沖壓線機(jī)器人與壓機(jī)動(dòng)作協(xié)調(diào)方法*

周玉林 張志強(qiáng) 侯雨雷 屈云濤

（燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島 066004）

競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)生產(chǎn)效率的要求越來(lái)越高，促進(jìn)了現(xiàn)代制造業(yè)的自動(dòng)化發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線的重要裝備，也得到了快速發(fā)展。自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、電子和家用電器等領(lǐng)域，而我國(guó)沖壓生產(chǎn)線的自動(dòng)化、機(jī)械化程度與世界先進(jìn)水平差距明顯，自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線在我國(guó)有著廣闊的發(fā)展前景［1－2］。

沖壓線中機(jī)器人與壓機(jī)的動(dòng)作協(xié)調(diào)不僅是生產(chǎn)線整線控制的基礎(chǔ)，而且是開(kāi)展機(jī)器人工作空間分析和軌跡規(guī)劃等工作的前提。并且工業(yè)機(jī)器人與成套裝備協(xié)調(diào)作業(yè)技術(shù)的研究也是我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中需要攻克的難題［3］，因此，研究機(jī)器人與壓機(jī)的動(dòng)作協(xié)調(diào)方法具有實(shí)際意義。

文獻(xiàn)［4］基于機(jī)器人控制軟件介紹了一種系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)節(jié)拍的柔性化設(shè)計(jì)，以避免相鄰設(shè)備之間的干涉，優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)拍。文獻(xiàn)［5］定性地指出了機(jī)器人要在壓機(jī)滑塊上升到一定高度時(shí)提前進(jìn)模。文獻(xiàn)［6］介紹了機(jī)器人通過(guò)軟件跟蹤壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)和增加機(jī)器人第七軸兩種方法來(lái)加快生產(chǎn)節(jié)拍。文獻(xiàn)［7］采用間歇同步方式協(xié)調(diào)壓機(jī)與機(jī)器人動(dòng)作，其屬于靜態(tài)配合方式。

目前，我國(guó)的機(jī)器人自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線中，機(jī)器人與壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系多為靜態(tài)配合方式。該配合方式具有簡(jiǎn)單有效、安全性和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。但是，在此配合方式下，壓機(jī)滑塊必須在上死點(diǎn)靜止時(shí)，機(jī)器人才能進(jìn)行上下料操作，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低;壓機(jī)必須等待機(jī)器人，因而壓機(jī)的運(yùn)行時(shí)斷時(shí)續(xù)，增加了壓機(jī)的離合器、抱閘的動(dòng)作頻率，降低了使用壽命［4］。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在沖壓生產(chǎn)中，僅有不足10%的時(shí)間用于對(duì)工件進(jìn)行沖壓加工，其余時(shí)間均用于工件搬運(yùn)與等待搬運(yùn)中［8］。為克服靜態(tài)配合的局限性，本文提出一種簡(jiǎn)便、快捷的新方法——“時(shí)間等分－動(dòng)作匹配”法，該方法充分利用了壓機(jī)滑塊在上下料干涉高度（簡(jiǎn)稱“干涉高度”）以上的運(yùn)行時(shí)間，消除了壓機(jī)的等待時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

1 “時(shí)間等分－動(dòng)作匹配”法

所謂“時(shí)間等分－動(dòng)作匹配”法，即首先按劃分原則將壓機(jī)和機(jī)器人的動(dòng)作分別劃分成相等的份數(shù)，然后按匹配原則將機(jī)器人動(dòng)作與壓機(jī)動(dòng)作相匹配，以協(xié)調(diào)生產(chǎn)線中機(jī)器人與壓機(jī)的動(dòng)作。

1．1 劃分原則

原則一:“木桶原則”。

雖然每臺(tái)壓機(jī)的循環(huán)周期和每臺(tái)機(jī)器人的循環(huán)周期都是越小越好，但是決定沖壓線生產(chǎn)節(jié)拍的關(guān)鍵設(shè)備是“最慢壓機(jī)”和“最慢機(jī)器人”［5］。將兩者中最慢的周期作為整線壓機(jī)與機(jī)器人的共同周期。該周期為生產(chǎn)線所能達(dá)到的最快周期。

原則二:將壓機(jī)滑塊在干涉高度以上的運(yùn)行時(shí)間作為壓機(jī)動(dòng)作劃分的基準(zhǔn)。

該方法中的動(dòng)作匹配是基于整份動(dòng)作而言的，按時(shí)間均分壓機(jī)動(dòng)作時(shí)，壓機(jī)滑塊在干涉高度以上的運(yùn)行時(shí)間（t1）必須為一份時(shí)間（t=T/n，n為總份數(shù)）的整數(shù)倍（t1=kt，k為正整數(shù)）。如果k不能恰好取整數(shù)，需將干涉高度上方附近某一高度作為劃分的界限，使得k取整。

