機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線的工藝分析與總體設(shè)計(jì)

1、機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線的工藝分析與總體設(shè)計(jì)朱金權(quán)無錫貝斯特精機(jī)股份有限公司摘要對機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)時(shí)加工零件的工藝流程分析、生產(chǎn)節(jié)拍計(jì)算、機(jī)器人形式的確定等相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，在分析了自動(dòng)化生產(chǎn)線的有關(guān)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(shè)計(jì)時(shí)的相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)后，提出了機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的步驟和設(shè)計(jì)思路，為機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線在現(xiàn)代工業(yè)制造領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用提供技術(shù)支持。關(guān)鍵詞機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線工藝分析總體設(shè)計(jì)生產(chǎn)節(jié)拍中圖分類號(hào)：TP278文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A31 .概述：在機(jī)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

2、相關(guān)。傳統(tǒng)由人工、單機(jī)手動(dòng)生產(chǎn)零件的加工方式已越來越不適合現(xiàn)代企業(yè)加工的需要，為減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)成本，采用機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線加工零件的生產(chǎn)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(jī)器人生產(chǎn)線的規(guī)?；?、批量化、高效化、自動(dòng)化的現(xiàn)代制造業(yè)新時(shí)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(jī)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(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)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(jì)自動(dòng)化生產(chǎn)線

3、之前，設(shè)計(jì)人員必須對加工加工零件的工件材料、加工內(nèi)容、加工精度、加工質(zhì)量等進(jìn)行詳細(xì)的工藝分析，制定詳細(xì)的零件加工工藝線路，編寫零件加工那過程工藝卡片，明確零件加工時(shí)的定位面、夾緊點(diǎn)，制定有效的加工切削參數(shù)，包括切削速度、進(jìn)給量和切削深度。考慮零件加工時(shí)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(shí)需要的清洗、儲(chǔ)存、翻轉(zhuǎn)、搬運(yùn)等中間工位，考慮零件流轉(zhuǎn)過程中所需的零件輸送平面、輸送方式，零件輸送過程中的導(dǎo)向定位、信號(hào)檢測，考慮機(jī)械手抓取工件時(shí)的定位、夾緊、松開、檢測等，這些工藝參數(shù)的確定，對設(shè)計(jì)自動(dòng)化生產(chǎn)線具有非常重要的作用。2.2. 生產(chǎn)節(jié)拍的計(jì)算節(jié)拍是指連續(xù)完成相同的兩

4、個(gè)產(chǎn)品（或兩次服務(wù)，或兩批產(chǎn)品）之間的間隔時(shí)間。即指完成一個(gè)產(chǎn)品所需的平均時(shí)間。2.2.1, 系統(tǒng)理論節(jié)拍計(jì)算計(jì)算公式：效公式中：R-節(jié)拍（單位：秒/件），它是滿足系統(tǒng)工作所需的理論時(shí)間節(jié)拍。Q-計(jì)劃期內(nèi)所制造的產(chǎn)品的產(chǎn)量（單位：件）除計(jì)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(jì)劃期有效工作時(shí)間（單位：秒）。i-時(shí)間利用系數(shù)，計(jì)劃期制度工作時(shí)間內(nèi)設(shè)備的實(shí)際開動(dòng)時(shí)間；T效=計(jì)劃期制度工作時(shí)間TX時(shí)間利用系數(shù)i;2.2.2, 所需設(shè)備計(jì)算：計(jì)算公式：S-公式中：Tj-單臺(tái)設(shè)備完成單個(gè)零件所需的實(shí)際工作時(shí)間（單位：秒）；R-節(jié)拍（單位：秒/件）。計(jì)算結(jié)果一般為小數(shù)，實(shí)際

5、使用設(shè)備臺(tái)數(shù)S需將計(jì)算結(jié)果元整。2.2.3, 桁架式機(jī)器人上下料時(shí)間計(jì)算：1）初始條件：機(jī)器人勻速運(yùn)行距離S:（單位：米）機(jī)器人啟動(dòng)加速運(yùn)行距離S:（單位：米）機(jī)器人停止減速運(yùn)行距離S2:（單位：米）機(jī)器人啟動(dòng)、停止的加速度a：（單位：米/秒2）機(jī)器人勻速運(yùn)行速度v：（單位：米/秒）機(jī)器人運(yùn)行的所有距離S=S+S+S22）計(jì)算公式：機(jī)器人啟動(dòng)加速度時(shí)間t1=（單位：秒）機(jī)器人停止減速度時(shí)間t2=（單位：秒）機(jī)器人勻速度運(yùn)行時(shí)間一（單位：秒）3）機(jī)械人總運(yùn)動(dòng)時(shí)間Ti（單位：秒）4）機(jī)械手換爪時(shí)間T2：機(jī)械手上安裝的兩個(gè)夾持工件的夾爪相互轉(zhuǎn)換90°或180°所需的時(shí)間，其中一個(gè)

