進(jìn)一步提高企業(yè)的自動(dòng)化水平、應(yīng)變能力，從而實(shí)現(xiàn)可快速變更產(chǎn)品品種及在同一生產(chǎn)線上同時(shí)生產(chǎn)多種產(chǎn)品。因此，開(kāi)發(fā)一種機(jī)器人與CNC設(shè)備集成的柔性加工生產(chǎn)線是解決企業(yè)目前問(wèn)題并推動(dòng)制造業(yè)改造升級(jí)的必然趨勢(shì)。

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

1 人工生產(chǎn)與集成機(jī)器人系統(tǒng)生產(chǎn)對(duì)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(fù)責(zé)1臺(tái)CNC設(shè)備生產(chǎn)作業(yè)；當(dāng)CNC加工完成，期間人工要完成CNC機(jī)床內(nèi)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(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)入機(jī)臺(tái)內(nèi)工作容易勞累。其結(jié)果占用過(guò)多的CNC設(shè)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(shè)備調(diào)整刀具的切削補(bǔ)償量、切削液濃度等檢測(cè)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因?yàn)槿藶榈脑颍瑢?dǎo)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(fèi)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(biāo)準(zhǔn)；而應(yīng)用智能檢測(cè)設(shè)備，可以自動(dòng)檢測(cè)零件尺寸公差，并自動(dòng)調(diào)整刀具補(bǔ)償量，檢測(cè)判定標(biāo)準(zhǔn)一致，保證產(chǎn)品加工質(zhì)量。

1.3 人工成本存在的劣勢(shì)

人工生產(chǎn)作業(yè)中，每個(gè)工人只能負(fù)責(zé)1臺(tái)CNC設(shè)備生產(chǎn)作業(yè)，而且技術(shù)以及經(jīng)驗(yàn)是決定了產(chǎn)品的質(zhì)量的重要因素；而集成1臺(tái)機(jī)器人可以應(yīng)對(duì)3臺(tái)CNC加工設(shè)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(xù)作業(yè)；整套設(shè)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(xiàn)象，則又不得不重新培養(yǎng)新的人員。相反，集成機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程就是重復(fù)循環(huán)工作，所以生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量有保證，產(chǎn)品數(shù)據(jù)可收集追溯、產(chǎn)品的穩(wěn)定性強(qiáng),且一次性投入，長(zhǎng)期回報(bào)，節(jié)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(shè)計(jì)一種機(jī)器人與CNC設(shè)備集成的智能加工生產(chǎn)線是很有必要的。

2 機(jī)器人集成應(yīng)用解決方案

2.1 生產(chǎn)線整體布局

本設(shè)備為機(jī)器人與CNC設(shè)備集成的智能加工生產(chǎn)線，整產(chǎn)線由GSK-RBB15L機(jī)器人系統(tǒng)、CNC數(shù)控加工系統(tǒng)、檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)、倍速鏈輸送系統(tǒng)，以及GSK制造執(zhí)行系統(tǒng)等設(shè)備組成；并根據(jù)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(xiàn)不同工藝、型號(hào)批次的產(chǎn)品，可以快速柔性轉(zhuǎn)換生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品品質(zhì)。

生產(chǎn)線整體布局圖如圖1所示：

圖1 生產(chǎn)線整體布局

2.2 GSK-RBB15L機(jī)器人+機(jī)械手夾具

（1）系統(tǒng)采用GSK-RB15L機(jī)器人，重復(fù)定位精度高、速度快、控制靈活、服務(wù)半徑大；適合本系統(tǒng)應(yīng)對(duì)3臺(tái)CNC數(shù)控設(shè)備連續(xù)生產(chǎn)進(jìn)行托盤(pán)的上下料搬運(yùn)、定位作業(yè)；

（2）針對(duì)本應(yīng)用工況的復(fù)雜性及特定應(yīng)用環(huán)境，機(jī)械手夾具采用可自定位側(cè)銷(xiāo)夾緊方式設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)：一是打破傳統(tǒng)的靠外抱摩擦力夾緊的費(fèi)力抓取機(jī)構(gòu)，僅需要設(shè)計(jì)2個(gè)ACQ20小氣缸就可以抓取10kg負(fù)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(shù)降低夾緊力因素，真正做到四兩撥千斤;二是側(cè)定位銷(xiāo)夾緊，對(duì)機(jī)器人抓取托盤(pán)空間運(yùn)動(dòng)、放置進(jìn)行XYZ軸向二次精確定位；三是整個(gè)夾具設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、緊湊，減小機(jī)器人選型及運(yùn)行負(fù)荷；四是具有斷氣、斷電自保護(hù)功能，防止機(jī)器人運(yùn)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(tǒng)

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

（2）設(shè)計(jì)有1條托盤(pán)回收線、1條零件裝配線、1條托盤(pán)自動(dòng)循環(huán)線及3條托盤(pán)排隊(duì)輸出定位線；可滿(mǎn)足1-3種裝載不同零件的托盤(pán)同時(shí)排隊(duì)輸送、分揀，保證機(jī)器人對(duì)CNC機(jī)床的物料供給；

