机器人与CNC数控设备集成的智能加工生产线分析

机器人与CNC数控设备集成的智能加工生产线分析

徐开元

珠海市南特金属科技股份有限公司 519090

摘要：人工智能时代的到来，实现了智能机器人与CNC数控设备的集成，衍生了智能加工生产线，提高了自动化生产水平，生产效率也随之提升。基于此，本文简述了人工生产模式与集成机器人生产模式，分析了机器人与CNC数控设备集成应用现状，并就机器人与CNC数控设备集成的智能加工生产线应用情况展开分析，为机器人与CNC数控设备集成的智能加工生产线设计与应用提供科学的指导。

关键词：机器人；CNC数控设备；智能加工；生产线

引言：智慧家居背景下，社会大众对家用电器产品的智能程度提出了更高层次的要求，而智能加工生产线直接关乎到产品生产效率、生存质量，与消费者的满意度也息息相关。为此，加快智能加工生产线设计，实现无人化建设成为当前重要的研究课题，本文主要就机器人与CNC数控设备集成的智能加工生产线进行深入的分析，旨在为智能加工生产线设计提供科学指导。

1 关于人工生产模式与集成机器人生产模式探讨

1.1 生产效率

    从生产效率看，人工生产需要投入大量的劳动力，每名作业人员仅能对接1台CNC数控设备，生产效率较低。待完成CNC加工后，作业人员需要进行加工零件的拆卸，需要固定好未制品。整个生产线周期较长，作业人员疲劳程度高，若未能得到充足的休息，会造成人为操作失误，无法保证车间生产产能。集成机器人能够同时对应3台CNC数控设备，支持同时生产一种或是多种产品。同时，集成机器人支持24时连续作业，生产全过程中投入的人力资源较少，解放作业人员双手同时，提高了产品生产效率，质量有保证。

1.2 生产成本

    从生产成本看，待产品生产后，需要人员进行产品质检；要安排人员调整CNC数控设备刀具切削补偿量等相关参数，受作业人员素质、经验、综合素养等因素影响，人工质检标准也受到影响，出现误差问题，降低了产品合格率，进而提高了产品的生产成本，制约企业发展。智能设备的应用，实现了自动检测，能够实时调整刀具的补偿量，产品加工质量有保证。在集成机器人应用支持下，实现了对产品数据动态化收集，支持信息追溯，整个生产流程更完善，生产体系更健全，达到了成本管理和控制目的。为此，进行机器人与CNC数控设备集成的智能加工生产线设计显得尤为重要。

2 分析机器人与CNC数控设备集成应用现状

机器人主要是应用在机床加工工序中，负责物料添加、物料加工以及物料运输等。应用发现，智能加工生产线组线方式较多，一是在机床加工工序中，采取单机物料添加模式，此种生产线适用于大批量产品生产，适用于短周期产品生产；也支持复杂、大体积工件生产。机器人开展物料添加作业时，充分发挥了自身的智能作用，技术优势显著。二是在多机床、多加工工序生产线中，机器人能够承接各个工序的任务，支持加工工艺转换，能够与数控设备协同组成产品生产线。三是在高危机床加工作业中，机器人能够固定好工件，为工件冲剪等塑形操作提供支持，能够完全取代人工[1]。四是在特殊加工工序中，展现了智能机器人与CNC数控设备集成的优势，机器人能够完成机床加工所有的工序，自动化程度极高，降低了工件组装、工件分选等工序作业难度，大大提升了作业效率，为产品高质量生产提供了重要的保障。分析发现，机器人与CNC数控设备集成的智能加工生产线应用模式不断变化和创新，为进一步提高机器人在数控机床工序中的集成程度，有必要深化机器人与CNC数控设备集成智能生产线设计，从而实现二者的深度融合，为数控加工机床智能加工生产线实现和应用提供技术支持。在具体设计机器人与CNC数控设备智能加工生产线期间，有必要结合企业产品生产以及使用实际需求进行考量，从而完善加工生产线流程，确保技术方案具有实际应用的可行性。同时，在智能加工生产线设计中，要基于客户视角进行考量，了解客户的需求，并从机器人与CNC数控设备控制系统层面进行优化，实现生产线所有工序无缝衔接，通过建立自动化工作站，实现各个工序互联互通，并进一步推动智能加工生产线向无人建设方向发展。机器人与CNC数控设备集成效果图见图1：

