试论工业机器人与数控机床融合技术

试论工业机器人与数控机床融合技术

赵志华

沈阳机床（集团）有限责任公司 沈阳 110142

摘要：随着现代化进程的不断推进，对工业产品的要求也不断提高。不仅对产品的精准度提出了更高的要求，而且对产品的型号和种类也要求多了起来。科学技术的快速发展为不同的领域创造了发展机遇，让传统行业得到了快速发展，而机械制造行业中数控机床也得到了发展转型的机会，与工业机器人的融合是机械制造业发展的新模式，该模式是以计算机科学和市场需求为基础的发展。

关键词：工业机器人；数控机床；融合

引言：电子电气、汽车等机械行业中工业机器人得到了广泛应用，提高了机械生产效率，为机械制造企业带来了更好的发展。数控机床与工业机器人的全面融合，使数控机床的精度和加工质量得到提升，同时，也推动了数控机床的快速发展，进而促进数控机床与工业机器人之间资源的相互整合和共享，实现了机械制造业的可持续发展。

一、工业机器人与数控机床融合技术研究的基础

就现阶段工业发展而言，工业机器人在数控机床中的广泛应用是工业生产发展的必然趋势。主要体现在以下两个方面：第一，数控机床的生产制造中国，仍然是依靠生产工人的劳动和传统技术，这样的生产方式会极大的降低生产效率，且工人的劳动量较大，而生产技术人员的不足也是重要问题。在过往的传统生产中，机器人没有应用到数控机床生产中，主要体现在以下两方面：一方面，我国缺乏研发机器人与数控机床技术相融合的能力且缺乏将研发的技术应用到高精密设备中的能力，对于机械设备只能够通过进口，而这样的方式所需成本较高；另一方，我国工业机器人应用领域较为狭窄，只在小部分领域得到应用，如电脑设备、仿真领域、摄像设备、汽车制造以及生物科学等，工业机器人在我国机床设备制造行业的应用较少，无法满足数控机床加工和制造的需求，同时也是我国数控机床自动化能力较低的原因。第二，我国对于数控机床的控制与操作过于依赖人工，数控机床智能化虽然得到了实现，但与真正智能化水平还有一定距离。此外，在教学方面，机器人于数控机床融合技术的落后也使部分高校学生在学习方面也较为落后，学生无法学习到最新技术与技能，不利于我国对专业技术人才的培养，因此，工业机器人与数控机床技术的融合，可以为国家的发展提供动力。

二、工业机器人与数控机床两大产业现状分析

目前，我国生产行业发展水平较低，尤其体现在数控机床等生产设备领域，不仅缺乏国际竞争能力，而且无法在短时间内形成自身的核心产业和竞争力。生产领域中，数控机床设备对智能化信息系统有较高的要求。目前我国生产领域在数控系统中得到了一定的发展，如数控转动系统和机械控制功能的掌握，同时经过不断的研制，制造出了高附加值、高性能的伺服驱动装置，并投入使用和生产中。这些技术的研发促进了工业机器人与数控机床技术得到了进步和创新，也催动了机器人产业的发展。根据我国国情与国际发展形势，数控系统研发部门，机床制造单位等都在不断的尝试与工业机器人技术的融合，同时也推动了机器人行业的发展。现阶段急需政府部门制定相关政策进行引导过渡，否则将会出现产业投资过度、盲目投资等问题的发生。如缺乏创新改造、低端同质化竞争、产能过剩等。这些问题都是工业机器人与数控机床融合技术所带来副作用。目前，我国已经有了大量的数控系统企业进入了机器人行业，且生产技术已经相对成熟。

随着高强度、高风险回报行业不断壮大，工业机器人逐渐被各个领域广泛认可，且已经开始在生产和制造中应用。目前我国仍然在推广产业转型升级，并投入大量资金提供支持，这样的政策对于生产企业而言是发展的机遇，通过政府改进自身的生产技术，加快生产模式的转变，引进更高效的生产设备。

三、工业机器人与数控机床融合的优势分析

工业机器人与数控机床融合技术具有以下点优势：（1）工业机器人可以全面分析数控机床加工要求，合理设定机床工程参数，从而有效补偿数控机床生产中存在的误差，避免产生的误差的累加，进而实现对误差的控制；（2）数控机床生产加工时，工业机器人可以根据机床生产尺寸、规格、形状、型号等，选择合适的夹具，满足机床的不同生产需求。同时，对于生产中使用工具的更换耗时较短，可以在一定程度上提高生产效率。（3）数控机床加工时合理运用工业机器人们可以帮助机床同时完场多种任务，从而拓宽数控机床使用范围。（4）工业机器人可以使数控机床自动化程度得到提高，简化机床生产加工操作，从而减少机床的维护，节省人工成本。近年来，工业机器人的飞速发展，各项功能以及性能得到了完善，其控制系统也逐渐强大，本体结构也逐渐变得更加灵活，智能化程度也得到了提高，数控机床与工业机器人的融合已经成为时代发展的必然趋势。如图一

