机械工程中工业机器人与CNC 机床的协同作业系统设计与调试研究

一、引言

传统机械加工中，CNC 机床的高效加工能力与人工上下料的低效率形成显著矛盾，导致设备利用率不足 60‰ 。工业机器人凭借其连续作业、重复精度高的优势，与 CNC 机床形成功能互补。二者协同作业系统通过统一控制与信息交互，可实现 “ 上下料 - 加工 - 检测 - 转运” 全流程自动化，不仅能提升生产效率，还能降低人工操作带来的误差与安全风险。目前，该技术已广泛应用于汽车零部件加工、航空航天精密制造等领域，但在多设备协同调度、动态响应速度及安全防护等方面仍存在优化空间。本文结合实际工程需求，构建一套完整的协同作业系统设计与调试方案，为同类项目提供参考。

二、协同作业系统整体设计

（一）系统架构搭建

协同作业系统采用“ 三层架构” 设计，保证功能模块化与可扩展性。设备层涵盖工业机器人、CNC 机床、辅助设备及感知单元，其中视觉传感器用于工件姿态识别与定位，力传感器调节机器人抓取力，提升抓取稳定性。控制层以PLC 为核心控制器，搭配工业触摸屏（HMI）构成控制中枢，PLC 解析指令、协调设备动作，HMI 提供参数设置等功能，支持操作人员实时干预。通信层采用“ 工业以太网 + 专用协议” 混合通信模式，工业以太网实现高速数据传输，Modbus - RTU 协议连接传感器与执行器，确保感知数据实时反馈。

（二）核心硬件选型

工业机器人根据加工工件重量与作业半径需求，选用六轴关节型机器人，重复定位精度高、负载大，满足中小型零件抓取与搬运需求。CNC 机床选用立式加工中心，配备数控系统，定位精度高，支持四轴联动加工，适配复杂零件工艺。感知与安全设备采用工业相机实现工件定位，安装安全光栅与急停按钮，检测到人员进入危险区域时触发急停，保障作业安全。

（三）软件系统开发

机器人程序开发：基于机器人厂商提供的离线编程软件（如 ABBRobotStudio），采用 “ 示教 + 离线编程” 结合的方式，规划抓取路径。针对不同工件，开发模块化程序库，支持快速调用与参数修改，减少换型时间。

CNC 加工程序优化：利用 UG/CAD 软件生成刀具路径，导入FANUC 系统后，通过模拟仿真优化切削参数（进给速度、主轴转速），避免过切、撞刀等问题，同时采用高速切削技术提升加工效率。

协同控制逻辑开发：在 PLC 中编写梯形图程序，实现 “ 机器人 - 机床” 动作时序协同。例如：机器人抓取工件后，通过通信向 PLC 发送 “ 待上料” 信号；PLC 确认机床处于 “ 空闲” 状态后，指令机器人将工件送至机床工作台；工作台夹具夹紧工件后，PLC 向机床发送 “ 加工启动”信号，形成闭环控制。

（四）安全机制设计

安全是协同系统稳定运行的前提，设计三级安全防护机制：

空间防护：通过安全围栏划分机器人与机床的作业区域，设置联锁门，门体开启时系统自动暂停。

逻辑防护：在 PLC 程序中设置互锁逻辑，如机器人未离开机床工作区域时，禁止机床主轴启动；机床加工未完成时，限制机器人进入取件。

应急防护：在操作面板与危险区域周边设置急停按钮，支持手动触发紧急停机；系统实时监测设备电流、温度等参数，超出阈值时自动报警并停机。

三、系统调试与优化流程

（一）硬件单体调试

设备安装校验：检查机器人底座水平度（误差 ≤0.2mm/m ）、机床地脚螺栓紧固性，确保设备安装精度符合要求；核对传感器与执行器接线，采用万用表检测电路通断，避免接线错误。

单体功能测试：单独运行机器人，通过示教器验证各关节运动范围与重复定位精度；启动 CNC 机床，执行空运行程序，检查各坐标轴运动平稳性及主轴转速稳定性。

感知设备校准：利用标定板校准工业相机，确保定位误差 ≤0.1mm ；通过力传感器标定工具，校准抓取力检测精度，误差控制在 ± 5N 以内。

（二）软件模块调试

机器人程序调试：单步运行机器人抓取程序，观察抓取姿态是否准确，调整抓取点坐标；通过离线仿真模拟复杂路径，优化运动轨迹，减少关节运动冲击。

CNC 程序调试：采用 “ 空跑 + 试切” 方式调试加工程序，先空运行验证刀具路径，再用废料试切，测量加工尺寸，通过修正刀具补偿值优化加工精度。

通信链路测试：搭建测试环境，模拟设备间信号交互，记录通信延迟（要求 ≤10ms ）；人为设置通信中断故障，验证系统报错与自动重连功能是否正常。

（三）系统联调与性能优化

全流程联调：按照生产工艺顺序（上料 - 加工 - 取件 - 转运）进行联调，重点测试动作衔接时序。例如，记录机器人上料耗时、机床加工耗时，通过调整 PLC 程序中的延时参数，使设备等待时间降至最低。

性能优化：针对联调中出现的问题，进行针对性优化。若机器人抓取工件偏移，通过视觉传感器重新标定定位坐标；若加工精度波动，优化 CNC系统的伺服增益参数，提升坐标轴响应速度。

稳定性测试：连续运行系统 72 小时，记录设备故障率、加工尺寸合格率及生产效率。测试数据显示，优化后系统故障率 ≤0.5% ，合格率 ≥ 99.2% ，单位时间产能较传统模式提升 40% 。

四、实际应用案例

某汽车零部件企业引入该协同系统，用于发动机缸盖的加工生产。系统配置 1 台六轴机器人、2 台 CNC 加工中心及 1 套料仓系统。应用前，人工上下料单台机床日均加工 80 件；应用后，机器人实现两台机床交替上下料，日均加工量提升至 140 件，人力成本降低 50% ，加工尺寸波动控制在 ±0.006mm ，满足批量生产需求。

五、结论

本文设计的工业机器人与 CNC 机床协同作业系统，通过合理的架构搭建、硬软件集成及分阶段调试，实现了加工流程的全自动化。实际应用表明，该系统能有效提升生产效率与加工精度，降低安全风险。

参考文献

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