機器人自動生產線的工藝分析與總體設計

朱金權

（無錫貝斯特精機股份有限公司，江蘇 無錫 214161）

摘 要：對機器人自動化生產線設計時加工零件的工藝流程分析、生產節拍計算、機器人形式的確定等相關工藝參數進行了研究，在分析了自動化生產線的有關組成部分、總體布置形式、物流方向的確定、線纜和管路的布置、操作箱與電氣主控制柜的布置等總體設計的相關技術要點后，提出了機器人自動生產線設計的步驟和設計思路，為機器人自動化生產線在現代工業制造領域的推廣和應用提供技術支持。

關鍵詞：機器人；自動生產線；工藝分析；總體設計；生產節拍

中圖分類號：TP278 文獻標識碼： A

1概述

在機械零件加工制造業中，零件的加工質量、加工效率和加工成本與零件的加工工藝密切相關。傳統由人工、單機手動加工零件的工方式已越來越不適合現代企業的需要，為減輕勞動強度、提高生產效率、降低勞動成本，采用機器人自動化生產線加工零件的方式，在現代制造業中已越來越多的得到應用，從而最大限度的滿足加工制造業中高速度、大批量、高品質加工零件的需要，使加工制造業走向機器人生產線的規模化、批量化、高效化、自動化的現代制造業新時代，它是制造業加工現代化發展的必然趨勢。

2工藝分析

零件加工工藝性分析，是機械加工制造業至關重要的技術準備，它是決定零件加工方法、加工質量、加工成本的重要指導性文件，是自動化生產線設計不可缺少的工藝性文件。

2.1加工零件工藝分析

規劃設計自動化生產線之前，設計人員必須對加工加工零件的材料、加工內容、加工精度、加工質量等進行詳細的工藝分析，制定詳細的零件加工工藝線路，編寫零件加工過程工藝卡片，明確零件加工時的定位面、夾緊點，制定有效的加工切削參數，包括切削速度、進給量和切削深度。考慮零件加工時所采用的夾具、刀具、量具及零件加工后的檢測方法，工件在各工序之間流轉時需要的清洗、儲存、翻轉、搬運等中間工位，零件流轉過程中所需的輸送平面、輸送方式，導向定位、信號檢測及機械手抓取工件時的定位、夾緊、松開、檢測等，這些工藝參數的確定，對設計自動化生產線具有非常重要的作用。

2.2生產節拍的計算

節拍是指連續完成相同的兩個產品（或兩次服務，或兩批產品）之間的間隔時間。即指完成一個產品所需的平均時間。

（1）系統理論節拍計算：

計算公式：

R-----節拍 （單位：秒/件），是系統所需的理論節拍；

Q-----計劃期內所制造的產品的產量（單位：件），除計劃中規定的任務外，還包括不可避免的廢品；

F%-----不合格產品占有率；

T效-----計劃期有效工作時間 （單位：秒）；

i------時間利用系數，計劃期制度工作時間內設備的實際開動時間；

T效 =計劃期制度工作時間T×時間利用系數i；

（2）所需設備計算：

計算公式：

T j-----單臺設備完成單個零件所需的實際工作時間（單位：秒）；

R-----節拍 （單位：秒/件）。計算結果一般為小數，實際使用設備臺數S需將計算結果元整。

（3）桁架式機器人上下料時間計算：

①初始條件：

機器人勻速運行距離S0：（單位：米）

機器人啟動加速運行距離S1；（單位：米）

機器人停止減速運行距離S2：（單位：米）

機器人啟動、停止的加速度a：（單位：米/秒2）

機器人勻速運行速度v：（單位：米/秒）

機器人運行的所有距離S=S0+S1+

③機械人總運動時間T1=t1+t2+t3 （單位：秒）

④機械手換爪時間T2：機械手上安裝的兩個夾持工件的夾爪相互轉換90°或180°所需的時間，其中一個手爪從機床夾具上取出已加工完成的工件（成品），另一個手爪上將已抓取的工件（毛坯）放置到夾具上。兩個手爪轉換的時間一般取：T2 = 2～3秒。

⑤機械手取料與裝料時間T3：機械手上一只手爪從機床夾具上取出已加工完成的工件（成品）與將另一手爪上已抓取的工件（毛坯）放置到夾具上所需的時間。一般根據所加工零件的大小取T3=5～10秒。

