金屬鍛壓機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)及發(fā)展

文／申一虎，卞紹順·連云港杰瑞自動(dòng)化有限公司

金屬鍛壓機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)及發(fā)展

文／申一虎，卞紹順·連云港杰瑞自動(dòng)化有限公司

本文介紹了工業(yè)機(jī)器人在金屬鍛壓成形加工領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景，重點(diǎn)闡述了金屬鍛壓機(jī)器人系統(tǒng)的構(gòu)成，以及滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的工藝流程優(yōu)化重造、建模與仿真、自動(dòng)控制等鍛壓機(jī)器人系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)，并對未來技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

金屬鍛壓成形加工是機(jī)械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)行業(yè)之一，經(jīng)過多年的發(fā)展，我國已成為世界鍛壓大國，但還不是世界鍛壓強(qiáng)國。我國鍛壓生產(chǎn)與世界先進(jìn)國家和地區(qū)還存在較大差距，大多數(shù)金屬鍛壓企業(yè)生產(chǎn)過程仍采用人工操作，生產(chǎn)效率低下，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差。并且由于工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)車間存在著高溫、噪聲、粉塵等惡劣工作環(huán)境，鍛壓企業(yè)面臨招工難、員工流動(dòng)頻繁、用工成本不斷攀升等現(xiàn)實(shí)問題。近年來隨著工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)不斷發(fā)展和成熟，在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，不少金屬鍛壓企業(yè)已經(jīng)在機(jī)器人自動(dòng)化方面進(jìn)行了投入，生產(chǎn)效率得到提高，人力成本得到降低，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的跨越式發(fā)展。鍛造機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)的快速發(fā)展與升級(jí)，將引發(fā)鍛壓行業(yè)巨大變革，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人替代人工成為金屬鍛壓行業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的必然趨勢。

鍛壓機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成

金屬鍛壓機(jī)器人系統(tǒng)根據(jù)功能劃分，一般包含主加工單元設(shè)備、機(jī)器人單元、輔助加工單元設(shè)備、安全防護(hù)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等部分。

主加工單元設(shè)備

主加工單元設(shè)備是具體實(shí)現(xiàn)工件鍛壓成形加工的功能設(shè)備，如中頻加熱爐、壓機(jī)和模具等。用于鍛壓機(jī)器人系統(tǒng)的壓機(jī)要求能夠與系統(tǒng)控制器進(jìn)行信號(hào)通訊、數(shù)據(jù)傳輸。沒有信號(hào)通訊、數(shù)據(jù)傳輸功能的壓機(jī)需要進(jìn)行改造。

機(jī)器人單元

機(jī)器人單元是鍛壓機(jī)器人系統(tǒng)集成的核心，一般由機(jī)器人本體、機(jī)器人手部工具、機(jī)器人底座等部分構(gòu)成。機(jī)器人本體一般根據(jù)功能、負(fù)載、運(yùn)動(dòng)半徑、運(yùn)動(dòng)精度、通訊形式、安裝方式選擇合適的機(jī)型。機(jī)器人手部工具根據(jù)機(jī)器人抓取工件特征和工藝要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作。機(jī)器人底座是根據(jù)機(jī)器人工作半徑和工作姿態(tài)設(shè)計(jì)制作，用來調(diào)整機(jī)器人高度和固定機(jī)器人。

輔助加工單元設(shè)備

輔助加工單元設(shè)備是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成自動(dòng)化流程中必不可少的單元構(gòu)成。根據(jù)工件實(shí)際生產(chǎn)工藝流程和機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)需要，鍛壓機(jī)器人系統(tǒng)一般需配備毛坯上料輸送定位機(jī)構(gòu)、自動(dòng)噴石墨機(jī)構(gòu)、自動(dòng)輸送設(shè)備、中轉(zhuǎn)工裝、抽檢輸送機(jī)構(gòu)、成品及廢料下料輸送機(jī)等自動(dòng)化輔助設(shè)備。

安全防護(hù)系統(tǒng)

安全防護(hù)單元一般由安全圍欄、安全門等構(gòu)成。安全圍欄用來構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)集成自動(dòng)化線安全區(qū)域，避免人員隨意進(jìn)出。安全門的作用是當(dāng)人員進(jìn)入機(jī)器人動(dòng)作區(qū)域時(shí)，安全開關(guān)會(huì)被斷開，機(jī)器人及其他自動(dòng)化設(shè)備就會(huì)停止運(yùn)行，保障人員的安全。

