機器人自動生產(chǎn)線的工藝分析與總體設(shè)計

朱金權(quán)

（無錫貝斯特精機股份有限公司，江蘇 無錫 214161）

1 概述

在機械零件加工制造業(yè)中，零件的加工質(zhì)量、加工效率和加工成本與零件的加工工藝密切相關(guān)。傳統(tǒng)由人工、單機手動加工零件的工方式已越來越不適合現(xiàn)代企業(yè)的需要，為減輕勞動強度、提高生產(chǎn)效率、降低勞動成本，采用機器人自動化生產(chǎn)線加工零件的方式，在現(xiàn)代制造業(yè)中已越來越多的得到應(yīng)用，從而最大限度的滿足加工制造業(yè)中高速度、大批量、高品質(zhì)加工零件的需要，使加工制造業(yè)走向機器人生產(chǎn)線的規(guī)?；⑴炕?、高效化、自動化的現(xiàn)代制造業(yè)新時代，它是制造業(yè)加工現(xiàn)代化發(fā)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(yè)至關(guān)重要的技術(shù)準(zhǔn)備，它是決定零件加工方法、加工質(zhì)量、加工成本的重要指導(dǎo)性文件，是自動化生產(chǎn)線設(shè)計不可缺少的工藝性文件。

2.1 加工零件工藝分析

規(guī)劃設(shè)計自動化生產(chǎn)線之前，設(shè)計人員必須對加工加工零件的材料、加工內(nèi)容、加工精度、加工質(zhì)量等進行詳細(xì)的工藝分析，制定詳細(xì)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(shù)，包括切削速度、進給量和切削深度?？紤]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(zhuǎn)時需要的清洗、儲存、翻轉(zhuǎn)、搬運等中間工位，零件流轉(zhuǎn)過程中所需的輸送平面、輸送方式，導(dǎo)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(shù)的確定，對設(shè)計自動化生產(chǎn)線具有非常重要的作用。

2.2 生產(chǎn)節(jié)拍的計算

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

（1）系統(tǒng)理論節(jié)拍計算：計算公式：

R-----節(jié)拍 （單位：秒/件），是系統(tǒng)所需的理論節(jié)拍；

Q-----計劃期內(nèi)所制造的產(chǎn)品的產(chǎn)量（單位：件），除計劃中規(guī)定的任務(wù)外,還包括不可避免的廢品；

F%-----不合格產(chǎn)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(shù)，計劃期制度工作時間內(nèi)設(shè)備的實際開動時間；

T效=計劃期制度工作時間T×?xí)r間利用系數(shù)i；

（2）所需設(shè)備計算：

Tj-----單臺設(shè)備完成單個零件所需的實際工作時間（單位：秒）；

R-----節(jié)拍 （單位：秒/件）。計算結(jié)果一般為小數(shù)，實際使用設(shè)備臺數(shù)S需將計算結(jié)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+S2

②計算公式：

機器人啟動加速度時間

機器人停止減速度時間

機器人勻速度運行時間

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(zhuǎn)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(zhuǎn)換的時間一般?。篢2= 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(jù)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(guān)節(jié)式機器人上下料時間計算：

在自動化生產(chǎn)線中所用到的關(guān)節(jié)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(guān)軸的動作范圍Ji（°）和最高轉(zhuǎn)動速度Si（°/S），根據(jù)這些參數(shù)就可以方便的計算出機器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動過程中所需的時間Ti（單位：秒）。是關(guān)節(jié)機器人相應(yīng)軸號）

2.3 機器人形式的確定

根據(jù)零件加工工藝流程分析，結(jié)合零件的加工節(jié)拍、上下料時間、生產(chǎn)線的平面布置區(qū)間、加工設(shè)備、中間工件物流所需的清洗、儲存、翻轉(zhuǎn)、搬運等工位及生產(chǎn)線的制造成本等，考慮采用桁架式機器人還是關(guān)節(jié)式機器人。選擇桁架式機器人上下料的條件如下：

