摘要：在制造业中， CNC 数控系统发挥着重要作用， 而 CNC 上下料系统是提高生产效率和自动化水平的关键环节。传统的 CNC 上 下料系统存在操作繁琐、效率低下和安全风险的问题。随着智能制造技术的快速发展， 协作机器人作为智能制造的重要实现工具 之一， 受到了广泛关注。引入智能协作机器人来实现自动化的物料上下料过程， 在现有的数控机床上实施智能化改造， 通过加装 KUKA 机器人、电气控制系统及工业相机等硬件设备， 实现数控机床的智能化生产功能， 在减少劳动强度的同时大幅缩短了生产 周期， 提高了生产效率和产品质量。通过改造方案， 成功将智能协作机器人应用于 CNC 上下料系统， 实现了自动化的上下料过 程。该方案不仅提高了生产效率， 还增强了工作安全性， 为制造企业带来了更高效、更安全的生产流程， 有助于推动制造业的 智能化发展。

　　关键词：智能制造;协作机器人;上下料功能; 智能化改造

　　Transformation of CNC Loading and Unloading System Based on Intelligent Collaborative Robot

　　Chen Kui ，Zhang Wenjin

　　(Suzhou Higher Vocational School, Suzhou, Jiangsu 215009. China)

　　Abstract: In the manufacturing industry, the CNC machining systems play a crucial role, especially the CNC loading and unloading system is a key aspect for improving production efficiency and automation level. The traditional CNC loading and unloading systems suffer from cumbersome operations, low efficiency and safety risks. With the rapid development of smart manufacturing technologies, the collaborative robots as an important tool for realizing intelligent manufacturing, have garnered significant attention. The intelligent collaborative robot is introduced to realize the automatic material loading and unloading process, and the intelligent transformations on existing CNC machine tools is implemented. By installing hardware devices, such as a KUKA robot, an electrical control system, and an industrial camera, the CNC machine tools are endowed with intelligent production capabilitie which not only reduces labor intensity but also significantly shortens production cycles, thereby enhancing production efficiency and products quality. Through the transformation scheme, the intelligent cooperative robot is successfully applied to the CNC loading and unloading system, and the automatic material loading and unloading process is realized. By using this scheme, not only the production efficiency is improved, but also the work safety is enhanced, providing manufacturing enterprises with a more efficient and secure production flow, which is promoting the intelligent development of the manufacturing industry.

　　Key words: intelligent manufacturing; collaborative robot; loading and unloading function; intelligent transformation

　　引言

　　智能制造是当前制造业发展的重要方向之一， 其核 心在于将先进的人工智能技术与传统制造工艺相结合， 实现生产过程的自动化、智能化和高效化[1-3]。在智能化 制造的趋势下， 协作机器人逐渐成为工厂生产线上一个 不可或缺的角色[4-9]。而在制造行业中， CNC 加工技术的 应用也已经十分成熟， 并且被广泛应用于各类零部件的 加工。然而， 传统的 CNC 设备往往需要由专门操作人员 进行上下料， 力求稳定性和生产效率却牺牲了灵活性。 这导致了生产线的某些环节仍然依赖于人工操作， 且对 操作员的技能要求较高[10-12]。因此， 如何在 CNC 加工中引入协作机器人， 以提升整体的生产效率、降低生产成 本，成为了一个亟待解决的问题。

　　在这样的大背景下， 为加快推进产业智能化改造和 数 字 化 转 型[13-14] ， 深 化 实 施 先 进 制 造 业 集 群 培 育 计 划[15-16] ，职业类学校提出了建设智能制造人才培养基地 的设想[17] ， 旨在引领数控技术现代化专业群转型升级， 由传统加工制造类专业群逐步升级为智能制造专业群[18]。

　　本文对协作机器人 CNC 上下料系统进行了实践探 索， 在现有数控机床上实施了智能化改造， 通过引入 KUKA 机器人、电气控制系统及工业相机等硬件设备， 实现 CNC 上下料系统的智能化生产功能。通过协作机器人的 CNC 上下料系统改造， 提高企业生产效率， 增强工 作安全性， 为制造企业带来更高效、更安全的生产流程， 为制造业智能化发展提供有益的借鉴与推动。

　　1 数控机床智能化改造要求

　　数控机床的智能化改造， 旨在通过引入先进的信息 技术和人工智能技术， 提升机床的自动化、智能化程度， 以实现更高效、更精确、更灵活的加工操作[19]。本设计 以智能制造技术推广应用实际与发展需求为依据， 将数 控车床、加工中心、工业机器人、仓储单元、电气控制 系统、工业相机等典型加工制造单元集成为智能制造设 备，搭建数控机床自动上下料加工制造系统。