原則三:將機(jī)器人上下料操作的時(shí)間作為機(jī)器人動(dòng)作劃分的基準(zhǔn)。

機(jī)器人在壓機(jī)內(nèi)動(dòng)作包括機(jī)器人在上位壓機(jī)內(nèi)的取料動(dòng)作（進(jìn)模、吸料、出模動(dòng)作）和在下位壓機(jī)內(nèi)的放料動(dòng)作（進(jìn)模、放料、出模）。因該方法中的動(dòng)作匹配是基于整份動(dòng)作而言的，按時(shí)間均分機(jī)器人動(dòng)作時(shí)，機(jī)器人在壓機(jī)內(nèi)動(dòng)作的時(shí)間（t2）必須為一份時(shí)間（t=T/n）的整數(shù)倍（t2=mt，m為正整數(shù)）。如果m不能恰好取整數(shù)，需將壓機(jī)與機(jī)器人干涉臨界點(diǎn)以外某一接近點(diǎn)作為劃分的界限，使得m為整數(shù)。

機(jī)器人的?。ǚ牛┝蟿?dòng)作至少占一份，并且取料動(dòng)作與放料動(dòng)作不能完全重合，因此，可以確定m的取值范圍為:2≤m＜2k。一般取料動(dòng)作的路程略長(zhǎng)于放料動(dòng)作，所以，取料動(dòng)作所占份數(shù)不少于放料動(dòng)作所占份數(shù)。

k、m的取值較小時(shí)，劃分份數(shù)會(huì)減少，動(dòng)作協(xié)調(diào)方案也會(huì)相應(yīng)地減少;k、m的取值較大時(shí)，劃分份數(shù)會(huì)增加，動(dòng)作協(xié)調(diào)方案也會(huì)相應(yīng)地增加。應(yīng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求及工藝來(lái)確定恰當(dāng)?shù)娜≈怠?/p>

1．2 動(dòng)作匹配原則

原則一:上、下位機(jī)器人取放料有序。

對(duì)于同一臺(tái)壓機(jī)而言，在上位機(jī)器人放料之前，下位機(jī)器人必須將上一工作循環(huán)中加工好的坯料取走，防止相鄰機(jī)器人之間干涉，并且要將相鄰機(jī)器人的安全距離考慮在內(nèi)，相鄰機(jī)器人的最小距離要大于安全距離。

原則二:壓機(jī)滑塊在干涉高度以上運(yùn)行時(shí)允許機(jī)器人進(jìn)行上下料操作。

由于機(jī)器人不能與壓機(jī)發(fā)生干涉，所以機(jī)器人進(jìn)行上下料操作時(shí)壓機(jī)滑塊必須在干涉高度之上。

原則三:“鏈輪鏈條”原則。

機(jī)器人與壓機(jī)的動(dòng)作都是循環(huán)進(jìn)行的，只要將機(jī)器人的一個(gè)動(dòng)作與壓機(jī)的某個(gè)動(dòng)作相匹配，其余動(dòng)作將按時(shí)間順序依次匹配。該原則可以用鏈輪鏈條的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象予以形象描述:壓機(jī)的每份動(dòng)作可以看作鏈輪的一個(gè)“齒”;機(jī)器人的每份動(dòng)作可以看作鏈條的一個(gè)“鏈節(jié)”。當(dāng)鏈輪的一個(gè)“齒”與鏈條的一個(gè)“鏈節(jié)”嚙合后，鏈輪鏈條運(yùn)動(dòng)時(shí)，其余的“齒”與“鏈節(jié)”將自動(dòng)嚙合。壓機(jī)與機(jī)器人動(dòng)作的匹配就像鏈輪與鏈條的嚙合，只是這種“嚙合”是遵循匹配原則的“嚙合”。

2 動(dòng)作協(xié)調(diào)示例

2．1 前提條件分析

將1臺(tái)壓機(jī)和2臺(tái)機(jī)器人看作1個(gè)組成單元（參見(jiàn)圖1），生產(chǎn)線可以看作由若干單元疊加而成。為展示“時(shí)間等分－動(dòng)作匹配”法的運(yùn)用過(guò)程，如圖1所示將對(duì)一個(gè)由2臺(tái)IRB 6660機(jī)器人和1臺(tái)2 500 t伺服壓機(jī)組成的單元進(jìn)行動(dòng)作協(xié)調(diào)。

伺服壓機(jī)為四點(diǎn)閉式壓力機(jī)，其運(yùn)動(dòng)周期為6 s，升程為1 200 mm。在ADAMS中對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，測(cè)出其滑塊的位置曲線如圖2所示，曲線零點(diǎn)為壓機(jī)下死點(diǎn)。

根據(jù)機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)合生產(chǎn)單元工況，設(shè)定干涉高度為500 mm。由圖2可知，壓機(jī)滑塊在干涉高度以上的運(yùn)行時(shí)間（0～0.6 s和4.1～6 s）為t1=2.5 s，在干涉高度以下的運(yùn)行時(shí)間（0.6～4.1 s）為3.5 s。

