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隨著國民收入與GDP同步持續增長及城鎮化快速發展，居民對日用家電產品的需求日益增加，再加上市場競爭激烈，企業不斷開發新工藝、新技術、新產品來更新換代，促使家電產品向大批量、專業化、連續化、自動化生產趨勢發展。然而，目前家電企業零部件制造存在諸多問題：種類較多，但差異性小，生產計劃需周密；單次訂單批量大、交貨期短，制造裝配產線對零部件物料供應的及時性、配套性要求嚴格，實時性強；零部件生產精度高、一次合格率要求高，兼容互換，保證裝配品質一致性；五金零部件生產連續化、批量大節奏快，人均生產率高，對工人勞動力依賴性強。

鑒于上述存在的問題，家電制造業的發展急需利用電子技術改造企業的生產手段，應用機械手、自動化設備和柔性生產系統，進一步提高企業的自動化水平、應變能力，從而實現可快速變更產品品種及在同一生產線上同時生產多種產品。因此，開發一種機器人與CNC設備集成的柔性加工生產線是解決企業目前問題并推動制造業改造升級的必然趨勢。

本文以小家電的五金零部件加工裝配平面、鉆孔、攻絲、檢測生產工藝為例，對改造前人工流水作業與升級改造后采用機器人柔性加工生產進行對比分析介紹。

1 人工生產與集成機器人系統生產對比分析

1.1 生產效率的差距

人工生產作業中，每個工人只能負責1臺CNC設備生產作業；當CNC加工完成，期間人工要完成CNC機床內五金加工零件的成品拆卸與未制品安裝回夾具上固定定位。同時，人工頻繁、長時間的進入機臺內工作容易勞累。其結果占用過多的CNC設備生產時間，影響生產效率和產能。

1.2 生產成本以及質量的差距

人工生產的過程中，定期要抽檢產品尺寸公差，并操作CNC設備調整刀具的切削補償量、切削液濃度等檢測，經常會出現因為人為的原因，導致了產品的不合格，以致生產成本的提高，包括原材料的浪費等。同時，有太多的因素可以影響工人的工作效率，質量判斷標準；而應用智能檢測設備，可以自動檢測零件尺寸公差，并自動調整刀具補償量，檢測判定標準一致，保證產品加工質量。

1.3 人工成本存在的劣勢

人工生產作業中，每個工人只能負責1臺CNC設備生產作業，而且技術以及經驗是決定了產品的質量的重要因素；而集成1臺機器人可以應對3臺CNC加工設備同時進行一種或多種產品生產，并且可24小時連續作業；整套設備從人工生產需要配置4名工人/班，到自動化改造后僅需要1名工人進行產品集中收集。

其次，企業為了留住這些技術工人，不得不需要在人工成本上投入更多。如果發生流失這些技術工人的現象，則又不得不重新培養新的人員。相反，集成機器人自動化生產的運動過程就是重復循環工作，所以生產的產品質量有保證，產品數據可收集追溯、產品的穩定性強,且一次性投入，長期回報，節約了大量的人工成本。

因此，綜合家電產品企業生產的特性，設計一種機器人與CNC設備集成的智能加工生產線是很有必要的。

2 機器人集成應用解決方案

2.1 生產線整體布局

本設備為機器人與CNC設備集成的智能加工生產線，整產線由GSK-RBB15L機器人系統、CNC數控加工系統、檢測識別系統、清潔系統、倍速鏈輸送系統，以及GSK制造執行系統等設備組成；并根據用戶生產需求不同，可同時進行一種或多種產品柔性化混合生產；實現不同工藝、型號批次的產品，可以快速柔性轉換生產，提高生產效率、保證產品品質。

生產線整體布局圖如圖1所示：

圖1 生產線整體布局

2.2 GSK-RBB15L機器人+機械手夾具

（1）系統采用GSK-RB15L機器人，重復定位精度高、速度快、控制靈活、服務半徑大；適合本系統應對3臺CNC數控設備連續生產進行托盤的上下料搬運、定位作業；

（2）針對本應用工況的復雜性及特定應用環境，機械手夾具采用可自定位側銷夾緊方式設計；設計優點：一是打破傳統的靠外抱摩擦力夾緊的費力抓取機構，僅需要設計2個ACQ20小氣缸就可以抓取10kg負載的托盤工件，避免托盤表面因有切削液等影響摩擦系數降低夾緊力因素，真正做到四兩撥千斤;二是側定位銷夾緊，對機器人抓取托盤空間運動、放置進行XYZ軸向二次精確定位；三是整個夾具設計簡單、緊湊，減小機器人選型及運行負荷；四是具有斷氣、斷電自保護功能，防止機器人運行過程中意外斷氣、斷電托盤掉落。

