沖壓自動線機器人與壓力機動作協調及其運動仿真

侯雨雷 張志強 譚候金 王建新 喻寶林 周玉林

1.燕山大學，秦皇島，066004 2.一重集團大連設計研究院有限公司，大連，116000

0 引言

近年來，我國汽車行業發展迅猛，汽車更新換代的速度日益加快，由此競爭更為激烈，這就要求汽車制造企業必須改進傳統技術、縮短研發周期、降低制造成本、提高生產效率。

采用信息技術是現代制造業發展的必然趨勢。汽車車身沖壓自動化生產線(簡稱沖壓自動線)的運動仿真是在虛擬的環境中對生產線的主要元素進行三維建模，并裝配成線，然后驅動虛擬生產線，模擬真實生產線的運行情況［1］。通過對沖壓自動線進行運動仿真，可以實現生產線在虛擬環境中的安裝調試，形象地展示生產線的三維布局，演示生產線的預期動作，檢查各裝備的運行干涉情況。沖壓自動線的運動仿真能夠避免實際生產中的干涉碰撞事故［2］，縮短生產線的設計周期和降低現場安裝調試所造成的額外成本［3］，并可通過調整各裝備的動作實現生產節拍的優化，從而提高生產效率。

據統計，在沖壓生產中，僅有不足10%的時間用于工件的沖壓加工，其余時間均用于工件搬運與等待搬運［4］。目前，在我國機器人自動化沖壓生產線中，機器人與壓力機的運動協調關系多為靜態配合方式。在此配合方式下，壓力機滑塊必須在上死點靜止時，機器人才能進行上下料操作，因此導致生產效率低;且由于壓力機必須等待機器人，故壓力機的運行時斷時續，增加了壓力機離合器、抱閘的動作頻率，縮短了使用壽命［5］。

本文以汽車車身側圍板沖壓自動線為對象，設計了機器人與壓力機動態配合方式的動作協調方案，充分利用壓力機滑塊在上下料干涉高度以上的運行時間，消除了傳統靜態配合方式中壓力機的等待時間，可顯著提高生產效率，并結合不同運動方案，針對沖壓線整體運動予以仿真，為沖壓線機器人運料過程穩定性的進一步改進提供依據。

1 沖壓自動線基本構成與尺寸

本文研究對象為安徽江淮汽車車身的側圍板(圖1)等大型沖壓件，它由1臺2500t閉式四點伺服壓力機、3臺1000t曲柄壓力機、5臺 ABB IRB 6660機器人(配有柔性Crossbar)以及輔助裝備等組成。

圖1 汽車車身的側圍板

汽車車身側圍板的坯料尺寸為3110mm×1560mm×0.7mm，拉深深度為200mm，材料為非時效性深沖冷軋碳鋼薄板。各壓力機間距及壓力機外形尺寸如圖2所示。

圖2 各壓力機間距及壓力機外形尺寸

2 沖壓自動線機器人運動學分析與軌跡規劃

機器人的工作空間及其運動軌跡規劃是進行沖壓自動線運動仿真的前提。

2.1 ABB機器人運動學分析

采用 Denavit－Hartenberg 方法［6-7］可方便地建立ABB IRB 6660機器人的運動學方程，其連桿坐標系如圖3所示。

利用反正切表示的該機器人各關節運動學反解［8］如下:

圖3 ABB IRB 6660機器人連桿坐標系

需要說明的是，當θ5=0時，操作臂處于奇異狀態，此時關節軸4和6重合在同一直線上，θ4可任意取值。而當θ5≠0時，可以按式(3)求解θ4。

確定工作空間的方法通常可分為解析法和圖解法［9］兩類。圖4所示即為利用圖解法求出的ABB IRB 6660機器人工作空間與靈活工作空間。曲線C1之內為機器人靈活工作空間，曲線C2為關節5可達空間的邊界，曲線C3為機器人末端可達空間的邊界。

