机器人提升自动化机床的生产率

自世界机器人报道发布以来，有关越来越多的机器人将会进入到工人队伍中去并在若干年后与工人们一起确定生产规划的信息已经众所周知了。尽管人们对于两位数百分比的增长速度已经不会感到惊讶，但是自动化技术仍然是生产领域的核心竞争力。从2015～2019年这段时间里，机器人行业进入快速发展通道。根据IFR的数据，到2019年为止，全球投入使用的工业机器人数量将会增长到大约290万台，比创纪录的2015年大约增加了100万台。

一种自动化技术方案的机器人

工业机器人、服务机器人、协助机器人和类人机器人的出镜率越来越高。现在机器人也可作为机床领域的直接的自动化技术方案而存在。Mazak、Schuler、Vollmer、Trumpf、Matsuura和DMG MORI等均是市场上的知名品牌，无一例外地加强了把自动化技术集成到其各自产品里的力度。

对自动化技术日益增长的需求源自何方?斯图加特研究所机构(IfW)的高级工程师Thomas Stehle博士表示：“在自动化技术背后存在着一种需要进一步提高制造流程的效率和经济性的愿望或要求。同时也应该看到这方面的技术优势，例如可以达到更高的加工精度、缩短主要生产时间和生产辅助时间和提高设备安全性等。”

“数十年来，机床一直处于不断改进之中，生产效率也在持续提高。但在最近几年里，生产率的提升受到了制约，这是因为相衔接的作业流程，例如装卸和物流等，并没有以相似的速度在增长。在整体生产率提升方面，机床设备的自动化装卸和工件输送是一个必然的滞后环节。” 弗劳恩霍夫制造工程与自动化公司(IPA)的机器人与辅助系统部门的项目经理Ulrich Schneider这样描述机床与其环境之间的发展差距。

产品越来越受到市场追捧，由此也可验证自动化机床技术的发展趋势。Kuka公司是一家机器人与设备及系统技术的供应厂商。“多年以来，Kuka公司在机床自动化技术领域的年增长率达到了50%，而我们这才算是刚刚开始。在许多制造环节中还隐藏着能够提升生产率而未被利用的潜力。机床制造厂商把握住这种发展趋势并与我们加强了合作，以便能够向用户提供全套技术方案。”Kuka公司机床自动化市场经理Andreas Schuhbauer说道。

Mazak Integrex型机床上的Kuka机器人

可以反映出这种技术发展趋势的是，机床设备制造厂商Mazak公司在AMB展会上首次展出了与Kuka公司的合作成果。这项技术成果源于该公司的用户对一种整体技术解决方案的要求，它在特性数据方面可以与Mazak Integrex-i系列机床产品达到极佳的匹配。自19世纪70年代以来，Mazak公司在生产自动化技术方面已经拥有很强的实力并可提供成熟的自动化系统产品，例如针对加工中心的Palletech系统产品。在新的全自动技术方案上，Kuka公司可以为Mazak Integrex-i系列设备提供硬件，在Mazak公司自己的设计部门里可以编制出生产程序和接口与流程程序。

“带有机器人的Integrex技术方案的一个特点便是极佳的灵活性。Integrex系列设备以其对工件的全能加工能力展示出极大的灵活性并达到很高的质量水平，即使是小批量生产，亦是如此，因此很适合于今天的制造要求。我们在这方面看到了很明显的增长潜力，并于2015年与在德国新成立的设计部门一起扩展了我们的能力，来配合此类技术解决方案。”Yamazaki Mazak 德国公司市场营销经理Johannes Burkart解释说。通过Mazak机床设备与机器人的结合使用，可以生成一个完整的技术包，因为机器人不仅可以搬运工件，同时也可以被扩展到对刀具的搬运上。

