基于工業(yè)機(jī)器人的沖壓自動(dòng)上下料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

羅彩玉

（阿克蘇職業(yè)技術(shù)學(xué)院 新疆維吾爾自治區(qū)溫宿縣 843000）

沖壓線設(shè)計(jì)是汽車行業(yè)發(fā)展最重要的技術(shù)模塊。由于汽車自身結(jié)構(gòu)金屬?zèng)_壓件使用廣泛，因此建立起精準(zhǔn)自動(dòng)化上下料系統(tǒng)至關(guān)重要。本文從現(xiàn)有智能化工業(yè)機(jī)器人使用著手，通過(guò)對(duì)二次沖壓生產(chǎn)線的通用設(shè)計(jì)和把控，利用工業(yè)機(jī)器人來(lái)降低生產(chǎn)勞動(dòng)密度，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)柔性的提升。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)現(xiàn)階段汽車自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)模式多品種化程度明顯，因此要基于小批量的非單一化生產(chǎn)模式來(lái)合理設(shè)計(jì)上下料系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)自動(dòng)沖壓系統(tǒng)時(shí)，要從現(xiàn)有汽車鈑金件的沖壓生產(chǎn)質(zhì)量著手，實(shí)現(xiàn)沖壓加工的自動(dòng)化送料，下料，加工，以有效解決現(xiàn)階段手工下料模式安全性低，產(chǎn)品質(zhì)量不符合實(shí)際生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。自動(dòng)化系統(tǒng)由真空系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)，視覺系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)組成。此系統(tǒng)之間組合生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)上下料傳動(dòng)，自動(dòng)化廢品收集和實(shí)時(shí)性的沖壓上下料視覺檢驗(yàn)功能。自動(dòng)化上下料系統(tǒng)利用工業(yè)機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)上下料平臺(tái)的自動(dòng)化取出，沖壓和放置。而后利用視覺檢驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)性對(duì)中形狀差異明顯的汽車加工件。視覺檢驗(yàn)系統(tǒng)采用專業(yè)化的圖像檢測(cè)處理算法來(lái)進(jìn)行完整的上下料比對(duì)，通過(guò)識(shí)別來(lái)調(diào)整機(jī)器人的自動(dòng)化上下料抓取位置。系統(tǒng)將合格的產(chǎn)品輸送到成品滑臺(tái)，不合格產(chǎn)品輸送到已經(jīng)設(shè)置好的廢料臺(tái)工作區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)手工上下料系統(tǒng)的科學(xué)更迭和自動(dòng)化優(yōu)化。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)需要統(tǒng)籌控制體系和機(jī)器人上下料控制的各個(gè)方面，從模具生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，建立起高質(zhì)量的自動(dòng)化上下料工藝。同時(shí)整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)要從機(jī)器人生產(chǎn)兼容性和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的平衡度出發(fā)，在提升智能化機(jī)器控制精度的同時(shí)降低投資成本，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)收益和生產(chǎn)效率的雙提升。圖1是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理圖。