（1）加工設(shè)備具有自動開關(guān)門且工作臺上部具有開闊的上料空間；

（2）加工設(shè)備工作臺沿某一直線布置；

（3）加工設(shè)備工作臺上部無固定主軸、換刀系統(tǒng)等，如數(shù)控車床、數(shù)控磨床、臥式加工中心等；

不具備上述條件的加工設(shè)備如：立式加工中心、數(shù)控立車等，在工作臺上方?jīng)]有有效的上料空間，只能采用關(guān)節(jié)式機器人從加工設(shè)備正面前門上下料。

3 總體設(shè)計

3.1 總體設(shè)備布置形式及組成

自動生產(chǎn)線的布置形式是生產(chǎn)線設(shè)計時根據(jù)加工零件的工藝要求合理布置加工設(shè)備的重要步驟，需綜合考慮零件的加工工藝、加工設(shè)備的功能、物流輸送的方式、專用設(shè)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(tài)的轉(zhuǎn)換、定位夾緊的方式、工廠占地面積等，設(shè)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(yōu)化，最大限度的發(fā)揮生產(chǎn)線各組成部分的功能，使生產(chǎn)線達到實現(xiàn)功能最多、使用設(shè)備最少、制造成本最低、占地面積最少的高性價比生產(chǎn)線，設(shè)計出符合加工工藝要求的經(jīng)濟實用的生產(chǎn)線總體方案圖，為企業(yè)提供最佳的自動化生產(chǎn)線解決方案。

自動生產(chǎn)線按使用機器人的不同分為：關(guān)節(jié)式機器人自動生產(chǎn)線及桁架式機器人自動生產(chǎn)線。兩種生產(chǎn)線根據(jù)零件加工的工藝性和加工設(shè)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(guān)部分：

（1）上料設(shè)備：是給生產(chǎn)線提供毛坯坯料的自動輸送設(shè)備，是生產(chǎn)線的輸入設(shè)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(shè)備上具有工件定位、輸送導(dǎo)向、工件停止、到位檢測等機構(gòu)，以實現(xiàn)工件的準(zhǔn)確、可靠的傳輸。

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

（3）各工序加工設(shè)備：是實現(xiàn)零件加工的數(shù)控加中心或數(shù)控專用設(shè)備，是零件加工的主體設(shè)備。由獨立的數(shù)控系統(tǒng)控制，具備自動開關(guān)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(yīng)尺寸和精度要求，是現(xiàn)代制造業(yè)中，不可缺少的自動化設(shè)備。

（4）專用設(shè)備：是生產(chǎn)線中用于完成某一特定功能、由設(shè)計人員專門設(shè)計的自動化專用設(shè)備。是自動生產(chǎn)線中不可缺少的重要組成部分，如零件流轉(zhuǎn)過程中的姿態(tài)翻轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)備：是生產(chǎn)線中將加工完成的零件自動輸送出加工區(qū)域的專用設(shè)備，是生產(chǎn)線的輸出設(shè)備，其結(jié)構(gòu)形式和功能與上料設(shè)備基本相同，以保證工件完好無損、準(zhǔn)確可靠的輸出。

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

（7）線路布置及走向：是生產(chǎn)線中相關(guān)設(shè)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(guān)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(yīng)將電纜線、控制線、氣管、油管等分開布置，橋架或線槽應(yīng)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(chǎn)線中物料流動方向的確定對整個生產(chǎn)線的設(shè)計至關(guān)重要，合理的物料流向可以充分發(fā)揮設(shè)備自身的功能、充分利用現(xiàn)有場地資源、優(yōu)化物流路徑、減少流轉(zhuǎn)時間、節(jié)省加工節(jié)拍、提高生產(chǎn)效率。確定物流輸送方向應(yīng)考慮以下幾點：

（1）物流輸送方向應(yīng)與零件加工工藝流程一致，使物料流轉(zhuǎn)過程中盡量減少換手、停頓、姿態(tài)轉(zhuǎn)換等中間環(huán)節(jié)，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(chǎn)場地的大小及分布形式，合理利用現(xiàn)有生產(chǎn)場地的物料進出，使設(shè)計的生產(chǎn)線滿足生產(chǎn)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(jié)拍更加合理。

