薄型鈑金生產中的自動化集成應用

摘 要：現(xiàn)階段在我國，還是存在大量傳統(tǒng)制造類生產線。這些制造類生產線中工序與工序之間的銜接都以人力為主。工序機器本身缺乏應有的保護。各工序銜接中受人為影響的因素過高。最直觀的結果就是——人工作強度大同時產品質量卻無法得到有效控制。隨著工業(yè)4.0和中國制造2025的到來，傳統(tǒng)的制造技術逐漸被自動化制造技術所替代。在不改變原有工序的情況下，如何采用最合適的自動化技術替代原來的人工是本文要探索的課題，也是筆者和讀者之間討論的話題。

關鍵詞：生產線自動化連接改造；薄型鈑金；動態(tài)抓??；自動搬運

中圖分類號：TG38 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）15-0184-02

前 言

本文主要介紹如何選用合適的自動化技術在不改變原來舊薄型鈑金生產線（以下簡稱“老線”）生產習慣的情況下完成自動化連線（以下簡稱“新線”）改造。

1 老線產品生產概況

1.1 產品概況

產品為薄型鈑金件。要改造的產品主要應用在液壓控制單元方面。產品厚度1mm左右。形狀見圖1。非規(guī)則形狀多孔類鋼制材料。產品生產工藝劃分：①鋼板卷上料→②整形校平→③沖壓成型（數(shù)次）→④拋光去毛刺→⑤清洗烘干→⑥成品裝箱等6個生產工序，24h不間斷生產。前3道工序的自動化改造已基本完成，需要改造的生產工序主要是④到⑤的自動化連接改造。

1.2 老線生產工序④到工序⑤概況

工序③完成后，由人工將堆垛好的產品從③的料架上搬運到④的上料機上（③改造后已預留VGC通道）。上料機以6s/件的速度將產品抓取至拋光機的進料口。

1.3 改造要求

為降低成本，保留工序④和工序⑤原來的設備。將原來人工做的操作完全由機械動作替代。前期保留人工搬運滿框至⑤的進框口，后期也由機械動作完成搬運動作。

2 自動化動作規(guī)劃

2.1 動作分解

人工做本動作時，先用手拿出一疊工件，左手將該疊工件履平，再由右手一片一片插入料框的柵欄中。我們把整套動作逐一分解成簡單、連續(xù)的機械動作。首先把工件視作是一個254×145×1的帶有很多孔的矩形體。動作1：矩形體從A點254×145面水平升起至B點；動作2：矩形體從B點移動至C點；動作3：矩形體在C點沿其254方向的中心軸旋轉90°；動作4：矩形體從C點垂直下落至料框的第一個柵欄內；動作5（循環(huán)）：重復動作1～2，然后下落到第二個柵欄內；動作6（后期動作預留）：滿框后，料框由機械手移動至工序⑤的進框口。

2.2 周期估算

按照前道工序6s/件的出料速度。工序④出料口的皮帶線為6s/件的運行速率，且24h連續(xù)不斷的出料。為了滿足工序④出料口每件必抓進入料框的速率，抓取工件的動作時間周期≤6s。

2.3 緩沖區(qū)的設定

老線的料盤就是緩沖區(qū)。當采用自動抓取后，料盤即不復存在。如果不設置緩沖區(qū)，則必有工件會掉落到料框外面。可以將緩沖區(qū)設置到料框區(qū)域——有一個或以上的空料框始終處于待命狀態(tài)。這樣的話，緩沖區(qū)包含兩條獨立料框進出線路。每條獨立線路滿料后出框，出框的滿料由人工搬運至⑤的進框口，再放一個空框進框而實現(xiàn)循環(huán)。

