广州数控设备有限公司 江文明，钟志斌，于喆

关键词：工业机器人；增减材制造；数控机床；智能化制造

随着制造业的不断发展，对复杂结构件和高性能的零部件需求日益增加，依靠传统单一的数控制造技术在某些情况下难以满足设计开发需求，增材制造技术的出现为解决这一问题提供了新的途径。机器人电弧增材制造技术是一种先进的增材制造技术，它结合了电弧焊接技术和逐层制造原理，通过电弧产生的热量将金属丝材逐层熔化并堆积，从而制造出三维金属部件。当前，机器人增材制造技术取得了显著进展，但也面临一些问题，如制造精度和表面质量有待进一步提高、材料性能和加工工艺的匹配性需要优化、机器人作业的复杂性等现状。在航空航天、汽车、医疗器械等领域，需求轻量化、高精度、高强度和刚性零部件的制造过程，往往需要经过不同工艺设备，多工序流转装夹、减材、增材制造加工，制造加工过程中带来的误差积累、材料性能工艺技术缺陷，使零件制造精度与质量、生产效率难以满足设计需求。

研究设计一套基于数控机床+机器人的增减材智能化制造系统，结合机器人增材制造技术高灵活性、材料利用率高等优点，以及数控机床减材制造技术加工精度高的优势，通过在同一平台设备上或加工流程中，先利用增材制造技术快速成型零件的近净形状，再通过减材制造技术进行精加工，从而实现高精度、高效率的制造系统。

1 总体方案设计

方案设计需求基于航空领域铸造铝零部件生产工艺流程，由于在零件铸成型后因模具结构、材料属性等因素，易产生裂纹、流痕、缩陷等缺陷形成微小孔洞、凹痕、龟裂纹，这些可能对零件结构强度、气密性及使用寿命产生严重影响，必须进行检测增减材修复工序；然而，现有传统制造是“先减后加再减”—将铸造毛坯，先通过铣削、钻孔数控加工；再人工打磨、抛光、清洗；然后转工序机器人增材焊接，再进行数控加工等多工序流转、多次装夹、误差累积操作，零件结构性能、尺寸精度都难以保证。

按照“设备自动化+生产智能化+管理信息化”的构建理念，基于工业机器人电弧增材的成熟技术和数控机床的加工精度优势相结合，实现一体化复合制造模式；通过设计在同设备平台上完成“增材成形、减材精整、检测增减材成形”的方案，将工业机器人、电弧增材设备、数控机床、检测视觉、打磨抛光工具、工装夹具等集成增减材智能制造“硬件”系统，再结合计算机控制平台、数控系统、视觉辅助、离线编程软件、数据采集等控制技术集成“软件”系统。从而实现零件的直接制造增减材工艺，提高零件性能精度和生产效率，还能够优化材料的使用，减少生产成本和环境影响。

2 工业机器人增减材智能制造硬件设备

2.1   总体布局

基于总体方案设计和生产工艺条件，设计工业机器人的增减材智能制造系统。将增材工业机器人集成于数控机床右侧部位，与数控机床共用X/Y工作平台，分别对同一工装上零件进行增减材制造应用；再应用智能视觉识别工件特征及缺陷， 开发机器人3D增材焊接功能软件；配置工装夹具、打磨抛光工具装置、清洁装置，以及烟尘净化系统辅助设备。

实现增减制造工艺：导入模型数据数控铣削外形缺陷、数控打磨抛光增材表面、机器人增材孔凹坑缺陷修复需自动化，提高零件性能和生产效率。

图1 基于数控机床+工业机器人的增减材智能制造系统视图

2.2   主要设备的选型与设计

主要包括1套GSK RB08Q1机器人、GSK MDC- 500P高端数字焊机、1台VMC1370数控加工中心及工装夹具、1套视觉系统、1套打磨抛光装置、1套热风清洁装置、1套焊接烟尘净化装置、1套防护装置、焊接视频监控以及控制系统组成。

2.2.1  工业机器人+增材焊接系统

（1）GSK RB08Q1机器人

①整机防护等级达到IP65，满足粉尘大、任意方向喷水或浸水等恶劣工况。

②具有重复定位精度高、控制灵活、体积小、结构紧凑、高防护等优点，可以应用在CNC加工中心等特殊领域，实现狭小空间工位间工作，轻松避让且速度快。

③配置以太网接口，Modbus通讯协议，能实现机器人与GSK制造系统的实时数据交互通信。

（2）GSK MDC-500P高端数字焊机系统

GSK MDC-500P高端数字焊机系统，搭配有伺服送丝机、缓冲驱动器、推拉丝焊枪等功能部件组成，具有微创冷焊、高速焊、间断焊、直流低飞溅、脉冲等多种焊接工艺应用；其中， MDC微创冷焊工艺在金属电弧增材制造和电弧堆焊应用上显现出焊接效率高、焊接飞溅小、焊接变形少、焊缝表面美观、质量好等应用优势。

采用GSK RB08Q1机器人与GSK MDC-500P高端数字焊机集成一体化设计，可适用碳钢、不锈钢、 NiCrMo、铜合金、铝合金等材料电弧增材制造和电弧堆焊。