图 1 机器人与CNC数控设备集成效果图

3 机器人与CNC数控设备集成的智能加工生产线应用

3.1 生产线布局

    某生产企业投入使用了机器人与CNC设备集成智能加工生产线，整个生产线由机器人系统、CNC数控设备等其他多个系统组成，满足产品生产使用需求以及客户需求；支持混合生产，能够对不同工艺、不同批次的产品进行转化生产，大大提升了生产线的生产效率，提高了产品的生产质量。

3.2 机器人+机械手夹具

    利用机器人进行定位，整个过程，操作灵活度高，能够扩大服务半径，大大提升了定位精准程度，为生产线连续作业提供了保障。机器人的应用，可在工况复杂的环境条件下参与数控机床工序中，对环境的适应性较强，不易受环境影响。在设计机械手夹具时，应用的是自定位侧销夹紧方式，此种设计方式优势显著，与传统的设计方式相比，改变了靠外抱摩擦力加紧方式，通过加装2个小气缸实现对托盘工件的抓取，抓取重量为10kg，能够有效规避降低夹紧力的相关因素，夹紧效果满意

[2]。同时，在测定位销夹紧方面，利用机器人对抓取托盘进行定位，实现抓取托盘的空间运动。在机械夹具设计上，彰显了简单效果，最大程度上降低了机器人的运行负荷；并且通过加装断电自保护功能，避免机器人运行过程中发生托盘掉落等意外事件。

3.3 托盘倍数链输送系统

    在托盘自动循环链设计上，设计了倍速链输送模式，此种设计，提高了输送效率，灵活程度更高，对零件装配以及物料储存、定位、输送有重要的意义。同时，在托盘倍数链输送系统设计中，设计了1条托盘回收线，设计了1条零件装配线，设计了1条托盘自动循环线，与此同时，设计了3条托盘排队输出定位线；通过上述设计，实现了装有1~3种零部件的装载托盘输送和分拣，效率极高，切实满足了CNC数控机床加工生产所需的物料，保证了物料不间断的供应，实现了连续加工作业[3]。此外，托盘倍数链输送系统具有自动识别功能，主要是在每个抓取托盘内植入了无接触自动识别技术，利用射频信号以及空间耦合传输特性，对禁止或是移动的物品进行自动识别；快速准确地识别不同托盘，并将提取到的信息数据上传到总控制系统中，系统能够将接收到的信息进行会中，并有序地将托盘分配到对应到CNC数控设备上，实现对不同物料的加工；在加工生产作业同时，实现对加工工件及零部件的在线检测，及时发现不合格工件，并及时反馈信息，大大提升了产品生产合格率，保证了产品的生产效率。

3.4 清洁系统

    清洁系统是机器人与CNC设备集成智能加工生产线中的一部分，主要负责清洁工作。当托盘从CNC数控加工作业完成后，有碎屑或是切削液残留，启动清洁系统，能够将碎屑清理干净，可以将切削液回收二次使用，保证了输送线零件清洁度。实际应用中发现，CNC数控机床中的机械手夹具中设计了高压气枪，在机器人应用下，可以设定固定的运动轨迹，方便清洁系统全方位地清理和清洁托盘中的零部件。在托盘进入倍速链输送系统回收前，使用高压气枪将托盘清洁干净，确保托盘的清洁程度。

3.5 检测测量系统

检测测量系统也是智能加工生产线中的重要一部分，待完成托盘内外清洁后，在无接触自动识别技术下，实现对工件型号的识别，并进入到检测系统中，对相关加工数据进行处理和测量。主要是通过数据检测，评估和判断零件加工尺寸、规格是否满足生产需求，支持数据追溯[4]。同时，借助检测测量系统，能够实现对CNC数控机床刀具补偿量的调整，为智能机器人与CNC数控设备智能加工生产线应用夯实了基础。

3.6 CNC数控加工系统和机床夹具

    集成数控加工设备自动化程度很高，在机床加工中，加工精确度高，能够保证生产效率，尤其在生产消费电子类壳体方面，展现了显著的应用优势，支持小型零部件的生产和加工。CNC数控加工系统功能较多，具有自动交换刀具功能，刀库中有不同用途的刀具，支持钻、铰、纹等，工序加工功能具有多元化特征。同时，CNC数控加工系统具有三轴联动控制功能，可以使用刀具对复杂表面进行加工处理，并且加工中心支持刀具半径自动补偿，整个加工过程实现了可视化，方便观察加工现场情况，在智能机器人应用下，实现了人机联动，能够自动化地进行故障诊断，提高了CNC数控设备的运行效率和应用可靠性。而机床托盘加工夹具，主要采取的是液压加紧方式，最大程度上提高了加紧力，保证了定位精度，应用成效显著。

