基于工業(yè)機(jī)器人的汽車覆蓋件柔性沖孔系統(tǒng)

尹國(guó)濤 朱政赫 宮 虎 盧振豐 雍華山 劉 磊 何 偉

1.天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津,300072 2.天津九鵬汽車裝備制造有限公司,天津,300399 3.四川華瑞汽車制造有限公司,綿陽(yáng),621000

0 引言

隨著家用汽車日益普及,消費(fèi)者對(duì)“度身定制”屬于自己的汽車的個(gè)性化追求迅猛增長(zhǎng),這對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)下“千篇一律”的產(chǎn)品市場(chǎng)產(chǎn)生了巨大的沖擊。消費(fèi)者在廠家提供的車型基礎(chǔ)上,根據(jù)自己的需求和喜好,選擇顏色、內(nèi)飾、天窗、音響等備選配置[1]。個(gè)性化定制的汽車產(chǎn)品內(nèi)飾的安裝位置不同,意味著制孔的位置和種類是不斷變化的。規(guī)模生產(chǎn)使用的汽車覆蓋件整體沖孔模具是非常昂貴的,因此,整體模具沖孔并不適合個(gè)性化汽車產(chǎn)品。由此,對(duì)汽車覆蓋件制孔方法的效率、靈活性以及成本提出了更高要求。

為了解決此問(wèn)題,汽車制造企業(yè)采用沖孔單元的模塊化組合式?jīng)_孔技術(shù),即把多個(gè)沖孔單元通過(guò)組裝樣板定位到?jīng)_孔位置,組合在一起進(jìn)行沖孔,通過(guò)更換不同型號(hào)沖孔單元,重新調(diào)整沖孔單元的位置,來(lái)適應(yīng)不同的汽車覆蓋件,具有良好的通用性和適應(yīng)性。但是沖孔單元的位置需要人工定位,導(dǎo)致位置精度不容易控制。此外,若沖孔排列緊密,則沖孔單元在安裝時(shí)會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。因此,組合沖模技術(shù)具有很大的局限性。

工業(yè)機(jī)器人具有良好的柔性和較低的成本,因此在汽車制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。在飛機(jī)制造以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,大多數(shù)機(jī)器人柔性制孔系統(tǒng)采用鉆孔的方式[3-5]。鉆孔容易在汽車覆蓋件孔的兩側(cè)產(chǎn)生毛刺和棱邊,不利于汽車內(nèi)飾的安裝,影響裝配精度。汽車覆蓋件一般為0.5～1 mm的薄板,鉆孔系統(tǒng)中的壓腳單元以及鉆頭都會(huì)對(duì)其施加一定的壓力,導(dǎo)致覆蓋件易在鉆孔處產(chǎn)生彎曲變形,影響外觀?；谝陨峡紤],筆者設(shè)計(jì)出模具沖孔與工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合的面向個(gè)性化定制的汽車覆蓋件沖孔系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

1.1 總體設(shè)計(jì)

基于ABB-IRB-6700工業(yè)機(jī)器人的汽車覆蓋件柔性沖孔系統(tǒng),主要包括機(jī)器人系統(tǒng)、沖孔鉗、高精度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、安全保護(hù)裝置以及控制系統(tǒng)(PLC控制柜、操作按鈕盒以及觸摸屏)。系統(tǒng)工作站平面以及空間布局見(jiàn)圖1、圖2。沖孔過(guò)程中,將2個(gè)或4個(gè)工件(一般為家用轎車和SUV的汽車覆蓋件)安放在高精度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上,用氣動(dòng)夾具定位,結(jié)合氣動(dòng)位置鎖定銷,轉(zhuǎn)臺(tái)可以高精度(±0.02 mm)重復(fù)定位,然后工件轉(zhuǎn)動(dòng)到機(jī)器人加工位,機(jī)器人按照事先規(guī)劃好的路徑將沖孔鉗移動(dòng)到加工孔的位置,沖孔鉗進(jìn)行沖孔加工。

1.機(jī)器人 2.沖孔鉗 3.工作臺(tái) 4.安全圍欄 5.操作工人 6.安全光柵 7.操作按鈕盒 8.觸摸屏操作盤 9.機(jī)器人控制柜 10.PLC控制柜 11.安全門圖1 柔性機(jī)器人沖孔工作站平面布局圖Fig.1 Plane layout of the flexible punching workstation based on industrial robot

圖2 柔性機(jī)器人沖孔工作站空間布局圖Fig.2 3D layout of the flexible punching workstation based on industrial robot

