协作机器人在传统钻加工行业中的应用
（常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州 213022）
摘要：协作机器人是工业4.0飞速发展的产物，这种创新型的机器人解决了人类和机器人不能同时在同一空间工作的困扰，其在制造业的使用也越来越普及。相较于传统的工业机器人，协作机器人具有小巧易操作、可与人协调工作等优点，能够满足离散型企业的生产需求。基于此，本文阐述了协作机器人的研究背景，介绍了其在智能制造行业内的应用方向，并以钻削无人工作站为例，深入分研究了协作机器人与钻加工的集成应用，以期为传统加工行业选择协作机器人提供一些建议。
关键词：协作机器人；智能制造；钻削无人工作站
0.引言
钻加工是金属加工中的一项重要工艺，在汽车、制造、建筑等领域应用广泛。钻加工产品的品质对加工部件、结果的性能和质量都有决定性的影响，其市场需求巨大且持续发展。随着我国机器人行业的快速进步，逐渐催生出了人机协作技术的应用，由此钻加工行业向着智能化、自动化方向发展，成为制造业转型升级的重要领域之一。本文重点讨论了钻加工设备与协作机器人集成自动加工方案在实践中的应用。
1.协作机器人的研究背景
在信息技术革新的推动下，制造业飞速息长，逐渐由传统的生产方式转向了自动化、智能化以及信息化的生产模式。世界各国相继提出了一系列的支持政策与方针，如美国的“工业互联网”计划、德国的“工业 4.0”以及日本发布的“重振制造业”等。我国也于2015年发布《中国制造 2025》，提出了智能化制造的目标[1]。由于制造业智能化建设的飞速发展，传统的手工和机器人生产方式无法满足更高级别的需求，因此有必要寻找更新且更高级的生产方式。协作机器人的出现象征着智能制造行业的一次颠覆性变革，相比较以前只能在固定区域工作的工业机器人，协作机器人能够积极参与到人机交互的复杂作业任务，而人机协作也正是智能制造今后的发展趋势[2]。
2.协作机器人的应用方向
协作机器人是指可以在协作区域内与人直接进行交互的机器人，协作区域即为机器人和人类可以同时工作的区域。该机器人可以在没有隔离护栏的情况下与人共同作业，完成具有高重复性和高精度要求的工作，不局限于工作空间与工位布局[3]，应用的方向有以下几种情况：
（1）供料与取料。在智能制造过程中，还存在必须由人工完成的工作，其中最典型的就是产品供料和取料任务。这项任务主要涉及反复的同一或相同系列动作，对体力的消耗非常大，且给员工带来重大的身体负担。同时，工作的乏味性也会导致不愉快的情绪，导致员工无法集中精力，易引发各种质量问题，进而影响产品生产效率。然而，引入协作机器人进行供料和取料工作能有效减少这些负面影响，并大大降低员工的工作压力。在智能制造领域中，通过协作机器人结合精益化生产线，能够自动拿取传送线上的物料，有利于后续的包装。在进行物料搬运时，我们也可以利用视觉技术，通过视觉系统来获取目标的位置信息，进而指导协作机器人抓取并移动到指定位置。
（2）辅助生产。产品在生产过程中，最关键的一个环节就是加工，采用对应的技术手段，加工出对应的产品，直接影响产品的质量水平。协作机器人被各大行业广泛采用，比如在电子工业、汽车制造和航空制造等行业中尤为突出。这些机器人能够实施各类操作如打胶、焊接等，并娴熟地在固定轨迹中完成重复的任务。若由员工手动操作，则需要培养相应的高技能人才，尤其是新员工，入职前需要完成各项培训和上岗考试，确保人员具备充足的理论知识和卓越的操作技能。而采用协作机器人可以改善以上问题，同时显著提升生产效率。经过在各个行业中的实地应用和分析，协作机器人在生产过程中的诸多优点显而易见，例如编程速度更快，操作更为方便，大多数员工都能独立完成操作。
（3）质量检测。除上下料与加工环节之外，协作机器人还能应用到质检工作当中，在提升检测效率的基础上，确保产品的质量。在执行检测时，机器人将全自动地代替人手进行检测，不需要人工操作，检验的主要内容包括对比实体和模型，以及分析检查产品的尺寸偏差等情况。
（4）包装码垛。产品加工完成后，为保证运输过程中的防护要求，需要对其进行包装与码垛。对于这一动作来说，通常由各类型的环节构成，如收缩包装、纸箱打包等，因而与上下料任务具有相类似的特点，即需要反复进行同一动作，同样给包装人员带来身体上的负担。但应用协作机器人则非常适合，只需要根据包装码垛的需求，设置相应的代码指令，机器人就会自动完成这项工作，并针对环境实际情况，进行自我调节，不会受到人员的打扰[4]。
3.协作机器人与钻削加工的集成应用
3.1概述
传统钻削均由人工采用立式钻床加工，存在效率低、人工成本高、质量风险大、自动化程度低等诸多不利影响。为解决上述问题，通过集成三轴钻加工功能站、自动供料机和协作机器人，由此开发而成的钻削无人工作站，可以实现钻削加工的无人化作业。
本文以二次控保机箱内的零件插件面板为讨论案例进行分析， 机箱结构件中的插件面板为铝合金材料的型材，外形种类相对固定，同种类尺寸差异不大，但是孔位各不相同。传统的沉孔综合考虑成本和效率因素，通过人工在立式钻床上加工最快捷且成本最低，但是随着人口红利的消失，人工成本的逐年上涨，经济优势已荡然无存，同时人工沉孔的深度和尺寸均不能保持一致性，外观上差异比较明显，无法保证加工质量。
