基于單臺(tái)ABB機(jī)器人的厚板沖壓自動(dòng)上下料系統(tǒng)的搭建

文/李明昕，路慧明，呂良，蘭明·一汽解放青島汽車(chē)有限公司

基于單臺(tái)ABB機(jī)器人的厚板沖壓自動(dòng)上下料系統(tǒng)的搭建

文/李明昕，路慧明，呂良，蘭明·一汽解放青島汽車(chē)有限公司

以厚板沖壓生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有的ABB機(jī)器人上料系統(tǒng)為基礎(chǔ)，為了降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)機(jī)器人軌跡重新進(jìn)行規(guī)劃和增加下料臺(tái)車(chē)，建立了單臺(tái)機(jī)器人單側(cè)上下料系統(tǒng)。利用Robotstudio軟件對(duì)整個(gè)厚板沖壓生產(chǎn)線進(jìn)行離線模擬，驗(yàn)證機(jī)器人的上下料功能，并通過(guò)優(yōu)化機(jī)器人程序和運(yùn)動(dòng)軌跡，減少機(jī)器人上下料所需要的時(shí)間，保證生產(chǎn)效率，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)厚板沖壓全自動(dòng)化生產(chǎn)提供了數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

隨著“工業(yè)4.0”和《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略的提出，推進(jìn)制造過(guò)程智能化，建設(shè)智能工廠、數(shù)字化車(chē)間，加快人機(jī)智能交互、工業(yè)機(jī)器人等技術(shù)和裝備在生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用，將成為工業(yè)化的重要發(fā)展方向。目前，我國(guó)汽車(chē)制造業(yè)不斷的進(jìn)行生產(chǎn)裝備的自動(dòng)化、智能化升級(jí)改造，以確保新車(chē)型的換代頻率，并滿足消費(fèi)者對(duì)車(chē)型個(gè)性化和高品質(zhì)的追求。沖壓工藝作為汽車(chē)制造四大工藝之一，柔性化生產(chǎn)已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)，越來(lái)越多的汽車(chē)生產(chǎn)廠商建設(shè)柔性化沖壓生產(chǎn)線。沖壓柔性化生產(chǎn)的代表設(shè)備就是工業(yè)機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人動(dòng)作靈活，可靠性高，能夠建立起快速、精確的沖壓件輸送鏈，實(shí)現(xiàn)沖壓件傳送的柔性化和智能化。

商用車(chē)車(chē)架橫梁厚板沖壓件雖然沖壓工藝簡(jiǎn)單（一般需要2～3道沖壓工序），但是厚板件板料質(zhì)量較大，人工搬運(yùn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工人勞動(dòng)強(qiáng)度非常大。為減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，我廠沖壓厚板生產(chǎn)線采用ABB IRB6640型機(jī)器人進(jìn)行輔助上料。雖然可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料，但是下料仍然需要人工將板料從模具中取出再碼垛，對(duì)于尺寸和質(zhì)量比較大的板料，工人的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)仍然比較大。

為了解決上述問(wèn)題，本文將以現(xiàn)在的厚板沖壓生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，使用單臺(tái)ABB機(jī)器人搭建自動(dòng)化上下料系統(tǒng)，并對(duì)機(jī)器人自動(dòng)化上下料系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬和實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)，為沖壓厚板線的自動(dòng)化生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

現(xiàn)有機(jī)器人上料系統(tǒng)

目前，我廠現(xiàn)有的機(jī)器人上料系統(tǒng)由5部分組成：ABB機(jī)器人、上料臺(tái)車(chē)、電磁鐵端拾器和電氣控制系統(tǒng)。厚板沖壓生產(chǎn)采用機(jī)器人上料、人工下料的生產(chǎn)方式，生產(chǎn)流程如圖1所示。

通過(guò)流程圖可以看出，現(xiàn)有的厚板沖壓生產(chǎn)線可以實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)生產(chǎn)，仍然需要人工將板料從模具中取出進(jìn)行碼放。工人在碼放制件時(shí)，需要將身子探到壓力機(jī)內(nèi)將板料取出，然后需要彎腰將制件放在料架上。從人機(jī)工程的角度分析，需要避免不自然的身體姿態(tài)、費(fèi)力的身體移動(dòng)、高的體力消耗和負(fù)重作業(yè)。考慮到人的效能和需求，我們通過(guò)使用機(jī)器人進(jìn)行下料來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)工程，創(chuàng)造操作人員、壓力機(jī)、機(jī)器人和沖壓件的最佳共同效應(yīng)，即降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)保證生產(chǎn)效率。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況和資源，我們搭建了基于單臺(tái)ABB機(jī)器人的上下料系統(tǒng)。