⑥機器人上下料的總時間T= T1+ T2+ T3

（4）關節式機器人上下料時間計算：

在自動化生產線中所用到的關節機器人一般采用日本FANUC機器人或德國KUKA機器人，這些機器人樣本中均有相關軸的動作范圍Ji（°）和最高轉動速度Si（°/S），根據這些參數就可以方便的計算出機器人關節轉動過程中所需的時間Ti（單位：秒）。 （i是關節機器人相應軸號）

2.3機器人形式的確定

根據零件加工工藝流程分析，結合零件的加工節拍、上下料時間、生產線的平面布置區間、加工設備、中間工件物流所需的清洗、儲存、翻轉、搬運等工位及生產線的制造成本等，考慮采用桁架式機器人還是關節式機器人。選擇桁架式機器人上下料的條件如下：

（1）加工設備具有自動開關門且工作臺上部具有開闊的上料空間；

（2）加工設備工作臺沿某一直線布置；

（3）加工設備工作臺上部無固定主軸、換刀系統等，如數控車床、數控磨床、臥式加工中心等；

不具備上述條件的加工設備如：立式加工中心、數控立車等，在工作臺上方沒有有效的上料空間，只能采用關節式機器人從加工設備正面前門上下料。

3總體設計

3.1總體設備布置形式及組成

自動生產線的布置形式是生產線設計時根據加工零件的工藝要求合理布置加工設備的重要步驟，需綜合考慮零件的加工工藝、加工設備的功能、物流輸送的方式、專用設備的功能、安全保護的措施、中間過程的儲料、機械手的承載、工件姿態的轉換、定位夾緊的方式、工廠占地面積等，設計時需綜合上述多種因素、通盤考慮、兼顧全局，不斷改進、逐步優化，最大限度的發揮生產線各組成部分的功能，使生產線達到實現功能最多、使用設備最少、制造成本最低、占地面積最少的高性價比生產線，設計出符合加工工藝要求的經濟實用的生產線總體方案圖，為企業提供最佳的自動化生產線解決方案。endprint

自動生產線按使用機器人的不同分為：關節式機器人自動生產線及桁架式機器人自動生產線。兩種生產線根據零件加工的工藝性和加工設備的特點分別適用于不同場合，但其基本組成大致相同，主要包括如下相關部分：

（1）上料設備：是給生產線提供毛坯坯料的自動輸送設備，是生產線的輸入設備，常采用皮帶輸送、輥道輸送、懸掛鏈輸送、地推鏈輸送、板鏈輸送等，設備上具有工件定位、輸送導向、工件停止、到位檢測等機構，以實現工件的準確、可靠的傳輸。

（2）機器人系統：是生產線的核心組成部分，是加工零件在各加工設備間流轉的執行機構，包括機器人本體、機械手、控制系統。具有運行速度快、定位精度高、回轉自由度多的特點。是集檢測、定位、夾緊、回轉、松開、移動于一體的智能化設備。

（3）各工序加工設備：是實現零件加工的數控加中心或數控專用設備，是零件加工的主體設備。由獨立的數控系統控制，具備自動開關門，自動換刀、自動對刀、自動切削、自動排屑，自動在線檢測等功能，能將零件按CNC程序加工至相應尺寸和精度要求，是現代制造業中，不可缺少的自動化設備。

（4）專用設備：是生產線中用于完成某一特定功能、由設計人員專門設計的自動化專用設備。是自動生產線中不可缺少的重要組成部分，如零件流轉過程中的姿態翻轉或轉向工作臺、滿足工藝要求的工裝裝配或拆卸工作臺、零件加工過程中的尺寸精度檢測工作臺、重要零件氣密性檢測工作臺、零件輸送過程中的儲料工作臺、零件流轉過程中的清洗清潔工作臺、零件檢測完成后合格品及不合格品的自動分流工作臺等。

（5）下料設備：是生產線中將加工完成的零件自動輸送出加工區域的專用設備，是生產線的輸出設備，其結構形式和功能與上料設備基本相同，以保證工件完好無損、準確可靠的輸出。

