機床上下料的自動化改造*

甘愛芬

0 引言

隨著先進技術的普及、國家智能制造政策的推廣，企業制造系統自動化程度的不斷提高，中國從制造走向“智造”。尤其珠三角地區企業紛紛響應國家號召，推廣機器換人計劃。由于精密機床的技術發展，傳統的人工操作已經遠遠不能滿足生產需要。機器人在機床上下料方面的應用顯得尤其迫切。

C公司針對此次產線改造的產品為鋁材端蓋，見圖1，鋁片通過機床擠壓成型。改造前機床上下料采用傳統人工操作，產品擠壓成型周期約為5 s。以傳統方式進行批量化生產的瓶頸在于工人連續操作一段時間后需要休息以及工人交接班需要停止生產，總計時間4小時。如果采用工業機器人自動上下料后的自動化改造，將實現機器24小時運作無間斷，生產效率提高16.7%。本文針對實際案例分析，提出工業機器人在智能制造方面的應用，尤其在機床上下料方面應大力推廣，從而為企業節省生產成本，保障產品品質，提高生產彈性。

圖1 產品圖樣

1 自動化改造的設計要求

根據C公司提供的目前生產狀況，考慮鋁材端蓋的生產工藝以及生產車間的機床狀況，以及FANUC智能化機床上下料系統【1】應用案例分析，提出了工業機器人代替人工完成機床上下料的自動化設計方案。本次改造，主要根據自動化系統的科學定義做了以下幾項設計要求：

（1）經濟性：目前的生產車間機床數量300多臺，空間布置緊湊，改造必須考慮空間大小以及便利性，避免基建的重大改造造成不必要的經濟投入；

（2）操作簡便：整個自動化系統的操作流程須簡單，方便，節省人力，提高效率；

（3）安全可靠：整個自動化系統必須保證人員的使用安全，以及制造環境的安全[2]。

2 系統設計

2.1 系統概述

機器人在智能化機床上下料系統中的應用技術[3]，針對機器人對無夾具定位工件的自動柔性搬運應用的參考案例，提出此次系統的設計思路：運用工業機器人代替人工進行機床上下料自動化生產，如圖2所示，本方案由1臺Fanuc機器人、自動控制柜、旋轉式入料機構、雙層出料機構以及2臺機床等組成，完成產品取件、上料、下料至輸送帶，最后由人工檢驗、裝箱。

圖2 自動化改造生產線

2.2 系統流程設計

在系統軟件構造化技術[4]與基于PLC和CC-Link總線的工業機器人控制【5】的實現技術文章里，作者都充分分析與應用機器人的軟件能力，來實現多臺設備聯動的功能。在本案例中，考慮到最大化利用空間以及設備使用率，提出應用1臺機器人聯合2臺或3臺機床設備進行生產制造，可以充分利用空間和節省機器人成本。采取3臺機床同時運作的方案，由于機器人手臂尺寸以及產品成型時間太短問題，無法充分利用機器人的效益，最終選擇1臺機器人配合2臺機床進行生產，達到經濟效益最大化。

產品成型流程如下：工人間隔4個小時更換料盤一次，機器人手臂吸取鋁盤送至機床固定工裝進行定位擠壓加工；在加工過程中，機器人抓取鋁盤上的塑料紙放置在塑料紙盤后，吸取第二個鋁盤在第二臺機床進行擠壓加工。第一個鋁材端蓋加工完畢后，機器人吸取產品放置在出料皮帶上。接著第二個生產完畢，重復前面的取料動作至出料皮帶。不論原料鋁盤還是成品鋁材端蓋，每個產品間都有一張塑料紙防止刮花。所以在每次的上料和下料動作中，都有一次的塑料紙傳遞的動作進行重復利用。具體流程圖如圖3。

圖3 上下料流程圖

2.3 旋轉入料機構

孫豐[6]在其雙工位旋轉取放料機構文章中提到，特征在于機械手、定位平臺、整形平臺設置在機臺上，送料帶設置在機臺一側，包膜平臺設置在機臺另一側，雙工位吸盤設置在機械手上并隨著機械手運動而移動。根據此設計原理，在對C公司的方案設計中，如圖4所示，入料機構采用電氣控制氣缸運動，帶動齒輪齒條進行旋轉，當傳感器感應到一組料架上的鋁盤已經被取完，將自動旋轉到另一組料架，接著下一個生產動作。由于產品的尺寸不一，為了減少工裝夾具的制作，節省成本，由此設計出可調節式產品固定架。工人上料間隔時間主要根據原料每次堆放的數量來確定，即客戶批次生產量。這個時間目前設定為4 h，在這個時間段，工人可去進行其他工作任務，一人多個崗位，節省人工成本。改變以前每小時更換上料架的情況。而且固定尺寸的固定架，需要制作不同的產品模架適應不同尺寸產品需求，節省存儲空間、更換時間以及工具成本。目前僅僅通過輕松地調整固定架柱子位子就可以達到要求。而利用傳感器的功能，輕松就可實現自動傳送鋁盤的功能。一組料架用完，自動旋轉輸送下一組料架。此設計機構具有定位精準、性能穩定，可大大提高工作效率。

圖4 旋轉入料機構

2.4 手爪

為了獲得穩定、高效的工作效率，實現對薄而表面光滑的金屬制品以及紙張的抓取[7]，手爪機構設計采用具有真空吸附技術的機器人氣動手爪來搬運物料。如圖5上下料采取可手動調節裝置進行抓取，上下料手抓由3個吸盤吸料，考慮產品的結構特性圓盤，抓取位置設計在產品中心，而鋁盤端蓋中間部分已加工部分沾有潤滑油，不適合吸取動作，所以設計手抓直接抓取產品邊緣，利用三個吸盤定位?？紤]不同產品大小問題，設計手動調節機構，可以實現一個手抓同時應用在多個產品的功能，節省手抓生產費用與時間成本。

圖5 手抓

2.5 PLC對機床以及機器人監管

在整個系統設計過程中，主要考慮自動門、機床夾具以及機床通訊改造的內容。針對這些改造需要考慮實時監測、互不干擾，所以設置了實時監控模塊，采用專用監控平臺，能夠滿足生產線上設備狀態進行實時動態監控、報警、預警，并形成完整的工位生產流程圖監控。而此功能實現，主要采取PLC對機床與機器人的信號進行監控管理[8]。電氣架構示意圖如圖6，機床與機器人信號表如圖7。

圖6 電氣架構示意圖

圖7 機床、機器人信號表

3 結論

隨著勞動力成本的不斷增加，中國人口老齡化，需要企業不斷探索發展思路，除了拓展市場以外，更多地從內部的管理水平提升、生產技術更新去降低產品成本。中國智造推動著生產力的不斷進步，企業創新能力的發展，生產關系將變得更加合理。工業機器人的應用更是讓企業的生產有了更好的發展方向。機器換人，成為眾多企業生存下去的必要手段和發展趨勢。

本次對C公司鋁材端蓋制造工藝的自動化改造，充分發揮了精密機床的功能，結合工業機器人的優勢，節省人力物力，大大提高產品生產效率和生產質量，降低生產成本，保障生產安全，提高企業的產品競爭優勢。