3.7 GSK制造执行系统

GSK制造执行系统性能优势明显，能够在线监视好控制，实现了数据动态化采集。在机器人与CNC数控设备智能加工生产线中，GSK制造执行系统主要负责衔接各个环节，实现各个工序的无缝衔接，具有辅助生产的作用，并且参与到智能生产线全线监控和管理中；包括创建加工任务，管理加工任务，任务上传等；包括在线检测、刀具补偿量修正以及系统初始化管理等。在GSK制造执行系统中，还增设了智能看板功能，能够实现对生产设备的全方位监控，及时发现设备故障隐患，并全过程采集生产信息，可以及时反馈数控机床刀具功能应用情况，便于智能加工生产线管理人员掌握生产线的具体情况。

4 机器人与CNC数控设备集成智能加工生产线具体应用及实施效果

4.1 具体应用

某企业主要制造的是电机外壳，基于对生产线自动化的要求，基于某企业生产工艺以及加工流程，设计了一条机器人与CNC数控设备集成智能加工生产线，主要由工业机器人+产品加工数据中心+数控机床+控制系统组成，整条生产线流程完善。为进一步提高生产线中各个系统的性能，引入了机器人视觉检测技术、PLC控制技术、传感技术等多种技术，进而搭建了工件加工和工件检测以及工件运输一体化控制模式；在PLC控制技术和数据处理技术应用下，可以动态化采集相关的数据信息，实现对数据信息的处理和分析；在数字技术以及控制系统应用下，切实为生产线运作提供了技术支撑。

电机外壳属于大批量生产类别，对生产 加工流程要求更高，生产材料主要是铝合金，数控机床加工作业期间，涉及到铣削打孔、内孔车削等工艺操作，要想保证交接工件能够高效翻转或是方便物料添加，结合电机外壳实际加工需求，划分了多个加工工序，并严格按照工序执行和操作，在第一道工序中，进行螺纹底孔钻孔、铣削等；在第二道工序中则是进行通孔、孔口倒角加工；在第三道工序中，进行内孔、台阶孔、孔倒角加工；在第四道工序中，利用机器人辅助设计，确定机械夹具加紧方式。整个工序在生产线实施过程中，保证了各个生产环节高效、稳定执行，充分发挥了机器人与CNC数控设备集成智能加工生产线作用，为电机外壳加工生产提供了保证，提高生产效率同时，保证了电机外壳产品质量。

4.2 实施效果

    通过机器人与CNC数控设备集成智能加工生产线设计，有效控制了设计成本，并在成本控制范围内解决了多型号、小批量生产难题；

通过机器人与CNC数控设备集成智能加工生产线应用，实现机器人代替人工作业目标，能够高效、顺利完成数控机床加工作业任务；

在机器人与CNC数控设备集成智能加工生产线运作下，实现了机器人与CNC数控铣床、检测测量系统、GSK制造执行系统等多系统之间的配合，作业效率显著提升，降低生产成本同时，实现生产效益最大化。

结论：综上所述，人工智能技术水平不断提升，机器人技术也随之进步和成熟，应用可行性和稳定性更高，能够最大程度上提高数控机床加工作业效率，产品加工精度也大大提升。通过通过机器人与CNC数控设备集成智能加工生产线设计和应用，证实了机器人在CNC数控机床系统中的应用可行性，达到了工序工艺转换、物料抓取智能化、自动化目的，切实推动了产品大批量、连续化、柔性化、智能化生产。

参考文献：

[1]钟志斌,江文明.一种机器人与CNC数控设备集成的智能加工生产线[J].自动化博览,2019(09):34-36.

[2]宫丽.基于智能机器人与数控设备集成的智能生产线设计[J].集成电路应用,2023,40(02):348-349.

[3]蔡敢为,张轲忱,韦为.数控连杆机构式机器人的平衡特性及优化[J].广西大学学报(自然科学版),2023,48(04):867-880.

[4]朱坤福.基于智能机器人数控技术的医疗设备制造分析与思考[J].上海轻工业,2023(01):138-140.