廣州數控設備有限公司 江文明，鐘志斌，于喆

關鍵詞：工業機器人；增減材制造；數控機床；智能化制造

隨著制造業的不斷發展，對復雜結構件和高性能的零部件需求日益增加，依靠傳統單一的數控制造技術在某些情況下難以滿足設計開發需求，增材制造技術的出現為解決這一問題提供了新的途徑。機器人電弧增材制造技術是一種先進的增材制造技術，它結合了電弧焊接技術和逐層制造原理，通過電弧產生的熱量將金屬絲材逐層熔化并堆積，從而制造出三維金屬部件。當前，機器人增材制造技術取得了顯著進展，但也面臨一些問題，如制造精度和表面質量有待進一步提高、材料性能和加工工藝的匹配性需要優化、機器人作業的復雜性等現狀。在航空航天、汽車、醫療器械等領域，需求輕量化、高精度、高強度和剛性零部件的制造過程，往往需要經過不同工藝設備，多工序流轉裝夾、減材、增材制造加工，制造加工過程中帶來的誤差積累、材料性能工藝技術缺陷，使零件制造精度與質量、生產效率難以滿足設計需求。

研究設計一套基于數控機床+機器人的增減材智能化制造系統，結合機器人增材制造技術高靈活性、材料利用率高等優點，以及數控機床減材制造技術加工精度高的優勢，通過在同一平臺設備上或加工流程中，先利用增材制造技術快速成型零件的近凈形狀，再通過減材制造技術進行精加工，從而實現高精度、高效率的制造系統。

1 總體方案設計

方案設計需求基于航空領域鑄造鋁零部件生產工藝流程，由于在零件鑄成型后因模具結構、材料屬性等因素，易產生裂紋、流痕、縮陷等缺陷形成微小孔洞、凹痕、龜裂紋，這些可能對零件結構強度、氣密性及使用壽命產生嚴重影響，必須進行檢測增減材修復工序；然而，現有傳統制造是“先減后加再減”—將鑄造毛坯，先通過銑削、鉆孔數控加工；再人工打磨、拋光、清洗；然后轉工序機器人增材焊接，再進行數控加工等多工序流轉、多次裝夾、誤差累積操作，零件結構性能、尺寸精度都難以保證。

按照“設備自動化+生產智能化+管理信息化”的構建理念，基于工業機器人電弧增材的成熟技術和數控機床的加工精度優勢相結合，實現一體化復合制造模式；通過設計在同設備平臺上完成“增材成形、減材精整、檢測增減材成形”的方案，將工業機器人、電弧增材設備、數控機床、檢測視覺、打磨拋光工具、工裝夾具等集成增減材智能制造“硬件”系統，再結合計算機控制平臺、數控系統、視覺輔助、離線編程軟件、數據采集等控制技術集成“軟件”系統。從而實現零件的直接制造增減材工藝，提高零件性能精度和生產效率，還能夠優化材料的使用，減少生產成本和環境影響。

2 工業機器人增減材智能制造硬件設備

2.1   總體布局

基于總體方案設計和生產工藝條件，設計工業機器人的增減材智能制造系統。將增材工業機器人集成于數控機床右側部位，與數控機床共用X/Y工作平臺，分別對同一工裝上零件進行增減材制造應用；再應用智能視覺識別工件特征及缺陷， 開發機器人3D增材焊接功能軟件；配置工裝夾具、打磨拋光工具裝置、清潔裝置，以及煙塵凈化系統輔助設備。

實現增減制造工藝：導入模型數據數控銑削外形缺陷、數控打磨拋光增材表面、機器人增材孔凹坑缺陷修復需自動化，提高零件性能和生產效率。

圖1 基于數控機床+工業機器人的增減材智能制造系統視圖

2.2   主要設備的選型與設計

主要包括1套GSK RB08Q1機器人、GSK MDC- 500P高端數字焊機、1臺VMC1370數控加工中心及工裝夾具、1套視覺系統、1套打磨拋光裝置、1套熱風清潔裝置、1套焊接煙塵凈化裝置、1套防護裝置、焊接視頻監控以及控制系統組成。