3 自動化方案設計

3.1 設備規(guī)劃

設定3條輸送線——1條連接工序④出料口皮帶線起緩沖作用的800mm長的獨立輸送線和2條料框進出的獨立輸送線。

3.2 抓取介質

完成工件拾取動作的方式目前最通常的辦法是吸附法，它包含兩種方式：①氣動真空吸盤。②電磁吸盤。為了簡化設計，經客戶允許，我們采用了電磁吸盤的吸附方式。完成工件軌跡動作的方式目前有兩個：①采用氣動組合聯(lián)接件方式：4個伸縮氣缸、2個旋轉氣缸。②采用機械手臂。為了匹配用戶工廠的自動化整體布局，采用6軸機器人作為動作軌跡的完成介質。

3.3 動態(tài)抓取

工件從工序④出料口經過度接盤到1#皮帶線上后是不停頓的。這時，要想讓機械手成功抓取工件就要讓機械手準確的動態(tài)定位到工件在皮帶線上的位置。且機械手抓取時的運動速率和運動方向與工件的運動速率和運動方向完全一致且不得有偏差。

3.4 盛料介質

盛料介質——料框。根據(jù)用戶要求，料框的外型及尺寸必須同老線保持一致，長寬高500×300×380。采用電磁吸盤方式后，由于電磁吸頭的外型結構，要想將料框頭尾的空柵欄全部放滿必須將原來的固定式內腔改成可升降內腔。因此，新料框的結構分為外框和內腔兩部分組成。內腔可以被頂起，有定位裝置。保證每次頂起的位置都是同一位置。

4 自動化設備設計

4.1 整體設備的確定

4.1.1 1#、2#滾筒線

本線滿足料框的緩沖要求。進框口和出框口為同一個地方。人工將滿料框取出后，再將空料框放入輸送線上。根據(jù)客戶要求，為了匹配工序⑤的輸送線，我們將1#、2#輸送線設定為滾筒線。兩條滾筒線有進框傳感器、出框傳感器、空框檢測傳感器、阻擋氣缸、頂升氣缸來完成工件抓取入框的動作。

4.1.2 3#皮帶線

800mm長連接工序④出料口的輸送線為3#輸送線，為了容易跟工序④設備銜接，也采用皮帶線+過渡接盤的方式進行連接。料盤置于皮帶線的末端，并配備有料傳感器。

4.2 設備規(guī)劃圖

規(guī)劃圖中，設定了各輸送線的寬度，長度。機械手的最大、最小回轉半徑。匹配工件進料口的高度900mm，設定皮帶線高度為900。匹配機械手最佳抓取擺放高度，設定滾筒線高度為600mm。設定了設備底座的尺寸1350×1500×80。

有了規(guī)劃圖，接下來設備、動作邏輯等詳細設計便有了一個明確的方向。

4.3 設備系統(tǒng)劃分

一般自動化設備屬于系統(tǒng)設備。設計時如不將典型的系統(tǒng)進行模塊劃分，到后期設計將會十分繁瑣，甚至會碰到無法連接等極端情況。由此，我們引入模塊化設計的概念。我們先將整個系統(tǒng)進行模塊化劃分。它可以被劃分成5個模塊組成：1.基座組件；2.機械手；3.端拾器組件；4.視覺系統(tǒng)組件；5.電氣控制系統(tǒng)組件。

