机器人自动生产线的工艺分析与总体设计
朱金权
无锡贝斯特精机股份有限公司
[摘要]对机器人自动化生产线设计时加工零件的工艺流程分析、生产节拍计算、机器人形式的确定等相关工艺参数进行了研究，在分析了自动化生产线的有关组成部分、总体布置形式、物流方向的确定、线缆和管路的布置、操作箱与电气主控制柜的布置等总体设计时的相关技术要点后，提出了机器人自动生产线设计的步骤和设计思路，为机器人自动化生产线在现代工业制造领域的推广和应用提供技术支持。
[关键词] 机器人自动生产线工艺分析总体设计生产节拍
中图分类号：TP278 文献标识码： A
1.概述：
在机械零件加工制造业中，零件的加工质量、加工效率和加工成本与零件的加工工艺密切相关。传统由人工、单机手动生产零件的加工方式已越来越不适合现代企业加工的需要，为减轻劳动强度、提高生产效率、降低劳动成本，采用机器人自动化生产线加工零件的生产方式，在现代制造业中已越来越多的得到应用，从而最大限度的满足加工制造业中高速度、大批量、高品质加工零件的需要，使加工制造业走向机器人生产线的规模化、批量化、高效化、自动化的现代制造业新时代，它是制造业加工现代化发展的必然趋势。
2.工艺分析
零件加工工艺性分析，是机械加工制造业至关重要的技术准备，它是决定零件加工方法、加工质量、加工成本的重要指导性文件，是自动化生产线设计不可缺少的工艺性文件。
2.1.加工零件工艺分析：
规划设计自动化生产线之前，设计人员必须对加工加工零件的工件材料、加工内容、加工精度、加工质量等进行详细的工艺分析，制定详细的零件加工工艺线路，编写零件加工那过程工艺卡片，明确零件加工时的定位面、夹紧点，制定有效的加工切削参数，包括切削速度、进给量和切削深度。考虑零件加工时所采用的夹具、刀具、量具及零件加工后的检测方法，工件在各工序之间流转时需要的清洗、储存、翻转、搬运等中间工位，考虑零件流转过程中所需的零件输送平面、输送方式，零件输送过程中的导向定位、信号检测，考虑机械手抓取工件时的定位、夹紧、松开、检测等，这些工艺参数的确定，对设计自动化生产线具有非常重要的作用。
2.2.生产节拍的计算
节拍是指连续完成相同的两个产品（或两次服务，或两批产品）之间的间隔时间。即指完成一个产品所需的平均时间。2.2.1.系统理论节拍计算：
计算公式：
R=T效
Q
1−F%
=T×i
Q
1−F%
=T×i×(1−F%)
Q
公式中:
R-----节拍 (单位：秒/件)，它是满足系统工作所需的理论时间节拍。
Q-----计划期内所制造的产品的产量(单位：件)，除计划中规定的任务外,还包括不可避免的废品。F%-----不合格产品占有率;
T效-----计划期有效工作时间 (单位：秒)。
i------时间利用系数，计划期制度工作时间内设备的实际开动时间；
T效=计划期制度工作时间T×时间利用系数i;
2.2.2.所需设备计算：
计算公式：
S=
T j
R
公式中:
T j-----单台设备完成单个零件所需的实际工作
时间（单位：秒）；
R-----节拍 (单位：秒/件)。计算结果一般为小数，实际使用设备台数S需将计算结果元整。
2.2.