　　该套智能制造系统的工作要求： 机器人根据 CNC 设 备的生产计划和指令，自主地从物料区域获取需要加工的 工件，并通过运动规划优化路径，快速、精准地将工件送 至 CNC设备; 在加工完成后， 机器人再次准确地将成品 取出并放置到指定位置。具体流程：机器人的机械气动夹 爪运动到原料区，检测到料盘上有待加工工件后，机械手 从原料区抓取工件安装到数控机床的夹具上，数控机床接 收到机器人上料完成的信号后进行加工， 并将工件加工完成的信号反馈给机器人， 指导机械手完成下料工作， 机械手再将加工好的产品搬运至吹屑和工业相机处进行清理和检测， 最后将合格的产品放置到成品区， 按照上述流程再进行下一个工件的加工， 直至完成原料区所有工件的加工。机械手自动上下料工艺流程如图1所示。

　　2 数控机床智能化改造方案

　　本次改造要求数控车床、加工中心和工业机器人协 调动作， 实现数控设备自动上下料、成品清洗和检测等 基本功能自动化， 并增加安全防护装置。基于此， 在已 有的 FANUC 0i-Mate TD 数控系统的纽威 NL5025SA 数控 车床、 FANUC 0i-Mate MD 数控系统的 VMC850E 沈阳立 式加工中心基础上， 配置基恩士 IV-500CA 工业相机和 KUKA KR 6-30 6 轴搬运机器人。该机器人配置有 CHE ‐ LIC HDW32 型双机械夹爪， 如图 2 所示。为确保操作人 员和设备的安全， 还需安装安全防护装置， 如光栅、安 全门、急停按钮等， 以及与控制系统连接的安全监测设 备， 实现对动作过程的安全监控和紧急停止。

　　2.1 数控机床改造

　　为实现工业机器人的自动上下料功能， 需将数控机床的手动防护门改造为气动自动门， 配套磁极开关和接 近开关， 并在机床操作面板上设置快捷按钮[20] ，通过编 写机床 PMC程序实现自动门的开、关控制; 同时配合工 业机器人末端夹具的自动取料和放料功能， 需将加工中 心的普通三爪卡盘改造为软爪的气动卡盘， 根据信号先 后顺序实现卡爪的松开与夹紧， 数控车床的三爪卡盘是 液压控制的， 因此不需要进行改造。此外， 还需对机床 的电气柜、机床刀架系统、吹扫装置、监控装置、检测 装置及排屑等装置进行不同程度的升级和改造。

　　为了实现三爪卡盘、安全门、吹气装置等装置的气 动控制，改造后的机床还需配置带进气节流阀的双作用活 塞式气缸、带消声器的电磁换向阀、气动三联件、气管及 导轨配件。三爪气动卡盘选用倍得福 KL160TQ-3.需配 置对应的气动附件、支撑结构件、工件垫高结构件、压紧 件及软爪(为适应不同尺寸工件的加工，软爪厚度可调)。

　　2.2 电气系统改造

　　针对机床上下料设备的控制系统， 进行优化改造以 提高自动化程度和操作便利性。因此， 需对数控机床和 工业机器人的电气控制部件进行升级改造。为了实现数 控机床和机器人的联动功能， 增加了电气控制柜， 如图 3 所示。该控制柜上集成了电源模块、PLC 模块、低压元 器件及触摸屏等模块，用以控制整套设备的运行。

　　PLC 和触摸屏的组合可以实现对数控机床上下料系 统的全面控制。 PLC 作为主控设备， 负责处理各种信号 和执行控制逻辑， 而触摸屏为操作人员提供直接的人机 交互界面， 使系统操作更加灵活和便捷。本次改造选用 型号为 CP1L-M40DR-A 的欧姆龙 PLC 和 5.7 in 的威纶通 触摸屏。

　　根据机器人与数控机床协作上下料控制系统的功能 要求， 以及系统 I/O地址分配的方案， 设计了系统的输 入输出硬件接线图， 如图 4 所示。

　　2.3 PLC 控制功能改造

　　在进行数控机床智能化 PLC 控制功能改造时， 需要 充分考虑设备的可靠性、稳定性和安全性。确保改造后 的控制系统能够正常运行， 并满足相关的法规要求。将各类按钮、开关、传感器等产生输入信号的设备与 PLC 的输入端子连接， 将接触器、电磁阀等接收输出信号的 被控设备与 PLC 的输出端子连接。本控制系统 PLC 的输 入/输出端子的 I/O 分配表如表 1 所示。