图一工业机器人

四、工业机器人的特点

机器人主要分为两种，一种是机械生产的工业机器人，另一种是服务人类活动的服务机器人。工业机器人是具备多自由度、可重复编程、多功能的机械设备，工业机器人多用于搬运零件、材料等，其主要的特点有以下两种：（1）可编程。大部分的工业机器人都拥有单独的控制系统，可通过控制面板进行编程来完成行为和动作的执行，适应环境变化的柔性较强。（2）拟人化，大部分工业机器人在结构方面都拥有与手爪、腰转、小臂、手腕、大臂等，可以通过控制器实现对机器人的控制。工业机器人的智能化，是通过安装传感器，如光传感器、力负载、温度传感器等可以模拟人类的感官；语言传感器、声传感器等可以模拟听觉等。通常，可以更换工业机器人手部的操作器实现不同任务的执行。

五、工业机器人与数控机床

最早的数控机床和工业机器人设备出现于20世纪50年代，数控机床比工业机器人早诞生7年。机器人研发者是通过数控机床设备的伺服轴完成对连杆机的驱动，并对控制伺服机，实现机器人的运动。因此，数据机床技术促进了工业机器人的发展。数控机床与工业机器人控制系统相似，都拥有私服驱动、控制区、控制面板等基础部件，使用者可以通过控制面板实现程序输入、手动操作、程序编辑、自动运行等。因为数控机床与工业机器人研发目的不同，所以两者的结构、地位、性能、用途等有较大的的差异性。如图一、二。

图一数控机床

图二工业机器人

（一）作用和地位

数控机床的主要用途是加工零部件，是制造精密设备的机器。没有数控机床的研发就没有机器设备的制造，没有机器设备的无法完成工业产品的生产。因此，数控机床是国民经济发展的基础，其现有的生产模式，仍是制造领域的重要设备。工业机器人发展速度较快，但多用于零部件的包装、装卸、装配、搬运等，或者进行抛光、焊接、打磨、切割等生产设备的简单加工。根据相关数据表明，全球拥有的工业机器人设备数量要少于数控机床设备数量，因此，只有现代生产模式发展变革或者转变，不然工业机器人无法超越数控机床的重要程度，至少不能取代其成为新时代的生产基础。

（二）目的和用途

数控机床研发的主要目的是控制加工轮廓时刀具的运动；工业机器人研发的主要目的是保障工人完成频繁、繁重、重复、时间长、单调的工作，或使用工业机器人进行易爆、粉尘、易燃、有毒、高温等危险环境的工作。总的来说，数控机床是生产设备，而工业机器人大部分是帮助工人完成设备的辅助生产，两者之间不能完全相互替代。特别是工业机器人上下料与数控机床加工技术的组合，可以更好的体现出两者在用途方面的差别。

（三）结构形态

大部分的工业机器人需要具备模仿人行为和动作的功能，由于机器人结构形态较为丰富，因此多使用串联多关节并联轴、球坐标、柱坐标等构建其结构形态，而少数工业机器人的工作空间较为开放。数控机床所拥有的结构形态较为单一，通常都是直角坐标的构造，并以此为基础，扩大其摆动、回转轴的功能，数控机床工作范围较为局限，只能够对设备范围内的产品进行加工。但随着科学技术的不断发展，数控机床与工业机器人的结构和形态正在相互融合。如工业机器人可以使用直角坐标结构进行布局；数控机床通应用虚拟轴的产品也已经有了实用化。如图三、四。

图三工业机器人结构

图四数控机床结构

（四）技术指标

数控机床是工业产品加工中的重要设备，加工精度、定位精度、轮廓加工水平等都是判别数控机床性能的标准。通常数控机床加工精度以及定位精度需控制在0.01毫米或者0.001毫米内，甚至精准可以更高；机床的结构会影响数控机床加工轮廓的质量，对于可以控制五根轴的数控机床，符合所有零件对轮廓的加工条件。

