方案名称：复合机器人数控CNC上下料应用
供应商：节卡机器人股份有限公司
方案描述
一、方案基本情况：
CNC数控加工在现代制造业中占有核心地位。尽管我国机床数量全球领先，达到800万台，但其中一半已运行超过10年。同时，机床上下料主要依赖人工或专用设备，存在生产效率低、质量不稳及安全的风险。虽然众多企业积极探索自动化上下料的解决方案，但均未实现产业化，难以满足高质量和大规模生产的需求。因此，亟需寻找高效且安全的自动化上下料解决方案，以提升制造业水平和促进其快速发展。
为解决行业痛点，节卡推出了市场首款专为CNC加工环境而设计的复合机器人。该产品集成了AGV移动平台（脚）、协作机器人（手）和视觉系统（眼），利用机器视觉、机器学习和自适应控制等技术，实现“手、脚、眼、脑”的智能协作。同时，该机器人支持多种通讯协议，能无缝对接现有CNC机床，无需大规模改造。能有效管理数十甚至上百台机床，显著减少成本，提高生产灵活性。最重要的是，该产品已成功商业化，成为行业应用标杆。
二、方案亮点、优势及案例情况：
（一）行业痛点
统计数据揭示，在一个完整的生产周期里，机床的加工时间只占总时间的5%，而高达95%的时间被用于物流环节。这导致物流成本占据整体成本的40%。因此，当对CNC机床进行自动化改进时，关键在于优化物料的转运效率。目前，改造主要面临如下需求痛点：
1）环境要求高：传统自动化设备通常仅具有IP54的防水等级，只能抵御液体飞溅。在面对机床内部的切削液飞溅、粉尘、油污和高温环境时，难以长久稳定工作。
2）空间限制：工作场地通常狭窄，宽度仅为1.0-1.5m，只能容纳手推车。而传统自动化设备需要固定安装，进一步降低了通道空间。
3）物料多样性：加工物料种类众多，规格复杂。同时，机床的工作区域仅为600x600x500mm，这增加了设备在上下料过程中的碰撞风险。
4）高成本：数据显示，传统自动化改造通常需要设备与机床一一对应，导致改造成本增加。
（二）方案难点
为解决上述需求痛点，众多企业都推出了各种解决方案。然而，受到现场环境复杂性的影响，多数产品仍停留在概念验证阶段。因此，尽管机床自动化改造受到广泛关注，成功商业化的案例却相当少见。此外，上述方案主要是为特殊场景定制的，商业推广面临困难。
自动化改造实施难点：
（1）安全协作。由于设备需要与人类进行高度协作，如果安全措施不足，可能会对人员造成伤害或危险。因此，需要在设备的设计和应用中加强安全措施，确保设备与人类的安全协作。
（2）精度标准：CNC设备作业中需具备秒级的时间精度和微米级的位置精度。因此对物料上下料定位精度和稳定性有极高要求，通常需要做到1mm以下。
（3）环境适应性：设备应能在含切削液、碎屑或不稳定光照的环境中正常运行，需具备防水、防尘和视觉识别功能。
（4）部署灵活性：考虑到工厂内复杂的机床布局，自动化设备需要具有便捷的操作方式以及高度的移动性，以便快速部署和生产。
（5）数据交互：由于设备和机床系统异构，数据通信存在困难。因此，需要建立统一的数据交互机制以确保顺畅运行。
（三）解决方案
针对应用难点，节卡设计了专为金属加工场景设计的复合机器人：
首先将应用的难点细分为工作性能、作业能力、续航能力和易用性四个维度，并分别设定量化标准。工作性能方面，机器人需达到IP68的防水等级、重复精度达到±0.03mm；作业能力方面，目标是使单个机器人能够管理多达几十台甚至上百台的设备；续航能力方面，机器人需满足24小时的连续生产要求；易用性方面，机器人应具备快速部署的能力。接着，根据上述量化指标，进行机器人的设计。利用运动学、动力学和控制理论等技术完成机器人的运动规划和路径规划；考虑光照、物体形状、颜色、表面纹理等多个因素，使用机器视觉、深度学习和模式识别等技术完成对工件位置和姿态的识别和检测；综合电路设计、控制电路设计、结构设计等方面，完成机器人样机搭建。
然后，在实际CNC加工环境中测试机器人原型机，识别并解决了现场存在的问题，并对机器人进行改进。最后，进行机器人的规模化生产，形成商业化产品。
同时，节卡对机器人的工作流程进行了深入分析，并成功制定了一套标准化作业流程，以便于规模化应用。具体流程如下：
1）CNC系统发出开始信号，标志着生产新阶段的启动。复合机器人立即对此做出反应，携带物料，自动导航至预定工作区。
2）CNC机床自动开门，机器人启动其自身的视觉系统，精准识别待加工物料，并将其送入CNC机床中。期间，机器人始终与CNC机床进行信号交互，保证加工精度。
3）完成加工任务，机器人将成品从机床中取出，并放置在托盘上，以便后续质检和包装。
4）机器人继续移至下一工作区，准备进行下一个任务。
通过这一系列标准化操作，生产效率得以提升，同时确保了产品质量的稳定性和可靠性，为现代CNC加工提供了有力支持。
（四）技术创新点
1）工作性能：标准场景工作节拍达到20s、具备IP68防护等级确保在机床的恶劣环境下稳定工作。具有±0.3mm的综合定位精度，确保上下料准确，且取放过程实时监控调整零部件受力，有效避免零部件损伤。
2）作业能力：利用激光SLAM技术实现自主导航和路径规划，打破作业范围限制。同时，兼容各种总线协议，实现一台机器人可管理多达数十或上百台机床。
3）续航能力：重新设计了电缆接口和电池充放电系统，将单电池改为双电池，避免了移动机器人充电对作业时长的占用，可实现24小时连续生产，单次换电续航可达5小时以上，可实现自动换电和手动换电，手动换电时长不超过1分钟。
4）易用度：统一了操作系统和人机交互接口，同时延续了节卡的图形化编程方式，极大的降低了产品的使用难度和入门门槛。
三、应用推广情况：
该款复合机器人在精密制造领军企业东山精密成功部署了30多台，主要应用于CNC机床加工。这标志着国内首次在CNC行业的大规模应用，成为制造业升级的首选方案。该技术不仅推动了CNC加工向智能化和自动化的转型，也显示出巨大的市场潜力。除此之外，多家国内外知名企业如广汽发动机、天津丰津等也已采用该产品，进一步加速了行业的高效发展。
文章来源：节卡机器人股份有限公司
图片来源：节卡机器人股份有限公司
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责任编辑：朱晓裔
审 核 人：李峥