圖1 厚板沖壓生產(chǎn)流程示意圖

機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的組成

機(jī)器人上下料系統(tǒng)的技術(shù)要求

機(jī)器人上下料系統(tǒng)必須考慮生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，并且必須滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，因此我們搭建的機(jī)器人上下料系統(tǒng)必須滿足以下技術(shù)要求。

⑴利用一臺(tái)ABB IRB6640機(jī)器人實(shí)現(xiàn)上料和下料。

⑵合理布局，有效利用生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的空間。

⑶機(jī)器人碼垛完成的沖壓件能夠便利運(yùn)送出生產(chǎn)區(qū)域。

⑷目前只滿足在切邊沖孔、沖孔工序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)上下料。

⑸滿足生產(chǎn)節(jié)拍，2.5次/分鐘，單班生產(chǎn)達(dá)到750沖次。

機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)硬件搭建

鑒于以上技術(shù)要求，為了減少投資和改造工程量，并且充分利用現(xiàn)有的生產(chǎn)資源，機(jī)器人上下料系統(tǒng)只是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加一臺(tái)下料臺(tái)車(chē)，如圖2所示。機(jī)器人將制件從模具內(nèi)取出后，碼放在下料臺(tái)車(chē)上，然后通過(guò)下料臺(tái)車(chē)將碼放好的制件運(yùn)出工作區(qū)域。

圖2 機(jī)器人上下料系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖及生產(chǎn)流程示意圖

通過(guò)機(jī)器人上下料的工作流程可以看出，相比于機(jī)器人上料，機(jī)器人上下料系統(tǒng)的整個(gè)工作過(guò)程增加了機(jī)器人再次進(jìn)入模具抓取制件、機(jī)器人碼放制件和通過(guò)下料臺(tái)車(chē)將垛料輸送出工作區(qū)域3個(gè)過(guò)程。由于增加了3個(gè)過(guò)程，機(jī)器人上下料生產(chǎn)必然會(huì)增加生產(chǎn)時(shí)間，相應(yīng)的生產(chǎn)節(jié)拍也勢(shì)必降低。如何保證生產(chǎn)效率將會(huì)是搭建機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

機(jī)器人上下料程序的調(diào)試

確定機(jī)器人上下料系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)之后，就需要對(duì)機(jī)器人上料程序進(jìn)行修改，使機(jī)器人能夠完成下料動(dòng)作。

機(jī)器人上下料程序

相比于現(xiàn)在的ABB機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，我們?cè)黾恿诉\(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人將制件取出并碼放的動(dòng)作。在機(jī)器人程序中，增加以下語(yǔ)句來(lái)控制機(jī)器人完成下料工作。

MoveL pBeforeLoad,v7000,z50,tool1;

MoveL pPickagain,v2000,fine,tool1;

MoveJ pAfterLoad,v7000,z50,tool1;

MoveL pDrop,v5000,fine,tool1;

MoveL PafterDrop,v7000,z50,tool1;

同時(shí)，我們使用下面的語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人將制件逐個(gè)進(jìn)行碼放。

MoveL offs(pDrop,0,0,Drop_pos),v5000,fine, tool1;

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，我們對(duì)自動(dòng)上下料程序進(jìn)行調(diào)試，機(jī)器人程序正常，可以順利的將制件從模具內(nèi)取出然后碼放。同時(shí)，我們對(duì)機(jī)器人上下料程序進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)上下料生產(chǎn)進(jìn)行計(jì)時(shí)，得到機(jī)器人完成一次上下料需要32s，這達(dá)不到我們的要求（2.5次/分鐘）。因此，需要提升機(jī)器人上下料的效率。