集成在Mazak Integrex设备上的Kuka机器人不仅可承接工件传送任务，同时也可扩展到对刀具搬运的功能

此外，在机器人工作站里还可以安装各种各样的特殊功能，例如安装一个光学或激光系统或一个去毛刺的加工站。

自动化技术也往往会牵涉到一个成本的问题。“当然，机器人工作站的投资成本对于机床来说可能会翻倍，因此许多最终用户在过去往往会不愿意在自动化技术上进行投入。但是，市场上存在着对供货期更短和加工批量更小等方面的要求，加上企业员工工资与物流成本的日益增长，这使得越来越多的用户相信在自动化技术上投入的必要性。由于机床的利用率得到了提高，因此在自动化技术上的投资常常可在不到两年的时间里得到回收。” Schuhbauer为尚未作出决定的企业做说服工作。他表示：“当所加工的部件品种繁多时，使用机器人就是划算的。这是因为机器人可以有效利用生产辅助时间并可实施镗孔、梳刷和去毛刺等项工作，以实现比手工作业更高的质量。同时，机器人还可以协助机床工作，这样可以提高机床的产量，并由此缩短设备的投资回收期，有时可以缩短至一年以内。”Kuka公司则属于少数几家既可以从机器人的专有技术，也可以从系统与设备专有技术中获利的企业之一。企业内部各部门的紧密合作阐明了机床自动化领域的一个例子，即Kuka Systems部门的Flexfellow型机床和Kuka Robotics部门的LBR iiwa型机器人对Kuka Industries部门的摩擦焊接设备进行装料和卸料。

在Merz机床制造厂里，一台Kuka KR-Fortec型机器人可以连接四台加工中心

缺少软件界面

如同所有的技术整合一样，自动化机床也提出了有关合适的接口和界面方面的问题。“机床自动化的最大障碍在于与现有设备的相互对接。在现有的机床上加装自动化技术装备往往会因缺少软件界面和因特殊匹配造价高等问题而遭受失败。特别是在板材加工方面，机床的使用寿命很长，而与之匹配的采用现有技术工艺的其他辅助设备则相反。接口问题往往成为设备进入市场时的一种障碍。在数据流和材料流方面均缺少可以使自动化技术方案在无需特别匹配情况下即可实现广泛应用的统一标准。” IPA公司的Schneider明确地说道。

把机器人与机床相连接的做法在日本的Fanuc公司那里的应用似乎更接近于成功，因为它已经设立了相应成熟的且标准化了的连接界面。因此，这家CNC系统、机器人和生产设备的制造厂商卓有成效地成为了工厂整体自动化技术方面的合作伙伴。

通过简单的IO连接，Fanuc-CNC设备即可实现与Fanuc机器人相对接。对此，只要采用安全的插头连接方式，其他设备均可实现互联。通过机床与机器人的此类关联方式，可以在CNC机床的操作界面上直接查看机器人的工作状态，或者相反：因为有了这种“简单连接”的功能，可以通过机器人控制系统上的i-Pendant手动操控仪来查询CNC机床数据。通过IO链接方式实现I/O信号交换，通过以太网实现数据传送，由此即可实现简单的设备组合和有意义的设备对接，例如机器人与机床的对接。

最近，Fanuc公司机器人拥有了一个FL-Net接口和一个以太网接口，由此可以毫无问题地实现与上一级网络的对接。这对于较大型的机床来说很有意义，因为将会有多台CNC机床与机器人相互通信。

一旦Fanuc-CNC与Fanuc机器人相连接，即可在CNC控制系统的操作界面上查询机器人的工作状态，反之亦可，因为Easy connection功能也允许通过机器人控制系统来对CNC数据进行查询

为了进一步简化对机床和机器人系统的操作，Fanuc公司开发出了Robot Connection(机器人连接)功能。一旦机器人被设立到整个系统里去的话，机床操作人员即可利用这个功能在CNC控制系统里调出一个能够向他提供有关机器人状态的所有重要信息(如维护任务或警报信息)的菜单来。他还可以选择程序，并对机器人进行控制，而无须通过单独的控制系统去操作机器人。

在机床自动化技术方面，除了接口匹配问题之外，被纳入到连接范围之内的所有零部件之间的最佳协调也是非常重要的。自20世纪80年代以来，机床制造厂商Vollmer公司就已经在从事自动化设备之间相互协调的工作。