6、手爪從機(jī)床夾具上取出已加工完成的工件（成品），另一個(gè)將手爪上已抓取的工件（毛坯）放置到夾具上。兩個(gè)手爪轉(zhuǎn)換的時(shí)間一般?。篢2=23秒。5）機(jī)械手取料與裝料時(shí)間T3：機(jī)械手上一只手爪從機(jī)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(shí)間。一般根據(jù)所加工零件的大小取T3=24秒。6）機(jī)器人上下料的總時(shí)間T=Ti+T2+T32.2.4, 關(guān)節(jié)式機(jī)器人上下料時(shí)間計(jì)算：在自動(dòng)化生產(chǎn)線中所用到的關(guān)節(jié)機(jī)器人一般采用日本FANUO器人或德國KUKM器人，這些機(jī)器人樣本中均有相關(guān)軸的動(dòng)作范圍Ji（°）和最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度Si（7s）,根據(jù)這些參數(shù)就可以方便的計(jì)算出機(jī)

7、器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中所需的時(shí)間Ti（單位：秒）。-（i是關(guān)節(jié)機(jī)器人相應(yīng)軸號(hào)）2.3. 機(jī)器人形式的確定根據(jù)上述零件加工工藝流程分析，結(jié)合零件的加工節(jié)拍、零件上下料的時(shí)間、自動(dòng)生產(chǎn)線的平面布置區(qū)間、零件加工設(shè)備、中間工件物流所需的清洗、儲(chǔ)存、翻轉(zhuǎn)、搬運(yùn)等中間工位及自動(dòng)化生產(chǎn)線的制造成本等方面，綜合考慮采用桁架式機(jī)器人還是關(guān)節(jié)式機(jī)器人。選擇桁架式機(jī)器人上下料的條件如下：1）加工設(shè)備具有自動(dòng)開關(guān)門且工作臺(tái)上部具有開闊的上料空間；2）加工設(shè)備具有自動(dòng)開關(guān)門且設(shè)備工作臺(tái)沿某一直線布置；3）加工設(shè)備工作臺(tái)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；4）加工設(shè)備具有自動(dòng)開關(guān)門且設(shè)備工作臺(tái)

8、沿直線在某一區(qū)域內(nèi)有規(guī)則布置；除上述情況外，加工設(shè)備在工作臺(tái)上方?jīng)]有有效的上料空間，如：立式加工中心、數(shù)控立車等只能采用關(guān)節(jié)式機(jī)器人從加工設(shè)備正面前門上下料。3 .總體設(shè)計(jì)3.1. 總體設(shè)備布置形式及組成：自動(dòng)生產(chǎn)線的布置形式是生產(chǎn)線設(shè)計(jì)時(shí)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(hù)的實(shí)施、中間過程的儲(chǔ)料、機(jī)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，通過綜合分析上述項(xiàng)目，設(shè)計(jì)出符合加工工藝要求的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的生產(chǎn)線總體方案圖，設(shè)計(jì)時(shí)需綜合多種因素、通盤考慮、兼顧全局，不斷改進(jìn)、逐步優(yōu)化，最大限

9、度的發(fā)揮生產(chǎn)線各組成部分的功能，使生產(chǎn)線達(dá)到實(shí)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(jià)比自動(dòng)化生產(chǎn)線，從而為企業(yè)提供最佳的自動(dòng)化生產(chǎn)線解決方案。自動(dòng)生產(chǎn)線按使用的機(jī)器人的不同分為：關(guān)節(jié)式機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線，如圖1所示及桁架式機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線，如圖2所示。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(diǎn)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：是給自動(dòng)生產(chǎn)線提供毛坯坯料的自動(dòng)輸送設(shè)備，它是生產(chǎn)線加工產(chǎn)品的輸入設(shè)備，常采用皮帶輸送、自動(dòng)輻道輸送、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(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工件