圖3為控制系統(tǒng)示意圖,PLC控制柜為整個(gè)系統(tǒng)控制中樞,與各設(shè)備用不同的方式相連,從而控制各設(shè)備的順序啟停。其中,沖孔鉗、工作臺(tái)、安全裝置以及按鈕操作箱與PLC通過(guò)數(shù)字IO模塊進(jìn)行通信；顯示屏幕與PLC通過(guò)RS232串口方式通信,進(jìn)行人機(jī)互動(dòng),可以方便地設(shè)置待加工工件類型、加工數(shù)量等加工參數(shù),顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；機(jī)器人和PLC通過(guò)CC-LINK現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通信。

圖3 控制系統(tǒng)示意圖Fig.3 The diagram of control system

1.2 沖孔鉗設(shè)計(jì)

沖孔鉗是系統(tǒng)中最終執(zhí)行沖孔動(dòng)作的工具,其設(shè)計(jì)要求為：適合機(jī)器人安裝；具有良好的沖孔動(dòng)力學(xué)性能。本文設(shè)計(jì)的沖孔鉗包含有4個(gè)主要部分：沖孔模具、動(dòng)力源、導(dǎo)軌和支架。動(dòng)力源帶動(dòng)模具沿導(dǎo)軌方向往返運(yùn)動(dòng)。沖孔模具采用可更換設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同形狀和大小的沖孔加工。由于沖孔力與位置的關(guān)系比較復(fù)雜,不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,因此采用伺服電機(jī)并不合適。氣壓缸將壓縮空氣做動(dòng)力源,容易獲取、成本低、無(wú)污染,但是體積大、壓力小,動(dòng)作速度不容易控制,載荷變化較大時(shí),容易產(chǎn)生爬行或自走現(xiàn)象。液壓缸的體積小、壓力大,動(dòng)作速度容易控制,在恒速運(yùn)動(dòng)和變速運(yùn)動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換更加方便[6],但安裝維護(hù)成本高,液壓油溫升高會(huì)引起密封圈的變形,導(dǎo)致液壓油的泄露。綜上,本文將融合氣壓缸和液壓缸二者優(yōu)點(diǎn)的氣液增壓缸作為沖孔鉗動(dòng)力源。

氣液增壓缸可以將較小的輸入氣壓轉(zhuǎn)換為較大的輸出油壓。氣液增壓缸的AMESim軟件仿真結(jié)果表明,氣液壓力缸的運(yùn)動(dòng)速度和輸出壓力可以滿足沖孔鉗的要求[7]。

沖孔鉗增加了快進(jìn)行程以及氣液轉(zhuǎn)換功能,采用三行程(快進(jìn)行程、力行程、返回行程)沖壓輪回,如圖4所示,具體工作原理如下：

圖4 氣液增壓缸工作原理示意圖Fig.4 The working principle of gas-liquid actuator

(1)快進(jìn)行程。主控閥打開(kāi),轉(zhuǎn)換閥關(guān)閉,壓縮氣體通過(guò)進(jìn)氣口P2進(jìn)入到B腔,推動(dòng)液壓油流向C腔,C腔下面的壓縮氣體由排氣孔P1排除,活塞桿2利用氣壓驅(qū)動(dòng)模具快速運(yùn)動(dòng),直至在某一位置碰到工件。

(2)力行程。上模具接觸工件后,接觸阻力將自動(dòng)打開(kāi)轉(zhuǎn)換閥,外部壓縮空氣從進(jìn)氣口P4進(jìn)入A腔,A腔中原有的空氣從排氣口P3排出,從而帶動(dòng)活塞1向下運(yùn)動(dòng),直到活塞桿2封閉油腔(圖4b中腔體C區(qū)域)?；钊麠U1繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng),會(huì)讓液壓油油壓快速上升,系統(tǒng)將氣壓切換為液壓動(dòng)力,進(jìn)入力行程,全力驅(qū)動(dòng)上模具實(shí)施沖壓加工。

(3)返回行程。完成沖壓加工后,壓縮空氣通過(guò)進(jìn)氣口P1和P3分別進(jìn)入腔體C和A,同時(shí),原腔體內(nèi)的壓縮空氣分別從P4和P2排出,系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為氣壓驅(qū)動(dòng)模具返回至初始狀態(tài),為下一個(gè)工作循環(huán)準(zhǔn)備。

