機(jī)器人沖壓自動化生產(chǎn)線構(gòu)成研究

黃建蘭

(重慶市農(nóng)業(yè)學(xué)校， 重慶 401329)

0 引言

近年來，汽車需求不斷攀升，與之相關(guān)的汽車制造業(yè)快速崛起，作為提高汽車生產(chǎn)效率的關(guān)鍵技術(shù)，沖壓自動化也處于高速發(fā)展時期。目前自動化生產(chǎn)線有三種，包括機(jī)械手型、機(jī)器人型以及多工位壓力機(jī)型。其中機(jī)器人型生產(chǎn)線，由于具有更高的柔性和更好的模具通過性，且滿足生產(chǎn)率高、安全性佳、能耗少等特點，目前已成為沖壓自動化生產(chǎn)線的發(fā)展趨勢[1-3]。

目前，國外關(guān)于機(jī)器人沖壓自動化生產(chǎn)線發(fā)展成熟，已形成巨大的制造產(chǎn)業(yè)，市場容量高達(dá)1000億美元，譬如瑞典的ABB公司、德國的BOSCH公司、美國GE公司等[4-5]。我國機(jī)器人沖壓自動化生產(chǎn)線起步慢，但發(fā)展迅速，2009年，濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)研制了“全自動快速柔性沖壓生產(chǎn)線”已達(dá)到國際先進(jìn)水平[6]。但目前機(jī)器人沖壓線常用的是普通(六軸)機(jī)器人沖壓線[7]。七軸機(jī)器人沖壓線[8]由于，具有更快運(yùn)輸速度，更容易實現(xiàn)同向輸送各零件，生產(chǎn)節(jié)拍可以達(dá)到8～10次/min，已成為沖壓自動化生產(chǎn)線的首選。本文主要對七軸機(jī)器人沖壓自動化生產(chǎn)線的構(gòu)成進(jìn)行研究，并以某國內(nèi)某轎車有限公司為例，對各構(gòu)成的具體應(yīng)用進(jìn)行研究，以期為相關(guān)人員進(jìn)行研究提供借鑒。

1 機(jī)器人沖壓線自動化生產(chǎn)線構(gòu)成分析

1.1 構(gòu)成概述

七軸機(jī)器人沖壓自動化生產(chǎn)線是在普通機(jī)器人沖壓自動化生產(chǎn)線基礎(chǔ)上，在末端添加直線七軸實現(xiàn)的。具體運(yùn)行工藝，如圖1所示。

圖1 機(jī)器人沖壓線自動化生產(chǎn)線工藝

垛料放置在拆垛小車上，由拆垛機(jī)器人實現(xiàn)垛料的拆垛與運(yùn)輸，運(yùn)輸過程中對涂料進(jìn)行涂油、對中，然后由上料機(jī)器人上料，下料機(jī)器人取料取料，線尾機(jī)器人進(jìn)行垛料取料和放料，然后經(jīng)皮帶機(jī)傳輸，形成人工碼垛，依次循環(huán)，完成沖壓自動化生產(chǎn)。

依照機(jī)器人沖壓線自動化生產(chǎn)線工藝流程，可知，其構(gòu)成涉及到以下系統(tǒng)：控制系統(tǒng)、拆垛系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、下料系統(tǒng)、對中臺、線尾傳輸系統(tǒng)、涂油機(jī)、清洗機(jī)和沖壓機(jī)器人等。其中，與其他工業(yè)機(jī)器人比較，沖壓機(jī)器人[9]具有較強(qiáng)的負(fù)載承受力，較快的啟動/制動頻率等特點。因此，沖壓機(jī)器人的選擇電機(jī)功率大、減速機(jī)規(guī)格增強(qiáng)，手臂增加，安全結(jié)構(gòu)采用棚架式安裝模式?，F(xiàn)今全球知名的沖壓機(jī)器人生產(chǎn)地包括德國、日本、瑞典等。以瑞典的ABB工業(yè)機(jī)器人為例，其已在我國自動化生產(chǎn)線中占主要地位。此外，機(jī)器人沖壓自動化生產(chǎn)線的核心為安全防護(hù)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)、拆垛系統(tǒng)，下面進(jìn)行重點研究。

