工業(yè)機器人在自動化沖壓線上的應(yīng)用

文/李曉樂·新松機器人自動化股份有限公司

工業(yè)機器人在自動化沖壓線上的應(yīng)用

文/李曉樂·新松機器人自動化股份有限公司

李曉樂，電氣設(shè)計工程師，主要從事工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線的電氣設(shè)計、調(diào)試工作，參與了華晨東興汽車零部件有限公司的機器人自動沖壓連線項目。

隨著工業(yè)4.0的到來，機器人作為工業(yè)中主要的自動化裝備已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各種生產(chǎn)制造中。工業(yè)機器人應(yīng)用到自動化沖壓線中，對節(jié)省生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率具有重要的意義。本文以某汽車配件廠沖壓成形生產(chǎn)線為例，具體介紹了工業(yè)機器人、機器人與端拾器、生產(chǎn)流程機械系統(tǒng)的設(shè)計、電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計。

工業(yè)機器人

工業(yè)機器人具有全新的造型設(shè)計、運行速度出類拔萃、精度高、豐富的應(yīng)用軟件包、系統(tǒng)接口豐富等特點，且支持視覺、力覺等各種智能傳感信息，控制軸數(shù)為標準6個軸+6個外部軸（選配）。目前的系列產(chǎn)品覆蓋了輕―中―重負載領(lǐng)域（6～500kg），圖1為本項目中使用的10kg機器人及其工作范圍。

圖1 新松工業(yè)機器人及其工作范圍

新松公司自主研發(fā)的示教器（圖2），采用新一代機器人控制器軟件，實時Linux平臺，具備了人性化操作功能、多窗口操作、豐富的系統(tǒng)設(shè)置、靈活的指令編輯、多重安全保護、詳盡的診斷信息、重量1.8kg操作輕便等特點，可以滿足用戶的多種操作需要。

圖2 工業(yè)機器人示教器

機器人與端拾器

端拾器是指安裝在工業(yè)機器人機械手上的自動化傳送裝置，利用真空吸盤或夾鉗等與被抓取物接觸，將被抓取物從一個位置搬運到指定位置的器具的統(tǒng)稱。根據(jù)用途可以分為拆垛端拾器、上料端拾器和下料端拾器。本項目中的端拾器采用管材框架結(jié)構(gòu)，配備真空發(fā)生器、真空吸盤，保證板料的快速取放。根據(jù)每種產(chǎn)品外形制定獨特的端拾器。在安全可靠的條件下，盡量做到端拾器通用。圖3是本項目中適應(yīng)不同工件的端拾器。

圖3 端拾器

生產(chǎn)流程機械系統(tǒng)的設(shè)計

本沖壓線用于汽車車身沖壓成形生產(chǎn)線，實現(xiàn)了沖壓前及沖壓過程中沖壓件的搬運及上下料工作。其中，工件最大重量3kg，板材厚度范圍在1.2～1.8mm之間，生產(chǎn)節(jié)拍滿足每種產(chǎn)品生產(chǎn)效率SPM≥6。此生產(chǎn)線的沖壓工藝流程如圖4所示。

圖4 沖壓系統(tǒng)工藝流程

本系統(tǒng)按生產(chǎn)流程分為來料拆垛系統(tǒng)、板料對中系統(tǒng)、壓力機間上下料系統(tǒng)、線尾輸送系統(tǒng)。來料拆垛系統(tǒng)采用可旋轉(zhuǎn)式雙垛料轉(zhuǎn)臺，沖壓板料用行車或叉車放置在非工作垛料臺上，然后通過有效信號確認上料完畢，系統(tǒng)將在另一側(cè)的垛料拆垛完成后自動轉(zhuǎn)換垛料臺。其中，在垛料臺上配備磁力分張器，通過磁力分張器將垛料自動分張，每個磁力分張裝置在左右、前后方向可調(diào)節(jié)，適用于在該線生產(chǎn)的不同尺寸、不同型面零件的板料；板料對中系統(tǒng)是用機器人將垛料臺準備就緒的單張板材搬運到對中臺上，完成板材的對中定位，同時在對中臺裝有雙料檢測傳感器，以進一步保證機器人每次取的板料為單張；在壓力機間上下料系統(tǒng)中，待對中完成后，上料機器人用夾手處的端拾器準確地將板料搬運到壓力機模具內(nèi)，壓機對板料進行沖壓，沖壓完成后，下料機器人再用夾手處的端拾器將工件準確地搬運到下一臺壓力機模具內(nèi)，依次經(jīng)過4臺壓機；線尾輸送系統(tǒng)采用皮帶機且高度可調(diào)（1000～1200mm），以保證最后一臺壓力機的機器人直接將零件放置到皮帶機上，完成出件任務(wù)。

