随着国民收入与GDP同步持续增长及城镇化快速发展，居民对日用家电产品的需求日益增加，再加上市场竞争激烈，企业不断开发新工艺、新技术、新产品来更新换代，促使家电产品向大批量、专业化、连续化、自动化生产趋势发展。然而，目前家电企业零部件制造存在诸多问题：种类较多，但差异性小，生产计划需周密；单次订单批量大、交货期短，制造装配产线对零部件物料供应的及时性、配套性要求严格，实时性强；零部件生产精度高、一次合格率要求高，兼容互换，保证装配品质一致性；五金零部件生产连续化、批量大节奏快，人均生产率高，对工人劳动力依赖性强。

鉴于上述存在的问题，家电制造业的发展急需利用电子技术改造企业的生产手段，应用机械手、自动化设备和柔性生产系统，进一步提高企业的自动化水平、应变能力，从而实现可快速变更产品品种及在同一生产线上同时生产多种产品。因此，开发一种机器人与CNC设备集成的柔性加工生产线是解决企业目前问题并推动制造业改造升级的必然趋势。

本文以小家电的五金零部件加工装配平面、钻孔、攻丝、检测生产工艺为例，对改造前人工流水作业与升级改造后采用机器人柔性加工生产进行对比分析介绍。

1 人工生产与集成机器人系统生产对比分析

1.1 生产效率的差距

人工生产作业中，每个工人只能负责1台CNC设备生产作业；当CNC加工完成，期间人工要完成CNC机床内五金加工零件的成品拆卸与未制品安装回夹具上固定定位。同时，人工频繁、长时间的进入机台内工作容易劳累。其结果占用过多的CNC设备生产时间，影响生产效率和产能。

1.2 生产成本以及质量的差距

人工生产的过程中，定期要抽检产品尺寸公差，并操作CNC设备调整刀具的切削补偿量、切削液浓度等检测，经常会出现因为人为的原因，导致了产品的不合格，以致生产成本的提高，包括原材料的浪费等。同时，有太多的因素可以影响工人的工作效率，质量判断标准；而应用智能检测设备，可以自动检测零件尺寸公差，并自动调整刀具补偿量，检测判定标准一致，保证产品加工质量。

1.3 人工成本存在的劣势

人工生产作业中，每个工人只能负责1台CNC设备生产作业，而且技术以及经验是决定了产品的质量的重要因素；而集成1台机器人可以应对3台CNC加工设备同时进行一种或多种产品生产，并且可24小时连续作业；整套设备从人工生产需要配置4名工人/班，到自动化改造后仅需要1名工人进行产品集中收集。

其次，企业为了留住这些技术工人，不得不需要在人工成本上投入更多。如果发生流失这些技术工人的现象，则又不得不重新培养新的人员。相反，集成机器人自动化生产的运动过程就是重复循环工作，所以生产的产品质量有保证，产品数据可收集追溯、产品的稳定性强,且一次性投入，长期回报，节约了大量的人工成本。

因此，综合家电产品企业生产的特性，设计一种机器人与CNC设备集成的智能加工生产线是很有必要的。

2 机器人集成应用解决方案

2.1 生产线整体布局

本设备为机器人与CNC设备集成的智能加工生产线，整产线由GSK-RBB15L机器人系统、CNC数控加工系统、检测识别系统、清洁系统、倍速链输送系统，以及GSK制造执行系统等设备组成；并根据用户生产需求不同，可同时进行一种或多种产品柔性化混合生产；实现不同工艺、型号批次的产品，可以快速柔性转换生产，提高生产效率、保证产品品质。

生产线整体布局图如图1所示：

图1 生产线整体布局

2.2 GSK-RBB15L机器人+机械手夹具

（1）系统采用GSK-RB15L机器人，重复定位精度高、速度快、控制灵活、服务半径大；适合本系统应对3台CNC数控设备连续生产进行托盘的上下料搬运、定位作业；

（2）针对本应用工况的复杂性及特定应用环境，机械手夹具采用可自定位侧销夹紧方式设计；设计优点：一是打破传统的靠外抱摩擦力夹紧的费力抓取机构，仅需要设计2个ACQ20小气缸就可以抓取10kg负载的托盘工件，避免托盘表面因有切削液等影响摩擦系数降低夹紧力因素，真正做到四两拨千斤;二是侧定位销夹紧，对机器人抓取托盘空间运动、放置进行XYZ轴向二次精确定位；三是整个夹具设计简单、紧凑，减小机器人选型及运行负荷；四是具有断气、断电自保护功能，防止机器人运行过程中意外断气、断电托盘掉落。