（6）圍欄及外圍設備：是生產線中將加工區域與外圍環境隔開的安全保護圍欄及安全保護控制設備。包括安全圍欄、安全門、安全光柵、安全門鎖、踏腳板等輔助設備。安全光柵、安全門鎖等安全保護裝置的信號與生產線系統控制部分相串聯。工作時，只要任何一處安全裝置的信號發生變化，機器人和整個生產線就會自動停止運行，并發出故障報警信號，從而確保操作人員和加工設備的絕對安全，及時提醒維護人員排除設備故障。

（7）線路布置及走向：是生產線中相關設備的動力線路、控制線路、氣源管路、液壓油路的布置形式及相關走向。包括主控電柜位置、操作電柜位置、中間接線盒位置、氣源處理及分配器位置、液壓站位置等。線路布置形式可采用空中橋架布置、地面走線槽布置、地溝走線槽布置。線路布置時應將電纜線、控制線、氣管、油管等分開布置，橋架或線槽應布置整齊、固定可靠、線路最短，防潮、防油、防干涉、放磕碰。

3.2確定物流輸送方向

生產線中物料流動方向的確定對整個生產線的設計至關重要，合理的物料流向可以充分發揮設備自身的功能、充分利用現有場地資源、優化物流路徑、減少流轉時間、節省加工節拍、提高生產效率。確定物流輸送方向應考慮以下幾點：

（1）物流輸送方向應與零件加工工藝流程一致，使物料流轉過程中盡量減少換手、停頓、姿態轉換等中間環節，使物料流向更加簡潔、順暢、快速、高效。

（2）物料流向要考慮生產場地的大小及分布形式，合理利用現有生產場地的物料進出，使設計的生產線滿足生產車間在物流輸送方面的總體需要。

（3）物流輸送方向需要考慮各加工工序間加工時間的長短，使物料在各工序間輸送時能平衡各工序加工時間的差異，盡量使各工序間物料輸送及加工的時間趨向平衡，使加工節拍更加合理。

（4）物流輸送方向應使物料流經的路程最短，使物料輸送到某一工序的時間小于工件在該工序的機械加工時間，從而使物料輸送所占用的時間不影響機械加工的時間。

（5）物流輸送方向應考慮物料輸送過程中機械手能方便的在加工設備上取放工件，使機械手在取放工件時能更好的適應工件的姿態，避開物料輸送時機械手過多的移動、避讓障礙物的運動等。

3.3確定線纜和管路布置形式

生產線中驅動和控制線纜、氣路和油路的布置形式是衡量生產線外觀設計美感與否的關鍵，確定線纜和管路時應考慮以下幾點：

（1）電纜和管路布置形式有空中橋架式、地面線槽式和地溝線槽式，應根據設備的布置形式和加工工藝要求，選擇能使生產線線纜和管路布置達到美觀、整齊效果的布置形式。

（2）空中橋架式線纜和管路布置形式，應相關布置高度大于機器人手爪抓取工件時運行的最大高度，以防止手爪抓取工件運行時與空中橋架發生干涉。

（3）地面線槽式線纜和管路布置形式，應將線槽安裝于加工區域的腳踏板下，并固定于地面上，以避免在加工區域內與必要的維修操作發生磕碰。

（4）地溝線槽式線纜和管路布置形式，應在地面開設線槽安裝溝槽，將線槽固定于溝槽內，溝槽深度略低于線槽高度，用線槽蓋板封住，防止地面油污、水汽進入線槽。

（5）生產線中設備的線纜和管路與線槽中的線纜和管路間的聯接采用快插式插頭或接線端子盒聯接的方式，便于設備的拆卸和重新安裝。

（6）線槽走向應考慮安裝現場的立柱、墻角、圍欄等便于安裝固定而不影響操作和美觀的部位，使線路走向更符合實際使用情況。

（7）所有放于線槽內的線纜和管路應排放整齊、并在出線槽的兩端用纏繞帶纏繞固定，線纜和管路分開放置，便于維修和更換。

3.4操作箱及主電氣控制柜布置形式

操作箱及電氣控制柜是生產線的自動控制單元，是驅動生產線按特定按工藝流程運行的核心部件。操作箱是生產操作人員進行實際操作的控制箱，安裝于操作人員右側，便于操作人員手動操作。操作箱上設有“啟動”、“停止”、“復位”及“急停”四種按鈕。