10、的準(zhǔn)確、可靠的傳輸。2）機(jī)器人系統(tǒng)：是自動(dòng)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(jī)構(gòu)，包括機(jī)器人本體、機(jī)械手、機(jī)器人控制系統(tǒng)。具有運(yùn)行速度快、定位精度高、回轉(zhuǎn)自由度多的特點(diǎn)。是集檢測、定位、夾緊、回轉(zhuǎn)、松開、移動(dòng)于一體的智能化設(shè)備。3）各工序加工設(shè)備：是實(shí)現(xiàn)零件加工的數(shù)控加中心或數(shù)控專用設(shè)備（數(shù)控車床或數(shù)控磨床等），是零件加工的主體設(shè)備。設(shè)備由獨(dú)立的數(shù)控系統(tǒng)控制，具備自動(dòng)開關(guān)門，自動(dòng)換刀、自動(dòng)對刀、自動(dòng)切削、自動(dòng)排屑，甚至自動(dòng)在線檢測等功能，能將零件按CNO序的要求加工至符合工藝尺寸和精度要求，是現(xiàn)代制造業(yè)中，不可缺少的自動(dòng)化加工設(shè)備。4）專用設(shè)備：是自動(dòng)生產(chǎn)線中用于完成某一

11、特定功能、由設(shè)計(jì)人員專門設(shè)計(jì)的自動(dòng)化專用設(shè)備。是自動(dòng)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(tái)、滿足工藝要求的工裝裝配或拆卸工作臺(tái)、零件加工過程中的尺寸精度檢測工作臺(tái)、重要零件氣密性檢測工作臺(tái)、零件輸送過程中的儲(chǔ)料工作臺(tái)、零件流轉(zhuǎn)過程中的清洗清潔工作臺(tái)、零件檢測完成后合格品及不合格品的自動(dòng)分流工作臺(tái)等。5）下料設(shè)備：是自動(dòng)生產(chǎn)線中將加工完成的成品零件自動(dòng)輸送出加工區(qū)域的專用設(shè)備，是生產(chǎn)線加工產(chǎn)品的輸出設(shè)備，常采用皮帶輸送、自動(dòng)輻道輸送、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、錯(cuò)位報(bào)警、防撞防碰、廢液收集等機(jī)構(gòu)，以保證工件

12、完好無損、準(zhǔn)確可靠的輸出。6）圍欄及外圍設(shè)備：是自動(dòng)生產(chǎn)線中將加工區(qū)域與外圍環(huán)境隔開的安全保護(hù)圍欄及安全保護(hù)控制設(shè)備。包括安全圍欄、安全門、安全光柵、安全門鎖、踏腳板等相關(guān)輔助設(shè)備。安全光柵、安全門鎖等安全保護(hù)裝置的信號(hào)與生產(chǎn)線系統(tǒng)控制部分相串聯(lián)。在機(jī)器人工作時(shí)，只要任何一處安全裝置的信號(hào)發(fā)生變化，機(jī)器人和整個(gè)生產(chǎn)線就會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行，并發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，從而確保操作人員和加工設(shè)備的絕對安全，及時(shí)提醒維護(hù)人員排除設(shè)備故障。7）線路布置及走向：是自動(dòng)生產(chǎn)線中各相關(guān)設(shè)備的動(dòng)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、

13、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(shí)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：自動(dòng)生產(chǎn)線中物料流動(dòng)方向的確定對整個(gè)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)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(shí)間、節(jié)省加工節(jié)拍、提高生產(chǎn)效率。確定物流輸送方向時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：、1）物流輸送方向一般與零件加工的工藝流程一致，并使物料在流轉(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）物料流向需

14、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(jìn)出，使設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線滿足現(xiàn)有生產(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(shí)間的長短，使物料在各工序間輸送時(shí)能平衡各工序加工時(shí)間的差異，盡量使各工序間物料輸送及加工的時(shí)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(shí)間小于工件在該工序的機(jī)械加工時(shí)間，從而使物料輸送所占用的時(shí)間不影響機(jī)械加工的時(shí)間。5）物流輸送方向應(yīng)考慮物料輸送過程中機(jī)械手能方便的在各加工設(shè)備上取放工件，使機(jī)械手在取放工件時(shí)能更好的適應(yīng)工件的姿態(tài)，避開物料輸送時(shí)機(jī)械手過多的移動(dòng)、避讓障礙物的運(yùn)動(dòng)等