2.2.1  工業機器人+增材焊接系統

（1）GSK RB08Q1機器人

①整機防護等級達到IP65，滿足粉塵大、任意方向噴水或浸水等惡劣工況。

②具有重復定位精度高、控制靈活、體積小、結構緊湊、高防護等優點，可以應用在CNC加工中心等特殊領域，實現狹小空間工位間工作，輕松避讓且速度快。

③配置以太網接口，Modbus通訊協議，能實現機器人與GSK制造系統的實時數據交互通信。

（2）GSK MDC-500P高端數字焊機系統

GSK MDC-500P高端數字焊機系統，搭配有伺服送絲機、緩沖驅動器、推拉絲焊槍等功能部件組成，具有微創冷焊、高速焊、間斷焊、直流低飛濺、脈沖等多種焊接工藝應用；其中， MDC微創冷焊工藝在金屬電弧增材制造和電弧堆焊應用上顯現出焊接效率高、焊接飛濺小、焊接變形少、焊縫表面美觀、質量好等應用優勢。

采用GSK RB08Q1機器人與GSK MDC-500P高端數字焊機集成一體化設計，可適用碳鋼、不銹鋼、 NiCrMo、銅合金、鋁合金等材料電弧增材制造和電弧堆焊。

2.2.2  VMC1370數控加工中心及工裝夾具

數控加工中心選型為VMC1370機床結構進行改造設計，增加機器人安裝裝置、打磨拋光工具裝置、視覺安裝機構、熱風清潔裝置及焊接煙塵凈化裝置。

（1）X、Y、Z三軸為伺服直聯控制半閉環立式結構，兩線一硬加工中心，X、Y軸為線性導軌， Z軸采用剛性強的硬性導軌。兩線一硬的配置既具有了硬軌的剛性，又具有線軌快速移動和高精度的特點，加工能力更為全面。

（2）定制工裝夾具、機器人、機床、視覺系統在同一平臺標定；實現對各種殼體、凸輪、模具等復雜零件一次裝夾，可完成切削、焊接、檢測等多種工序生產，減少多次裝夾、定位示教的誤差，提高精度與加工效率。

（3）自動交換刀具功能，配置有打磨、拋光、鉆銑刀具庫，通過刀庫安裝不同工序的刀具，在加工過程中自動切換刀具，實現鉆銑、打磨拋光等多道工序一次裝夾加工能力。

（4）改造通訊和I/O接口的兼容性，實現機器人系統、數控系統、離線編程軟件、視覺系統的兼容通訊裝載，能獲取加工的狀態信息、工作模式等基本信息，實現機器人與機床交互操作。

（5）工裝夾具，采用雙動力液壓夾緊、銷定位設計；并設計有夾緊到位氣密檢測、定位面清潔功能；保證夾持剛性、重復定位精準及兼容可靠性，實現加工系統自動控制夾緊松開。

2.2.3  3D激光視覺系統

3D激光視覺系統由基恩士LJS080飛掃激光3D視覺系統、執行機構、防護裝置組成，通過激光掃描夾具上加工零件，可以進行尺寸檢查、外形檢查、3D識別等功能，主要功能優勢如下：

（1）高精度檢測：采用了高亮度的藍色激光，并配備高精細CMOS傳感器，能夠捕捉更清晰的圖像。可以實現高聚光性和清晰的成像光，提高了檢測能力和測量精度，并增強了對干擾光的影響。

（2）快速掃描：通過電機使用光切斷光學系統進行掃描，實現大景深。

（3）多種檢測功能：可進行尺寸檢測、外觀檢測和辨別檢測；應用于尺寸測量、焊接定位、打磨引導、外觀檢測等。

2.2.4  打磨拋光工具裝置

鋁零件焊接后打磨焊道是焊接工藝中非常重要的環節，它不僅能夠改善焊接外觀，還能顯著提升焊接質量和結構的可靠性。所以，系統分別設置有打磨、拋光工具裝置，采用不銹鋼鋼絲刷集成安裝浮動刀柄安裝在機床刀庫位置；用于工件切屑過后，去除焊道處毛刺、氧化層、雜質和油污，減少焊接缺陷，提高焊接效率，確保焊縫的強度和耐腐蝕性，同時改善產品的外觀質量。

