18、机器人在工业生产中的应用与柔性制造系统解析

机器人在工业生产中的应用与柔性制造系统解析

1. 机器人在生产线的应用

在汽车零部件工厂的生产线上，一种新颖的机器人技术应用模式结合了简单的取放机器人和灵活的通用机器人。该工厂有三条不同的生产线，共使用了11个机器人单元，分别是轴端生产、转向柱装配和主轴生产。
- 轴端生产线
- 一个5轴通用机器人从传送带上拾取粗锻坯料，并将其放入多功能金属切削机床。通用机器人适合金属切削机床中复杂夹具的先进控制模式。
- 加工后的轴端由机器人卸载，并转移到简单的取放机器人。取放机器人负责车床的上下料，还将零件最终转移到通往去毛刺站和最终加工（螺纹切削和钻孔）中心的输出传送带上。
- 转向柱装配生产线
- 转向柱的生产分三个阶段。转向桅杆在一个加工中心制造，主轴在一条由机器人操作的全机械化生产线进行加工和组装。
- 机器人卸载车床，并将加工好的转向桅杆转移到专用的检查和沉头工具处。
- 主轴生产由于其复杂的工作模式、装夹困难和工作空间几何形状的要求，需要使用通用机器人。机器人的首要任务是在加工线的第一部分对车床进行上下料，第二项任务是将车削后的零件从中间站转移并装入钻孔、滚压和锯齿装置。这个站是一个三臂机器人的拾取位置，该三臂机器人同时操作另外三台机器，包括拉床、切割和校准机以及螺纹切削和组装单元。
- 汽车变速箱壳体加工
- 汽车变速箱壳体的加工通常由直列式升降搬运型自动传输机完成。由于传输机的工位数量众多，每条线多达170个，因此需要将每条线分解成较小的部分，并配备联锁机构，按需进行上下料。
- 可以使用机器人成功实现直列式升降搬运机生产线中变速箱壳体的自动上下料。一个用于完整托盘传输机生产线的单元包括八个6轴机器人，四个用于装载，四个用于卸载托盘传输机部分。装载机器人抓取零件，将其从处理系统载体上取下，并装入传输机托盘；卸载机器人则通过抓取零件、将其提升通过外部吹气柜，最后转移到处理系统载体上来卸载托盘。
- 其他零件转移应用
- 工业机器人配备双夹爪，用于在双垂直拉床中装卸钢制连杆。机器人从输入传送带上取未加工的连杆，与拉床夹具中的加工零件交换，并将加工好的零件放置在现有传送带上。六轴机器人便于以固定手方位进行笛卡尔运动转移，直线运动在将连杆的销端放置在拉床夹具的锥形定位器上（间隙为0.004英寸，即0.10毫米）时特别有用。
- 在汽车保险杠转移中，两个保险杠从其制造所在的间歇式传送带上转移到高架单轨传送带上。高架传送带与制造传送带大致按顺序停止，但每个周期的静止位置可能差异很大。使用跟踪功能来监控单轨传送带的位置，以便将保险杠正确定位在托架中。具有跟踪功能的重型机器人也用于汽车车身侧面转移应用，车身侧面从连续移动的单轨传送带上拾取，这需要机器人系统具备跟踪两条连续移动的独立生产线的能力。
- 柴油发动机零件制造
- 手动系统制造柴油发动机零件是一项枯燥且重复的工作，硬自动化成本高昂，专用自动化对于产品变更的灵活性不足。机器人被有效地用于改善柴油发动机零件的制造。例如，在凸轮从动杆生产线中，机器人将三个一组的杠杆装载到两台铣床之间，铣削后的组被卸载到转移传送带上，第二个机器人拾取杠杆组并将其装入加工转移线。在凸轮从动器壳体生产线中，机器人的基本操作是对钻孔和铣床进行上下料。
- 汽车车身质量控制
- 汽车完整车身的正确尺寸控制对于车门、引擎盖、行李箱、玻璃和装饰条的良好贴合至关重要。车身外壳的质量控制检查在挡风玻璃、车门和后窗开口内外的位置进行。四个重复性精度为±0.005英寸（±0.13毫米）、准确度为±0.010英寸（±0.25毫米）的机器人已被用于取代手动车身检查。每个机器人在不同位置安装了三个探头，以便以最少的程序步骤到达每个编程检查点。探头刀架的配置便于进行检查所需的所有物理移动。
- 手动变速器测试
- 用于手动变速器测试的机器人换挡器在计算机化的测功机测试设施中运行。与手动操作相比，特殊的机器人换挡器可以同时测试更多的汽车。机器人实际上是一系列金属支柱和气动执行器，位于驾驶员座椅和控制装置之间的地板上。安装包括一个连接到离合器踏板的执行器和两个用于左右和前后换挡的执行器。