自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)一般由系統(tǒng)控制器PLC、機(jī)器人控制器、人機(jī)界面、檢測元件、執(zhí)行元件等部分組成。圖1所示為壓鑄機(jī)器人系統(tǒng)集成控制架構(gòu)圖，其中系統(tǒng)控制器負(fù)責(zé)對機(jī)器人及其他系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)；機(jī)器人控制柜負(fù)責(zé)機(jī)器人本體各關(guān)節(jié)的運(yùn)行和通信；檢測元件用來控制主加工設(shè)備和自動(dòng)化輔助設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)；執(zhí)行元件負(fù)責(zé)執(zhí)行系統(tǒng)指令，實(shí)現(xiàn)具體功能。系統(tǒng)控制器和機(jī)器人控制器是控制單元的核心，兩者是主從關(guān)系，這樣的結(jié)構(gòu)降低了系統(tǒng)控制器的負(fù)擔(dān)。

圖1 機(jī)器人系統(tǒng)集成控制架構(gòu)圖

鍛壓機(jī)器人系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)

工藝流程優(yōu)化重造

工藝流程優(yōu)化重造目的是構(gòu)建適合機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)的最優(yōu)工藝流程和系統(tǒng)集成單元最優(yōu)化的配置及空間布局。具體要求有：①排除影響自動(dòng)化運(yùn)行的因素，比如工件粘模問題、工件定位問題等；②提高生產(chǎn)效率，滿足生產(chǎn)能力要求；③充分發(fā)揮機(jī)器人和主加工單元設(shè)備的能力，降低能耗；④提高產(chǎn)品質(zhì)量和一致性；⑤減少人工操作，提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化水平；⑥節(jié)約空間，構(gòu)建整潔美觀的車間現(xiàn)場等。

圖2 金屬鍛壓機(jī)器人系統(tǒng)工藝布局示意圖

圖2所示為金屬鍛壓機(jī)器人系統(tǒng)集成工藝布局示意圖。人工操作金屬鍛壓生產(chǎn)線主要考慮中頻爐、壓機(jī)、輔助加工設(shè)備等布局方便人工操作即可。但應(yīng)用機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)就要根據(jù)自動(dòng)化加工工藝流程、機(jī)器人工作半徑以及系統(tǒng)生產(chǎn)節(jié)拍統(tǒng)籌考慮，對工藝布局進(jìn)行重造，必要時(shí)需增加一些輔助自動(dòng)化設(shè)備，充分發(fā)揮各單元設(shè)備和機(jī)器人的工作能力。

建模與仿真

根據(jù)鍛壓機(jī)器人系統(tǒng)集成單元構(gòu)成和工藝布局進(jìn)行系統(tǒng)三維造型建模。再將三維模型植入機(jī)器人專用仿真軟件就可以進(jìn)行系統(tǒng)仿真測試。圖3所示為將SolidWorks三維模型導(dǎo)入FANUC機(jī)器人仿真軟件Roboguid進(jìn)行鍛壓機(jī)器人系統(tǒng)仿真圖。通過模擬現(xiàn)實(shí)條件，設(shè)定相關(guān)技術(shù)參數(shù)，對系統(tǒng)全部工藝流程進(jìn)行仿真，可以了解系統(tǒng)各組成部分有沒有運(yùn)動(dòng)干涉，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍能否到達(dá)，生產(chǎn)節(jié)拍是否滿足設(shè)計(jì)要求。仿真結(jié)果是系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)最好的驗(yàn)證，根據(jù)仿真結(jié)果反饋問題，對系統(tǒng)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

自動(dòng)控制技術(shù)

⑴控制系統(tǒng)功能。

控制系統(tǒng)是整條生產(chǎn)線的指揮調(diào)度中心，調(diào)度和指揮各系統(tǒng)單元設(shè)備完成各自的工作，需具有以下功能：①生產(chǎn)線運(yùn)行控制功能。主要是協(xié)調(diào)、控制、保障整條鍛造生產(chǎn)線安全、可靠、高效運(yùn)行，根據(jù)工藝要求把生產(chǎn)線分為幾個(gè)區(qū)域。采用區(qū)域啟動(dòng)、分區(qū)控制方式來完成對整個(gè)生產(chǎn)線的控制?？偩€通過檢測各單機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在某一區(qū)域或某一設(shè)備故障時(shí)，指揮其他設(shè)備動(dòng)作，根據(jù)不同的狀態(tài)對各單機(jī)設(shè)備發(fā)出等待、重啟、權(quán)限停車等不同指令；②現(xiàn)場監(jiān)控功能。提供生產(chǎn)場景在線仿真界面，圖形化實(shí)時(shí)顯示在線產(chǎn)品所處工序、產(chǎn)品信息、設(shè)備狀態(tài)、故障情況提示、報(bào)警信息等；③生產(chǎn)管理功能。對各種生產(chǎn)信息進(jìn)行收集、傳輸、統(tǒng)計(jì)并執(zhí)行生產(chǎn)管理指令的人機(jī)交互系統(tǒng)；④生產(chǎn)線安全防護(hù)功能。采用基于安全總線的獨(dú)立控制系統(tǒng)對生產(chǎn)線中的安全防護(hù)單元進(jìn)行監(jiān)測，以免對人員和設(shè)備損害；⑤數(shù)據(jù)處理功能。監(jiān)控系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集，顯示和記錄功能，對于數(shù)字量，監(jiān)控系統(tǒng)可以直接顯示狀態(tài)；對于模擬量既可進(jìn)行趨勢顯示，又可進(jìn)行數(shù)字顯示。同時(shí)，對于重要數(shù)據(jù)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，以便對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