工作對象不同，對機器人操作靈活性的要求也不一樣。就本文所研究生產線中的上下料機器人而言，對其末端姿態的要求并不非常嚴格，因此，機器人的軌跡可處于靈活性稍差的 C2范圍之內。

2.2 ABB IRB 6660機器人軌跡規劃

根據沖壓生產線的實際工況，將機器人水平運料高度設定為1000mm。機器人的末端(未包括柔性 Crossbar)軌跡規劃如圖 5所示，其中WV=3300mm，h=2200mm，坯料提升高度為UV=200mm，圓弧ST、PQ的半徑均為50mm。由此亦可確定機器人在生產線中的安裝位置。

圖4 ABB IRB 6660機器人靈活工作空間

圖5 機器人末端軌跡

機器人末端軌跡的俯視圖參見圖6(線段WV)。可見，機器人末端軌跡位于其靈活工作空間中。

圖6 機器人末端軌跡的俯視圖

在機器人搬運工件過程中，工件的姿態保持不變，則在所規劃軌跡上按一定間隔取點，由運動學反解，即可求出各點所對應的機器人各關節的關節變量。

3 沖壓自動線動作方案的設計

結合重大專項任務要求，沖壓自動線的生產節拍定為每分鐘10件，伺服壓力機與曲柄壓力機的運動周期均為6s，其升程分別為1200mm和1100mm。假設每臺壓力機的偏心主盤均為勻速轉動，生產線的上下料干涉高度為500mm。不妨將壓力機的動作按時間等分為12份，則伺服壓力機與曲柄壓力機的滑塊運動曲線分別如圖7和圖8所示。

圖7 2500t伺服壓力機動作劃分

圖8 1000t壓力機動作劃分

與壓力機動作相對應，如圖9所示，機器人的動作也按時間等分為 12份，即 RL、LK、KP、PK、KL、LR、RM、MN、NU、UN、NM、MR。其中，動作KP、PK 為機器人送料動作，MN、NU、UN、NM 為機器人取料動作。

圖9 機器人動作劃分節點示意圖

壓力機與機器人動作劃分完成之后，即可制訂整條沖壓線的動作方案(方案1)，參見表1。

結合圖7～圖9，可見表1所示動作方案中機器人送料動作較快(僅占用1s)，運料速度起伏較大，后4臺機器人還有改善的余地，由此可將放料動作由兩份(KP、PK)改為4份(占用2s):LK、KP、PK和KL。改進后的動作方案(方案2)見表2。

表1 沖壓線動作方案1

表2 沖壓線動作方案2

4 沖壓自動線運動仿真

首先，提煉生產線中各設備的關鍵參數，利用Solidworks建立其簡化三維模型，并根據軌跡規劃中所確定的機器人位置和沖壓線布局進行整線裝配，進而建立沖壓自動線模型，如圖10所示。

圖10 沖壓自動線三維模型

其次，根據先前所設計動作方案，確定生產線中各個設備的初始位置，并在Solidworks中進行調整。

再次，將三維模型導入ADAMS中，添加約束和驅動。

而后，編制驅動函數，調試虛擬樣機。機器人各個關節的驅動函數均采用AKISPL函數。其中，被引用的樣條線性數據均為兩列，第一列為時間，第二列為與時間對應的 θi(i=1，2，…，6)。驅動函數設置完成之后，調試生產線虛擬樣機，使其按預定的動作運行。由于設備多，調試較困難，可將所有可能發生互鎖的驅動賦值為0，然后逐個設備調試，依次排除設備的互鎖，進而完成整線調試。

最后，驅動該沖壓線進行運動仿真。分別對動作方案1、方案2進行了仿真，實現了機器人與壓力機的動態配合。圖11所示為生產線中某臺機器人工作時的末端軌跡。

圖11 機器人末端軌跡仿真圖

利用ADAMS可方便地獲得沖壓線運行過程中各機器人末端位移與速度變化情況。圖12所示即為對應動作方案1和方案2的沖壓線后4臺機器人末端運動曲線。

由圖12a、圖12b可見，動作方案2改善了機器人水平方向的運動，減緩了末端運動曲線的突變;由圖12c、圖12d可見，動作方案2使得機器人末端的最高速度由6161mm/s降低至4804mm/s。

