工業(yè)機(jī)器人在汽車零部件沖壓線的成功應(yīng)用本質(zhì)安全化

程黎

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司銷售公司，安徽 馬鞍山 243000）

馬鋼配套汽車主機(jī)廠的沖壓工藝為人工上下料的制造模式，用工人數(shù)多，勞動強(qiáng)度大，效率低，安全風(fēng)險高，主要安全風(fēng)險類型為機(jī)械傷害、因大量的傳統(tǒng)人工作業(yè)，主要有兩大安全風(fēng)險：（1）沖壓設(shè)備壓傷員工手部所導(dǎo)致的機(jī)械傷害較為頻繁；（2）職業(yè)病對員工損害較大主要危險有害因素為噪音、腰肌勞損等。企業(yè)主要面對的問題，往往是因整體設(shè)備更換而帶來的巨額資金，會對生產(chǎn)經(jīng)營造成較大影響。

1 應(yīng)用背景及開發(fā)目的

傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)線要求繁重的體力作業(yè)及反復(fù)的上料對員工造成了較大的職業(yè)健康傷害，同時沖壓設(shè)備的噪聲均在80分貝作用，長期的噪聲作業(yè)對員工的聽力帶來的不可逆的損傷。 在此基礎(chǔ)上通過引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人等現(xiàn)代化自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)規(guī)避員工高風(fēng)險沖壓作業(yè)，從而解決一系列員工安全風(fēng)險問題，我們將原有的生產(chǎn)制造工藝，通過技術(shù)革新轉(zhuǎn)型為智慧制造。改造當(dāng)前自動沖壓生產(chǎn)線，在馬鋼（蕪湖）材

料技術(shù)有限公司4#沖壓生產(chǎn)線實現(xiàn)以工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)為主的自動化沖壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)可自動完成沖壓生產(chǎn)線的搬運(yùn)功能，實現(xiàn)減員增效，本質(zhì)安全的目的。

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由垛料輸送系統(tǒng)、磁性分離系統(tǒng)、板料涂油機(jī)、雙料檢測系統(tǒng)、視覺對中系統(tǒng)、拆垛機(jī)器人系統(tǒng)、沖壓機(jī)器人系統(tǒng)、線尾收集系統(tǒng)、安全系統(tǒng)以及周邊設(shè)備和控制軟件系統(tǒng)組成。

3 改造前后設(shè)備對比圖（圖1）

4 系統(tǒng)工作原理

該沖壓自動化生產(chǎn)線主要用于車身大型覆蓋件及其它薄板沖壓件的拉延、整型、沖孔、切邊等沖壓工序。由行車或叉車將垛料輸送到垛料臺車上，垛料臺車移到壓力機(jī)拆垛區(qū)域，拆剁機(jī)器人拾取板料后放置到涂油機(jī)(涂油頻率為每生產(chǎn)5～8件涂油1次），涂油后拾取板料放置至對中臺，板料經(jīng)過視覺對中后，上料機(jī)器人重新拾取板料并送入第一臺壓力機(jī)；沖壓后工件通過傳送機(jī)器人從第一臺壓機(jī)中取出并直接放置于下一臺壓機(jī)的模具中，這一過程重復(fù)到最后一道工序。最后下料機(jī)器人在最后一臺沖壓機(jī)完成沖壓后取走工件放到下料皮帶機(jī)上，由人工檢驗和裝箱。

圖1

5 主要技術(shù)要求

（1）全線調(diào)試結(jié)束必須確保生產(chǎn)效率達(dá)到5～7次/分鐘節(jié)拍以上，具體次數(shù)以產(chǎn)品形狀及沖壓工藝確定。

（2）設(shè)有2個拆垛小車，小車上設(shè)有料架定位裝置，適合該生產(chǎn)線所有料垛的定位，小車由交流電機(jī)通過變頻器驅(qū)動在導(dǎo)軌上移動，每個小車都有一平導(dǎo)軌和一導(dǎo)向?qū)к墸≤嚨奈恢糜蓚鞲衅鳈z測。