本系統(tǒng)對多種沖壓件進行機器人的模擬示教、離線編程，適應(yīng)多種產(chǎn)品的共線生產(chǎn)。且通過軟件實現(xiàn)機器人跟蹤壓機的運動，實現(xiàn)壓機與機器人同步的功能，可以最大化吻合上下料與壓機運動之間的重合度，達到平穩(wěn)切換其速度來縮短生產(chǎn)節(jié)拍及減少機械負荷的目的。沖壓系統(tǒng)實際生產(chǎn)布局如圖5所示。

圖5 沖壓系統(tǒng)布局

電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

在沖壓自動化生產(chǎn)線中控制系統(tǒng)是沖壓流程的核心，控制系統(tǒng)能保證生產(chǎn)線各個組成部分的協(xié)調(diào)工作。控制系統(tǒng)的可靠性、先進性以及完善性，控制方法的有效性、靈活性直接影響著沖壓自動化生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和自動化程度。

本項目采用西門子S7-1200PLC作為控制器，其設(shè)計緊湊、組態(tài)靈活且具有功能強大的指令集，這些特點的組合使它成為控制各種應(yīng)用的完美解決辦法。通過ProfiNet系統(tǒng)總線與機器人、壓機進行通訊，并配觸摸屏以顯示現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)、存儲報警信息、當前產(chǎn)品信息，并對整條沖壓線進行操控?？刂葡到y(tǒng)具有存儲與調(diào)用功能，生產(chǎn)過產(chǎn)品的相關(guān)信息可以被存儲，下次再生產(chǎn)同樣產(chǎn)品可以通過觸摸屏調(diào)出相應(yīng)的產(chǎn)品信息，不需要重新示教機器人程序。

控制方式可分為自動控制和手動控制。自動控制時，由主控PLC按預(yù)先編輯的程序?qū)ιa(chǎn)線進行控制，生產(chǎn)線正常生產(chǎn)時，系統(tǒng)默認按自動控制方式運行；手動控制時，可以對系統(tǒng)的每個設(shè)備進行單獨控制。報警分警告和故障，這兩種類型的報警發(fā)生時，在觸摸屏上都能彈出提示信息和對應(yīng)解決措施，并存入報警歷史記錄。警告發(fā)生時，不停機，只是提示用戶要及時處理；故障發(fā)生時，要立即停機，并提示用戶及時處理。觸摸屏單元及關(guān)鍵部位設(shè)有三色塔燈+蜂鳴器，通過不同顏色的閃亮和不同頻率的蜂鳴顯示不同程度的報警和當前系統(tǒng)運行狀態(tài)。

在安全方面，機器人、傳輸線、沖壓設(shè)備之間設(shè)置干涉區(qū)域，進入對方干涉區(qū)域要立即停止，保證設(shè)備絕對安全。設(shè)備人員操作區(qū)域分布式設(shè)置急停按鈕，方便人員在緊急情況下的操作，急停采用硬接線式接入控制柜內(nèi)安全繼電器，由安全繼電器進行急停處理，保證設(shè)備的安全等級，確保人員安全。此外，安全圍欄用于將機器人單元封閉，單元設(shè)備工作時將設(shè)備工作區(qū)域與非工作區(qū)域進行隔離，保障人身安全。正常生產(chǎn)時，操作者必須位于圍欄之外。圍欄采用框架加鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并設(shè)置有安全鎖。在機器人工作的情況下，有人員打開安全鎖后，機器人會緊急急停，保證人員安全。

結(jié)束語

工業(yè)機器人在自動化沖壓生產(chǎn)線中的應(yīng)用，代替了工人單調(diào)重復(fù)的勞動，提高了生產(chǎn)效率和工作效率，對產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量也有很大的提高。本項目的應(yīng)用可以說明工業(yè)機器人已經(jīng)成為提高生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量以及經(jīng)濟效益的重要設(shè)備，是自動化沖壓生產(chǎn)線中必不可少的設(shè)備。