“啟動按鈕”用于生產線的啟動運行。endprint

“停止按鈕”用于生產線的停止運行。

“復位按鈕”用于生產線故障時復位至初始狀態。

“急停按鈕”用于生產線故障時緊急停止。

主電氣控制柜是安裝電氣控制元件、用于控制生產線運行的主體電氣箱，常布置于生產線圍欄外側，便于調試和安裝。控制柜的設置應考慮以下幾點：

（1）使安裝線纜的線槽走向布置方便、合理。

（2）靠近加工設備電氣箱，減少走線槽的長度。

（3）避免大功率設備運行時所造成的信號干擾源，確保控制信號傳輸的穩定可靠。

（4）避環境陰暗、潮濕、散熱不暢的場所，以確保電氣柜正常工作所需要的環境。

（5）確保電氣柜正常維護、維修時有必要的操作空間，使維護、維修更加方便。

3.5機器人自動化生產線設計的步驟和思路

通過分析機器人自動化生產線加工零件的相關工藝參數和生產線布置的相關技術要點，對機器人自動生產線設計的步驟和思路提出以下幾點要求：

（1）充分分析加工零件的工藝性，明確加工所需的相關工藝參數；

（2）根據參數選取適合零件加工所需的各種工藝裝備，包括機床、夾具、刀具、檢測設備等；

（3）根據生產場地和零件的加工設備，選擇便于工件抓取和裝夾的機器人，設計相應合適的機械手；

（4）考慮生產線總體布置時的相關事項，通過分析明確各項技術要點，使總體設計更加清新和完整；

（5）繪制生產線總體布置方案圖，在圖上標注出物流的方向，各部分設備的相關功能等；

（6）根據加工過程中零件流轉的先后順序和時間長短，繪制零件加工自動生產線的循環周期表；

（7）對出現的幾種總體布置方案進行工藝性和經濟性分析，選擇占地面積最少、工藝性能最好、制造成本最低的總體布置方案；

（8）對方案圖做進一步細化和完善，使設計文件更加符合工廠實際生產的要求。

結語

隨著我國國內企業用人成本的不斷增加，機器人自動生產線在加工制造業中的優勢日益顯現出來，被越來越多的企業所接受并采用，生產線以其獨特的優勢必將在我國制造領域逐步替代傳統加工模式，開拓現代加工制造業的創新模式。研究自動生產線的工藝流程和特性、總體設計時的相關因素和要點，對自動生產線總體布局的確定、優化結構的設計、機器人形式的選擇、工作節拍的計算、最大限度發揮自動生產線的優勢，具有重要的現實指導意義。

參考文獻

[1]黃雪梅， 趙明揚. 基于集成的機器人生產線數字化制造環境[J]. 計算機工程， 2003（13）.