圖3 金屬鍛壓機(jī)器人系統(tǒng)仿真圖

⑵控制編程。

金屬鍛壓機(jī)器人系統(tǒng)集成控制編程包括PLC編程和機(jī)器人編程。

PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，采用一類可編程存儲(chǔ)器，執(zhí)行定時(shí)、計(jì)數(shù)、邏輯運(yùn)算、順序控制與算數(shù)操作等面向用戶指令，通過模擬或數(shù)字量輸入/輸出，控制系統(tǒng)集成各構(gòu)成單元自動(dòng)生產(chǎn)過程。PLC編程大多數(shù)采用梯形圖格式，形象直觀。

機(jī)器人編程主要方式有示教編程和離線編程。示教編程是操作人員根據(jù)作業(yè)要求，示教機(jī)器人并記錄運(yùn)動(dòng)軌跡而生成機(jī)器人控制程序。其優(yōu)點(diǎn)有：①示教過程形象直觀，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題；②簡單易學(xué)，輕松上手，便于推廣使用；③不存在系統(tǒng)重新標(biāo)定問題，所見即所得。缺點(diǎn)有：①難以適應(yīng)柔性生產(chǎn)要求，工作任務(wù)一旦改變，即使是很小的改變，也要重新示教；②工作路徑為復(fù)雜曲線或曲面時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)。離線編程能夠彌補(bǔ)示教編程的不足，可以在給定的工作參數(shù)下借助輔助手段，進(jìn)行自動(dòng)離線編程。其優(yōu)點(diǎn)有：①具有良好的適應(yīng)性，可以通過設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，完成不同任務(wù)；②具有良好的開放性，便于擴(kuò)展，具有較好的柔性；③易于診斷和維護(hù)；④特別適用于復(fù)雜曲線或曲面工作路徑作業(yè)。金屬鍛壓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑基本上都是點(diǎn)到點(diǎn)，因此，一般采用示教編程實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃。

發(fā)展方向

以機(jī)器人為核心的數(shù)字化生產(chǎn)模式

以機(jī)器人、智能設(shè)備和信息技術(shù)融合的數(shù)字化鍛壓生產(chǎn)模式代表著機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用最先進(jìn)發(fā)展方向，是生產(chǎn)單元裝備自動(dòng)化、物流轉(zhuǎn)運(yùn)自動(dòng)化、倉儲(chǔ)自動(dòng)化、流程管理信息化等一體化系統(tǒng)集成方案。系統(tǒng)組成包括：①ERP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)企業(yè)層面生產(chǎn)管理和質(zhì)量管理；②MES系統(tǒng)能夠?qū)RP等上層指令下達(dá)至系統(tǒng)執(zhí)行層，有效指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)作過程。

高柔性鍛壓機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)

近年來，由于機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)的快速發(fā)展，柔性生產(chǎn)線的概念被擴(kuò)展到各種加工、制造、裝配、包裝等應(yīng)用領(lǐng)域。柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線的最典型應(yīng)用是汽車行業(yè)，金屬鍛壓加工領(lǐng)域機(jī)器人柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線尚處于起步階段，發(fā)展前景被十分看好。

基于模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)集成技術(shù)

通過大量成熟的金屬鍛壓機(jī)器人系統(tǒng)集成案例總結(jié)分析，提煉出若干技術(shù)定型的模塊化子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成模塊化設(shè)計(jì)，這些模塊化子系統(tǒng)可以采用批量生產(chǎn)模式，從而大幅縮短系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)制造成本。

結(jié)束語

隨著機(jī)器人在金屬鍛壓加工領(lǐng)域系統(tǒng)集成技術(shù)迅速發(fā)展，正在引領(lǐng)行業(yè)制造模式的轉(zhuǎn)變。應(yīng)用金屬鍛壓機(jī)器人系統(tǒng)能夠有效減少企業(yè)一線生產(chǎn)工人數(shù)量，節(jié)約用工成本，對提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善工作環(huán)境，節(jié)能降耗，提升企業(yè)管理水平發(fā)揮重要作用。