3.桁架式机器人上下料时间计算：
1)初始条件：
机器人匀速运行距离S0：（单位：米）
机器人启动加速运行距离S1：（单位：米）
机器人停止减速运行距离S2：（单位：米）
机器人启动、停止的加速度a：（单位：米/秒2）
机器人匀速运行速度v：（单位：米/秒）
机器人运行的所有距离S=S0+S1+S2
2)计算公式：
机器人启动加速度时间t1 =√
2×s1
a
（单位：秒）
。1
机器人停止减速度时间t2=√2×s2
a
（单位：秒）
机器人匀速度运行时间t3=s0v（单位：秒）
3)机械人总运动时间T1=t1+t2+t3（单位：秒）
4)机械手换爪时间T2：机械手上安装的两个夹持工件的夹爪相互转换90°或180°所需的时间，其中一个手爪从机床夹具上取出已加工完成的工件（成品），另一个将手爪上已抓取的工件（毛坯）放置到夹具上。两个手爪转换的时间一般取：T2 = 2~3秒。
5)机械手取料与装料时间T3：机械手上一只手爪从机床夹具上取出已加工完成的工件（成品）与将另一手爪上已抓取的工件（毛坯）放置到夹具上所需的时间。一般根据所加工零件的大小取T3=2~4秒。
6)机器人上下料的总时间T= T1+ T2+ T3
2.2.4.关节式机器人上下料时间计算：
在自动化生产线中所用到的关节机器人一般采用日本FANUC机器人或德国KUKA机器人，这些机器人样本中均有相关轴的动作范围Ji（°）和最高转动速度Si（°/S），根据这些参数就可以方便的计算出机器
人关节转动过程中所需的时间Ti（单位：秒）。Ti=Ji
Si (i是关节机器人相应轴号)
2.3.机器人形式的确定
根据上述零件加工工艺流程分析，结合零件的加工节拍、零件上下料的时间、自动生产线的平面布置区间、零件加工设备、中间工件物流所需的清洗、储存、翻转、搬运等中间工位及自动化生产线的制造成本等方面，综合考虑采用桁架式机器人还是关节式机器人。选择桁架式机器人上下料的条件如下：
1)加工设备具有自动开关门且工作台上部具有开阔的上料空间；
2)加工设备具有自动开关门且设备工作台沿某一直线布置；
3)加工设备工作台上部无固定主轴、换刀系统等，如数控车床、数控磨床、卧式加工中心等；
4)加工设备具有自动开关门且设备工作台沿直线在某一区域内有规则布置；
除上述情况外，加工设备在工作台上方没有有效的上料空间，如：立式加工中心、数控立车等只能采用关节式机器人从加工设备正面前门上下料。
3.总体设计
3.1.总体设备布置形式及组成:
自动生产线的布置形式是生产线设计时根据加工零件的工艺要求合理布置加工设备的重要步骤，需综合考虑零件的加工工艺、加工设备的功能、物流输送的方式、专用设备的功能、安全保护的实施、中间过程的储料、机械手的承载、工件姿态的转换、定位夹紧的方式、工厂占地面积等，通过综合分析上述项目，设计出符合加工工艺要求的经济实用的生产线总体方案图，设计时需综合多种因素、通盘考虑、兼顾全局，不断改进、逐步优化，最大限度的发挥生产线各组成部分的功能，使生产线达到实现功能最多、使用设备最少、制造成本最低、占地面积最少的高性价比自动化生产线，从而为企业提供最佳的自动化生产线解决方案。
自动生产线按使用的机器人的不同分为：关节式机器人自动生产线，如图1所示及桁架式机器人自动生产线，如图2所示。两种生产线根据零件加工的工艺性和加工设备的特点分别适用于不同场合，但其基本组成大致相同，主要包括如下相关部分：
1)上料设备：是给自动生产线提供毛坯坯料的自动输送设备，它是生产线加工产品的输入设备，常采用皮带输送、自动辊道输送、悬挂链输送、地推链输送、板链输送等，设备上具有工件定位、输送导向、工件停止、到位检测等机构，以实现工件的准确、可靠的传输。
2)机器人系统：是自动生产线的核心组成部分，是加工零件在各加工设备间流转的执行机构，包括机器人本体、机械手、机器人控制系统。具有运行速度快、定位精度高、回转自由度多的特点。是集检测、定位、夹紧、回转、松开、移动于一体的智能化设备。
3)各工序加工设备：是实现零件加工的数控加中心或数控专用设备（数控车床或数控磨床等），
是零件加工的主体设备。设备由独立的数控系统控制，具备自动开关门，自动换刀、自动对刀、自动切削、自动排屑，甚至自动在线检测等功能，能将零件按CNC程序的要求加工至符合工艺尺寸和精度要求，是现代制造业中，不可缺少的自动化加工设备。
4)专用设备：是自动生产线中用于完成某一特定功能、由设计人员专门设计的自动化专用设备。是自动生产线中不可缺少的重要组成部分，如零件流转过程中的姿态翻转或转向工作台、满足工艺要求的工装装配或拆卸工作台、零件加工过程中的尺寸精度检测工作台、重要零件气密性检测工作台、零件输送过程中的储料工作台、零件流转过程中的清洗清洁工作台、零件检测完成后合格品及不合格品的自动分流工作台等。
5)下料设备：是自动生产线中将加工完成的成品零件自动输送出加工区域的专用设备，是生产线加工产品的输出设备，常采用皮带输送、自动辊道