2.3 托盤倍速鏈輸送系統

（1）專用托盤自動循環鏈,采用倍速鏈輸送設計,易于實現積放輸送,可用做零件裝配和托盤物料的儲存定位與輸送；

（2）設計有1條托盤回收線、1條零件裝配線、1條托盤自動循環線及3條托盤排隊輸出定位線；可滿足1-3種裝載不同零件的托盤同時排隊輸送、分揀，保證機器人對CNC機床的物料供給；

（3）系統對每個托盤植入RFID非接觸式自動識別功能，可以快速識別不同托盤發送數據給GSK總控制系統，系統對托盤進行輸送、排隊、分揀分配到指定CNC數控設備上料加工，以及對加工零件在線實時進行檢測、測量、數據統計等信息輸出。

2.4 清潔系統

托盤從CNC設備加工后會殘留大量的切削液和屑，必需把切削液留在機床回收循環使用，而切削屑進行集中清楚處理，保證輸送線零件清潔干凈后回收。

（1）在CNC機床內，機械手夾具上設計有高壓氣槍，利用機器人的空間作業性設定運動軌跡對加工托盤零件進行全方位清理清潔；

（2）在托盤進入倍速鏈輸送系統回收前，對托盤進行正反面，上下移動式高壓氣槍進行清理吹干，并采用低真空負壓抽吸殘留切削液和屑。

2.5 檢測測量系統

托盤清潔后通過RFID自動識別工件型號，進入檢測系統，利用激光測量相關加工數據。

（1）檢測數據與系統通信，判定零件加工尺寸是否合格，并可收集數據便于追溯；

（2）檢測數據系統分析，調整CNC機床刀補償量。

2.6 CNC數控加工系統及機床夾具

集成現代亞威400T數控加工設備，具有加工靈活、通用性強、精度高、生產效率高性能等特點，特別適合3C家電行業消費電子類的殼體，五金零部件中的小型零件加工生產。

（1）有自動交換刀具的功能，通過在刀庫安裝不同用途的刀具，可在一次裝夾中通過自動換刀裝置改變主軸上的加工刀具，實現鉆、鏜、鉸、攻螺紋、切槽等多道工序加工功能。

（2）能實現三軸聯動控制，以保證刀具進行復雜表面的加工。加工中心除具有直線插補和圓弧插補功能外，還具有各種加工固定循環、刀具半徑自動補償、刀具長度自動補償、加工過程圖形顯示、人機對話、故障自動診斷、離線編程等功能。

（3）機床專業托盤加工夾具，采用液壓夾緊、定位銷定位；具有夾持剛性強、重復定位精準及通用性可靠的特點。

2.7 GSK制造執行系統

GSK智能制造執行系統具備網絡化監視、控制、數據采集等功能。可利用GSK-LING總線實現數控機床、機器人系統、托盤輸送系統、檢測測量系統及生產輔助設備的高速連接，實現智能化監控管理。

（1）加工任務創建、加工任務管理、加工程序管理和上傳；

（2）可在線檢測實時顯示和刀具補償修正，及機床啟停、初始化和管理；

（3）設置有智能看板功能：實時監控生產設備、生產信息以及機床刀具監控等功能應用。

圖2 GSK制造執行管理系統圖

3 機器人集成應用實施效果

（1）采取兼容柔性化機械手設計，用較少的制造成本解決了多型號、小批量生產在同一產線生產的難題；

（2）機器人替代人工作業，實現1對3臺CNC數控機床可24小時持續作業，穩定完成工作任務；

（3）機器人系統與CNC數控銑床、檢測測量系統、倍速鏈輸送之間通過GSK制造執行系統緊密協調配合，工作穩定，最大化提升生產效率，降低生產運營成本。

（4）CNC數控加工時間平均2分鐘/件，人工生產產能：300件/小時；產線集成機器人上下料改造生產產能：350件/小時，提升生產效率16%。

圖3 機器人集成應用效果圖

通過實際應用案例論證，家電行業零部件生產制造，使用機器人集成CNC數控加工設備替代人工生產是必然趨勢。隨著科技的發展，機器人的技術也逐漸成熟，其穩定性、可靠性、工作效率以及加工精度都有了很大的進步。同時，集成應用范圍也越來越廣泛，技術的普及使其價格和成本開始逐步降低，越來越多的生產商開始使用機器人生產。這也將促使家電產品向大批量、專業化、連續化、智能化生產趨勢發展。

作者簡介：

鐘志斌（1978-），男，江西寧都人，中級工程師，大學本科，工程師，現任廣州數控設備有限公司機械工程師，從事工業機器人集成應用方案設計。

江文明（1984-），男，江西金溪人，中級工程師，大學本科，中級經濟師，現任廣州數控設備有限公司機器人研發室主任，從事工業機器人整機研制及產業化推廣。

摘自《自動化博覽》2019年9月刊