1.2 拆垛系統(tǒng)

拆垛系統(tǒng)主要基于沖壓機(jī)器人，完成料片的吸取、輸送與雙料檢測。一般來講由兩臺軌道移動式上料小車，其中每臺小車都裝載有磁力分張器，裝載數(shù)量有4～8臺不等。此外拆垛系統(tǒng)還包括上料機(jī)器人、涂油機(jī)、清洗機(jī)以及對中臺等裝置，包括皮帶輸送機(jī)。板料裝載到上料小車上后進(jìn)行小車移動，直至到拆垛位置，拆垛機(jī)器人工作，然后小車移動直至拆垛位置，拆垛機(jī)器人作用，吸取料片，經(jīng)皮帶輸送，依次經(jīng)過清洗機(jī)清晰、涂油機(jī)潤滑、對中臺對準(zhǔn)，完成沖壓之前的準(zhǔn)備工作。目前常用的拆垛系統(tǒng)包括三種，即：桁架式機(jī)械手和拆垛小手組合、機(jī)器人和拆垛小手組合，以及專用拆垛機(jī)。具體結(jié)構(gòu)特點，如表1所示。

表1 常用拆垛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是機(jī)器人沖壓自動化生產(chǎn)線的中心環(huán)節(jié)，其有效性以及可靠性直接影響沖壓效果?？刂葡到y(tǒng)目的是對生產(chǎn)線相關(guān)的系統(tǒng)，譬如線尾輸送系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、下料系統(tǒng)、對中臺系統(tǒng)等進(jìn)行統(tǒng)一管控、監(jiān)督。因此，控制系統(tǒng)需要對多種系統(tǒng)進(jìn)行集成，譬如拆垛裝置、壓力機(jī)裝置、傳輸帶、對中臺裝置、安全防護(hù)裝置、大屏幕顯示等?？刂葡到y(tǒng)目前常采用以太網(wǎng)和工業(yè)現(xiàn)場總線組成的過程控制級和過程監(jiān)控級二級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。涉及到物理層、數(shù)據(jù)層和人機(jī)交互平臺。

數(shù)據(jù)層作用是完成數(shù)據(jù)處理和傳輸，目前常用Profibus 現(xiàn)場總線技術(shù)[10]實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。物理層作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，涉及的設(shè)備包括控制站、操作臺、現(xiàn)場控制層以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口等，現(xiàn)場控制設(shè)備常選擇PLC。人機(jī)交互平臺是直接操作界面，需要滿足整潔、方便、易操作、功能齊全等。

關(guān)于具體的控制系統(tǒng)方案，目前涉及單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)線PLC為主站，壓機(jī)PLC、人機(jī)界面、安全PLC等經(jīng)Profibus總線組網(wǎng)連接，進(jìn)行自動控制。這種結(jié)構(gòu)模式成本低，但可靠性與柔性相對比較差。

雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)，如圖3所示。

圖3 雙層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

壓力PLC和人機(jī)界面從Profibus總線中獨立，壓力PLC通過耦合器與生產(chǎn)線PLC進(jìn)行信息互連。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，且具有較高的柔性，但成本高。目前機(jī)器人沖壓自動化生產(chǎn)線常選擇這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)控制方案。

1.4 安全防護(hù)系統(tǒng)

安全防護(hù)系統(tǒng)作為沖壓自動化生產(chǎn)線關(guān)鍵，其目的是用于保證生產(chǎn)線安全。需要滿足以下條件：物理層采用安全柵保證生產(chǎn)線安全；軟硬件采用互鎖功能的冗余結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)安全；以聲光形式進(jìn)行報警提升；沖壓、上料以及下料等環(huán)節(jié)設(shè)置啟動開關(guān)和急停按鈕。通過這些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)隱患提前預(yù)知，故障及時處理等功能。

