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AGV+協作機器人在零件數控機床加（jiā）工上下料中的應用

2020-9-30 來源：北京發那科機電有限公（gōng）司作者：郭樹伽劉羽薑彬王誌濤陳鑫

隨著我國汽車工（gōng）業的快速發展（zhǎn），數控加工製造（zào）技術正朝著（zhe）敏（mǐn）捷柔性生（shēng）產線方向（xiàng）發展。目前在西方發達工業國家，由數控車床（chuáng）、C N C加工中心和工業機器人（rén）組成的柔性（xìng）生產係統已經是主流產品。柔性生產線中采用機加工自動化進行工件上下料，簡化了數控車床加工（gōng）中心的結構，使生產線布局變得緊湊，增強了物料傳輸係統的柔性。

現（xiàn）狀概述

常見的機床自動化上下料的形式，有桁架機械手、交換托盤、物（wù）流小車以及工業機（jī）器人等。

機加工自動化的（de）主要用途是將機加工自動化上軌道上的原料（liào）工件送（sòng）到機床內（nèi），等到加工完畢再將成品（pǐn）取出，重複操作。桁（héng）架機械手的工作範圍決定（dìng）了其構成，主要由機（jī）加工自動化和定位設備組成，其中上料及下料操作定位的精密程度決定著產品的質量。

機加工自動化生產線主要實現機（jī）床製造過程的全盤自動化，並采用了集成（chéng）加工技術，適用於生產線的上下料、工件翻（fān）轉、工件轉序等。在國內的機械加工，目前很多都是使（shǐ）用專機或人工進行機床上（shàng）下料的方式，這在產品比較單一、產能不（bú）高的情況下是非常適合的。隨著社會的（de）發展、科技的進步、產品（pǐn）更新（xīn）換代加（jiā）快，使用專機或人工進行機床上下料就暴露出了很多的不足和弱點（diǎn）。首（shǒu）先，專機占地（dì）麵積大、結構複（fù）雜、維修不便，不利於自動化流水線的生產；其次，傳統上（shàng）下料方式的柔性不夠，難以適應日益加快的變化，不（bú）利於產品結構的調（diào）整；再次，使用人工會造成勞動（dòng）強度的增加，容易產生（shēng）工傷事故，效率相對低下，且使用人工上（shàng）下料（liào）的產品，其質量穩定性不足，不能滿足大批量生產的需求。

在多台數控機（jī）床組成的加工生產線上，遇（yù）到機加工節拍時間較長的加工環境，受限於當前主要的自動（dòng）化設備的（de）空間布局形式，擴展機（jī）器人（rén）的的應用範圍，對工業機器人增加了第七（qī）軸移動軸，通過地軌式或者天吊式機器（qì）人實現長產距離的移動，但仍然（rán）受限於機器人行走軌道（dào）隻（zhī）能在一條直線上。無法實現對車間（jiān）平麵布置的（de）多台數（shù）控機床實現自動化上（shàng）下料。

移動機器人移動機器人正從固定單一的模式，向靈活、可執行多重任務的方向轉變。AGV+機器人可以（yǐ）實現更高的靈活和高效自動化加工應用以往隻有（yǒu）汽車製造商和（hé）其他（tā）處理大型零部件的行業（yè）才會引進機器人，時至今日，機器人行業的許多進步成果都集中在消費品製造業、倉儲和配（pèi）送中心。

自主移動機（jī）器人“實施完全自主（zhǔ）的係統在技術上（shàng）是可行的，而且成本（běn）不會太高。全球的（de）汽車、汽車（chē）零部件、其他運輸工具、電子電器等領域都希望減（jiǎn）少材料（liào）運輸成本。”通常，小工廠所使用的機器人比大（dà）型工廠中的靈活性更高，功能也更多，並且小工廠更能受到機器人所帶來的紅利（lì）。機器人（rén）與AGV係統集成後，就能（néng）將加工材料從工（gōng）具機床和車床移動到倉儲區。FANUC協作係統機器人（rén）協同作業機器人（以（yǐ）下（xià）簡（jiǎn）稱：協（xié）作（zuò）機器人）可以與人員在同（tóng）一個空間工（gōng）作，而不（bú）像傳統的工業機器人那樣需要將（jiāng）人和機器人使用安全圍欄隔離開。如果協作（zuò）機器人與其（qí）周邊的人員或物體發生觸碰，機器人將自動停止。協作機（jī）器人具有協作性、安全性、快速學習、適應能力（lì）強和高效（xiào）等特點（見表1）