圖1：系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理圖

2 系統(tǒng)控制方案

沖壓生產(chǎn)系統(tǒng)自動(dòng)化控制功能是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下料上料的零部件生產(chǎn)工藝核心。因此在系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與實(shí)施時(shí)，要從現(xiàn)階段生產(chǎn)線協(xié)調(diào)性出發(fā)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)子功能之間的靈活協(xié)調(diào)性,以此來(lái)加大沖壓系統(tǒng)的自動(dòng)化穩(wěn)定控制，提升系統(tǒng)生產(chǎn)效率和大批量生產(chǎn)安全性。沖壓上下料控制系統(tǒng)通過(guò)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)與其余機(jī)械化傳動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，以中央處理系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)性處理流水線視覺系統(tǒng)反饋的機(jī)器人信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)上料臺(tái)沖床和機(jī)器人的工作循環(huán)控制。PLC系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)交互觸摸屏來(lái)負(fù)責(zé)上下料自動(dòng)化檢測(cè)，廢品與成品的實(shí)時(shí)性狀態(tài)顯示和系統(tǒng)參數(shù)調(diào)優(yōu)；通過(guò)I/0控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)視覺檢驗(yàn)，沖床控制，旋轉(zhuǎn)臺(tái)控制與機(jī)器人安全系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性通訊，從而有效增加系統(tǒng)聯(lián)系。在分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要統(tǒng)籌自動(dòng)化控制系統(tǒng)中硬件與軟件設(shè)計(jì)思路，從機(jī)器人自動(dòng)化控制，沖壓機(jī)自動(dòng)化控制和軟件系統(tǒng)控制三個(gè)方面來(lái)完善系統(tǒng)控制。由于PLC系統(tǒng)需要從工序選定，配合和動(dòng)作協(xié)調(diào)的各個(gè)方面進(jìn)行控制，為了更好地提升控制信息和數(shù)據(jù)的傳輸精準(zhǔn)度，總控系統(tǒng)要在沖壓機(jī)床和非標(biāo)作業(yè)專機(jī)初始化時(shí)，基于機(jī)器人硬件控制思路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)程序自動(dòng)模式與手動(dòng)模式轉(zhuǎn)換的實(shí)時(shí)性。在實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，以分布式控制系統(tǒng)來(lái)加大對(duì)生產(chǎn)占地面積，控制復(fù)雜和設(shè)備工序多樣的靈活把控力度，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程之間的分布式控制體系。

3 自動(dòng)化上料臺(tái)設(shè)計(jì)

在實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)中，上下料系統(tǒng)堆積的料片表面會(huì)由于油膜粘和造成安全隱患。因此為了更好地讓圓盤型毛坯件在上料臺(tái)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化沖壓和輸送傳輸，降低盤片在沖床沖壓時(shí)對(duì)沖壓模具的結(jié)構(gòu)性破壞，要在上料臺(tái)中設(shè)計(jì)出自動(dòng)化上料程序，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平臺(tái)自動(dòng)化分離，抓取送料等功能。上料臺(tái)機(jī)構(gòu)由氣動(dòng)控制元件，取料氣缸，失料感應(yīng)臺(tái)，得料回程感應(yīng)裝置等結(jié)構(gòu)組成。工作臺(tái)通過(guò)實(shí)現(xiàn)工位轉(zhuǎn)換來(lái)控制各個(gè)堆料取料裝置的自動(dòng)化放置。自動(dòng)化上料臺(tái)中的電磁感應(yīng)元件在定位后，放置汽缸和取料氣缸的位置由上料臺(tái)確定。而后由取料工位導(dǎo)桿來(lái)開啟回程感應(yīng)功能，由取料電磁鐵來(lái)推動(dòng)取料氣缸工作。在取料氣缸與放置汽缸工作的同時(shí)，利用裝置定位尺寸差來(lái)刮落多余物料到廢料區(qū)，并開始下一次取料。單張料片需要統(tǒng)籌機(jī)器人的沖壓進(jìn)度，確保機(jī)構(gòu)自動(dòng)轉(zhuǎn)入下一階段時(shí)，工位料片的完整接收和智能化提示。

4 機(jī)器人上下料實(shí)現(xiàn)

4.1 工業(yè)機(jī)器人選型

工業(yè)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)多工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化流程實(shí)施，通過(guò)多關(guān)節(jié)機(jī)械設(shè)備來(lái)自動(dòng)完成的邏輯性可控機(jī)械組建體系。工業(yè)機(jī)器人在上下料系統(tǒng)實(shí)施中表現(xiàn)出定位精準(zhǔn)化，由于自動(dòng)化程度強(qiáng)，增加了上下料系統(tǒng)的生產(chǎn)柔性。工業(yè)機(jī)器人在與專業(yè)人員和專業(yè)機(jī)器的上下料適用性對(duì)比中表現(xiàn)突出，自動(dòng)化和流水線可控性強(qiáng)的智能化特點(diǎn)明顯，其投資成本較低而實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)效率和收益的全方位提升。

