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制造业的“智慧”,机械加工自动化是如何实现的,还存在哪些难点?

时间:2022-08-30

来源:维科网

导语:在工业机器人的构成中,涉及了多种类型的部件,其中不乏一些核心零部件,为了确保工业机器人的正常运行,必须提高对核心零部件的重视程度。

  机械加工由加工设备对金属毛坯件通过材料去除的方式,达到图样要求。目前,金属零件的机械加工多以金属切削的方式来实现,人为因素可导致零件的加工效率低、精度一致性差等。

  随着机器人技术的不断发展,以及人口红利的降低,基于机器人的自动化加工单元、自动化加工生产线已越来越多被采用。不仅局限于较成熟的汽车缸体缸盖行业,目前在各个行业领域零件的加工都朝着自动化的加工方向发展,包括航空航天结构件、汽车发动机零部件目前都已经实现了自动化加工。

  一、机械加工机床上下料的自动化实现方式

  机械加工机床上下料的自动化实现方式主要有桁架机械手和关节机器人这两种方式。今天来看一下关节机器人的特点。

  关节机器人——用于机械加工机床上下料的关节机器人采用的轴数一般为6轴,重复定位精度为±0.06mm,常用的负载重量在10-50kg。

  机床上下料机器人一般分为一对一、一对二(机床面对面摆放)、一对三(机床摆成品字形),如果想要1台关节机器人对多台机床上下料,需要加上地面轨道,可实现1台关节机器人对多台机床自动上下料。

  关节机器人的优点:

  关节机器人最大的优点就是灵活性强,不受机床结构的限制,能适用很多机床。可应用的范围广泛,除了用在机床上下料,关节机器人还可应用于打磨、抛光、焊接、装配、搬运码垛等领域。

  关节机器人的缺点:

  相对于桁架机械手而言,关节机器人占用的场地空间较大,它的臂展(工作范围)有限,一台机器想要工作范围加大的话必须加装它的行走轴,所以关节机器人的价格较高。

  二、机器人机加自动线的特征及组成

  基于机器人的机加自动线是集加工设备自动化、工件上下料自动化、工件定位夹紧自动化、工件输送自动化、排屑自动化、自动线连锁保护自动化、工件与刀具自动检测及自动控制等于一身的自动化生产系统,具有良好的柔性,生产精度和效率较高,大大降低操作者劳动强度,易于实现批量生产。其典型特征是将加工设备按照既定的工艺路线依次排列,用机器人及自动输送装置、其它辅助装置等连接起来,使其按规定的程序进行自动工作。

  在自动线中,工件以一定的生产节拍、按照工艺顺序自动地经过各个工位,自动完成预定的加工过程,最终形成合格的产品。

  典型的机加自动线主要由机器人、加工设备、工艺装备、输送装备、辅助装备、控制系统等组成。基于工艺要求、工艺过程、生产率要求、自动化程度等因素,机加自动线的结构和复杂程度差别很大。

  (1)机器人

  加工设备的上下料装置主要由机器人或小车来完成,具体有桁架式机器人、关节型机器人、RGV与AGV小车、协作机器人等。其中,桁架式机械手与关节机器人承载量较小,承载较大的多用RGV小车来完成。可根据产线布局及工件大小,进行工件输送设备和机床上下料装置选择。

  (2)加工设备

  主要为数控机床,多具有封闭的加工区域,含有自动上下料门,具备自动交换刀具功能,自动排屑功能,有的还带有机内刀具测量、工件检测系统。数控机床的选择主要根据被加工零件的尺寸、加工精度和生产类型等来进行,同时也要兼顾加工效率和加工稳定性,主要为立式加工中心、卧式加工中心、数控车床等。通常大批量生产选用组合机床,生产批量不大而品种繁多应选柔性加工系统。

  (3)工艺装备

  主要包括夹具系统、刀具系统、量具、辅具。其中,夹具完成对工件的装夹及转运,保证工件在每次加工中固定稳定可靠。每次交换能够准确无误完成工件的定位及紧固,夹具有固定在工位上的,也有随工件一起运行的随行夹具。

  而刀具作为机加材料的去除工具,要保证刀具性能可靠。生产线所用的刀具种类规格较多,还要保证能自动交换,这就要求每台加工设备具备自动交换刀具功能,具备自己的刀库及换刀机械手。同时根据需要可以配中央刀库,通过交换装置把刀库运到所需的设备上。为了掌握刀库的使用情况,可配备RFID功能,掌握每把刀具的使用寿命等情况。同时机床内还可安装对刀仪,对刀具的磨损、刀长、刀径、断刀等进行在线检测。

