重力對中臺在厚板沖壓自動生產(chǎn)線中的應(yīng)用

文/李明昕，黃秀香，路慧明，呂良·一汽解放青島汽車有限公司

在自動化薄板沖壓生產(chǎn)過程中，板料經(jīng)過拆垛、清洗、涂油工序后，位置發(fā)生變化，為了確保機(jī)器人或機(jī)械手抓取板料的精度和速度，對板料需要進(jìn)行再次對中定位。對中技術(shù)在薄板沖壓中應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，并且方式多樣化。

而對于厚板沖壓，對中技術(shù)應(yīng)用就比較少。這主要是國內(nèi)的整車廠，厚板沖壓并沒有實(shí)現(xiàn)完全自動化生產(chǎn)，最多只是實(shí)現(xiàn)機(jī)械輔助上料。由于我廠采用的ABB機(jī)器人厚板自動上料系統(tǒng)已經(jīng)通過機(jī)器人重新編程和設(shè)備改造，已經(jīng)具備單臺機(jī)器人自動上下料功能。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)厚板沖壓的全自動化生產(chǎn)，我們設(shè)計(jì)了適用于厚板沖壓的對中臺，以保證上料精度，實(shí)現(xiàn)厚板沖壓的自動化生產(chǎn)。

現(xiàn)有板料對中方式

對于薄板沖壓，對中技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛并且非常成熟。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在對中技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到采用光學(xué)系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對中。目前常用的對中方式主要有重力對中、機(jī)械對中、圖像掃描對中和視覺對中四種方式。

重力對中

重力對中主要是利用板料自重實(shí)現(xiàn)對中。對中臺臺面相鄰兩邊傾斜一定的角度，然后依靠板料自身所受到的重力，沿著臺面滑向傾斜兩邊形成是夾角，以實(shí)現(xiàn)對中。每張板料都會沿臺面滑向夾角，這樣就可以實(shí)現(xiàn)每張板料都是同一個抓取點(diǎn)，從而保證后工序能夠?qū)辶暇_地放入模具當(dāng)中。

機(jī)械對中

機(jī)械對中主要是通過對板料進(jìn)行拍打夾緊的方式進(jìn)行定位。板料傳送到對中臺上，通過接近開關(guān)檢測板料是否到位，然后通過氣缸驅(qū)動實(shí)現(xiàn)對板料的拍打和夾緊。氣缸的位置通過螺桿和伺服電機(jī)進(jìn)行編碼控制，以適應(yīng)不同尺寸的板料。

圖像掃描對中

圖像掃描對中系統(tǒng)是板料通過傳送帶經(jīng)過掃描儀照相機(jī)時，開始對板料進(jìn)行掃描照相，然后控制系統(tǒng)將板料的關(guān)鍵位置（工件的邊緣或者輪廓）與示教時的基準(zhǔn)板料進(jìn)行對比，計(jì)算出偏差(X，Y，α)。當(dāng)板料被輸送到對中臺上時，通過伺服系統(tǒng)控制對中臺的對中電機(jī)進(jìn)行動作，修正來料與基準(zhǔn)板料的位置偏差，從而保證板料的抓取點(diǎn)保持不變，如圖1所示。

視覺對中

圖1 圖像掃描對中系統(tǒng)工作示意圖

視覺對中系統(tǒng)主要是通過攝像頭拍取一張作為基準(zhǔn)板料的位置，然后其他的板料都會進(jìn)行拍照，同樣是通過對比計(jì)算出與基準(zhǔn)板料位置之間的偏差(X，Y，α)，并將偏差反饋給機(jī)器人，機(jī)器人抓取板料的軌跡點(diǎn)通過程序進(jìn)行自動偏移補(bǔ)償，從而保證每次抓件的精度。不同的板料都需要對中拍攝一張基準(zhǔn)板料的位置。

相比于其他3種對中方式，重力對中方式結(jié)構(gòu)最簡單，對中臺設(shè)計(jì)加工周期短，制造成本最低，且根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際空間，臺面尺寸可以做到最小。另外，重力對中臺操作簡單，使用方便，不需要像機(jī)械對中臺那樣頻繁地調(diào)整氣缸位置或者像圖像掃描、視覺對中那樣對不同板料進(jìn)行拍照調(diào)試?；谝陨戏矫妫覀冞x擇重力對中臺實(shí)現(xiàn)厚板沖壓的重力對中。

圖2 厚板重力對中臺結(jié)構(gòu)示意圖

厚板重力對中臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)厚板沖壓板料尺寸形狀以及生產(chǎn)現(xiàn)場的空間，我們設(shè)計(jì)了圖2所示的重力對中臺。重力對中臺主要由萬向球工作臺面、高度可調(diào)的移動式支架、板料檢測傳感器和異形板料擋銷構(gòu)成。

工作臺設(shè)計(jì)

工作臺根據(jù)厚板板料的尺寸規(guī)格，臺面尺寸設(shè)計(jì)為600mm×1200mm，這樣既可以滿足現(xiàn)場的生產(chǎn)空間，又可以滿足厚板所有的板料尺寸規(guī)格。

圖3(a)中工作臺面設(shè)計(jì)有萬向球安裝孔，通過布置合理間距和數(shù)量的萬向球，保證板料可以順利地滑落到夾角處，實(shí)現(xiàn)對中。同時，臺面上還設(shè)計(jì)了擋銷孔，用來安裝擋銷，這主要是針對異形板料，通過布置擋銷來實(shí)現(xiàn)異形板料的定位。