2. 机器人在锻造和热处理中的应用

锻造和热处理操作可能存在高温、噪音、灰尘和重负载等不良条件。在这些操作中，需要特别注意保护机器人免受热和冲击负载的影响，可能还需要对机器人的手部工具进行冷却。
- 锻造应用
- 机器人在锻造、镦锻和滚锻中的应用包括装载熔炉、锻压机、镦头机和修边压力机等操作。例如，将钢坯通过两腔模锻压力机以生产原始差速器侧齿轮；将热的（2000至2200°F）柴油发动机曲轴从锻压机输出窝转移到轴颈扭转机；将热的手动工具组件盘从冲击锻造系统转移到热修边压力机；对铝闭式模锻压力机进行装载、卸载和润滑；精密锻造喷气发动机翼型；将耙盘从托盘装入奥氏体成型线的加热炉。
- 塑料成型应用
- 涉及机器人的塑料成型操作包括注塑成型、结构泡沫成型和压缩成型。当机器人配备适当的手部工具时，它们可以在一次操作中对多腔模具进行上下料，还可以进入对人类操作员危险的大型机器内部。机器人在塑料成型操作中执行的典型功能包括装载嵌件和压缩成型料、卸载注塑机、对成型件进行码垛和包装以及在从机器中取出成型件时进行修边。
- 压铸应用
- 机器人在压铸中的主要应用是卸载压铸机以及处理铸件和废料。机器人可以执行的任务包括从机器中取出铸件并将其放置在传送带上或容器中；卸载铸件、淬火并将其放入修边压力机；修剪后处理浇口和流道；将嵌件装入模具。
- 熔模铸造应用
- 在熔模铸造过程中，机器人用于制造壳模，以小心且一致地处理壳模。应用包括为从舷外发动机到雪地摩托等休闲产品制造陶瓷壳模；机械浸渍并转移到传送带；为机载和陆基燃气涡轮发动机中使用的叶片、叶片和一些结构部件制造陶瓷模具。
- 铸造厂应用
- 机器人在铸造厂操作中有多种应用，如卸载制芯机、通过捣碎操作处理芯子并将芯子放入模具、干燥和通风模具、在浇注线上夹紧和松开模具、将热铸件从成型线转移到落砂机、从铸件上移除浇口、冒口、流道和飞边。
- 其他材料处理和机器装载应用
- 还包括将空调压缩机壳体装入多个卧式车床；将连杆轴承盖装入大型卧式拉床；从制造弹性橡胶部件的注塑机中卸载大型零件；在加工中心用差速器壳铸件对自动卡盘机和拉床进行上下料；在锥形塞式阀门塞子的制造中装载研磨机；对汽车平板窗玻璃的自动玻璃边缘研磨机进行上下料；对热处理炉进行上下料；在临床温度计的制造中将温度计盒装入离心机和热水浴。