機(jī)器人上下料效率提升

⑴增加速度和優(yōu)化軌跡提高效率。

我們首先采用最直接的辦法，即對(duì)每個(gè)軌跡點(diǎn)的速度、加速度以及速度的百分比進(jìn)行了修改，提高每個(gè)軌跡點(diǎn)的運(yùn)行速度。另外，我們通過(guò)修改程序，使得機(jī)器人只在第一次上下料時(shí)經(jīng)過(guò)Home點(diǎn)，連續(xù)工作后不需要再經(jīng)過(guò)Home點(diǎn)，這樣可以減少運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)。優(yōu)化前后，機(jī)器人軌跡如圖3所示。

圖3 機(jī)器人運(yùn)行軌跡優(yōu)化前后對(duì)比圖

我們通過(guò)Robotstudio軟件建立了沖壓厚板壓力機(jī)生產(chǎn)線的三維模型，并對(duì)優(yōu)化前后機(jī)器人的程序進(jìn)行模擬，優(yōu)化前后的速度—時(shí)間曲線對(duì)比圖，如圖4所示。優(yōu)化后總體速度有所增加，最高可達(dá)到5210.76 mm/s，通過(guò)模擬計(jì)算優(yōu)化后50次上下料的平均時(shí)間為26.672s/次，優(yōu)化前的平均時(shí)間為28.413s/次。模擬時(shí)間與實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間不同，主要是因?yàn)閴毫C(jī)由人進(jìn)行操作，而且機(jī)器人進(jìn)入壓力機(jī)內(nèi)放料和取料都是通過(guò)人工發(fā)出指令實(shí)現(xiàn)的，模擬時(shí)并沒(méi)有將這些因素計(jì)算在內(nèi)。

為了觀察提高速度對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)軸的影響，我們對(duì)機(jī)器人完成一個(gè)循環(huán)過(guò)程中的每個(gè)關(guān)節(jié)角位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖4所示。從關(guān)節(jié)角位移曲線圖可以看出，機(jī)器人在整個(gè)軌跡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各關(guān)節(jié)角度變化平穩(wěn)，無(wú)劇烈振動(dòng)跡象，并且各個(gè)關(guān)節(jié)角的運(yùn)動(dòng)范圍始終在機(jī)器人設(shè)定的可允許范圍內(nèi)。其中，關(guān)節(jié)6角度變化范圍比較大，這是因?yàn)樵谏狭线^(guò)程中端拾器需要旋轉(zhuǎn)180°，這也與實(shí)際情況相符。

通過(guò)提高軌跡點(diǎn)運(yùn)行速度，發(fā)現(xiàn)節(jié)省時(shí)間只有1s左右，并不能大幅度的提高效率，所以需要采取其他措施。

⑵優(yōu)化程序提高效率。

通過(guò)對(duì)機(jī)器人程序的分析，我們發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在每次抓料或者放料時(shí)，都需要2s的時(shí)間，這2s時(shí)間包括對(duì)端拾器電磁鐵發(fā)射充磁或者消磁脈沖信號(hào)0.5s，還有電磁鐵將板料抓起或者放下時(shí)的等待時(shí)間1.5s。由于整個(gè)上下料過(guò)程需要2次抓料和2次放料，這就需要8s的時(shí)間，大約占總時(shí)間的25%。如果這部分時(shí)間可以節(jié)約，那上下料時(shí)間可以有較大程度的縮短。

為了減少充磁、消磁以及等待時(shí)間，我們?cè)O(shè)計(jì)機(jī)器人在達(dá)到抓料點(diǎn)或者放料點(diǎn)之前就發(fā)出脈沖信號(hào)，使得端拾器的電磁鐵已經(jīng)充磁或者消磁完畢，從而減少這部分時(shí)間。

我們利用ABB機(jī)器人程序中TriggIO、TriggL兩個(gè)命令編寫(xiě)程序語(yǔ)句，控制機(jī)器人在達(dá)到抓料點(diǎn)或者放料點(diǎn)之前的0.5s就發(fā)出充磁或者去磁脈沖信號(hào)。在修改ABB機(jī)器人程序完成后，為了檢驗(yàn)程序的正確性和可靠性，我們通過(guò)Robotstudio軟件對(duì)程序進(jìn)行了模擬，在模擬過(guò)程中機(jī)器人可以順利完成上下料動(dòng)作，而且機(jī)器人完成50次上下料的平均時(shí)間約為22.724s/次。我們對(duì)程序進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，在確保成功率為100%的前提下，只對(duì)抓料點(diǎn)、放料點(diǎn)和再次放料點(diǎn)進(jìn)行提前充、放磁，實(shí)際完成一次上下料循環(huán)的時(shí)間為25s，生產(chǎn)節(jié)拍為2.4次/分鐘，基本達(dá)到技術(shù)要求。