2.2.2  VMC1370数控加工中心及工装夹具

数控加工中心选型为VMC1370机床结构进行改造设计，增加机器人安装装置、打磨抛光工具装置、视觉安装机构、热风清洁装置及焊接烟尘净化装置。

（1）X、Y、Z三轴为伺服直联控制半闭环立式结构，两线一硬加工中心，X、Y轴为线性导轨， Z轴采用刚性强的硬性导轨。两线一硬的配置既具有了硬轨的刚性，又具有线轨快速移动和高精度的特点，加工能力更为全面。

（2）定制工装夹具、机器人、机床、视觉系统在同一平台标定；实现对各种壳体、凸轮、模具等复杂零件一次装夹，可完成切削、焊接、检测等多种工序生产，减少多次装夹、定位示教的误差，提高精度与加工效率。

（3）自动交换刀具功能，配置有打磨、抛光、钻铣刀具库，通过刀库安装不同工序的刀具，在加工过程中自动切换刀具，实现钻铣、打磨抛光等多道工序一次装夹加工能力。

（4）改造通讯和I/O接口的兼容性，实现机器人系统、数控系统、离线编程软件、视觉系统的兼容通讯装载，能获取加工的状态信息、工作模式等基本信息，实现机器人与机床交互操作。

（5）工装夹具，采用双动力液压夹紧、销定位设计；并设计有夹紧到位气密检测、定位面清洁功能；保证夹持刚性、重复定位精准及兼容可靠性，实现加工系统自动控制夹紧松开。

2.2.3  3D激光视觉系统

3D激光视觉系统由基恩士LJS080飞扫激光3D视觉系统、执行机构、防护装置组成，通过激光扫描夹具上加工零件，可以进行尺寸检查、外形检查、3D识别等功能，主要功能优势如下：

（1）高精度检测：采用了高亮度的蓝色激光，并配备高精细CMOS传感器，能够捕捉更清晰的图像。可以实现高聚光性和清晰的成像光，提高了检测能力和测量精度，并增强了对干扰光的影响。

（2）快速扫描：通过电机使用光切断光学系统进行扫描，实现大景深。

（3）多种检测功能：可进行尺寸检测、外观检测和辨别检测；应用于尺寸测量、焊接定位、打磨引导、外观检测等。

2.2.4  打磨抛光工具装置

铝零件焊接后打磨焊道是焊接工艺中非常重要的环节，它不仅能够改善焊接外观，还能显著提升焊接质量和结构的可靠性。所以，系统分别设置有打磨、抛光工具装置，采用不锈钢钢丝刷集成安装浮动刀柄安装在机床刀库位置；用于工件切屑过后，去除焊道处毛刺、氧化层、杂质和油污，减少焊接缺陷，提高焊接效率，确保焊缝的强度和耐腐蚀性，同时改善产品的外观质量。

2.2.5  热风清洁装置

系统压缩空气配置了ATC-12恒温加热装置，将气体温度加热到20-180C°使用，有助于提高焊接质量和效率，减少焊接缺陷，确保焊接过程的顺利进行，主要作用：

（1）去除表面水分：对铝表面可能残留有水分或清洗液。使用热风可以快速吹干这些液体，防止焊接过程中水分蒸发产生气孔，影响焊接质量。

（2）清除杂质和氧化膜：配合清洁剂或助焊剂，去除铝表面的油污、灰尘、残留物等杂质。防止工件二次污染以及辅助去除铝表面的氧化膜，为焊接提供更清洁的表面。

（3）预热作用：热风可以对焊接区域进行预热，使铝材达到合适的焊接温度，减少焊接时的热应力，提高焊接效率和质量。

2.2.6  焊接烟尘净化装置

SYD-JK2400焊接烟尘净化设置集成于机器人增材工作区域，用于净化打磨、抛光、焊接过程中产生的粉尘、烟尘等有害气体，保护操作人员的健康，改善工作环境。

3 增减材智能制造系统设计

3.1   总体构架

基于数控机床+工业机器人的增减材智能制造系统由两部分构成：第一部分是控制层，通过GSK设备管理系统实现对工业机器人、GSK MDC-500P高端数字焊机、数控加工中心、视觉检测系统、焊接烟尘净化装置、防护装置等设备的集中控制；第二部分是生产执行层，通过机器人系统、增材焊接系统、数控系统、视觉建模离线软件等功能应用软件，执行数控铣削、视觉扫描检测焊道、生成离线仿真程序、执行机器人增材焊接等功能应用，实现集成作业计划、生产调度、在线质量控制、生产状态、可视化过程监控。

3.2   控制层

现场设备（如各种功能部件、传感检测设备）将采集到的信号传送给GSK设备管理系统，由设备管理系统运算处理后再输出给各功能设备执行。管理系统与数控机床、机器人、增材设备、3D视觉、执行机构之间的信号交互是通过I/O、网络通信完成，以实现远程启动、停止、加工、焊接程序的装载；并能获取数控机床、机器人的基本状态信息、工作模式、主轴位置信息等。