3. 柔性制造系统概述

柔性制造系统是一种生产设施，基本上由一组用于执行多种不同任务的工作站组成。各种工件在计算机控制下自动从一台机器传输到另一台机器，唯一的人工干预发生在位于柔性制造系统入口的装卸站。
- 系统目标
- 该系统的目标是实现传统或独立机械的灵活性，并保持专用传输线的较高生产率。专用机械用于生产至少10,000个相同的零件，而传统的独立机械在牺牲灵活性和适应性的情况下，生产水平非常低。
- 灵活性特征
- 混合灵活性 ：同时处理属于同一家族的不同零件的混合。
- 零件灵活性 ：随着时间的推移，可以在混合中添加和移除零件。
- 路由灵活性 ：机器的动态分配，如果制造零件所使用的机器出现故障，零件可以在系统中重新路由。
- 设计变更灵活性 ：快速实施特定零件的工程设计变更。

理想情况下，柔性制造系统应具备所有这些特性，但实际上，成本因素限制了制造系统的灵活性。柔性制造系统将许多单独的自动化概念整合到一个单一的生产系统中，包括机床的数控和计算机数控（CNC）、直接数控（DNC）、自动材料处理机和成组技术原理。

4. 直接数控系统

直接数控意味着将一组数控机器连接到一个公共存储器，用于存储零件程序或机器程序，并具备按需向机器分配数据的功能。DNC和柔性制造系统（FMS）之间没有明确的区别，一些作者将这两个术语互换使用，而另一些作者则用DNC来描述中央计算机仅向NC机器提供零件程序的系统。
- 三种类型的DNC系统
- 独立控制DNC ：由控制计算机独立运行多个机床。
- 串联型DNC ：用于形状和加工过程相似的零件。一系列NC机床根据加工过程串联排列，并通过自动传送带连接。该系统可能还具有自动上下料装置，整个过程由计算机控制，也允许有在制品缓冲区。这种类型的DNC生产率很高，但一台机器故障可能会损坏整个系统。由于该系统类似于传输线，有时也被称为DNC线。
- 柔性型DNC ：多个NC机床和自动材料处理系统连接到控制计算机。工件放置在托盘上进行随机转移、识别，并最终按顺序定位在正确的机床上。该系统还可以使用自动存储或仓储设施以及自动工具和夹具交换，通常被称为柔性制造系统。

5. 柔性制造系统的要素

柔性制造系统的主要设备可分为三大类：
| 类别 | 说明 |
| ---- | ---- |
| 计算机硬件 | 执行多种功能，如单个机器的计算机控制（CMC）、FMS中所有机器的直接数控（DNC）、系统内物料流的控制、刀具使用和机器利用率的监控、加工操作的调度、零件程序的处理、管理信息的生成以及系统诊断的执行。 |
| 机床 | 生产棱柱形或旋转形零件。对于棱柱形零件，可使用卧式或立式镗铣床；旋转形零件则需要使用转塔和长床身车床。机床需要具备自动换刀和换工件以及刀具磨损和破损检测等特殊功能。 |
| 材料处理系统 | 在机器或单元之间以及机器或单元层面进行物料处理。机器或单元之间的材料处理系统主要有随机访问和可寻址交付两种类型。 |

以下是材料处理系统两种类型的详细说明：
- 随机访问系统 ：一个带有零件的托盘在闭环中循环，当到达所需的机床时，从环中拉出。最常用的是滚轮传送带进行随机访问物料处理，另一种可使用的系统是两个推车，地板下连续移动的链条通过地板上的开口拖曳一个载有托盘的手推车，在所需的站点，断开与链条的连接以卸载零件，重新连接后，手推车继续移动。
- 可寻址交付系统 ：系统计算机完全控制可沿轨道向任何方向移动的推车。可寻址交付系统可以在一个推车上处理多个托盘，并且推车的移动可以连锁以实现最小的时间延迟，这些特性使可寻址系统在将零件从一个站点运输到另一个站点时更加灵活。