（3）每個小車上有四組強(qiáng)磁性分張裝置以防止雙料產(chǎn)生，實現(xiàn)分離垛板料，每個磁性分層裝置能上下、左右、前后六個方向調(diào)節(jié)，并適用于在該線生產(chǎn)的所有不同尺寸零件的板料。每臺小車再配備2個手持式磁力分張器。

（4）雙料檢測器可檢測被提升起的板料厚度。如果發(fā)現(xiàn)雙料，拆垛機(jī)器人將重復(fù)拆垛動作兩次，如果雙料狀態(tài)仍未解決，拆垛機(jī)器人停止工作并發(fā)出聲光報警。

（5）上料臺車需布置末張料檢測開關(guān)。

（6）整線連線自動生產(chǎn)過程中換垛料（不換模具）時需保證不停機(jī)切換。

（7）小車的開進(jìn)、開出分為自動和手動控制。

為研究不同溫度下甲烷水合物生成過程的熱力學(xué)特性和動力學(xué)行為，本次實驗進(jìn)行了273.75 K、273.85 K和273.95 K 3種溫度下甲烷水合物生成實驗。并結(jié)合實驗過程中的溫度、壓力、氣體消耗量、反應(yīng)速率等參數(shù)進(jìn)行水合物的相平衡熱力學(xué)和生成動力學(xué)分析。

（8）磁性分張裝置：分張成功率要求99%。

（9）磁力分張系統(tǒng)安裝在雙列直線導(dǎo)軌塊上，沿直線導(dǎo)軌移動。

（10）5臺壓力機(jī)可進(jìn)行整線連線自動生產(chǎn)，除人工上料至上料小車和人工在線尾檢件外，整線生產(chǎn)過程中板料的分張、拆垛、涂油、對中、上料、沖壓、送料、下料等過程均為自動化生產(chǎn)。

6 主要裝備

（1）本系統(tǒng)全線采用7臺ABB工業(yè)機(jī)器人（IRB6700-150/3.2）。

（2）拆垛臺車，要求具備一輛拆垛臺車上同時擺放兩垛料供機(jī)器人拆垛的功能。拆垛臺車可載重8t。小車由交流電機(jī)通過變頻器驅(qū)動在導(dǎo)軌上移動，拆垛小車具有平導(dǎo)軌及導(dǎo)向?qū)к?，具有到位停止限位開關(guān)，防止到位時工作臺竄動。

（3）磁力分張器，磁力分張系統(tǒng)安裝在雙列直線導(dǎo)軌塊上，沿直線導(dǎo)軌移動。雙列直線導(dǎo)軌塊確保了系統(tǒng)良好的受力狀態(tài)，并使磁力分張系統(tǒng)擁有了足夠的強(qiáng)度和剛性基礎(chǔ)，為實現(xiàn)磁力分張系統(tǒng)快捷的定位板料提供可靠保障。

（4）涂油機(jī)，可參考板材參數(shù)；根據(jù)需要，涂油的形狀可以是整個面，獨(dú)立的條紋或特定的圖案。編程可以在觸摸屏上進(jìn)行，無須特別的編程知識。

（6）端拾器，端拾器要求端拾器采用鋁合金主桿加鋁合金分支桿模式。

（7）視頻監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)組成：整線監(jiān)控系統(tǒng)主要由60”彩色液晶工業(yè)監(jiān)視器1臺，高清攝像機(jī)15臺，紅外高清攝像機(jī)1臺，硬盤記錄機(jī)1臺。

（8）PLC系 統(tǒng)，本 系統(tǒng)PLC為SIEMENSS7-1500安 全PLC系列（CPU 1515F-2 PN），采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，完成系統(tǒng)通訊，邏輯控制，安全聯(lián)鎖與HMI構(gòu)成全方位的監(jiān)控系統(tǒng)。

7 安全防護(hù)