2.2.5  熱風清潔裝置

系統壓縮空氣配置了ATC-12恒溫加熱裝置，將氣體溫度加熱到20-180C°使用，有助于提高焊接質量和效率，減少焊接缺陷，確保焊接過程的順利進行，主要作用：

（1）去除表面水分：對鋁表面可能殘留有水分或清洗液。使用熱風可以快速吹干這些液體，防止焊接過程中水分蒸發產生氣孔，影響焊接質量。

（2）清除雜質和氧化膜：配合清潔劑或助焊劑，去除鋁表面的油污、灰塵、殘留物等雜質。防止工件二次污染以及輔助去除鋁表面的氧化膜，為焊接提供更清潔的表面。

（3）預熱作用：熱風可以對焊接區域進行預熱，使鋁材達到合適的焊接溫度，減少焊接時的熱應力，提高焊接效率和質量。

2.2.6  焊接煙塵凈化裝置

SYD-JK2400焊接煙塵凈化設置集成于機器人增材工作區域，用于凈化打磨、拋光、焊接過程中產生的粉塵、煙塵等有害氣體，保護操作人員的健康，改善工作環境。

3 增減材智能制造系統設計

3.1   總體構架

基于數控機床+工業機器人的增減材智能制造系統由兩部分構成：第一部分是控制層，通過GSK設備管理系統實現對工業機器人、GSK MDC-500P高端數字焊機、數控加工中心、視覺檢測系統、焊接煙塵凈化裝置、防護裝置等設備的集中控制；第二部分是生產執行層，通過機器人系統、增材焊接系統、數控系統、視覺建模離線軟件等功能應用軟件，執行數控銑削、視覺掃描檢測焊道、生成離線仿真程序、執行機器人增材焊接等功能應用，實現集成作業計劃、生產調度、在線質量控制、生產狀態、可視化過程監控。

3.2   控制層

現場設備（如各種功能部件、傳感檢測設備）將采集到的信號傳送給GSK設備管理系統，由設備管理系統運算處理后再輸出給各功能設備執行。管理系統與數控機床、機器人、增材設備、3D視覺、執行機構之間的信號交互是通過I/O、網絡通信完成，以實現遠程啟動、停止、加工、焊接程序的裝載；并能獲取數控機床、機器人的基本狀態信息、工作模式、主軸位置信息等。

3.3   生產執行層

以航空鑄造鋁毛坯料加工為背景，將數控減材加工系統、機器人增材焊接系統、測量檢測系統、離線仿真建模系統結合一體，并提升生產過程信息化、智能化水平，從而構建一套完整的增減材智能化制造系統。

3.4   數控加工中心控制系統

數控機床控制系統配置GSK-27iG新一代高端數控系統平臺，集成多通道、多軸聯動、復合、高精、高效加工，全新開發的軟硬件平臺能滿足復雜、精密、智能化設備的加工要求；可適用車削、銑削、磨削、機器人等多種數控設備，功能配置優勢：