（4）物流輸送方向應(yīng)使物料流經(jīng)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(yīng)考慮物料輸送過程中機械手能方便的在加工設(shè)備上取放工件，使機械手在取放工件時能更好的適應(yīng)工件的姿態(tài)，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(chǎn)線中驅(qū)動和控制線纜、氣路和油路的布置形式是衡量生產(chǎn)線外觀設(shè)計美感與否的關(guān)鍵，確定線纜和管路時應(yīng)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(yīng)根據(jù)設(shè)備的布置形式和加工工藝要求，選擇能使生產(chǎn)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(yīng)相關(guān)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(fā)生干涉。

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

（4）地溝線槽式線纜和管路布置形式，應(yīng)在地面開設(shè)線槽安裝溝槽，將線槽固定于溝槽內(nèi)，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(chǎn)線中設(shè)備的線纜和管路與線槽中的線纜和管路間的聯(lián)接采用快插式插頭或接線端子盒聯(lián)接的方式，便于設(shè)備的拆卸和重新安裝。

（6）線槽走向應(yīng)考慮安裝現(xiàn)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(nèi)的線纜和管路應(yīng)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(chǎn)線的自動控制單元，是驅(qū)動生產(chǎn)線按特定按工藝流程運行的核心部件。操作箱是生產(chǎn)操作人員進行實際操作的控制箱，安裝于操作人員右側(cè)，便于操作人員手動操作。操作箱上設(shè)有“啟動”、“停止”、“復(fù)位”及“急?！彼姆N按鈕。

“啟動按鈕”用于生產(chǎn)線的啟動運行。

“停止按鈕”用于生產(chǎn)線的停止運行。

“復(fù)位按鈕”用于生產(chǎn)線故障時復(fù)位至初始狀態(tài)。

“急停按鈕”用于生產(chǎn)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(chǎn)線運行的主體電氣箱，常布置于生產(chǎn)線圍欄外側(cè)，便于調(diào)試和安裝?？刂乒竦脑O(shè)置應(yīng)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(shè)備電氣箱，減少走線槽的長度。

（3）避免大功率設(shè)備運行時所造成的信號干擾源，確?？刂菩盘杺鬏?shù)姆€(wěn)定可靠。

（4）避環(huán)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(huán)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(chǎn)線設(shè)計的步驟和思路

通過分析機器人自動化生產(chǎn)線加工零件的相關(guān)工藝參數(shù)和生產(chǎn)線布置的相關(guān)技術(shù)要點，對機器人自動生產(chǎn)線設(shè)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(guān)工藝參數(shù)；

（2）根據(jù)參數(shù)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(shè)備等；

（3）根據(jù)生產(chǎn)場地和零件的加工設(shè)備，選擇便于工件抓取和裝夾的機器人，設(shè)計相應(yīng)合適的機械手；

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

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

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

（7）對出現(xiàn)的幾種總體布置方案進行工藝性和經(jīng)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(xì)化和完善，使設(shè)計文件更加符合工廠實際生產(chǎn)的要求。

結(jié)語

隨著我國國內(nèi)企業(yè)用人成本的不斷增加，機器人自動生產(chǎn)線在加工制造業(yè)中的優(yōu)勢日益顯現(xiàn)出來，被越來越多的企業(yè)所接受并采用，生產(chǎn)線以其獨特的優(yōu)勢必將在我國制造領(lǐng)域逐步替代傳統(tǒng)加工模式，開拓現(xiàn)代加工制造業(yè)的創(chuàng)新模式。研究自動生產(chǎn)線的工藝流程和特性、總體設(shè)計時的相關(guān)因素和要點，對自動生產(chǎn)線總體布局的確定、優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計、機器人形式的選擇、工作節(jié)拍的計算、最大限度發(fā)揮自動生產(chǎn)線的優(yōu)勢，具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

[1]黃雪梅, 趙明揚. 基于集成的機器人生產(chǎn)線數(shù)字化制造環(huán)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(chǎn)線關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)研究[J].制造業(yè)自動化，2010.