工业机器人与金属成形机床的集成应用

摘要：工业机器人作为综合性的高新技术产品，实现了数字控制、驱动制造、精密传动与IT、传感和信息等技术的有效集合。而在当前数字制造时代背景下，数控技术与人工智能推进了工业机器人与金属成形机床的迅速融合。并通过高效组合形成了自动化极强的集成单元，可以为工业生产提供更为多元的的智能解决方案。基于此，文章立足于当前工业机器人与金属成形机床集成的常见应用类型，分析了其主要形式。进而探讨了二者集成应用中存在的问题，并提出了相应发展途径。

当前，我国已成为全球最大的工业机器人市场。据国际机器人联盟(IFR)统计数据显示，2015年，我国工业机器人的用量共为6.7万台，已成为全球工业机器人的第一大市场。并且，我国先后发布的《中国制造2025》、2016-2020年机器人产业发展规划中均提出，到2020年，实现我国自主品牌工业机器人年产量10万台。其中，六轴及以上工业机器人年产量超过5万台。在工业机器人制造业不断发展的同时，我国装备制造业也在逐步转型升级。近年来，在先进技术进步与市场需求多元化的双重作用下，考虑用工业机器人代替人力劳动的企业逐渐增多。而长期以来，汽车制造行业作为工业机器人应用的主要领域，受消费者自动化需求的提升，进一步扩大了工业机器人的应用范围。包括除焊接外的其他大部分领域，如汽车机床喷涂、打磨、物料搬运码垛、上下料与装配等。在机床工具的组成部分当中，金属成形机床所处的位置即为重要。其成形加工中通常伴有金属粉尘、噪声污染、高温高湿与高劳动强度等，工作对工作人员身体健康的伤害程度较大，且简单枯燥，因此企业招工较为困难。而将工业机器人与金属成形机床相集成，既能有效提高汽车加工的精度、安全性与工作效率，又可以解决企业用工难问题，发展空间较大。由此，需对工业机器人与金属成形机床集成应用进行研究，为汽车制造业发展提供借鉴[1]。

1、工业机器人与金属成形机床集成的应用类型

1.1工业机器人的激光切割

工业机器人定位精度高，因此，应用其进行激光切割已成为激光切割与工业机器人应用领域的主要热点。在工业机器人手臂中集成激光束引导装置，当工业机器人跟踪工件轮廓的同时，激光束也在工作，从而实现切削。此类型应用的主要特点包括：工业机器人运动灵活、柔性高；激光切割质量好、速度快且切缝窄，极大地满足了现代制造业的发展需要。

1.2热模锻集成

热模锻生产线通常由切边与冲压两台模锻压机组成。在此生产线上，工业机器人集成应用通常会配置两台机器人，一台用于将中频处理后的高温物料，移送至冲压成型模锻压机；另一台负责从冲压成型模锻压机取料后，移送至另一台模锻压机进行切边。为了避免模具被粘附与高温冲压工件上，每次冲压后需用石墨对模具进行润滑。而此过程处于高温高湿环境中，既可由专门机构操作，又可由工业机器人完成。如由后者进行，可以大幅提升系统安全性于加工效率。但需做好机器人的维护工作，提升其抗热、抗辐射的能力。

1.3数控折弯机集成

工业机器人折弯集成应用可分为两种主要方式，一是工业机器人与金属成形机床中的各类设备形成板材柔性加工线，包括真空吸盘抓手、定位台、板料传输线、工业机器人行走轴与激光设备或数控转台冲床等；二是工业机器人以折弯机为中心，配置真空吸盘，磁力分张上料架、定位台、下料台、翻转架形成折弯单元。制造商利用自身在工业机器人控制系统和机床数控系统上的技术优势，实现可实现二者的无缝连接。进而开发出折弯软件包，对折弯过程中工业机器人托料实现闭环控制[2,3]。在不同折弯速度下，工业机器人实现了自动匹配的完全跟踪，使折弯示教实践叫从前缩短十倍。

2、工业机器人与金属成形机床集成应用的主要形式

工业机器人在金属成形机床中的应用领域较为广泛，包括码操、搬运、焊接与装配等，但一般被作为辅机使用。目前，工业机器人与金属成形机床集成应用的主要形式如下。

第一，二者集成柔性生产线。此种形式中，工业机器人承担的工作任务是转换工件工序，并与多台金属成形机床组成柔性生产线。其较某种单机上下料更为复杂，价值也更高。在当前工业转型升级时代背景下，市场需求的旺盛程度不断增加。因此，现场条件与工艺路线等因素对金属成形机床的布局起着决定性因素。常见类型包括对面布置型、有直线型、U型和L型等。其中，由三台金属成形机床构成的U型布局，主要由一台工业机器人在场地中间进行工件转换，布局特别紧凑。