⑶增加緩存平臺(tái)提高效率。

通過(guò)對(duì)機(jī)器人上下料的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)上下料的過(guò)程中，機(jī)器人有一段停止等待時(shí)間，即壓力機(jī)運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人在壓力機(jī)工作區(qū)域外等待大概8s的時(shí)間，如圖3所示。如果能夠?qū)⒋硕螜C(jī)器人的等待時(shí)間變?yōu)闄C(jī)器人的工作時(shí)間，那么可以減少一部分時(shí)間，提高生產(chǎn)節(jié)拍。

為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)緩存平臺(tái)，通過(guò)增加緩存平臺(tái)，將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡變?yōu)槿鐖D5所示。當(dāng)機(jī)器人連續(xù)工作時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡封閉在上料小車(chē)、緩存平臺(tái)、模具、下料小車(chē)之間的循環(huán)之內(nèi)，將壓力機(jī)完成動(dòng)作的8s完全利用起來(lái)。而且在壓力機(jī)動(dòng)作的過(guò)程中，機(jī)器人就已經(jīng)將板料放到緩存平臺(tái)上。這樣整個(gè)上下料過(guò)程就可以簡(jiǎn)化為：機(jī)器人抓取緩存平臺(tái)上的板料→機(jī)器人將板料放入模具內(nèi)→機(jī)器人從壓機(jī)內(nèi)取出板料→機(jī)器人將板料放在下料小車(chē)上，這種簡(jiǎn)單的循環(huán)過(guò)程。

我們對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了模擬，如圖6所示。相對(duì)于圖4，機(jī)器人的速度變換更加頻繁，這主要是由于機(jī)器人的軌跡點(diǎn)增加導(dǎo)致的，但是機(jī)器人速度為0的時(shí)間明顯減少，機(jī)器人的利用率提高。通過(guò)模擬，計(jì)算機(jī)器人完成50次上下料循環(huán)的平均時(shí)間為20.638s/次，生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)一步得到提高。

機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證

我們成功搭建了機(jī)器人上下料系統(tǒng)，如圖7所示，整個(gè)機(jī)器人上下料系統(tǒng)由ABB機(jī)器人、上料臺(tái)車(chē)、下料臺(tái)車(chē)、緩存平臺(tái)、電磁鐵端拾器和電氣控制系統(tǒng)組成。在上料系統(tǒng)的基礎(chǔ)上只是增加了下料臺(tái)車(chē)和緩存平臺(tái)兩個(gè)簡(jiǎn)單的工裝，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自動(dòng)上下料。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)有效的利用了現(xiàn)有的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)投入較少的資金，并且滿足生產(chǎn)技術(shù)的要求。

圖5 緩存平臺(tái)位置及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

圖6 增加緩存平臺(tái)后機(jī)器人速度-時(shí)間曲線

圖7 單臺(tái)ABB機(jī)器人上下料系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

我們對(duì)機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，機(jī)器人上下料程序成功運(yùn)行，并且成功率為100%。通過(guò)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行計(jì)時(shí)，實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍約為22s/次。

表1通過(guò)各種優(yōu)化方案，機(jī)器人的上下料時(shí)間最終控制在22s，生產(chǎn)節(jié)拍也達(dá)到了2.7次/分鐘，單班生產(chǎn)就可達(dá)到900沖次，完全滿足生產(chǎn)要求。

本文根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工況要求和基本條件完成了單臺(tái)ABB機(jī)器人上下料系統(tǒng)的搭建，完成各種工裝的設(shè)計(jì)和機(jī)器人上下料程序的編制。同時(shí)，通過(guò)建立厚板沖壓生產(chǎn)線的三維模型和對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的計(jì)算機(jī)模擬，積累了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。

表1 各種方案生產(chǎn)節(jié)拍

通過(guò)各種方案的編制和實(shí)施，不斷的提高機(jī)器人上下料的生產(chǎn)節(jié)拍，最終將生產(chǎn)節(jié)拍提高到2.7次/分鐘。最終，單臺(tái)ABB機(jī)器人上下料系統(tǒng)可以滿足生產(chǎn)要求，同時(shí)可以大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，為厚板沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。