　　该案例改造中利用 FANUC 预留的 I/O 接口与欧姆龙 PLC 进行信号传输来实现机床上下料的功能。将 FANUC I/O 板上预留的输入/输出点与欧姆龙PLC 连接， 用以控 制数控机床和机器人协同动作。因此， 还必须对数控机 床的 PMC 程序进行二次开发， 按照设计方案编制数控系 统的 PMC 程序。根据系统的控制要求， 结合各输入、输出点的接线原理图， 编写该系统的 PLC 控制程序， 如图 5 所示。

　　根据上述改造方案， 最终改造升级后的智能加工系 统平台如图 6 所示。

　　3 数控机床上下料系统联调

　　首先， 确保上下料系统的机械装置正常运行。检查 传动装置、导轨、夹具等零部件是否安装正确、灵活运 转， 并进行必要的调整和修正。接下来， 进行电气部分 的调试。核对 PLC 程序是否正确加载， 检查传感器、开 关、继电器等电气元件是否连接正确。根据设备的实际 情况，逐步调试各个动作模块， 如上升下料、夹取工件、 传送工件等。确保信号传输正常、动作稳定可靠。在完 成单个部分(上料或下料) 的调试后， 进行联动调试。 根据设备的操作流程， 设置上下料的启停条件、动作顺 序和时间间隔等参数。通过触摸屏或其他控制界面操作， 观察并记录系统的联动效果， 如上料+加工+下料的完整 过程。根据联动调试中观察到的问题和现场实际情况， 进行参数优化。调整上下料的速度、位置精度、延时时 间等参数， 以达到更好的工作效果和生产效率。在进行 联动调试时， 还应确保设备的安全性。遵循相关的操作 规程和安全操作要求， 如安全门、急停按钮、防护装置 等应正常工作，确保操作人员和设备的安全。

　　图 7 所示为 KUKA 机器人整个运行过程的主程序。

　　最后， 对改造完的 协作机器人 CNC 系统进 行上下料联调测试。开 启设备总电源， 气泵开 关打开 ， 待气压稳定 ， 设备及物料台上无异物 后， 初始化设备。在手 动状态下， 按下复位按 钮， 完成设备初始化设 置。人工将原料放入原 料盘→ 按下控制柜上的 启动按钮→ 机器人运动 至规定位置等待→ 机械 手气动夹爪打开下移夹 取原料→ 机器手夹持原 料运动至规定位置等待 → 数控车床安全门打开 → 机器手空夹爪夹紧车 床卡盘上的半成品物料 → 数控车床卡盘打开→机器手夹持半成品物料移出车床卡盘并将另一夹爪原料 放进卡盘中→ 车床卡盘夹紧原料→机械手夹爪松开原料 并夹持半成品物料退出车床外， 同时数控车床安全门关 闭并开始车削加工→机械手夹持半成品物料移至加工中 心外安全位置等待→加工中心完成产品加工→加工中心 安全门打开→机械手空夹爪夹紧加工中心卡盘中的产品 →加工中心卡盘打开→机械手夹取移走卡盘中的产品并 将另一夹爪中的半成品放入卡盘→加工中心卡盘夹紧半 产品→机械手夹爪松开半产品并夹持成品退出至加工中 心外安全位置， 此时加工中心关闭安全门并开始铣削工 件→机械手夹持成品移送至清洗(清洗气嘴打开清洁产 品)、检测工位(CCD 相机拍照检测) → 机械手夹持成 品移动至产品物料盘并放置→机械手返回初始位置→重 复以上步骤，直至完成原料盘上所有工件的加工。

　　4 结束语

　　采用先进的自动化技术来改造和提升传统设备功能， 使其适应智能化设备的需要，是我国未来制造业的发展方 向。本文针对传统制造业中数控机床手动上下料过程存在 的一些挑战和问题， 在现有数控机床上加装 KUKA 机器 人、电气控制系统及工业相机等硬件设备， 不仅使其满足了数控机床应有的切削加工要求，而且还能完成上下料、 清洗和检测等任务，大大降低了劳动强度，提高了工作效 率，实现了数控机床的智能化生产功能，在减少劳动强度 的同时大幅缩短了生产周期，提高了生产效率和产品质量。

　　本次改造的智能协作机器人 CNC 上下料系统是继 FANUC 数控机床自动上下料系统开发实践探索后的又一 次创新与实力跃迁， 研究成果可为智能制造领域的发展 提供参考。

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