為了檢測板料是否完成定位，在臺面上設(shè)計(jì)了板料檢測傳感器見圖3(b)。傳感器可以根據(jù)板料的大小，通過滑行槽來調(diào)整位置，實(shí)現(xiàn)對不同板料的位置檢測。

圖3 重力對中臺工作臺結(jié)構(gòu)圖和板料檢測傳感器模塊

支架設(shè)計(jì)

由于厚板板料尺寸規(guī)格較多，最小尺寸有10mm×180mm×300mm，最大尺寸可以達(dá)到8mm×545 mm×1255mm，尺寸規(guī)格的多樣性也導(dǎo)致了板料重量變化較大，最大50kg左右。為了保證板料能夠順利滑向夾角，同時避免滑行速度過快而造成的沖擊，我們設(shè)計(jì)了高度可調(diào)的支腿見圖4(b)。針對不同重量的板料，可以通過調(diào)整支腿的高度，從而獲得不同的臺面傾斜角度，臺面傾斜角度可以在0°～15°之間自由調(diào)節(jié)。

圖4 重力對中臺支架結(jié)構(gòu)圖

目前，厚板沖壓自動線并沒有實(shí)現(xiàn)完全的自動化，因?yàn)橛行┠＞邿o法實(shí)現(xiàn)自動化改造，例如封閉落料的模具，因?yàn)閺U料無法自動排出，需要人工輔助生產(chǎn)。因此，為了生產(chǎn)的靈活性，支架設(shè)計(jì)了萬向輪，便于在人工生產(chǎn)的情況下將重力對中臺從生產(chǎn)區(qū)域移出。

由于重力對中臺要隨時移入和移出工作區(qū)域，這就無法保證每次在工作區(qū)域的位置是固定的，為解決這個問題，在支架上設(shè)計(jì)了定位裝置，如圖4(c)所示。將“地面固定塊”焊接在工作區(qū)域的合適位置，每次將工作臺推入工作區(qū)域后，利用支架上的“固定插銷”插入“地面固定塊”中，從而實(shí)現(xiàn)重力對中臺的精確定位。這樣，在不同批次生產(chǎn)同種制件時，就不需要反復(fù)修改機(jī)器人的軌跡點(diǎn)，節(jié)省機(jī)器人調(diào)試時間，提高生產(chǎn)效率。

重力對中臺實(shí)際工作過程模擬

為了驗(yàn)證重力對中臺的對中效果，我們對重力對中臺的工作過程進(jìn)行了運(yùn)動仿真模擬，模擬過程如圖5所示。通過異形板料模擬在不同傾斜角度的情況下，板料在重力對中臺上的滑移過程。

圖5 重力對中臺模擬過程

我們模擬了不同傾斜角度下板料的滑移過程，并對板料的滑移速度進(jìn)行了跟蹤如圖6所示。從圖中的(a) ～(e)幾幅圖可以看出，隨著傾斜角度的增大，板料的滑移速度逐漸增大，并且速度振幅也呈增加趨勢。傾斜角從5°到13°，速度出現(xiàn)多個峰值，這主要是因?yàn)榘辶吓c擋銷為剛性接觸，板料不可避免地發(fā)生振動，而且傾斜角度越大，速度峰值變化越大。

圖6 板料在不同傾斜角度條件下的V-T曲線圖

在傾斜角度為13°時，板料一直在振動，10s之后板料仍然沒有停止完成對中。這主要是因?yàn)楫愋伟辶弦贿吙繐鯄K而另一邊只靠一個圓銷進(jìn)行定位，并且該定位邊是一條圓弧曲線。當(dāng)板料與擋銷開始接觸后，板料就會以擋銷為中心左右進(jìn)行轉(zhuǎn)動，如圖7所示。傾斜角度越大，板料滑移速度就越快，板料與擋銷接觸后就需要很長時間才能停止振動。如果是形狀規(guī)則的板料則不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，因?yàn)榭梢砸揽績蓷l直角邊與兩側(cè)的擋塊接觸進(jìn)行定位。

圖7 板料滑移位置跟蹤圖

另外，我們對不同傾斜角度下板料的最大滑移速度和對中完成時間進(jìn)行了對比見圖6(f)。板料滑移最大速度隨傾斜角度的增大而增大，而且從2°到5°，板料的滑移速度快速增大。從圖中還可以看出對中完成時間也隨之增加，并且角度大于12°后，板料對中完成時間急劇增加，已經(jīng)超過10s。

通過對比，只有在傾斜角度為2°時，板料對中完成時間才小于1s，其他傾斜角度對中時間已經(jīng)超過2s。板料對中完成時間會直接影響沖壓效率，因此當(dāng)傾斜角度為2°時，滿足實(shí)際生產(chǎn)。因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要將對中臺調(diào)整到合適的傾斜角度，盡量減少對中所需要的時間。

結(jié)束語

目前，從各大商用車整車廠商來看，相對于薄板沖壓自動化生產(chǎn)，厚板沖壓自動化生產(chǎn)只處于起步階段，要實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)還有許多工作要做。本文通過對重力對中臺的結(jié)構(gòu)和工作過程的探討，實(shí)現(xiàn)了厚板沖壓板料對中定位，板料自動精確放入模具。板料對中定位是沖壓自動化生產(chǎn)的第一步，這為我們實(shí)現(xiàn)厚板沖壓完全自動化生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。