机器人与机床集成应用的现状与问题

随着我国装备制造业转型升级，在市场需求和技术进步双重作用下，近几年来工业机器人与数控机床集成应用发展很快，应用的形式不断扩展，对当前机床智能化潮流带来新的推动。

一、机器人与机床集成应用的快速发展

权威的专业展览会是反映一个行业总体情况和技术趋势的最佳窗口。我们不妨从近三年来几个国内外知名机床展览会，看一下机器人与机床集成应用的发展情况。

（一）CCMT2014展览会的情况

该展会全称是中国数控机床展览会，由中国机床工具工业协会于2014年2月24-28日在上海新国际博览中心举办。展会上共展出64台6关节机器人与机床集成应用的案例，比上届展会（CCMT2012）的31台增加1倍之多，足以说明当前机器人与机床集成应用的热度。

在这次展会上，首次出现了机器人制造商、机器人集成商和机器人应用企业齐聚的场面。展出自行制造机器人的机床企业，也由上届3家增至7家，分别是：广州数控、南京埃斯顿、大连机床、华中数控、大连光洋、北村机床、成都广泰等，其中有4家原来的主营业务是数控系统。

展会上引人注目的，还有秦川机床集团展出自行开发研制的机器人专用RV减速器，以及大连光洋展出了具备刀库和电主轴的铣削机器人，这使机器人本身演变成了一台加工中心。

（二）EMO2013欧洲机床展览会的情况

该展会由欧洲机床工业合作委员会于2013年9月16-21日在德国汉诺威举办，其众多工业机器人与数控机床集成应用案例成为展会一大亮点。特别是KUKA公司与SIEMENS公司联合举行新闻发布会，宣布双方将展开全面业务合作，共同推进“工业4.0”的智能自动化解决方案，成为展会的一个重要事件。在CCMT2014展会上，这两家就已经进行了机器人与机床集成应用的联合展示。

在展会上，机器人与机床集成应用的展示比比皆是。例如，DMG MORI公司展出了工业机器人上下料等多种自动化加工解决方案。SPINNER公司展出的6台数控车床展品，都有机器人上下料。MAZAK、OKUMA、EMAG、大连机床集团等公司也展出了机器人与机床集成应用的展品。

（三）IMTS2012展览会的情况

该展会由美国机械制造技术协会于2012年9月10-15日在美国芝加哥举办。在该展会上，工业机器人的参展阵容空前壮观，全球四大机器人制造商KUKA、ABB、YASKAWA（安川）、FANUC均高调亮相，展出了数量众多，规格、用途各异的机器人展品。其中，FANUC公司不仅展出了焊接机器人、搬运重量达1350kg的搬运机器人，还在现场演示4台钻削中心和两台机器人组成的柔性制造单元；KUKA公司则在展台的中心位置展示了一台切削机器人。其他参展机器人厂家更是不胜枚举。

国际知名的机床制造商DMG MORI、MAKINO、MAZAK、OKUMA、斯来福临、大连机床等许多机床制造商也纷纷展示数控机床与工业机器人组成的柔性单元，海克斯康（Hexagon）展示了机器人在测量方面的应用，Weldon Solution公司展示了机器人在分拣方面的应用。

从以上3个知名机床展，我们可以清楚地看到工业机器人正大踏步走进机床领域，并与机床结合在一起，为用户提供各种个性化的智能制造装备。

形成这种快速发展趋势的原因，固然与我国工业转型升级带来的引领和催化作用、我国人力成本的快速提高、工业机器人价格降低与性能提高这些普遍因素有很大关系，同时也有机床领域的特殊原因，一是当前随着机床数控技术的不断完善，各种自动检测、动态补偿技术的成熟，机床技术的发展已经进入智能化新阶段，机器人的加入只是起到了一种推波助澜的作用；二是机器人与机床的集成应用还具有一些特殊优势，例如，机床密度加大，厂房利用率提高；辅助时间缩短，提高机床工作效率；操作精确性和可重复性比自然人高; 工伤的可能性大为减少；可长时间连续工作，而没有情绪问题和情感需求，等等。

二、机器人与机床集成应用的主要形式

在焊接、搬运、码垛、装配等大多数应用领域里，工业机器人是作为主机使用的。与此不同，与机床配套的机器人一般是作为辅机来发挥作用的。当前具体的应用形式主要有：

1、单机上下料单机上下料是机器人在机床上最典型和最成熟的应用。它比人工上下料更准确、迅速、安全。对生产批量大、加工时间短的中小零件加工，或需吊装的笨重工件而言，机器人上下料的优势特别明显。