2．2 動(dòng)作的劃分

壓機(jī)的周期為6 s，而機(jī)器人的工作周期小于6 s。根據(jù)劃分原則一，整線周期定為6 s。

根據(jù)劃分原則二，將壓機(jī)滑塊在干涉高度以上的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t1劃分為k=5份，每份時(shí)間為t=0.5 s，則壓機(jī)的整個(gè)工作循環(huán)被劃分為n=12份。壓機(jī)動(dòng)作的劃分參見(jiàn)圖3:Ⅰ（ab）;Ⅱ（bc）;Ⅲ（cd）;Ⅳ（de）;Ⅴ（ef）;Ⅵ（fg）;Ⅶ（gh）;Ⅷ（hi）;Ⅸ（ij）;Ⅹ（jk）;Ⅺ（kl）;Ⅻ（loa）。

根據(jù)劃分原則三，2≤m＜2k，即2≤m＜10，不妨將機(jī)器人的上下料動(dòng)作劃分為m=5份（如圖4所示:進(jìn)模BC、取料CD、出模DE、進(jìn)模HI、放料出模IJ）。

2．3 動(dòng)作匹配

根據(jù)匹配原則一，下位機(jī)器人（R2）的取料動(dòng)作（BC－CD－DE）必須在上位機(jī)器人（R1）的放料動(dòng)作（HI－IJ）之前;不妨設(shè)HI為最小安全距離，在匹配動(dòng)作時(shí)上、下位機(jī)器人的末端的最小距離要大于HI。

根據(jù)匹配原則二，R2的取料動(dòng)作（BC－CD－DE）可依次對(duì)應(yīng)壓機(jī)Ⅸ（ij）、Ⅹ（jk）、Ⅺ（kl）、Ⅻ（loa）、Ⅰ（ab）中的3個(gè)動(dòng)作。R1的放料動(dòng)作（HI－IJ）可依次對(duì)應(yīng)壓機(jī)Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ、Ⅰ中的2個(gè)動(dòng)作。結(jié)合匹配原則一，R2的取料動(dòng)作（BC－CD－DE）必須對(duì)應(yīng)（Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ）或（Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ），若R2的動(dòng)作（BC－CD－DE）對(duì)應(yīng)（Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ），則R1的放料動(dòng)作（HI－IJ）可對(duì)應(yīng)后兩個(gè)動(dòng)作（Ⅺ、Ⅻ）或（Ⅻ、Ⅰ）;若 R2的動(dòng)作（BC－CD－DE）對(duì)應(yīng)（Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ），則 R1的動(dòng)作（HI－IJ）必須對(duì)應(yīng)（Ⅻ、Ⅰ）。

根據(jù)匹配原則三，兩臺(tái)機(jī)器人的其余動(dòng)作可依次與壓機(jī)相應(yīng)的動(dòng)作配合，動(dòng)作匹配方案參見(jiàn)表1。

由于壓機(jī)在干涉高度以上的運(yùn)行時(shí)間較短，該時(shí)間與機(jī)器人上下料的時(shí)間相等（k=m），所以動(dòng)作匹配方案只有3種，方案二、三中上位機(jī)器人的進(jìn)模動(dòng)作與下位機(jī)器人的出模動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，考慮到實(shí)際生產(chǎn)中的安全性，方案一優(yōu)于后兩個(gè)方案。如果k＞m，則會(huì)產(chǎn)生更多匹配方案。

表1 壓機(jī)與機(jī)器人的動(dòng)作方案

3 “時(shí)間等分－動(dòng)作匹配”方法的應(yīng)用

某條沖壓生產(chǎn)線由5臺(tái)IRB6660機(jī)器人（配有柔性Crossbar）、1臺(tái)2 500t伺服壓機(jī)和3臺(tái)1 000t常規(guī)壓機(jī)組成。機(jī)器人上下料操作時(shí)間為3s。各臺(tái)壓機(jī)的工作周期均為6s。

若采用靜態(tài)配合方式，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行上下料操作時(shí)，壓機(jī)必須等待機(jī)器人，等待時(shí)間至少為3s。不妨以3s計(jì)算，則生產(chǎn)線的周期為9s。若采用“時(shí)間等分－動(dòng)作匹配”法協(xié)調(diào)該生產(chǎn)線中壓機(jī)與機(jī)器人的動(dòng)作，機(jī)器人充分利用了壓機(jī)在干涉高度以上的運(yùn)行時(shí)間，生產(chǎn)線的周期為6s。基于ADAMS對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，仿真結(jié)果參見(jiàn)圖5。

仿真結(jié)果表明:“時(shí)間等分－動(dòng)作匹配”法消除了壓機(jī)的等待時(shí)間，使生產(chǎn)線的周期由9s減小到6s，優(yōu)化了生產(chǎn)節(jié)拍，提高了生產(chǎn)效率。

4結(jié)語(yǔ)

本文所提出的“時(shí)間等分－動(dòng)作匹配”法適用于自動(dòng)化生產(chǎn)線中壓機(jī)與機(jī)器人的動(dòng)作協(xié)調(diào)，生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證了方法的可行性和有效性，該方法降低了壓機(jī)制動(dòng)次數(shù)，且消除了沖壓生產(chǎn)線的等待時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，為沖壓線生產(chǎn)節(jié)拍的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

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