（1）安全圍欄的設(shè)計、制造及控制符合國家安全生產(chǎn)方面的相關(guān)法規(guī)、以確保生產(chǎn)過程上的安全。

（2）凡是可能發(fā)生人或機(jī)器損傷的地方均設(shè)置防護(hù)欄、圍欄、安全網(wǎng)等設(shè)施；并進(jìn)行必要的聯(lián)鎖保護(hù)，圍欄高度2000mm。

（3）在防護(hù)欄的適當(dāng)位置開設(shè)安全門，所有的安全門均安裝有安全鎖及按鈕盒(或操作站)，按鈕盒上設(shè)有申請進(jìn)入、復(fù)位按鈕和急停等按鈕。

（4）安全門通過安全鎖與系統(tǒng)連鎖，當(dāng)安全門被非正常打開時相應(yīng)系統(tǒng)立即停止運(yùn)行并報警。

（5）安全門用于隔離機(jī)器人作業(yè)區(qū)域，保證作業(yè)安全。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行中，安全護(hù)欄的門打開，機(jī)器人將立即停止，最大限度保證人員安全。安全護(hù)欄及立柱通體黃色。

8 自動化和軟件部分

（1）機(jī)器人控制柜和示教器，機(jī)器人控制柜包括電機(jī)驅(qū)動器、IO單元、通訊模塊。

（2）MOC操作站和機(jī)旁操作箱。在自動模式下，按下清線按鈕，線首單元的第一臺機(jī)器人取放完當(dāng)前的一件零件后不再繼續(xù)取件而是直接返回事先定義的原點(diǎn)位置。后工序的機(jī)器人和壓力機(jī)繼續(xù)工作直到零件全部加工完成，工作完成后機(jī)器人直接返回事先定義的原點(diǎn)位置，清線完畢，機(jī)器人全部回到原位，皮帶機(jī)停止。

（3）自 動 化 控 制 系 統(tǒng)，自 動 化 系 統(tǒng) 采 用SIEMENSS7-1500系列安全型PLC（CPU 1515F-2 PN）。

（4）HMI和觸摸屏。沖壓線的主操作站設(shè)置1套工控機(jī)，屏幕為多功能型觸摸屏，觸摸屏尺寸15寸以上（SIEMENS）可完成上位機(jī)組態(tài)軟件編輯、對故障和停機(jī)的分類統(tǒng)計、歷史數(shù)據(jù)的管理與查詢：系統(tǒng)具有對告警數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)的保存能力；可根據(jù)需要對一個月內(nèi)存貯的各種歷史數(shù)據(jù)（含生產(chǎn)信息）進(jìn)行方便、快捷地選擇或條件查詢；可對報表的樣式、報表的內(nèi)容進(jìn)行靈活自定義，進(jìn)而生成用戶所關(guān)心的報表。

9 系統(tǒng)實現(xiàn)功能

（1）行車或叉車將垛料輸送到垛料臺車上。

（2）垛料臺車移到壓力機(jī)拆垛區(qū)域。

（3）拆垛機(jī)器人拾取板料后放置到涂油機(jī)；(涂油頻率為每生產(chǎn)5～8件涂油一次）。

（4）涂油后拆垛機(jī)器人拾取板料放置至對中臺。

（5）板料視覺對中。

（6）上料機(jī)器人從對中臺拾取板料并送入第一臺壓力機(jī)。

沖壓后工件通過傳送機(jī)器人從第一臺壓機(jī)中取出并直接放置于下一臺壓機(jī)的模具中，這一過程重復(fù)到最后一道工序；下料機(jī)器人在最后一臺沖壓機(jī)完成沖壓后取走工件放到下料皮帶機(jī)上；由人工檢驗和裝箱。

10 系統(tǒng)運(yùn)行效果

（1）安全績效。截至2020年4月30日，改造圓滿完成，整線運(yùn)行良好。實現(xiàn)了沖壓線高危作業(yè)活動的無人化，實現(xiàn)了本質(zhì)安全以及沖壓線安全生產(chǎn)事故為零及職業(yè)病發(fā)生率為零的最終目標(biāo)。

（2）生產(chǎn)績效。整線操作人員由改造前的11人減至3人，單位時間生產(chǎn)效率提升15%。