安全防護(hù)系統(tǒng)的具體組成包括：(1) 安全門，是實現(xiàn)真?zhèn)€沖壓自動化生產(chǎn)線的防護(hù)，工作人員只能從安全門進(jìn)入，安全門設(shè)有安全鎖裝置和停止信號連鎖裝置，一旦檢測到相關(guān)信號，設(shè)備停止運(yùn)行；(2) 安全光幕，壓機(jī)保護(hù)，避免工作人員進(jìn)入壓機(jī)后壓機(jī)產(chǎn)生意外動作；(3) 換膜區(qū)、安全防護(hù)欄空缺位置，安裝光電開關(guān)，防止人員從此進(jìn)入。

2 機(jī)器人沖壓自動化生產(chǎn)線應(yīng)用研究

2.1 工程概述

本文將以國內(nèi)某轎車有限公司，進(jìn)行應(yīng)用研究。該轎車有限公司采用的機(jī)器人沖壓線自動化生產(chǎn)線中，沖壓機(jī)器人型號為ABB IRB，控制系統(tǒng)為Profibus總線連接的雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，控制器為S7-416-2DP型PLC。安全防護(hù)系統(tǒng)控制器為PILZ PSS3 000，實時控制安全區(qū)域。由4臺2 500 t閉式四點伺服壓力機(jī)、2臺1 000 t曲柄壓力機(jī)。具體生產(chǎn)工藝流程圖，如圖4所示。

圖4 本工程沖壓自動化生產(chǎn)線工藝流程

2.2 總體布局

本工程綜合考慮了生產(chǎn)線工藝流程、設(shè)備布局、多種產(chǎn)品加工需求，設(shè)計生產(chǎn)線總體布局示意圖，如圖5所示。

圖5 機(jī)器人沖壓自動化生產(chǎn)線總體布局圖

機(jī)器人沖壓自動化生產(chǎn)線組成包括沖壓機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人橫梁、加熱爐、控制系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)、拆垛系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、下料系統(tǒng)、對中臺、線尾傳輸系統(tǒng)、涂油機(jī)、清洗機(jī)等組成。其中，本工程工業(yè)機(jī)器人采用的是七軸機(jī)器人ABB IRB，負(fù)載3 Kg，工作半徑為580 mm，重復(fù)定位精度為0.01 mm。機(jī)器人末端包括柔性Crossbar。

2.3 仿真分析

采用RobotStudio仿真軟件，對端拾器三維模型和SolidWork軟件設(shè)計的上下料平臺進(jìn)行處理，通過離散變成程序，模擬沖壓自動化生產(chǎn)線的運(yùn)動軌跡。沖壓機(jī)器人自動化生產(chǎn)線的路徑軌跡圖，如圖6所示。

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

運(yùn)動軌跡規(guī)劃為：上料機(jī)器人上料，機(jī)器人二經(jīng)路徑①獲得壓機(jī)一物料，通過路徑②傳送至壓機(jī)三，通過路徑③獲得壓機(jī)二的物料，并通過路徑④送至壓機(jī)四，然后沿路徑⑤返回原點，重新開始下次上下料。仿真結(jié)果表明顯示：七軸機(jī)器人能夠根據(jù)運(yùn)動軌跡精準(zhǔn)取料和放料，機(jī)器人運(yùn)動效果良好。

3 總結(jié)

機(jī)器人沖壓自動化生產(chǎn)線能夠減少勞動強(qiáng)度，確保生產(chǎn)安全，降低能耗，縮減成本。

(1) 本文在七軸機(jī)器人沖壓自動化生產(chǎn)線基礎(chǔ)上，分析其構(gòu)成，并對拆垛系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和安全防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行重點研究。為七軸機(jī)器人沖壓自動化生產(chǎn)線的研究提供參考。

(2) 采用ABB七軸沖壓機(jī)器人，利用雙層網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)的轎車有限公司的機(jī)器人沖壓線自動化生產(chǎn)線，其運(yùn)行軌跡可以精準(zhǔn)按照設(shè)定進(jìn)行。