（1）高速高精加工：復雜曲面加工有效速度8m/ min，最佳加工速度4m/min；具有前瞻功能，預處理段數高達1000段，速度快、精度高、光潔度好。

（2）CAM程序自動優化：針對多種CAM軟件生成的加工程序進行自動優化，去除垃圾點，優化加工刀路，提升加工效果。

（3）總線連接：支持GSK-Link以太網總線、主軸和I/O單元多種連接方式；專用總線配置界面，可快速配置從站設備。

（4）人-機-信息融合數字系統：將實體物件與數理模型進行融合，構建數控機床智能化，構筑開放平臺，實現遠程控制操作及故障維護。

3.5   工業機器人3D增材軟件

系統采用PQArt工業機器人離線編程軟件，開發了專門針對電弧增材（WAAM）工藝的3D打印工藝模塊-增材制造。

（1）機器人工藝規劃和虛擬仿真軟件，包含場景搭建、工藝規劃、虛擬仿真、工藝優化和現場調試等功能。

（2）軌跡規劃功能強大：軟件根據不同的產品特性，增材制造模塊配置了豐富的打印策略選擇，具有強大的機器人路徑規劃功能。

（3）支持切片方式多樣：水平切片，多方向切片，旋轉平面切片，曲面切片，適用于各類復雜工件。

（4）軟件弧焊工藝模塊：焊接參數設置功能里設置焊接中所用到的各項焊接參數電流電壓等，以及擺動參數擺動長度，擺動方式等，并存儲到模板內。

3.6   人機交互

為了能直觀地對增減材智能系統生產過程進行監控，配備了觸摸屏、看板展示屏，以及視頻監控設備。通過以太網與GSK控制系統連接，主要的畫面有機床監控、機器人狀態、增減材焊接狀態和權限設置等，為系統運行管理和故障排查提供了極大方便。

4 增減材智能制造系統具體應用

以航空鑄造鋁毛坯料為例進行機器人增減材制造主要工藝分析：（1）鑄造鋁毛坯工裝裝夾；（2）數控減材工件裝配面、外表面缺陷減材；（3）人工打磨清潔增材區域；（4）機器人增材焊接；（5）數控減材到加工精度。依據目前制造工藝制定數控機床+機器人增減材復合制造操作工藝流程：

STO1：毛坯上料，工裝夾具切換至減材區域，零件定位夾緊；

STO2：減材模型導入，數控機床進行減材加工；

STO3：打磨拋光零件切削，人工檢查清洗，熱風清潔表面；

STO4：視覺掃描檢測零件，制定增材焊接區域；

STO5：工裝夾具切換至增材區域，機器人增材離線仿真程序制定；

STO6：機器人增材焊接，堆焊修補零件；

STO7：工裝夾具切換至減材區域，視覺掃描檢測外形尺寸；

STO8：數控機床減材零件至所需加工精度，零件拆裝下料。

經實際生產驗證數控機床+機器人增減材相結合的復合制造系統，制定GSK管理系統模型構架，在同一平臺上標定機器人、數控機床、視覺及增材仿真軟件工具坐標點及HMI界面的軟件程序。依據工藝要求編寫數控機床切削、打磨拋光等零件減材加工程序，激光視覺掃描檢測功能調試，以及機器人增材仿真離線軟件編制，并優化機器人焊接軌跡路徑和增材焊接工藝參數，運行時通過軌跡再現方式達到零件增減材要求。實際生產下工單任務，在同一工作平臺內數控機床、工業機器人、增材焊接設備高效配合實現增減材復合加工，減少多次轉工序裝調流程，提升生產效率和零件加工性能，對比之前人工半自動生產效率提高20%-30%。

5 總結

本文構建數控機床+機器人增減材智能制造系統，實現了在同一平臺上增減材復合制造應用，數控機床+機器人增減材制造技術取得了顯著進展。但仍面臨一些挑戰，比如增減材制造精度和表面質量控制有待進一步提高，材料性能與焊接工藝、制造工藝的匹配性需要優化，數控系統與機器人增材系統功能軟件通信的復雜性，智能生產軟件的功能優化等需要持續研究開發。增減材復合制造技術作為先進制造領域的重要發展方向，隨著技術的不斷迭代進步和應用的拓展，將推動制造業的轉型升級和技術創新發展。

參考文獻：

[1] 崔曉杰, 孫俊華, 楊洪才, 等. 電弧增材制造工藝參數和工藝規劃研究現狀與發展趨勢[J]. 金屬加工(熱加工), 2023, (9) : 14 - 19.

[2] 胡韜, 郭純, 何梓良, 等. 電弧增材制造技術研究發展現狀[J]. 機電信息, 2020, (5) : 98 - 99．

[3] 林泓延, 姚屏, 李道良, 等. 機器人電弧增材制造技術研究現狀與趨勢[J]. 自動化與信息工程, 2019, 40 (6) : 8 - 19.

摘自《自動化博覽》2026年第一期暨《2026具身智能專刊》