[2]楊書評，宮迎輝，王海丹，王思斯.機器人自動化及生產線關鍵標準研究[J].制造業自動化，2010.endprint

“停止按鈕”用于生產線的停止運行。

“復位按鈕”用于生產線故障時復位至初始狀態。

“急停按鈕”用于生產線故障時緊急停止。

主電氣控制柜是安裝電氣控制元件、用于控制生產線運行的主體電氣箱，常布置于生產線圍欄外側，便于調試和安裝。控制柜的設置應考慮以下幾點：

（1）使安裝線纜的線槽走向布置方便、合理。

（2）靠近加工設備電氣箱，減少走線槽的長度。

（3）避免大功率設備運行時所造成的信號干擾源，確保控制信號傳輸的穩定可靠。

（4）避環境陰暗、潮濕、散熱不暢的場所，以確保電氣柜正常工作所需要的環境。

（5）確保電氣柜正常維護、維修時有必要的操作空間，使維護、維修更加方便。

3.5機器人自動化生產線設計的步驟和思路

通過分析機器人自動化生產線加工零件的相關工藝參數和生產線布置的相關技術要點，對機器人自動生產線設計的步驟和思路提出以下幾點要求：

（1）充分分析加工零件的工藝性，明確加工所需的相關工藝參數；

（2）根據參數選取適合零件加工所需的各種工藝裝備，包括機床、夾具、刀具、檢測設備等；

（3）根據生產場地和零件的加工設備，選擇便于工件抓取和裝夾的機器人，設計相應合適的機械手；

（4）考慮生產線總體布置時的相關事項，通過分析明確各項技術要點，使總體設計更加清新和完整；

（5）繪制生產線總體布置方案圖，在圖上標注出物流的方向，各部分設備的相關功能等；

（6）根據加工過程中零件流轉的先后順序和時間長短，繪制零件加工自動生產線的循環周期表；

（7）對出現的幾種總體布置方案進行工藝性和經濟性分析，選擇占地面積最少、工藝性能最好、制造成本最低的總體布置方案；

（8）對方案圖做進一步細化和完善，使設計文件更加符合工廠實際生產的要求。

結語

隨著我國國內企業用人成本的不斷增加，機器人自動生產線在加工制造業中的優勢日益顯現出來，被越來越多的企業所接受并采用，生產線以其獨特的優勢必將在我國制造領域逐步替代傳統加工模式，開拓現代加工制造業的創新模式。研究自動生產線的工藝流程和特性、總體設計時的相關因素和要點，對自動生產線總體布局的確定、優化結構的設計、機器人形式的選擇、工作節拍的計算、最大限度發揮自動生產線的優勢，具有重要的現實指導意義。

參考文獻

[1]黃雪梅， 趙明揚. 基于集成的機器人生產線數字化制造環境[J]. 計算機工程， 2003（13）.

[2]楊書評，宮迎輝，王海丹，王思斯.機器人自動化及生產線關鍵標準研究[J].制造業自動化，2010.endprint

“停止按鈕”用于生產線的停止運行。

“復位按鈕”用于生產線故障時復位至初始狀態。

“急停按鈕”用于生產線故障時緊急停止。

主電氣控制柜是安裝電氣控制元件、用于控制生產線運行的主體電氣箱，常布置于生產線圍欄外側，便于調試和安裝。控制柜的設置應考慮以下幾點：

（1）使安裝線纜的線槽走向布置方便、合理。

（2）靠近加工設備電氣箱，減少走線槽的長度。

（3）避免大功率設備運行時所造成的信號干擾源，確保控制信號傳輸的穩定可靠。

（4）避環境陰暗、潮濕、散熱不暢的場所，以確保電氣柜正常工作所需要的環境。

（5）確保電氣柜正常維護、維修時有必要的操作空間，使維護、維修更加方便。

3.5機器人自動化生產線設計的步驟和思路

通過分析機器人自動化生產線加工零件的相關工藝參數和生產線布置的相關技術要點，對機器人自動生產線設計的步驟和思路提出以下幾點要求：

（1）充分分析加工零件的工藝性，明確加工所需的相關工藝參數；

（2）根據參數選取適合零件加工所需的各種工藝裝備，包括機床、夾具、刀具、檢測設備等；

（3）根據生產場地和零件的加工設備，選擇便于工件抓取和裝夾的機器人，設計相應合適的機械手；

（4）考慮生產線總體布置時的相關事項，通過分析明確各項技術要點，使總體設計更加清新和完整；

（5）繪制生產線總體布置方案圖，在圖上標注出物流的方向，各部分設備的相關功能等；

（6）根據加工過程中零件流轉的先后順序和時間長短，繪制零件加工自動生產線的循環周期表；

（7）對出現的幾種總體布置方案進行工藝性和經濟性分析，選擇占地面積最少、工藝性能最好、制造成本最低的總體布置方案；

（8）對方案圖做進一步細化和完善，使設計文件更加符合工廠實際生產的要求。

結語

隨著我國國內企業用人成本的不斷增加，機器人自動生產線在加工制造業中的優勢日益顯現出來，被越來越多的企業所接受并采用，生產線以其獨特的優勢必將在我國制造領域逐步替代傳統加工模式，開拓現代加工制造業的創新模式。研究自動生產線的工藝流程和特性、總體設計時的相關因素和要點，對自動生產線總體布局的確定、優化結構的設計、機器人形式的選擇、工作節拍的計算、最大限度發揮自動生產線的優勢，具有重要的現實指導意義。

參考文獻

[1]黃雪梅， 趙明揚. 基于集成的機器人生產線數字化制造環境[J]. 計算機工程， 2003（13）.

[2]楊書評，宮迎輝，王海丹，王思斯.機器人自動化及生產線關鍵標準研究[J].制造業自動化，2010.endprint