  (4)输送装备

  主要包括工件输送装置、储料装置(料库)等。工件输送装置负责工件在不同机加设备之间运转,多为链式、带式传送机构。储料装置也可称为料库,主要用来存储工件,包括毛坯、半成品与成品,有单一线形、矩阵式立体库、环岛式等型式。可依据工件大小、加工频率、场地面积等进行合理的料库选择。

  (5)辅助装备

  主要包括清洗装置、排屑装置等。针对机加自动线的持续高效加工,要保证将切屑及时顺利清除出工作区,尤其是夹具定位面的切屑,如清除不干净就会导致定位不准或损伤工件,最终导致零件加工不合格。因此,加工设备通常配置主轴中心出水、主轴环喷、顶棚喷淋等装置,大力冲刷工件及夹具表面,保证工件准确定位及装夹。

  每台加工设备通常具有自己的排屑系统,而每台设备的切屑统一排入产线的接屑系统中集中处理,即集中排屑,集中排屑后可对积屑进行压块处理。

  (6)控制系统

  自动化生产线的控制系统就像大脑一样,控制整个产线协同生产,对下位机的加工设备、输送设备、辅助装置等进行控制,实行统一调度管理,保证生产线按节拍有序进行。

  智能的机加自动线主要包括数据层、物理层和人机交互平台。数据层主要负责数据的传输和分析,物理层与设备之间的数据交换主要依靠现场总线来完成。物理层通常包括控制站、操作站和现场控制层,主要负责数据的收集和遥感。人机交互平台使人与设备完美结合,保证产线准确、高效地完成既定加工。

  三、机器人技术在机械加工应用中存在的难点

  在我国工业产业飞速发展的背景下,机器人技术在机械加工中的应用也将越来越广泛。为了将其优势最大限度发挥出来,技术人员必须对现阶段机器人技术在机械加工应用中存在的问题做到全面了解与掌握,并在此基础上根据相关需求做好优化与完善工作。

  (一)工业机器人核心零部件是关键

  在工业机器人的构成中,涉及了多种类型的部件,其中不乏一些核心零部件,为了确保工业机器人的正常运行,必须提高对核心零部件的重视程度。一般来说,这些零部件主要包括高精度减速器、控制器、伺服电动机和驱动器。每一类零部件对工业机器人的性能指标都有起着关键作用。就我国目前工业机器人的各项核心零部件来看,大多依赖进口产品,尤其是高精密减速器方面的差距,也正是这一原因,从而导致我国国产工业机器人较之国外相比,仍有很大差异。除此原因外,创新能力不足、系统研发力度不够也是制约我国工业机器人长足发展的两个重要因素。

  (二)信息交换问题

  作为自动化加工系统,工业机器人并不是独立存在的,而是需要计算机硬件和软件来作为支撑,辅助机器人完成各项操作任务,同时也需要特定的管理系统对其进行管理和完善。这样一来,机器人之间、机器人与计算机之间、加工系统与管理系统之间,就必须要建立起密切的联系,但由于机器人运行有其各自特定的品牌语言,机器人生产厂家繁多,编程语言也是五花八门。这样一来,必然会导致机器人之间与计算机之间的沟通障碍,因此,如何像计算机语言一样规范化是世界各国机器人生产厂商需要解决的难点之一。

  (三)刚度和精度问题

  传统机器人手臂常常细长且为悬臂梁结构,这就大大降低了机器人的整体刚性,尤其是承载垂直于手臂载荷的能力很差。机器人在进行大型零件的加工上就显得困难重重。由于串联机器人刚度的限制,机器人的加工对象只限于软材质材料。此外,机器人的精度也不能满足复杂零件机械加工精度的要求。例如,机器人关节中常用的多自由度铰链自身的精度就是影响整个机器人精度的因素之一。机器人自身刚度和机器人精度是加工机器人面临的主要问题。

  占地大、造价高,同时还要保证高精度,对机床加工技术的要求越来越高。而且工件上下机床过程复杂,导致加工周期长。而使用混联加工机器人可以实现原位加工,工件不动,机器人可以灵活“游走”,还能多机同时进行操作,大大提高了生产效率。同时混联加工机器人还可以与测量、传感技术集成,真正体现了制造业的“智慧”。

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