對(duì)現(xiàn)階段沖床尺寸與料片的衡量，以SR10C機(jī)器人來(lái)作為項(xiàng)目自動(dòng)化上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工業(yè)核心。此型號(hào)機(jī)器人能夠通過(guò)輕量式機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械控制體系的靈活性和極小的數(shù)據(jù)誤差。由于其工作范圍能夠0.06mm范圍內(nèi)的機(jī)器工作精度，因此可以作為核心機(jī)器人使用。

4.2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要從機(jī)器人全方位的可適用性表現(xiàn)著手，通過(guò)對(duì)加工材料的實(shí)時(shí)性分析把控，以板料端拾器的對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)確定機(jī)器人原點(diǎn)位置空間。同時(shí)要注重對(duì)上下料平臺(tái)與機(jī)器人之間的工作空間范圍的把控，確保上料平臺(tái)的對(duì)尺桌面，支架與下料平臺(tái)的一致性，使得下料平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)下料拖板，支架等元件的完整構(gòu)成。在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中除了要進(jìn)行上下料平臺(tái)和端拾器質(zhì)心位置的把握之外，還需依照抓取材料的尺寸，表面狀態(tài)等性質(zhì)來(lái)進(jìn)行機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段的機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)不同的機(jī)械傳導(dǎo)功能。其中吸附式取料手可以實(shí)現(xiàn)對(duì)取料元件的差異化執(zhí)行。末端執(zhí)行器要合理設(shè)置具備光電檢驗(yàn)效應(yīng)的智能式檢驗(yàn)開關(guān)，同時(shí)要確保被吸附抓取的元件位置不會(huì)發(fā)生偏差，采用高質(zhì)量的電磁鐵來(lái)加強(qiáng)機(jī)械系統(tǒng)對(duì)操作元件的機(jī)械吸附力。在末端執(zhí)行器中的取盤電磁鐵吸取設(shè)置來(lái)增加對(duì)機(jī)器人單次上料，下料的工序控制，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工作路徑優(yōu)化和沖床等待時(shí)間的沖床利用率。

4.3 視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人上下料系統(tǒng)中的視覺檢驗(yàn)系統(tǒng)是重要的沖壓生產(chǎn)優(yōu)化內(nèi)容?；跈C(jī)器人的視覺系統(tǒng)的完整性搭建能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜沖壓上下料生產(chǎn)線的整合優(yōu)化，使傳統(tǒng)沖壓上下料的多條復(fù)雜生產(chǎn)流水線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化多功能單條生產(chǎn)。在實(shí)際工作場(chǎng)景中，只需使用機(jī)器人的自動(dòng)化對(duì)中程度來(lái)進(jìn)行操作元件分析和調(diào)整，便可以快速地加大汽車元部件自動(dòng)對(duì)中效率。由于我國(guó)現(xiàn)階段視覺自動(dòng)對(duì)中技術(shù)在上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的缺失，導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)制造容易受到發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)壟斷。因此，在上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取科學(xué)的機(jī)器化視覺流程，通過(guò)工業(yè)攝像機(jī)進(jìn)行元件外形，對(duì)尺槽精度等綜合因素的拍攝，而后利用pc機(jī)中圖像處理系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)角度，偏差等數(shù)據(jù)識(shí)別指令的實(shí)時(shí)性轉(zhuǎn)換，從而針對(duì)形式多樣、內(nèi)容復(fù)雜的元件生產(chǎn)的自動(dòng)化抓取調(diào)整工作。視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了要加大機(jī)器人的自動(dòng)化調(diào)整，還要注重對(duì)機(jī)器與管理人員的交互設(shè)計(jì)。當(dāng)機(jī)器使用出現(xiàn)生產(chǎn)故障時(shí)，視覺系統(tǒng)要能夠基于現(xiàn)有上下料系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)性的自動(dòng)化報(bào)警和故障處理響應(yīng)。通過(guò)建立起圖像識(shí)別與機(jī)器故障等級(jí)的報(bào)警日志記錄體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障查詢的自動(dòng)化報(bào)備和生產(chǎn)體系的及時(shí)調(diào)整，并將完整的報(bào)警信息顯示并存儲(chǔ)在視覺系統(tǒng)中。

4.4 機(jī)器人原點(diǎn)復(fù)位設(shè)計(jì)