4.3.1 基座組件

包含底座，1#、2#滾筒線，3#皮帶線，皮帶線末端集料盤，機械手安裝架，接線柜等6個模塊劃分。

4.3.2 機械手

機械手采用外購形式完成設計?，F(xiàn)階段，機械手逐漸趨于標準化，因此直接采購現(xiàn)有的標準化產品進行匹配來減少設計、制造成本。

4.3.3 端拾器組件

采用永磁活塞式吸附組件。該組件也是外購標準產品以減少開發(fā)成本降低風險。

4.3.4 視覺系統(tǒng)組件

購買成熟生產廠家的產品完成匹配。

4.3.5 電氣控制系統(tǒng)組件

根據(jù)動作圖進行電氣邏輯程序設計，把以上各區(qū)塊有機的聯(lián)系成一個整體完成整個抓取動作。

5 設備各組件的設計

5.1 基座組件的設計

基座組件包含1#、2#滾筒線，3#皮帶線，機械手等主要機械部件。

5.1.1 底座的設計

底座為設備的機械基礎，起到機床床身的作用。它要有一個相對穩(wěn)定結構來滿足上面的皮帶線、滾筒線的承重，機械手快速旋轉所產生的轉動慣量。因此，底座有兩種可采用的形式：鑄件和焊接件。鑄件適合批量生產，焊接件適合單件生產。結合項目本身的特點，選擇了焊接件的結構形式。為了加工和裝配方便，將機械手底座獨立出來，同樣設計成焊接件。

5.1.2 滾筒線的設計

滾筒線機械功能有——承載料框，料框固定線路往復移動；自動化功能有——檢測料框是否到位，檢測上料口料框內是否有剩余工件（上的料框是否是空料框），上料口料框區(qū)域與工件堆垛料框區(qū)域的動態(tài)隔離（阻擋機構），工件堆垛料框區(qū)域內料框內腔的頂升功能（頂升機構）。

5.1.3 皮帶線的設計

皮帶線就機械功能而言僅以某一個設定速率運輸工件；和銜接上道工序④工件出料口皮帶線的過渡接盤裝置。皮帶線承重輕載，運行速率低速，皮帶材料采用普通PVC材質即可滿足運輸需求。這里要注意的是皮帶的顏色，要與工件表面顏色有明顯反差，本次選擇黑色。皮帶線自動化功能包含皮帶速率的矢量輸出（旋轉編碼器），皮帶線末端的異常儲料箱（集料箱）。

5.2 機械手的設計

機械手采用成熟品牌產品。該產品必須具備開放的通用TCP/IP通訊協(xié)議或I/O通訊協(xié)議，具有一定防塵功能，價格適中等特點，該部件為外購部件。

5.3 端拾器組件的設計

采用委托設計加工的辦法，尋求專業(yè)制作電磁吸盤的廠家進行加工。

5.4 視覺系統(tǒng)組件

機械手內嵌的視覺系統(tǒng)有靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)成本一般為動態(tài)的1/3左右。因此在能滿足使用的前提條件下，選成本相對低廉的靜態(tài)視覺系統(tǒng)是保證總成本的一個重要因素。

5.5 電氣設計要點

本項目電氣設計思路同機械設計，分4個模塊進行設計劃分——主電路、機械手電路（獨立）、視覺電路（獨立）、端拾器組件控制（并入機械手程序內）。動作程序控制采用PLC編程控制根據(jù)動作圖進行程序邏輯編寫。由于采購件的特殊性，把工件到位觸發(fā)相機傳感器的控制并入機器人程序中——相機觸發(fā)傳感器觸發(fā)電路不是接入相機系統(tǒng)，而是首先接入機械手的獨立控制電路中，由機械手觸發(fā)拍照信號進行程序第一序次的工件初始拍照動作。

6 結 論

經過調試驗證，所有理論設計均為可行，順利通過驗收并交付使用。最后也歡迎讀者來信進行技術探討和指正。自動化集成技術在我國各大生產行業(yè)都得到了廣泛的應用，相比較傳統(tǒng)的生產技術而言，自動化集成技術具有很明顯的優(yōu)勢，在薄型板中進行應用能夠極大程度的提高生產效率，簡化生產線工序，并實現(xiàn)提高薄型板質量的生產目標。就以目前而言，我國的自動化集成技術還在研究發(fā)展階段，在未來仍具有很廣闊的發(fā)展空間，有關部門要加大對薄型板生產中自動化集成技術的研究，提高工業(yè)生產的自動化水平，以技術帶動我國材料生產行業(yè)的高效發(fā)展。

收稿日期：2018-4-24

作者簡介：沈德?。?981-）男，本科，主要從事機械設計工作。