6. 柔性制造系统的设计要求与功能

• 设计要求
  • 随机、独立测量 ：在FMS的工作站之间对托盘化工件进行随机、独立的测量，这要求托盘进行编码，并在各个工作站配备相关的解码器开关以识别托盘。
  • 临时存储 ：工件的临时存储或缓冲，可以通过使用中央托盘库或单个单元库来实现。
  • 方便上下料 ：便于工件的装卸。
  • 与计算机控制兼容 ：与计算机控制兼容。
• 不同类型的功能
  • 柔性加工综合体 ：包括加工（车削、磨削、齿轮切削、激光处理和自适应控制）、物料处理（直接和间接物料处理）和辅助功能（故障检测诊断、精度补偿、切屑控制、主轴冷却）。
  • 柔性装配 ：包括装配（螺纹紧固、压制和插入、夹持和复杂控制）、缓冲（零件、夹具和固定装置的堆叠器）和辅助功能（零件更换、检查、夹具和固定装置更换以及零件检测）。
  • 柔性产品检查综合体 ：包括检查（尺寸、形状、振动、噪音、温度）、物料处理（托盘运输）和辅助功能（准备工作和重新码垛）。

柔性制造系统还可以分为专用FMS和随机FMS两种类型。专用FMS旨在在一段时间内满足明确的制造要求，类似于串联型DNC或DNC线；随机FMS旨在以随机顺序处理更多种类的零件，与柔性型DNC密切对应。在FMS的概念中，还可以区分柔性制造单元（FMC）、柔性制造模块（FMM）和FMS。

7. 不同的制造系统布局

• 流水线设计制造系统
  • 机床根据工艺和产能要求的明确组合进行分组，目标是制造完整的零件家族。制造业中开始出现许多带有机器人的流水线系统。例如，一个典型的欧洲流水线系统由一个车削中心、一个旋转工作台平面磨床、两台转塔钻床、一个翻转站、一个零件传送带和一个机器人组成，该制造单元可制造三种不同的零件和六种尺寸。另一个实验性流水线系统由一台立式主轴CNC铣床、一台NC转塔钻床、一台卧式主轴加工中心、一台CNC车床和一个拟人机器人组成，用于确定在实现最大灵活性的同时可以达到的最高自动化水平。
• 制造单元的组件
  • 处理 ：工作站的制造和组装。
  • 物料流 ：处理和存储。
  • 人机交互 ：使用编程和操作调度。
  • 信息流 ：设置规划和过程监督。
• 功能制造布局
  • 使用根据加工过程类型确定的特定组中的机器。辛辛那提米拉克龙开发了一个独立的功能制造系统，称为CINTURN/T 3工业机器人制造单元，包括两个12英寸的通用车削中心、测量站和用于提供原材料和移除成品零件的机器人系统。在制造单元的典型周期中，机器人移动到随机排列零件的传送带上，并向传送带发送启动信号。当拾取站有零件时，限位开关通常会发出信号。机器人控制器的内部存储器识别夹爪中的零件，然后机器人移动到可用的车削中心。在该中心，控制发送适当的输入信号，以检查加工周期是否完成且门是否打开。机器人随后进入工作区域，移除成品零件并将原材料放入夹持装置。双夹爪有助于将装卸时间降至最低。机器人将加工后的主轴转移到测量站，零件在激光束路径中进行检查，激光系统立即进行必要的刀具调整，并在读数器上显示外径尺寸。激光检查后，如果零件在规定的公差范围内，可以放入料箱、码垛或放置在另一个传送带上。

8. 机器人在汽车制造中的其他应用

• 汽车车轮自动安装
  • 工业机器人用于自动安装汽车车轮。在试点系统中，机器人拾取沉重的车轮并将其运送到正确的位置，然后迅速可靠地将其螺栓固定到轮毂上。该操作需要视觉传感器来同步车辆和机器人的运动，机器人的手腕配备了车轮夹爪和多个扳手，电视摄像机检测轮毂位置和孔图案，根据相应的控制信号，机器人将车轮定位在轮毂上并拧紧螺栓。
• 汽车车轮罩点焊
  • 左右汽车车轮罩的点焊是柔性制造系统的一个例子。在相关设施中，左右汽车车轮罩从外部和内部进行焊接，这需要一个带有四个配备不同类型背电极的工作站的转盘。车轮罩夹在背电极上，通过将转盘交替向左和向右旋转90°，将其旋转到两个龙门机器人的各自工作区域。当外部控制激活适当的程序时，龙门机器人自动接近每个点，并以各自作业的最佳参数进行焊接。为了适应随机的车型混合或类型变化，只需更换背电极即可。