通過(guò)增加快進(jìn)行程以及氣液轉(zhuǎn)換功能,實(shí)現(xiàn)了“軟到位”和“增力自適應(yīng)”沖壓。“軟到位”使得上模具快速接近工件,但接觸力極小,最大值約為額定沖壓力的1%～5%,沖孔過(guò)程具有無(wú)沖擊振動(dòng)和噪聲小的優(yōu)點(diǎn),一方面提高了沖孔加工質(zhì)量,另一方面保護(hù)了沖孔模具,降低了沖孔模具的設(shè)計(jì)制造難度,延長(zhǎng)了模具的壽命。“增力自適應(yīng)”技術(shù)的特點(diǎn)是,沖孔上模具在空行程某一位置遇到工件時(shí),氣液增力缸受到的外部阻力會(huì)自動(dòng)將動(dòng)力系統(tǒng)由氣壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換為液壓驅(qū)動(dòng),進(jìn)行全力沖孔加工。這一技術(shù)解決了傳統(tǒng)二行程模具沖孔設(shè)備盲目施加沖壓力帶來(lái)的廢品率過(guò)高、振動(dòng)大等弊端。

1.3 軌跡規(guī)劃

在沖孔加工前,需要生成無(wú)干涉的沖孔鉗運(yùn)動(dòng)軌跡。手動(dòng)試教方法的效率太低,故本文重點(diǎn)研究了沖孔鉗運(yùn)動(dòng)軌跡的離線編程方法。對(duì)于傳統(tǒng)的銑削或鉆削的刀具軌跡生成來(lái)說(shuō),由于刀具可以看作是回轉(zhuǎn)曲面,所以刀具上端面上一固定點(diǎn)的位置和刀具的方向足以代表該刀具的位置和姿態(tài)[8-10]。但是由于沖孔鉗具有復(fù)雜的外形,不能被看作是一個(gè)回轉(zhuǎn)曲面,所以很難自動(dòng)生成一條無(wú)干涉的沖孔鉗運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)沖孔鉗的外部形狀特征,本文在UG NX 10.0的平臺(tái)上設(shè)計(jì)了一種交互式的沖孔鉗軌跡生成方法,其原理見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 機(jī)器人沖孔軌跡規(guī)劃Fig.5 Tool path generation for punching a hole

為了簡(jiǎn)化計(jì)算,定義一個(gè)通過(guò)待沖孔軸線的工作平面。該工作平面與沖孔鉗自身的對(duì)稱平面平行。讓沖孔鉗在該工作平面內(nèi)移動(dòng),從而得到運(yùn)動(dòng)軌跡。顯然,按照此方法就可以把三維空間內(nèi)的軌跡規(guī)劃簡(jiǎn)化為二維平面內(nèi)的軌跡規(guī)劃。此時(shí),干涉檢查仍在三維空間內(nèi)進(jìn)行,如果發(fā)生干涉,可以重新定義工作平面,重新計(jì)算。沖孔鉗移動(dòng)軌跡計(jì)算見(jiàn)圖6。

圖6 沖孔鉗移動(dòng)軌跡計(jì)算Fig.6 The calculation of the tool path

2 應(yīng)用

圖7 機(jī)器人沖孔系統(tǒng)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)Fig.7 The punching plier is punching

機(jī)器人柔性沖孔系統(tǒng)在四川華瑞制造有限公司進(jìn)行了加工驗(yàn)證,系統(tǒng)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖7。表1展示了不同的沖孔工藝方法在重新調(diào)整工件上所占用的時(shí)間以及花費(fèi)的成本,可以看出大型沖床的調(diào)整時(shí)間最長(zhǎng)且成本最高(主要是沖孔模具成本),采用基于UG 二次開(kāi)發(fā)的離線編程軟件的機(jī)器人沖孔的調(diào)整時(shí)間最短且?guī)缀鯖](méi)有調(diào)整成本。所以采用離線編程軟件的機(jī)器人柔性沖孔系統(tǒng)能有效減少新工件的調(diào)整時(shí)間，降低調(diào)整成本。

表1 不同沖孔工藝在調(diào)整時(shí)間與成本上對(duì)比

綜上所述,該系統(tǒng)能夠在沖孔效率及沖孔質(zhì)量方面很好地滿足企業(yè)需求。同時(shí),相比于傳統(tǒng)模具沖孔裝置僅適用于單一車型固定位置的沖孔,該系統(tǒng)通過(guò)簡(jiǎn)單地編程和設(shè)備升級(jí),能夠方便地適應(yīng)不同車型不同位置的沖孔。

3 結(jié)論

針對(duì)個(gè)性化定制生產(chǎn)的汽車產(chǎn)品,本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于六軸工業(yè)機(jī)器人的汽車覆蓋件機(jī)器人柔性沖孔系統(tǒng),設(shè)計(jì)了適用于工業(yè)機(jī)械臂的沖孔鉗,其采用的“軟到位”和“增力自適應(yīng)”沖壓技術(shù)具有沖孔質(zhì)量高、高效節(jié)能、控制簡(jiǎn)單可靠、自動(dòng)化程度高、安裝簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)模具沖孔設(shè)備,該系統(tǒng)大幅度提高了系統(tǒng)的柔性和靈活性。