表1 協作機器人（rén）特點

FANUC Robot的（de）特點（diǎn）：

1.協同作業

無需安全柵欄，人與機器人可共享（xiǎng）某個區域進行作業，而不像傳統的工業機器人那樣需要將人和機器人使用安全圍欄隔離（lí）開。人與機器（qì）人可相互協調，毫（háo）無障礙地進行重零件的搬運、零件的裝配

等各種（zhǒng）作業。

2.安全功能（néng）

已經取得符合國際標準ISO 10218-1:2011, Category 3, PL=d的安全認證。接觸到人時，協作機器人會安全地自（zì）動停止。表麵是給人（rén）以安心（xīn）感的綠色的柔軟的罩殼，緩和衝擊力，防止人（rén）被夾住，從而保證人員不會受到傷害。

3.智能化（huà）和高可靠性

可利用（yòng）iRVision（內置視覺）等各（gè）種最新的智能化功能。采（cǎi）用與以（yǐ）往的機器人相同的高（gāo）可靠性設計，用戶可放（fàng）心使用（見（jiàn）圖1）

圖（tú）1 FANCU協助機床機器人快速啟動（dòng）的QSSR功能

隻需要使用一根網（wǎng）線即可以輕鬆（sōng）實現連接CNC與機器人（見圖2）。

圖2 CNC與（yǔ）機器（qì）人互聯

FANUC QSSR具有快速簡便設（shè）置功（gōng）能，可以實現CNC與機器人（rén）係統的快捷（jié）設定。機床與機器（qì）人可以（yǐ）通（tōng）過顯示界麵相互（hù）確（què）認對方（fāng）狀態。在CNC機床啥夠可以輕鬆實現（xiàn）機器人（rén）的示教功能。使用FANUC 數控係統的快速指（zhǐ）令代碼（M代碼），輕鬆操作機器人。

AGV+協作機（jī）器人在零件加工上下料單（dān）元中的（de）應用

1.智能製造單元組成

車床單元，車床要求（設備類型）：數控車削中心

最大車削直徑：≥200mm。

最大加工工件長度：≥150mm。

主軸最高轉速：≥5000r/min。

配置自動刀塔，刀塔容量（liàng）：≥12r/min。

配置FANUC數控係統，係統具備（bèi）局LOADER軸功能。

桁（héng）架要求，桁架動作控製由車床CNC的（de）LOADER軸功能控製。

立加單元，立式加工中心要求，設備（bèi）工作台麵距地麵高度：800～1000mm；主軸（zhóu）端麵距工作台麵最大距離：750～950mm。

刀庫容量：≥24，刀柄形式：BT40。配置C軸轉台，轉台台麵（miàn）直徑：

150mm。主（zhǔ）軸轉（zhuǎn）速（sù）：10000r/min。☆C軸轉台轉台型號：CNC-200R（β電動機），四軸聯動。

夾具要求，夾具設計需要滿足零（líng）件4個機加工麵加工，夾具（jù）以零件外型定（dìng）位和夾緊，夾具（jù）配（pèi）置氣檢（jiǎn）、定位麵清洗功能，保證工件裝夾可靠性。

2.零件加（jiā）工單元對AGV+FANUC協作機器人的主（zhǔ）要功能要求

（1）AGV底盤框架。AGV小車底盤框架設計時，要充分考慮AGV小（xiǎo）車本身自重、機械手本體及電控櫃（guì）負重與尺寸、附加逆變器與電池負重與尺寸等，外形美觀，符合人體工程學要（yào）求；在滿足功能的前提下，充分考（kǎo）慮空（kōng）間布局以方（fāng）便後（hòu）續維護，尤其是（shì）對於機械手電控櫃的布局，考慮電櫃散熱問題，機械手電控櫃門可全麵打開方便維護，機（jī）械手示教器建議外掛，方便現場調試。

（2）MES接口。本次實現AGV+協作機器人單（dān）元（yuán），支持MES係統通過無線局域網（wǎng）對（duì）AGV小車的任務（wù）管理，具體為，任務查詢：支（zhī）持MES係統對當前正在執行或（huò）排（pái）隊等待執行的任務查詢，具體為任務標識（shí）、任務（wù）詳細、任務優先級、任務執（zhí）行狀態等；任務下達：支持MES係統對（duì）AGV小車的任務下達（如特定AGV任（rèn）務、充電（diàn）任務等），同時AGV反饋任務下達標（biāo）識信息。修改或取消任務，支持（chí）當（dāng）任務尚未執行時，MES係統可實現對任務的修改或取（qǔ）消任務；匯報任務執行情況；當AGV成功完成一項任務或（huò）由於某些特殊原因導致（zhì）無法完成（chéng）某項任務時，AGV小車需向MES報告任務執（zhí）行結果；支持MES係（xì）統通過無線局（jú）域網對AGV小車的狀態信息查詢，如AGV當前站點、運行狀態（待命、運（yùn）行、停車、急停等（děng））、當前運行（háng）速度和方向、外部DI/DO狀態、當前電池（chí）電壓等。