通过以上对机器人在工业生产各环节的应用以及柔性制造系统的详细介绍，我们可以看到机器人技术在提高生产效率、保证产品质量和实现生产灵活性方面发挥着重要作用。随着技术的不断发展，机器人在工业生产中的应用前景将更加广阔。

机器人在工业生产中的应用与柔性制造系统解析

9. 机器人应用流程总结

为了更清晰地了解机器人在不同工业生产场景中的应用，下面对常见应用的操作流程进行总结：
- 汽车零部件生产线操作流程
- 轴端生产线
1. 5轴通用机器人从传送带拾取粗锻坯料。
2. 将坯料放入多功能金属切削机床加工。
3. 通用机器人卸载加工后的轴端。
4. 轴端转移到简单取放机器人。
5. 取放机器人完成车床上下料。
6. 取放机器人将零件转移到输出传送带，送往去毛刺站和最终加工中心。
- 转向柱装配生产线
1. 转向桅杆在加工中心制造，主轴在全机械化生产线加工组装。
2. 机器人卸载车床，转移加工好的转向桅杆到检查和沉头工具处。
3. 通用机器人对主轴生产线车床上下料。
4. 通用机器人将车削后的零件转移到钻孔、滚压和锯齿装置。
5. 三臂机器人在相应站点操作拉床、切割和校准机以及螺纹切削和组装单元。
- 汽车变速箱壳体加工流程
1. 分解生产线为小部分，配备联锁机构。
2. 装载机器人抓取零件，从处理系统载体取下，装入传输机托盘。
3. 卸载机器人抓取零件，提升通过外部吹气柜，转移到处理系统载体。
- 其他零件转移操作流程
- 钢制连杆装卸
1. 工业机器人用双夹爪从输入传送带取未加工连杆。
2. 与拉床夹具中加工零件交换。
3. 将加工好的零件放置在现有传送带上。
- 汽车保险杠转移
1. 从间歇式传送带转移保险杠到高架单轨传送带。
2. 利用跟踪功能监控单轨传送带位置，定位保险杠。
- 汽车车身侧面转移
1. 机器人从连续移动的单轨传送带上拾取车身侧面。
2. 具备跟踪两条连续移动独立生产线的能力。
- 柴油发动机零件制造流程
- 凸轮从动杆生产线
1. 机器人将三个一组的杠杆装载到两台铣床之间。
2. 铣削后的组卸载到转移传送带。
3. 第二个机器人拾取杠杆组，装入加工转移线。
- 凸轮从动器壳体生产线
1. 机器人对钻孔和铣床进行上下料。
- 汽车车身质量控制流程
1. 四个机器人用安装在不同位置的三个探头到达编程检查点。
2. 探头刀架完成检查所需物理移动。
3. 激光系统进行检查，调整刀具，显示外径尺寸。
4. 判断零件是否在规定公差范围内，进行相应处理。
- 手动变速器测试流程
1. 机器人在计算机化测功机测试设施中运行。
2. 金属支柱和气动执行器通过连接离合器踏板和换挡装置进行换挡操作。