機(jī)器人原點(diǎn)復(fù)位設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)者統(tǒng)籌機(jī)器人邏輯設(shè)計(jì)流程，從機(jī)器人的二次沖壓運(yùn)動(dòng)指令和邏輯處理體系著手來(lái)建立起便于調(diào)節(jié)和修改的原點(diǎn)復(fù)位體系。由于初始機(jī)器人需要做到對(duì)體系緊急停止時(shí)的原點(diǎn)復(fù)位工作，確保機(jī)器人初始啟動(dòng)可以通過(guò)系統(tǒng)原點(diǎn)控制裝置來(lái)進(jìn)行及時(shí)的安全復(fù)位處理。機(jī)器人原點(diǎn)自動(dòng)復(fù)位是提升安全操作的主要內(nèi)容之一。原點(diǎn)自動(dòng)復(fù)位首先要判斷機(jī)器人所處的運(yùn)動(dòng)位置和狀態(tài)，然后采取可調(diào)節(jié)的運(yùn)動(dòng)指令來(lái)將機(jī)器人運(yùn)送到上下料臺(tái)和沖床前方，并確保視覺檢驗(yàn)和原點(diǎn)復(fù)位工作處于安全的工作區(qū)域附近，然后依照機(jī)器人指令的區(qū)域標(biāo)志清零來(lái)確保機(jī)器人工作原點(diǎn)。原點(diǎn)復(fù)位自動(dòng)化需要建立起模塊化的機(jī)器人流程體系，通過(guò)對(duì)機(jī)器人原點(diǎn)復(fù)位子程序，取料子程序，壓機(jī)信號(hào)監(jiān)測(cè)，和運(yùn)動(dòng)模塊的機(jī)器控制指令的調(diào)試，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人控制的原點(diǎn)復(fù)位邏輯流程的設(shè)計(jì)和維修。

5 安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上下料安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)離不開各個(gè)階段的機(jī)器人工序安全控制。在沖壓上下料生產(chǎn)安全保障工作中，要做到對(duì)系統(tǒng)控制安全和實(shí)時(shí)性分析，從現(xiàn)有分布式控制系統(tǒng)的自動(dòng)化控制工序流程出發(fā)，將生產(chǎn)系統(tǒng)中的各個(gè)生產(chǎn)單元統(tǒng)一劃分，并在對(duì)應(yīng)劃分區(qū)域中實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人單元和上下料系統(tǒng)的有效控制和維修。同時(shí)，要加大對(duì)機(jī)床設(shè)備與機(jī)器人安全動(dòng)作空間的智能化把控，以機(jī)器人距離感知探測(cè)，電壓感知探測(cè)和機(jī)械化路徑規(guī)劃的智能計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人設(shè)備的安全完整保護(hù)。為避免電壓波動(dòng)對(duì)設(shè)備的干擾，要注重對(duì)沖壓設(shè)施的電源配置，通過(guò)優(yōu)化連接線路和氣路來(lái)增加系統(tǒng)安全。在進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化安全設(shè)計(jì)時(shí)，要注重對(duì)機(jī)器人的危險(xiǎn)中斷指令，光電檢測(cè)開關(guān)和產(chǎn)品檢測(cè)上傳體系的維修，確保機(jī)器人能夠針對(duì)特定的生產(chǎn)危害進(jìn)行實(shí)時(shí)性的視覺系統(tǒng)報(bào)警和預(yù)警安全工序的正常啟動(dòng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)自動(dòng)沖壓系統(tǒng)時(shí)，要從現(xiàn)有汽車鈑金件的沖壓生產(chǎn)質(zhì)量著手，實(shí)現(xiàn)沖壓加工的自動(dòng)化送料、下料和加工等工序。沖壓自動(dòng)上下料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要統(tǒng)籌分布式上下料工作場(chǎng)景，通過(guò)建立起對(duì)自動(dòng)化上料臺(tái)、機(jī)械系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、機(jī)器人原點(diǎn)復(fù)位和安全系統(tǒng)等上下料模塊之間的自動(dòng)化聯(lián)系，以提升機(jī)器人上下料自動(dòng)化生產(chǎn)效率。