第二，单机上下料。此种形式中，工业机器人在金属成形机床中的应用最为成熟与典型。其对需要吊装的笨重工件，以及加工时间短且生产批量大的中小零件加工来说，明显优势是比人工上下料更为安全、速度快且准确。工业机器人与金属成形机床的结构关系可分为两种形式，即与金属成形机床构成一体和工业机器人安装于机床外部。其中，后者又可分为衔架式、移动式和固定式等[4]。

第三，独立完成加工工序。此种形式中，为工业机器人装上专用手爪，其便可完成机床清洗、抛光、切割与打磨等工艺。甚至可以直接夹持切削工具，对工件进行切削加工、铆接、攻丝与打孔等。此外，可将其用于高温环境下，进行人工难以直接完成的工作，包括更换热态模具、上下热毛坯、浇注、机械锻造与铸造与取铁液等。在此情形下，工业机器人本身便可视为一台金属成形机床。并且，具备触觉与视觉的工业机器人，可以被用于复杂工序中，如零件分选、上下料与组装等，且无需携带专用工位器具。

第四，共同完成加工工艺。此种形式中，工业机器人在冲剪、折弯机上夹持工件，从而实现加工操作。此工作不仅是简单的上下料，而是替代全部的传统人工作业。此形式的主要优势是较人工操作更为快速、准确，可以大幅提升提高生产效率与产品质量，甚至有利于彻底解决冲压类机床工作中的工伤隐患。

3、我国工业机器人与金属成形机床集成应用的现状与问题

工业机器人与金属成形机床在制造原理和结构等诸方面均较为相似，如伺服电机驱动、数控系统控制，以及可实现精确位置移动的自动装置等。因此，金属成形机床制造商在工业机器人的晒制上优势较为明显。而这些优势带来的巨大商机，早已被国内诸多目光敏锐机床制造企业所察觉。所以，早于多年前，便已有部分机床及企业介人对工业机器人

的制造与研发。发展至当前，我国开展工业机器人研制的金属成形机床企业，主要为数控系统厂和主机厂两类。其中，后者的产品门类较为齐全，主要优势集中于成套项目承接。

然而现阶段，虽然我国工业机器人与金属成形机床的集成应用正日趋广泛。但从行业的整体发展程度来看，二者集成应用在数量与规模上，均处于初级起步阶段，与发达国家仍有较大差距。主要表现为以下几方面：第一，工业机器人与金属成形机床集成应用所处水平较低，诸多先进技术仍未充分应用。并且，应用形式仅是简单地将金属成形机床和工业机器人相组合，但各自使用分离的控制系统。第二，行业内部缺乏可借鉴与参考的技术标准规范或理论基础，制造商与用户均缺乏充足的知识与经验。第三，工业机器人领域属于新兴行业，相关应用型专业人才十分匮乏，导致诸多项目受阻。总体而言，在工业机器人与金属成形机床集成应用中，许多理论与实践问题均未得到充分认识、论证与解决。

因此，要充分发挥工业机器人与金属成形机床的集成应用优势，还需各餐祝主体的不懈努力。

4、工业机器人与金属形成机床集成应用的发展路径

根据上文所述，当前我国工业机器人与金属成形机床集成应用中仍存在诸多问题。因此，需从以下几方面对二者的集成应用进行探讨，充分发挥二者的合力优势，推进汽车制造企业发展进程。

其一，汽车机床企业在研制工业机器人的过程中，应充分发挥产业自身固有优势，树立更高的发展目标。制造商应立足于自身实际发展需要，完善工业机器人与金属成形机床集成应用的基础理论研究，提升工作工艺与转配。同时，需不断创新，突破减速器与伺服电机等基础零部件的传统束缚，大幅提高国产汽车制造工艺的质量与整体水平。

其二，在金属成形机床的制造过程中，需加入充足的自动化功能，促进其与工业机器人工作的协调开展。在此过程中，汽车制造商需加强对刀具中先进技术的应用研究，包括强刀具磨损与补偿道具的自动检测与更换等，有效保证汽车机床加工各单元工作的持续稳定开展。

其三，汽车加工制造商需对共同协调工作的双方进行联动设计，并对工业机器人与金属成形机床做出适合双方的相应调整，形成二者度集中的协调有机统一体。此设计与调整不单是改变机床机械的结构，还应包括调整设备传感器与整合控制系统等，实现工业机器人与金属成型机床的空间集成。

其四，在促进工业机器人与金属成形机床的集成应用过程中，应制定较为完善的技术规范与流程，有效满足二者对机械结构设计与控制系统等的特殊要求。因此，汽车制造企

业间应建立完备的组织联络机制，并在机制中建立必要的技术标准与规范，加强各环节的交流、沟通与协作，充分实现优势互补、资源共享与发展合力，推进我国机床工具行业转

型升级[5]。

其五，为加快工业机器人与金属成形机床集成应用的普及，应加大对专业领域人才的培养力度。一方面，需加大工业机器人研制与开发相关专业人才的培养力度，促进工业智能机器人的应用与普及。另一方面，在汽车金属成形机床制造领域，应加强对工业机器人应用人才的培养，并不断深化关人才的专业知识与技能水平。