机器人与机床的结构关系分为机器人安装于机床外部和与机床构成一体两种形式。安装于机床外部的机器人，又分为固定式、移动式和椼架式等类型。

2、机器人与机床组成柔性生产线由机器人承担工件的工序转换工作，与若干台机床组成柔性生产线，是一种比单机上下料更为复杂也更有价值的一种应用。在当前工业转型升级过程中，市场需求越来越旺盛。

在这种应用场合下，机床布局取决于工艺路线和现场条件等因素。常见的有L型、U型和直线型、对面布置等形式，其中三台数控机床构成U型的布局，由一台机器人在场地中间进行工件转换，这种布局十分紧凑。

3、与机床共同完成加工工艺过程机器人夹持工件在冲剪、折弯机上实现加工操作，不仅是简单的上下料，而是替代了所有原来的人工作业。这比人工操作现加准确和快速，从而提高了产品质量和生产效率。尤其是彻底解决了冲压类机床的工伤隐患。

4、独立完成加工工序给机器人装上专用手爪，机器人可以完成切割、打磨、抛光、清洗等工艺过程。甚至于可以让机器人直接夹持切削工具，对工件进行打孔、攻丝、铆接，也可以进行切削加工。在这种情形下，机器人本身就是一台机床。

具备视觉、触觉的机器人可以用于组装、零件分选等复杂工序，即使是上下料，也可以不用带有定位装置的专用工位器具。

给机器人装备特殊手爪，可用于高温环境下作业的铸造、锻造机械，完成取铁水、浇注、上下热毛坯、更换热态的模具等人工难以直接完成的工作。

工业机器人是一种高柔性的通用自动化装置，它的应用场合和功能具有无限的拓展空间。在与机床的集成应用中，工业机器人的具体应用形式也在不断发掘和创新当中。

三、国内机床企业研制与应用机器人的情况

由于工业机器人在原理和结构上与数控机床有很多相似之处，都是由数控系统控制、伺服电机驱动，实现精确位置移动的自动装置，因此机床制造企业在工业机器人的研制上具有相当的优势。因此，国内外有不少机器人制造企业都有机床制造的根底。

国内也有一些目光敏锐的机床企业，察觉到即将到来的巨大商机，从几年前就介入了工业机器人的研发制造。目前国内开展机器人研制的机床企业主要有两类，一类是数控系统厂商，如广数、华中数控、南京埃斯顿、大连光洋、成都广泰；另一类是产品门类比较齐全，在承接成套项目上具有优势的主机厂，如大连机床、沈阳机床、西安北村等。此外，以精密齿轮制造见长的秦川机床集团，经过多年刻苦攻关，成功研制出了机器人专用的RV减速器，并已开始走向产业化。

这些企业中，广州数控和南京埃斯顿已经进入国内工业机器人的主要生产厂家行列，具有相当的知名度和影响力。广州数控起步研制工业机器人已有六、七年时间，现在已经具有1000台的生产能力，在机床应用方面也积累了很多成功案例。南京埃斯顿则更侧重于机器人在成形机床上的应用。

四、目前需关注和解决的一些问题

目前国内企业在机床上应用机器人还处于起步阶段，许多理论和实践问题还没有充分认识与解决。例如最多见的应用形式还是将机床和机器人简单地组合在一起，各自使用一套控制系统。要充分发挥机器人与机床集成应用的优势，还需做出不懈努力。

1、机床企业研制机器人应充分发挥产业相关的固有优势，树立更高的发展目标。从基础理论的研究与应用，到制造与装配工艺的完善，到减速器、伺服电机等基础零部件的突破，不断努力，为提升国产机器人的水平和质量做出贡献。

2、为促进机床与机器人集成应用水平的提升，应加紧相关的技术标准的研究与制定。在这一领域，对机床和机器人的控制系统和机械结构都有一些特殊要求，需要通过标准的制定进行规范。

3、应积极开展机器人专门人才的培养和相关知识的普及。由于是新兴产业，机器人的研制和应用人才都很稀缺。特别是应用方面，目前在国内，无论是机器人集成商还是用户，知识和经验还不同程度地匮乏，往往因此导致项目的挫折和失败。

4、与机器人协同工作的机床应具有足够的自动化功能。例如加工精度的自动检测、刀具磨损情况的自动检测与补偿及刀具的自动更换等，从而保证柔性工作单元的连续稳定运行。

5、对协同工作的机器人和机床应进行联合设计，分别进行必要的适应性改变。这里不仅有机械结构（例如防护结构）的改变，也有控制系统的整合、各类传感器的布置等，从而形成一个空间布局统一合理、功能相互协调的有机整体。

鉴于机器人研制以及与机床集成应用的发展现状，相关企业应建立有效的组织联络机制，以加强沟通与合作，充分做到资源共享与优势互补，及时建立必要的技术规范与标准，形成产业发展的合力。这对我国机床工具行业的转型升级也必将起到有益的推动作用。