（3）系統(tǒng)對(duì)每個(gè)托盤(pán)植入RFID非接觸式自動(dòng)識(shí)別功能，可以快速識(shí)別不同托盤(pán)發(fā)送數(shù)據(jù)給GSK總控制系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)托盤(pán)進(jìn)行輸送、排隊(duì)、分揀分配到指定CNC數(shù)控設(shè)備上料加工，以及對(duì)加工零件在線實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)、測(cè)量、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等信息輸出。

2.4 清潔系統(tǒng)

托盤(pán)從CNC設(shè)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(jī)床回收循環(huán)使用，而切削屑進(jìn)行集中清楚處理，保證輸送線零件清潔干凈后回收。

（1）在CNC機(jī)床內(nèi)，機(jī)械手夾具上設(shè)計(jì)有高壓氣槍?zhuān)脵C(jī)器人的空間作業(yè)性設(shè)定運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)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(tǒng)回收前，對(duì)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(fù)壓抽吸殘留切削液和屑。

2.5 檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)

托盤(pán)清潔后通過(guò)RFID自動(dòng)識(shí)別工件型號(hào)，進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)，利用激光測(cè)量相關(guān)加工數(shù)據(jù)。

（1）檢測(cè)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)通信，判定零件加工尺寸是否合格，并可收集數(shù)據(jù)便于追溯；

（2）檢測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析，調(diào)整CNC機(jī)床刀補(bǔ)償量。

2.6 CNC數(shù)控加工系統(tǒng)及機(jī)床夾具

集成現(xiàn)代亞威400T數(shù)控加工設(shè)備，具有加工靈活、通用性強(qiáng)、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(fèi)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(kù)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(xiàn)鉆、鏜、鉸、攻螺紋、切槽等多道工序加工功能。

（2）能實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)控制，以保證刀具進(jìn)行復(fù)雜表面的加工。加工中心除具有直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)功能外，還具有各種加工固定循環(huán)、刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償、刀具長(zhǎng)度自動(dòng)補(bǔ)償、加工過(guò)程圖形顯示、人機(jī)對(duì)話、故障自動(dòng)診斷、離線編程等功能。

（3）機(jī)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(qiáng)、重復(fù)定位精準(zhǔn)及通用性可靠的特點(diǎn)。

2.7 GSK制造執(zhí)行系統(tǒng)

GSK智能制造執(zhí)行系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)視、控制、數(shù)據(jù)采集等功能。可利用GSK-LING總線實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人系統(tǒng)、托盤(pán)輸送系統(tǒng)、檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)及生產(chǎn)輔助設(shè)備的高速連接，實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)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）可在線檢測(cè)實(shí)時(shí)顯示和刀具補(bǔ)償修正，及機(jī)床啟停、初始化和管理；

（3）設(shè)置有智能看板功能：實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)信息以及機(jī)床刀具監(jiān)控等功能應(yīng)用。

圖2 GSK制造執(zhí)行管理系統(tǒng)圖

3 機(jī)器人集成應(yīng)用實(shí)施效果

（1）采取兼容柔性化機(jī)械手設(shè)計(jì)，用較少的制造成本解決了多型號(hào)、小批量生產(chǎn)在同一產(chǎn)線生產(chǎn)的難題；

（2）機(jī)器人替代人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)1對(duì)3臺(tái)CNC數(shù)控機(jī)床可24小時(shí)持續(xù)作業(yè)，穩(wěn)定完成工作任務(wù)；

（3）機(jī)器人系統(tǒng)與CNC數(shù)控銑床、檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)、倍速鏈輸送之間通過(guò)GSK制造執(zhí)行系統(tǒng)緊密協(xié)調(diào)配合，工作穩(wěn)定，最大化提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。

（4）CNC數(shù)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)線集成機(jī)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(jī)器人集成應(yīng)用效果圖

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用案例論證，家電行業(yè)零部件生產(chǎn)制造，使用機(jī)器人集成CNC數(shù)控加工設(shè)備替代人工生產(chǎn)是必然趨勢(shì)。隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人的技術(shù)也逐漸成熟，其穩(wěn)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(yīng)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(jī)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(xù)化、智能化生產(chǎn)趨勢(shì)發(fā)展。

作者簡(jiǎn)介：

鐘志斌（1978-），男，江西寧都人，中級(jí)工程師，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)任廣州數(shù)控設(shè)備有限公司機(jī)械工程師，從事工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用方案設(shè)計(jì)。

江文明（1984-），男，江西金溪人，中級(jí)工程師，大學(xué)本科，中級(jí)經(jīng)濟(jì)師，現(xiàn)任廣州數(shù)控設(shè)備有限公司機(jī)器人研發(fā)室主任，從事工業(yè)機(jī)器人整機(jī)研制及產(chǎn)業(yè)化推廣。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年9月刊