10. 柔性制造系统的优势与挑战

• 优势
  • 提高生产效率 ：通过自动化的物料处理和加工过程，减少人工操作时间，实现连续生产，提高单位时间的产量。例如，在流水线设计制造系统中，机器人可以快速准确地完成零件的加工和转移，提高整体生产速度。
  • 保证产品质量 ：机器人具有高精度和重复性，能够按照预设的程序和参数进行操作，减少人为因素对产品质量的影响。如汽车车身质量控制中，机器人的高精度检测可以确保车身尺寸符合要求。
  • 增强生产灵活性 ：柔性制造系统可以根据不同的生产需求快速调整生产流程和加工参数，适应产品的多样化和变化。例如，随机FMS可以处理更多种类的零件，满足市场的不同需求。
  • 降低人工成本 ：减少了对大量人工劳动力的依赖，降低了人力成本和管理难度。同时，也减少了人工操作带来的安全风险。
• 挑战
  • 高成本投入 ：柔性制造系统的建设需要大量的资金投入，包括购买先进的机床、机器人、自动化设备以及建设计算机控制系统等。例如，一个完整的柔性制造单元可能需要数百万甚至上千万元的投资。
  • 技术复杂性 ：涉及到多种先进技术的集成，如数控技术、机器人技术、自动控制技术等，对企业的技术水平和员工的技能要求较高。企业需要培养或招聘专业的技术人才来维护和操作这些系统。
  • 系统维护困难 ：由于系统的复杂性，一旦出现故障，排查和修复问题的难度较大，可能会导致生产停滞。需要建立完善的维护体系和应急预案，以确保系统的稳定运行。
  • 成本对灵活性的限制 ：理想的柔性制造系统应具备多种灵活性特性，但实际中成本因素会限制系统的灵活性。企业需要在成本和灵活性之间进行权衡，选择适合自身发展的方案。

11. 未来发展趋势

• 智能化发展 ：随着人工智能技术的不断发展，机器人将具备更强的自主学习和决策能力。它们可以根据生产过程中的实时数据进行分析和判断，自动调整操作参数，提高生产效率和产品质量。例如，机器人可以通过机器学习算法优化加工路径，减少加工时间和能源消耗。
• 协作机器人的广泛应用 ：协作机器人能够与人类操作员在同一工作空间内安全协作，共同完成生产任务。它们可以承担一些重复性、危险性较高的工作，减轻人类的劳动强度。未来，协作机器人将在更多的生产场景中得到应用，实现人机协作的高效生产。
• 集成化程度提高 ：柔性制造系统将更加注重各个子系统之间的集成和协同工作。不同类型的机床、机器人、物料处理设备等将实现无缝连接，形成一个更加高效、智能的生产整体。例如，通过工业互联网技术，实现设备之间的实时通信和数据共享，提高生产的协同性和整体效率。
• 绿色制造理念的融入 ：未来的工业生产将更加注重环保和可持续发展。机器人和柔性制造系统将采用更加节能、环保的技术和材料，减少能源消耗和废弃物排放。例如，优化机器人的运动轨迹，降低能源损耗；采用可回收材料制造设备和零件，减少对环境的影响。

12. 总结与展望

机器人在工业生产中的应用以及柔性制造系统的发展，为现代制造业带来了巨大的变革。从汽车零部件生产到铸造、热处理等多个领域，机器人的应用提高了生产效率、保证了产品质量、增强了生产灵活性。柔性制造系统则将各种自动化技术集成在一起，实现了生产的智能化和高效化。

然而，我们也面临着一些挑战，如高成本投入、技术复杂性和系统维护困难等。但随着技术的不断进步和成本的逐渐降低，这些问题将逐步得到解决。未来，机器人和柔性制造系统将朝着智能化、协作化、集成化和绿色化的方向发展，为制造业的转型升级提供更强大的支持。

企业应积极关注这些发展趋势，加大对机器人技术和柔性制造系统的研发和应用投入，培养专业的技术人才，以提高自身的核心竞争力。同时，政府和社会也应提供相应的政策支持和技术服务，促进机器人和柔性制造系统在工业生产中的广泛应用，推动制造业向高端化、智能化、绿色化方向发展。

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以上流程图展示了机器人在工业生产中的主要应用领域和柔性制造系统的相关组成部分，直观地呈现了整个工业生产中机器人应用和柔性制造系统的结构和关系。通过对这些内容的深入了解，我们可以更好地把握工业生产的发展趋势，为企业的生产决策和技术创新提供参考。