工业机器人主要用于产品的装配、搬运、码垛、装卸等，或者进行抛光、切割、打磨、焊接等设备的简单加工，充分体现出工业机器人动作灵活、承载能力强、作业空间广。除部分特殊设备生产加工外，对于工业机器人的精度没有太高的要求，精度通常控制在0.1毫米至1毫米之间。而控制轴数对工业机器人作用空间、自动度等有直接影响，且对轴数要求较高；一般情况下，工业机器人需要拥有六个轴才可以准确描述物体的位姿，想要实现机器人躲避障碍物的功能，还需要增加更多的控制轴。除此之外，智能化机器人需具备较强的感知能力，因此需要为机器人配备视觉、位置、听觉、触觉等传感设备；数控机床通常只需对位置和速度进行检测，由此得出，数控机床设备检测技术相比工业机器人较低。

六、工业机器人与数控机床融合技术发展途径

数控机床与工业机器人融合技术需要具备以下条件：（1）从融合技术层面来看，数控机床与工业机器人之间在于关键部件的融合，如工业机器人控制系统、锻造等。通过两者的融合可以实现精密制造技术，从而满足大规模生产能力和生产工艺的需求。（2）对于工业机器人而言，可以将人工智能技术集成与数控机床主板中，两者的相互融合不仅体现于技术上，也可以使用终端资源与两者展开深度合作，并大力推广应用型工业机器人，实现两者之间资源的互通。（3）加快单机机床应用能力的研发，加快生产流水线上下料、搬运零部件和机械精细操作的自动化水平，同时将柔性化产品交由工业机器人完成，通过这种方式才能做到精密机械自动化操作功能。（4）加快工业机器人关键部件设备的研发工作，只有加快机器人发展进度，才能够更好的促进数控机床与工业机器人融合技术的创新，进而提高精密部件生产水平和设计，促进数控机床的快速发展和广泛应用。

七、工业机器人与数控机床融合技术集成方式分析

目前，数控机床领域中，工业机器人与数控机床融合技术的应用已经走在两者发展的前端。数控机床与工业机器人的融合中，主要集成方式有以下几方面：一是工作岛的集成可以实现数控机床与工业机器人之间一对一和一对多联机加工模式，从而促进两者之间的相互融合。二是柔性制造系统的集成，在数控机床与工业机器人融合中，应用柔性加强技术，可以通过利用其控制作用，实现数控机床设备和工业机器人的融合，通过辅助设备完成两者之间的联网组线可确保其融合的有效性。三是数字智能车间集成，在数控机床加工中，应用智能化软件或者设备，可以有效提高其智能化程度，而这样的方式也为数控机床与工业机器人之间的融合奠定了有利的基础，而5G网络的应用，可以促进两者的融合并拓展到网络之外。四是智慧信息系统集成，智能化生产车间的建设，为数控机床控制无人机创造了良好条件，通过应用信息化管理系统，可以提高人工管理和数控机床生产的大数据化，从而转变生产模式，同时对工业机器人的应用提供技术保障。

结论：综上所述，工业机器人的快速发展，在各个领域中得到了广泛的应用。数控机床及数控技术在机械制造行业中占据重要地位，为提高机械加工效率和质量，在数控机床工作中应用工业机器人，可以提高数控机床加工水平，从而为国民经济的提高创造有利条件。数控机床与工业机器人融合也是产业链之间的融合，两者在融合中应强化成果分析和交流沟通的效果，同时也需加强研发人员的培养，结合最先进的技术推动两大产业的发展，也有利于提升我国的综合竞争能力。

参考文献：

1. 杨建绒.工业机器人上下料技术及数控车床加工技术组合应用研究[J].中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术,2016(10):00228-00228.

2. 王俊卿,仲建军.工业机器人与数控机床融合技术研究[J].科技创新导报,2019,16(04):79-80.

3. 杨静,杨红平,张慧,等.工业机器人主动安全系统中的信息融合技术研究[J].天水师范学院学报,2019,039(002):64-69.

4. 兰贵.上下料工业机器人与数控机床联机运行的设备改造与教学资源开发——以液压冷却系统改造为例分析[J].冶金管理(11):2.

5. 廖丰政.工业机器人技术在农村职业学校数控技术专业的融入探究[J].中国高新区,2019,000(001):43.

6. 韩鸿鸾.工业机器人与CNC机床集成上下料工作站技术应用[J].金属加工:冷加工,2018,No.798(01):72-75.

7. [1]薛小晶.智能控制的价值分析及其在机电一体化系统中的应用[J].中小企业管理与科技(中旬刊),2021(10):191-193.

8. [1]谭敏,刘昭琴,吴江.机器人控制系统的机电一体化研究[J].电子技术与软件工程,2021(15):115-116.
   
   

作者简介：赵志华（1980.01-），男，满族，辽宁兴城，本科，机械工程师，沈阳机床（集团）有限责任公司，机床,110142。