大约20年以来，ND系列机器人系统就已经投入使用。通过此类装料系统，用户不仅可以提高生产率，同时还可以对诸如专业人员短缺等问题作出反应。Vollmer公司以其Vgrind 360型设备在上届AMB展会上展出了针对自动化机床的新的技术解决方案。“Vollmer公司的技术开发同我们与用户的沟通和对话紧密相连。Vgrind 360型设备自动化的思路就是来源于这类对话。然后我们把对话的结果与我们的技术经验结合起来。现在有了Vgrind 360型设备，刀具制造厂商即可对日益增长的硬金属刀具的需求作出反应并可实现连续生产，可达到很高的生产产量。”Vollmer公司总经理Stefan Brand博士说道。针对刀具加工上的操作简便化、运刀路径精确化和位置闭锁稳定化的问题，该公司可以将其在线切割设备上的工作经验纳入到自动化技术里来。在线切割设备上，各部分之间的相互协调需要达到微米级的精度。这种技术工艺可直接被整合到Vgrind 360型机床设备的研发上来。

减轻专业人员的工作负担

Schuler在AMB展会上也介绍了其在自动化领域里的多年工作经验。作为Load Master装料系统的一个扩展，该企业推出了Load Master Assist机器人装置。“自动化程度越高，则生产效率也就越高，尤其是对于那些采用Load Master装料系统来实现链接的机床设备来说，更为如此。Load Master Assist机器人操作间作为托盘与货物载体的装料系统的一个功能扩展，承接了以往设备操作人员所承担的任务。”Schuler公司产品经理Alexander Hergl说道。由此可以减轻专业人员的工作负荷，使之可以处理其他任务。

Trumpf公司也意识到机床设备自动化是引领未来的一个话题，并委托IPA公司通过合作的方式对相关技术和方案进行开发。“开发的目标便是机床设备在信息流和物料流方面的全自动连接。为了能够在板材加工中对繁杂而多样的生产环境提供有效的技术解决方案，Trumpf公司和IPA公司也对部分自动化的过渡性技术方案进行了探索，即操作人员在其工作中可以通过信息连接而获得支持，现有的生产流程在无需昂贵的自动化技术的情况下也能得到改善。”IPA公司的Schneider如是说。两家公司的合作期限为五年。除了直接合作的方式之外，对公共资助的研究项目框架内的协作也进行了探讨。IfW公司也在积极探索自动化机床领域的课题，既有基础性的方面，也有与工业口合作伙伴直接合作的方面，例如机床制造企业和机器人制造企业、搬运装置供应商和设备使用单位等。如果说从最初看来还缺少合适的连接界面和需要较高的投资成本这些因素成为了最大的障碍的话，在Kuka公司Schuhbauer看来，其实还存在着其他一些障碍。最大的挑战在于各个项目合作伙伴之间的工作协调。在项目初期往往还不太清楚必须要做哪些工作，而当项目行将结束时却不再有很多时间来完成设备配备和测试了。

通过技术优势来说服用户

为了减轻项目合作单位的工作强度，Kuka公司参与了VDW工作组的通用接口规范化工作。Kuka公司自己的技术包(如ready2grip)应该也可以为用户赢得更多时间，即在Kuka公司那里的集成商可以直接订购带有抓爪的机器人，而机器人设备运抵使用现场之后便可直接投入使用。鉴于自动化技术的复杂性而向用户提供的这种前瞻性的支持可以成为用户决定选用自动化机床的极具说服力的理由。

“从障碍角度上看，我认为目前的紧迫性工作更应该放在设备与机器人制造厂商这边，因为他们要让(尤其是中小产量的)用户们信服拥有适当自动化程度的自动化机床的诸多好处。”IfW公司Stehle这样总结说。同样具有说服力的还有这样一个事实，即拥有自动化机床设备的用户更接近于同样具有决定未来意义的工业4.0的表征。“自动化技术方案不仅仅是要更快、更灵活和更具经济性地集成到机床设备上，同时也要实现数字网络化。在这里，我们可以看出从工业4.0角度积极参与到生产规划中去的机床设备所具有的潜力。由于具备很多认知系统，因此一台‘一起思考’的机器人可以扩大机床设备的视野，但这还仍然只是未来的一个梦想。”Vollmer公司的Brand总结说道。

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