钻削无人工作站兼顾多种插件面板型号，实现插件面板的自动上下料和沉孔功能，拓展钻削加工无人化作业的新模式，确保产量和质量的稳步提升。
3.2钻削无人工作站方案设计
3.2.1整体方案及设备布局
依据实际加工节拍评估，初步确定了钻削无人工作站方案整体设计思路为两台钻加工功能站配合一台协作机械手上下料实现自动化加工，在充分考虑协作机械手臂展的基础上，整体采用菱形紧凑型布局（见图1），节约了场地；经过多种方案模拟，确认了该方案的加工节拍为最优生产节拍，120秒左右可实现三次循环加工，最大化的确保了功能站的设备利用率。
图1 整体方案布局示意图（绘制）
在整体方案的基础上结合生产节拍及钻加工功能站设备利用率，设备具备如下功能：
1）钻加工功能站实现插件面板的批量沉孔，功能站的核心结构以XY平台为主，单主轴钻头实现Z向进给功能，产品换型时通过更换装夹工装整体快速替换；
2）钻加工功能站的工装需具备快换机构，安装在XY平台上，单次装夹2件；
3）插件面板在沉孔前通过CCD实现精确定位，引导钻加工功能站XY平台移动至相应的加工位；
4）协作机械手实现插件面板的上下料功能，配备了通用性强的末端，且支持快换，批量抓取和放料；
5）上下料机构实现工件料盒的存放，整体结构为双工位结构，具备升降功能和移载功能。
钻削无人工作站单次运行模式：线下将待加工工件摆放至料盒中—料盒装入上下料机构—协作机械手从上下料机构中批量抓取待加工工件—协作机械手将待加工工件放入钻加工功能站的工装—CCD视觉拍照引导沉孔加工—协作机械手抓取已加工工件放回上下料机构的料盒中。
钻削无人工作站循环运行模式：协作机械手抓取待加工工件放入钻加工工站1—钻加工工站1运行—协作机械手抓取待加工工件放入钻加工工站2—钻加工工站2运行—协作机械手抓取待加工工件放入钻加工工站1，同时取回已加工工件放回料盒—钻加工工站1运行—协作机械手抓取待加工工件放入钻加工工站2，同时取回已加工工件放回料盒—工站1/2交替循环运行。
3.2.2装夹工装及机械手末端设计
1）装夹工装原理及部件构成
工装原理并不复杂，主要考虑在钻加工功能站中对插件面板的装夹定位，同时满足快换性和通用性要求。考虑尽可能多件装夹，同时充分评估设备尺寸及空间，确认了工装整体结构为双工位模式（如图2所示），双工位间隔尺寸确定为120mm，该尺寸同时作为机械手末端和工件料盒的数据支撑，确保各环节的一致性。由于CCD视觉定位的存在，如图3所示，沉孔装夹工装仅需包含旋转压紧气缸、上基准定位块、底板等机构，工装底部配置快速转换接头，通过气压实现工装在钻加工功能站XY平台上的快换。
图2 工装装配示意图（绘制） 图3 插件面板沉孔装夹工装（绘制）
2）机械手末端原理及部件构成
机械手末端用于工件的抓取，同样需要满足快换性和通用性要求。机械手末端设计充分考虑料盒及插件面板沉孔装夹工装，整体结构同步为双工位模式（如图4所示），双工位间隔尺寸也同步为120mm。机械手末端包含真空吸盘、支撑板、快换等机构，为满足协作机械手的载重要求，考虑整体重量不宜过重，以铝型材框架为基础，结合固定板的结构形式设计制造，其中快换公头安装在协作机械手上，快换母头安装在末端上，实现了末端的快换功能。
图4 机械手末端（绘制）
3.3钻削无人工作站的成效
钻削无人工作站落地投产后，每班仅需投入0.33人次进行料盒摆放工作。当钻削无人工作站开足6*24小时（3班），日产能可达9000件，月产能达23万件，实现了产能翻倍，同时仅需投入1人（见下表1），每年可至少减少用工投入3人。
表1 钻削无人工作站产能及人工对照表
日产能（件） 月产能（件） 投入人工（人）
1台设备1班 1500 39000 0.33
2台设备1班 3000 78000
1台设备2班 3000 78000 0.67
2台设备2班 6000 156000
1台设备3班 4500 117000 1
2台设备3班 9000 234000
4.结语
钻削无人工作站的开发证明了协作机器人与传统机械加工的完美结合，除了钻削加工，协作机器人还广泛应用于加工中心、压铆、焊接等工艺。目前，协作机器人已经可以精准地完成许多复杂的任务，而且已经成为我们的新的伙伴，成功解放了大批的人力，让我们有机会投身于更有创新性的工作，比如监控和其他工种。随着制造行业对工艺标准的不断提高，协作机器人的应用将越来越广泛，对此，企业应依据市场和潜在需求，调整其策略布局和研究开发方向，以使其产品符合日益增长的实际需求。
参考文献
[1]刘勇，张亮.发展智能制造，促进兵器装备集团制造业转型升级：兵器装备集团智能制造技术与高端装备产业发展思考[J]. 兵工自动化，2017（1）：1-6.
[2]史玉红，蔡丽娟，蔡佳丽等.协作机器人在智能制造中的应用[J].集成电路应用, 2022, 39（2）: 196-197.
[3]刘华秋，黄磊，陈逸维.协作机器人国内外发展现状与技术研究[J].现代制造技术与装备，2023（3）：93-96.
[4]杨超.智能制造领域协作机器人的应用分析[J].产业与科技论坛，2022，21（2）：35-36.