（3）與機械手的信息交互。除了與MES係統進行通訊外，一般現場設備還需要與AGV進行物理對接，如在（zài）本（běn）項目中，要通過AGV上的機械手實現機床的上下料，這時就需要與（yǔ）機床進行信號交互，考慮到Fanuc機械（xiè）手與Fanuc CNC通訊的便利性，這裏由Fanuc機械手與FanucCNC來實現上下料過程中的（de）信號交互，但需要（yào）AGV小車支持通過現場總線或硬（yìng）件IO的方式，將當前（qián）點位（wèi）狀態等信息發送給Fanuc機械手，Fanuc機械手在獲得點位到達信號後，再實現相應（yīng）的動作需求。

（4）無線局域網通訊係統。本項目中（zhōng）AGV與MES，AGV上Fanuc機械手與Fanuc CNC均通過通訊速度高、抗幹擾性好的無線通訊方式，無線通（tōng）訊距離能夠覆蓋整個（gè）小車運行範圍。其中AGV與（yǔ）MES的通訊，可通過AGV小車本身的無線（xiàn）網卡接入到局域網；對於AGV上Fanuc機械手與Fanuc CNC的通訊，采用無線EtherNet/IP協議，考慮無線傳輸的穩定性、幹擾等因素，在（zài）AGV小車上（shàng）額外增（zēng）加無線AP，專用於Fanuc機械手與外圍設備的通訊。

（5）人機界麵。操作員可通過AGV本體上的人機界麵，實現設對AGV的網絡設置、係統參數設定、運行狀態查詢（xún）、故障查詢等。一旦AGV出現故（gù）障，操作和維護人員能夠通（tōng）過AGV的故（gù）障診（zhěn）斷係統及時準確地查找故障的原因，便於故障的排除。

（6）設備工況監控。支持對AGV的運（yùn）行狀態及任務信息等進行監控，以（yǐ）圖形化的界麵（miàn）對AGV行進路線與位置信息進行顯示（shì）；支持對（duì）任務信息曆史、AGV工作狀態日誌查詢等（děng）功能，可供專業人員（yuán）在維（wéi）修或維護時解讀。

（7）充電係統。為機器人提供可靠的充電供應，充電效率高，輸出功率大，充電狀態穩定可靠，並能通過無線（xiàn）網絡（luò）實時監控；充電接口輸（shū）出可控，非充電狀態下，充電接口處於斷（duàn）電狀態，小車自動充電時充電樁進入（rù）充電狀（zhuàng）態。無法自動充電時支持人工手動進行充電。AGV+協（xié）作機器人實現（xiàn）自動化（huà）物流搬（bān）運與上下料AGV工作循環。人工啟動加工循環→AGV+機器人單元（yuán）自動到（dào）單元料架上抓取零件，並放置到AGV暫存台上→AGV移動到車床加工單元上料口部位，機（jī）器人自動將芯軸零件放置到上料台上→AGV移動到高速立加設備前方（fāng），機器人將零件放置到設備夾具上，完成上（shàng）料動作→待立加加工結束後，機器人從設備夾具上抓（zhuā）取零件至AGV暫存台上→AGV自動移動到車床加工單元下料口部位，待芯軸零件加工完成並放置到（dào）下料（liào）口部位，機器人自動抓取芯軸，放置到AGV暫存台上→AGV返（fǎn）回（huí）單元（yuán）料架，機器人將零件放置到單元上料台上。

結語

該機器人項目將智能AGV技術與協作機器人相結合，通過在區（qū）域內的自（zì）主移動，實現貨物的智能抓取、搬運和操作。突破了常規（guī）機器人隻（zhī）能（néng）在（zài）導軌上作直線運動的限製、區域移動小車在行駛過程中存在的安全隱患、移動後再定位精度低的問題。同時，借助機械臂內置的工業相機，以及AGV小車中的電池及逆變電流器，讓AGV小車可以自由載著機械臂到達指定工位，進行產品的精密的定位和抓（zhuā）取、放置。兩（liǎng）種智（zhì）能技術互相成就，成為彼此自由的雙手雙腳，極大拓展了機械臂與AGV小車的（de）適（shì）用範圍，為零件加工機床自（zì）動化上下料的智能化打開了新的空間。

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