綜合比較對應兩個動作方案的沖壓線仿真結果發現，動作方案2充分利用了后3臺壓力機滑塊在干涉高度之上的運行時間，使得工件的搬運過程更加平穩。

5 結束語

本文所提出的沖壓自動線機器人與壓力機動作協調方案消除了傳統靜態配合方式的等待時間，可加快生產節拍;仿真結果驗證了所提出的機器人與壓力機動態配合方式的可行性，也為機器人運料過程中運動性能的改善提供了改進依據。

針對大型沖壓自動線中機器人與壓力機的動作協調及其運動仿真所進行的研究，不僅形象地展示了生產線的總體布局，還大為縮短了生產線的設計周期和現場安裝調試周期，還為類似系統的運動仿真提供了參考。

圖12 沖壓線后4臺機器人末端運動曲線

［1］常劍峰，鐘約先，韓贊東，等.轎車車身沖壓生產線虛擬制造系統的研究［J］.塑性工程學報，2004，11(4):61-66.Chang Jianfeng，Zhong Yuexian，Han Zandong，et al.A Virtual Manufacturing System for the Press Production Line of Car Body［J］.Journal of Plasticity Engineering，2004，11(4):61-66.

［2］高崇暉，趙震，李玉強，等.汽車覆蓋件自動沖壓生產線虛擬仿真技術研究［J］.鍛壓技術，2010，35(1):146-148.Gao Chonghui，Zhao Zhen，Li Yuqiang，et al.Research and Application of Virtual Simulation of Automatic Press Line for Automobile Pane［J］.Forging ＆Stamping Technology，2010，35(1):146-148.

［3］張國彬，林亨.轎車車身沖壓生產線加工過程的建模與仿真［J］.機械設計與制造，2002(3):49-52.Zhang Guobin，Lin Heng.Modeling and Simulation of Machining Process of Automobile’s Body Punch Line［J］.Machinery Design＆ Manufacture，2002(3):49-52.

［4］Stone R S，Brett P N，Evans B S，et al.An Automated Handling System for Soft Compact Shaped Non－rigid Products［J］.Mechatronics，1998，8(2):85-102.

［5］王明，黃英，王長潤，等.機器人沖壓自動線的生產節拍優化［J］.儀器儀表用戶，2008，77(6):75-77.Wang Ming，Huang Ying，Wang Changrun，et al.The Optimizations of Productive Time in the Roboticized Autanation Press Line［J］.Electronic Instrumentation Customer，2008，77(6):75-77.

［6］曾劍，林義忠，廖小平，等.6R型噴涂機器人運動學分析及仿真［J］.機械設計與制造，2010(6):145-147.Zeng Jian，Lin Yizhong，Liao Xiaoping，et al.Kinematics Analysis and Simulation for 6－rotation Joint Spraying Robot［J］.Machinery Design ＆ Manufacture，2010(6):145-147.

［7］王立權，劉秉昊，吳健榮，等.6R關節型機器人運動學建模［J］.智能系統學報，2010，5(2):156-160.Wang Liquan，Liu Binghao，Wu Jianrong，et al.Modeling and Implementing the Inverse Kinematics of a Six Revolute Joint Robot［J］.Transactions on Intelligent Systems，2010，5(2):156-160.

［8］Craig J J.Introduction to Robotics［M］.Mechanics and Control.3th ed.Beijing:China Machine Press，2005.

［9］謝俊，匡俐輝，馬履中，等.一種新型串聯中醫推拿機械臂的機構綜合和工作空間分析［J］.中國機械工程，2011，22(6):697-701.Xie Jun，Kuang Lihui，Ma Lüzhong，et al.Type Synthesis and Analysis of Workspace of a Novel Series Chinese Medical Massage Arm［J］.China Mechanical Engineering，2011，22(6):156-160.