2.3 托盘倍速链输送系统

（1）专用托盘自动循环链,采用倍速链输送设计,易于实现积放输送,可用做零件装配和托盘物料的储存定位与输送；

（2）设计有1条托盘回收线、1条零件装配线、1条托盘自动循环线及3条托盘排队输出定位线；可满足1-3种装载不同零件的托盘同时排队输送、分拣，保证机器人对CNC机床的物料供给；

（3）系统对每个托盘植入RFID非接触式自动识别功能，可以快速识别不同托盘发送数据给GSK总控制系统，系统对托盘进行输送、排队、分拣分配到指定CNC数控设备上料加工，以及对加工零件在线实时进行检测、测量、数据统计等信息输出。

2.4 清洁系统

托盘从CNC设备加工后会残留大量的切削液和屑，必需把切削液留在机床回收循环使用，而切削屑进行集中清楚处理，保证输送线零件清洁干净后回收。

（1）在CNC机床内，机械手夹具上设计有高压气枪，利用机器人的空间作业性设定运动轨迹对加工托盘零件进行全方位清理清洁；

（2）在托盘进入倍速链输送系统回收前，对托盘进行正反面，上下移动式高压气枪进行清理吹干，并采用低真空负压抽吸残留切削液和屑。

2.5 检测测量系统

托盘清洁后通过RFID自动识别工件型号，进入检测系统，利用激光测量相关加工数据。

（1）检测数据与系统通信，判定零件加工尺寸是否合格，并可收集数据便于追溯；

（2）检测数据系统分析，调整CNC机床刀补偿量。

2.6 CNC数控加工系统及机床夹具

集成现代亚威400T数控加工设备，具有加工灵活、通用性强、精度高、生产效率高性能等特点，特别适合3C家电行业消费电子类的壳体，五金零部件中的小型零件加工生产。

（1）有自动交换刀具的功能，通过在刀库安装不同用途的刀具，可在一次装夹中通过自动换刀装置改变主轴上的加工刀具，实现钻、镗、铰、攻螺纹、切槽等多道工序加工功能。

（2）能实现三轴联动控制，以保证刀具进行复杂表面的加工。加工中心除具有直线插补和圆弧插补功能外，还具有各种加工固定循环、刀具半径自动补偿、刀具长度自动补偿、加工过程图形显示、人机对话、故障自动诊断、离线编程等功能。

（3）机床专业托盘加工夹具，采用液压夹紧、定位销定位；具有夹持刚性强、重复定位精准及通用性可靠的特点。

2.7 GSK制造执行系统

GSK智能制造执行系统具备网络化监视、控制、数据采集等功能。可利用GSK-LING总线实现数控机床、机器人系统、托盘输送系统、检测测量系统及生产辅助设备的高速连接，实现智能化监控管理。

（1）加工任务创建、加工任务管理、加工程序管理和上传；

（2）可在线检测实时显示和刀具补偿修正，及机床启停、初始化和管理；

（3）设置有智能看板功能：实时监控生产设备、生产信息以及机床刀具监控等功能应用。

图2 GSK制造执行管理系统图

3 机器人集成应用实施效果

（1）采取兼容柔性化机械手设计，用较少的制造成本解决了多型号、小批量生产在同一产线生产的难题；

（2）机器人替代人工作业，实现1对3台CNC数控机床可24小时持续作业，稳定完成工作任务；

（3）机器人系统与CNC数控铣床、检测测量系统、倍速链输送之间通过GSK制造执行系统紧密协调配合，工作稳定，最大化提升生产效率，降低生产运营成本。

（4）CNC数控加工时间平均2分钟/件，人工生产产能：300件/小时；产线集成机器人上下料改造生产产能：350件/小时，提升生产效率16%。

图3 机器人集成应用效果图

通过实际应用案例论证，家电行业零部件生产制造，使用机器人集成CNC数控加工设备替代人工生产是必然趋势。随着科技的发展，机器人的技术也逐渐成熟，其稳定性、可靠性、工作效率以及加工精度都有了很大的进步。同时，集成应用范围也越来越广泛，技术的普及使其价格和成本开始逐步降低，越来越多的生产商开始使用机器人生产。这也将促使家电产品向大批量、专业化、连续化、智能化生产趋势发展。

作者简介：

钟志斌（1978-），男，江西宁都人，中级工程师，大学本科，工程师，现任广州数控设备有限公司机械工程师，从事工业机器人集成应用方案设计。

江文明（1984-），男，江西金溪人，中级工程师，大学本科，中级经济师，现任广州数控设备有限公司机器人研发室主任，从事工业机器人整机研制及产业化推广。

摘自《自动化博览》2019年9月刊