15、。3.3. 確定線纜和管路布置形式：自動(dòng)生產(chǎn)線中驅(qū)動(dòng)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(jì)美感與否的關(guān)鍵，確定線纜和管路時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：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的要求，選擇合適的基本形式，使生產(chǎn)線的線纜和管路布置達(dá)到美觀、整齊的效果。2）采用空中橋架式線纜和管路布置形式的，應(yīng)使橋架式線纜和管路布置高度大于機(jī)器人手爪抓取工件時(shí)運(yùn)行的最大高度，以防止手爪抓取工件運(yùn)行時(shí)與空中橋架發(fā)生干涉。3) 采用地面線槽式線纜和管路布置形式的，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

16、碰。4) 采用地溝線槽式線纜和管路布置形式的，應(yīng)在地面開設(shè)線槽安裝溝槽，并將線槽固定于溝槽內(nèi)，溝槽深度略低于線槽高度，并用線槽蓋板封住，以防止地面油污、水汽進(jìn)入線槽。5) 生產(chǎn)線中各加工或?qū)Ｓ迷O(shè)備的線纜和管路與線槽中的線纜和管路之間的聯(lián)接應(yīng)采用快插式航空插頭或接線端子盒聯(lián)接的方式，便于設(shè)備在運(yùn)輸、安裝、調(diào)試時(shí)的拆卸和重新安裝。6) 線槽走向應(yīng)盡量考慮安裝現(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(shí)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

17、:操作箱及電氣控制柜是自動(dòng)生產(chǎn)線的自動(dòng)控制單元，是驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)線按特定按工藝流程自動(dòng)運(yùn)行的核心部件。操作箱是生產(chǎn)操作人員進(jìn)行實(shí)際操作的控制箱，一般安裝于便于操作人員右側(cè)，便于操作人員手動(dòng)操作。操作箱上通常設(shè)有生產(chǎn)線的“啟動(dòng)”、“停止”、“復(fù)位”及“急?！彼姆N按鈕?！皢?dòng)按鈕”用于生產(chǎn)線的啟動(dòng)運(yùn)行的按鈕?！巴Ｖ拱粹o”用于生產(chǎn)線的停止運(yùn)行的按鈕?！皬?fù)位按鈕”用于生產(chǎn)線出現(xiàn)故障時(shí)復(fù)位至初始狀態(tài)的按鈕。“急停按鈕”用于生產(chǎn)線出現(xiàn)故障時(shí)緊急停止時(shí)的按鈕。主電氣控制柜是安裝電氣控制元件、用于控制生產(chǎn)線自動(dòng)運(yùn)行的主體電氣箱，通常布置于生產(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(diǎn)：1) 主控制柜的設(shè)

18、置應(yīng)使安裝線纜的線槽走向布置方便、合理。2) 主控制柜位置應(yīng)盡量靠近加工設(shè)備電氣箱，以減少走線槽布置的長度。3) 主控制柜位置應(yīng)避免大功率設(shè)備運(yùn)行時(shí)所造成的信號(hào)干擾源，確?？刂菩盘?hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠。4) 主控制柜位置應(yīng)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) 主控制柜位置應(yīng)確保電氣柜正常維護(hù)、維修時(shí)有必要的操作空間，使維護(hù)、維修更加方便。3.5. 機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的步驟和思路：通過分析機(jī)器人自動(dòng)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(diǎn)，對機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的步驟和思路提出以下幾點(diǎn)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(jī)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(jī)器人，設(shè)計(jì)相應(yīng)合適的機(jī)械手。4) 考慮上述自動(dòng)化生產(chǎn)線總體布置時(shí)的相關(guān)事項(xiàng)，并通過具體分析逐項(xiàng)明確各項(xiàng)的技術(shù)要點(diǎn)，使總體設(shè)計(jì)內(nèi)容更加清新和完整；5) 根據(jù)上述內(nèi)容繪制生產(chǎn)線具體的總體布置方案圖，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(shí)間長短，繪制零件加工自動(dòng)生產(chǎn)線的循環(huán)周期表；7) 對可能出現(xiàn)的幾種總體布置方案進(jìn)行工藝性和經(jīng)濟(jì)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