3.3   生产执行层

以航空铸造铝毛坯料加工为背景，将数控减材加工系统、机器人增材焊接系统、测量检测系统、离线仿真建模系统结合一体，并提升生产过程信息化、智能化水平，从而构建一套完整的增减材智能化制造系统。

3.4   数控加工中心控制系统

数控机床控制系统配置GSK-27iG新一代高端数控系统平台，集成多通道、多轴联动、复合、高精、高效加工，全新开发的软硬件平台能满足复杂、精密、智能化设备的加工要求；可适用车削、铣削、磨削、机器人等多种数控设备，功能配置优势：

（1）高速高精加工：复杂曲面加工有效速度8m/ min，最佳加工速度4m/min；具有前瞻功能，预处理段数高达1000段，速度快、精度高、光洁度好。

（2）CAM程序自动优化：针对多种CAM软件生成的加工程序进行自动优化，去除垃圾点，优化加工刀路，提升加工效果。

（3）总线连接：支持GSK-Link以太网总线、主轴和I/O单元多种连接方式；专用总线配置界面，可快速配置从站设备。

（4）人-机-信息融合数字系统：将实体物件与数理模型进行融合，构建数控机床智能化，构筑开放平台，实现远程控制操作及故障维护。

3.5   工业机器人3D增材软件

系统采用PQArt工业机器人离线编程软件，开发了专门针对电弧增材（WAAM）工艺的3D打印工艺模块-增材制造。

（1）机器人工艺规划和虚拟仿真软件，包含场景搭建、工艺规划、虚拟仿真、工艺优化和现场调试等功能。

（2）轨迹规划功能强大：软件根据不同的产品特性，增材制造模块配置了丰富的打印策略选择，具有强大的机器人路径规划功能。

（3）支持切片方式多样：水平切片，多方向切片，旋转平面切片，曲面切片，适用于各类复杂工件。

（4）软件弧焊工艺模块：焊接参数设置功能里设置焊接中所用到的各项焊接参数电流电压等，以及摆动参数摆动长度，摆动方式等，并存储到模板内。

3.6   人机交互

为了能直观地对增减材智能系统生产过程进行监控，配备了触摸屏、看板展示屏，以及视频监控设备。通过以太网与GSK控制系统连接，主要的画面有机床监控、机器人状态、增减材焊接状态和权限设置等，为系统运行管理和故障排查提供了极大方便。

4 增减材智能制造系统具体应用

以航空铸造铝毛坯料为例进行机器人增减材制造主要工艺分析：（1）铸造铝毛坯工装装夹；（2）数控减材工件装配面、外表面缺陷减材；（3）人工打磨清洁增材区域；（4）机器人增材焊接；（5）数控减材到加工精度。依据目前制造工艺制定数控机床+机器人增减材复合制造操作工艺流程：

STO1：毛坯上料，工装夹具切换至减材区域，零件定位夹紧；

STO2：减材模型导入，数控机床进行减材加工；

STO3：打磨抛光零件切削，人工检查清洗，热风清洁表面；

STO4：视觉扫描检测零件，制定增材焊接区域；

STO5：工装夹具切换至增材区域，机器人增材离线仿真程序制定；

STO6：机器人增材焊接，堆焊修补零件；

STO7：工装夹具切换至减材区域，视觉扫描检测外形尺寸；

STO8：数控机床减材零件至所需加工精度，零件拆装下料。

经实际生产验证数控机床+机器人增减材相结合的复合制造系统，制定GSK管理系统模型构架，在同一平台上标定机器人、数控机床、视觉及增材仿真软件工具坐标点及HMI界面的软件程序。依据工艺要求编写数控机床切削、打磨抛光等零件减材加工程序，激光视觉扫描检测功能调试，以及机器人增材仿真离线软件编制，并优化机器人焊接轨迹路径和增材焊接工艺参数，运行时通过轨迹再现方式达到零件增减材要求。实际生产下工单任务，在同一工作平台内数控机床、工业机器人、增材焊接设备高效配合实现增减材复合加工，减少多次转工序装调流程，提升生产效率和零件加工性能，对比之前人工半自动生产效率提高20%-30%。

5 总结

本文构建数控机床+机器人增减材智能制造系统，实现了在同一平台上增减材复合制造应用，数控机床+机器人增减材制造技术取得了显著进展。但仍面临一些挑战，比如增减材制造精度和表面质量控制有待进一步提高，材料性能与焊接工艺、制造工艺的匹配性需要优化，数控系统与机器人增材系统功能软件通信的复杂性，智能生产软件的功能优化等需要持续研究开发。增减材复合制造技术作为先进制造领域的重要发展方向，随着技术的不断迭代进步和应用的拓展，将推动制造业的转型升级和技术创新发展。

参考文献：

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[3] 林泓延, 姚屏, 李道良, 等. 机器人电弧增材制造技术研究现状与趋势[J]. 自动化与信息工程, 2019, 40 (6) : 8 - 19.

摘自《自动化博览》2026年第一期暨《2026具身智能专刊》