ABB柔性沖壓自動化解決方案

文/宋常勝·上海ABB工程有限公司

ABB柔性沖壓自動化解決方案

文/宋常勝·上海ABB工程有限公司

本文主要介紹ABB沖壓自動化技術的發展歷史及現狀，從簡單的機械手沖壓自動化到雙機器人技術。通過引入沖壓車間生產力模型，來分析沖壓車間對自動化的要求，及沖壓自動化的發展趨勢。

作為世界上電力和工業自動化技術的領先企業，ABB在沖壓自動化領域積累了豐富的經驗。追溯ABB沖壓自動化的歷史，從兩軸的機械手（Doppin），發展到今天的基于機器人技術的柔性自動化技術，已走過了三十多年的歷程。

目前，縱觀所有的沖壓自動化設備，最終都可以歸納為兩類，即硬自動化和柔性自動化。硬自動化，又稱為機械手，是一種專用設備，專為沖壓搬運上、下料而設計制造，分為單臂和雙臂兩種。柔性自動化，則是基于機器人技術的一種沖壓應用，通常使用柔性較好的機器人，實現壓力機的自動上、下料。而ABB同時具有這兩種自動化解決方案。接下來，將介紹ABB沖壓自動化的發展歷程及現狀。在開始介紹之前，首先，我們引入生產力模型概念，來剖析一下沖壓車間到底需要什么樣的自動化?

沖壓車間生產力模型

根據我們多年來積累的經驗，總結出了一個沖壓車間的生產力模型。如圖1所示。

圖1 沖壓車間的生產力模型圖

在這個模型的最上端是產能，也就是我們所追求的目標，我們期望這個值最大化。但是，最大化的產能，將受下面這些因素的影響。

⑴安全性：安全包括設備與設備及設備與人之間。整個生產線的設計首先要考慮安全因素。

⑵柔性化：柔性化意味著生產線的適應性更強、實用性更廣。每個汽車制造企業每年都要推出許多款新車型，隨著車型的更新，會有更多復雜的零件出現。生產線必須能夠適應這個變化。

⑶易用性：設備操作簡單易用，維修量低，可以大大降低操作員的工作量，也可以減少企業用于此項的培訓費用。

⑷能效率：能效率指設備的能源利用率。對于一個企業的運營來說，能源消耗量大，意味著成本的增加；降低能源消耗量，也就意味著降低成本。所以提高能效率是每個企業都竭力追求的一個目標。

⑸可靠性（A）、速度（S）、質量（Q）：要想提高效率，實現批量化生產，可靠性至關重要。如果設備不可靠，經常出現故障停機，這樣要損失掉大量的生產時間。產能得不到充分的發揮，對設備來說也是一個浪費。當設備可靠性提高了，整線的速度就成為影響效率的一個關鍵因素。生產節拍慢，單位時間產量就低，效率就低。如果設備可靠性高、運行速度快，但是質量有問題，例如：零件經常裂開或起皺。那么，效率也會很低。只有設備可靠性高，運行速度快，質量好，這樣的情況下生產效率才會高。

通過上面的分析，可以看出來制約產能的因素很多。只有這些條件都達到最優，產能才能最大化。ABB沖壓自動化線的解決方案就是本著這樣的原則設計、制造，最終使用戶得到實惠。

ABB硬自動化解決方案

ABB硬自動化始于二十世紀七十年代，從開始的單軸電機驅動的機械連桿結構，到雙軸伺服電機驅動的連桿結構，直到多軸伺服電機驅動結構，已經有三十多年的發展歷程。下面介紹兩種基本形式的機械手。

Doppin機械手

目前使用的Doppin機械手PM2D3（圖2）屬于第三代系統，具有兩個伺服軸驅動系統。它的最大特點是速度快、結構簡潔、免維護、可靠性高。壓力機間單元要使用兩臺機械手和一臺穿梭機，可以適用于較大壓力機間距。因為屬于專用設備，而且壓力機間設備多，所以設備投資較大。

圖2 Doppin機械手PM2D3

Doppin機械手在水平行程3000mm、垂直行程100mm的情況下，速度可以達到每分鐘25次。因為只有兩個軸，所以缺乏柔性。

Unifeeder機械手

Unifeeder機械手（圖3）是在Doppin機械手的基礎上，開發出的新的自動化機械手。它是相當于兩個Doppin機械手和一個穿梭機的結合。它具有四個伺服驅動軸，因此比Doppin機械手的柔性要高。當它在水平行程7000mm、垂直行程200mm的情況下，速度可以達到每分鐘14.5次。

圖3 Unifeeder機械手

ABB柔性自動化解決方案

隨著ABB機器人技術的飛速發展，ABB拋棄了柔性差、制造成本高的機械手，轉而開始發展高柔性的沖壓自動化機器人。說到機器人自動化，首先要回顧一下ABB機器人的發展歷史。

在1974年，ABB發明了世界上第一臺電動機器人，從此拉開了ABB機器人發展的序幕。到目前為止，ABB已推出第七代機器人。在1993年，ABB首次將機器人應用于沖壓自動化線，開創了機器人在沖壓自動化線應用的先河。

近幾年，隨著工業制造技術和電子技術的飛速發展，機器人的制造成本在不斷降低，而機器人的性能在不斷提高。其運行速度不斷提高，穩定性越來越好，得到越來越多的行業的青睞。尤其是機器人的柔性，越來越被人們看重。下面將著重介紹基于機器人技術的柔性沖壓自動化線。

六軸機器人生產線

沖壓領域應用的機器人通常具有六個伺服軸，也就是具有六個空間自由度。圖4、圖5分別是ABB沖壓機器人和一個六軸機器人沖壓生產線的布局示意圖。

從拆垛、上料直到機器人線尾下料，都采用的是機器人。由于機器人的運動特性，零件在壓力機單元間傳送時，零件需要水平旋轉180°。對于大零件來說，例如：汽車側圍，因為水平旋轉的需要，要求壓力機的間距大一些。因此，也影響到壓力機的節拍。所以，六軸機器人線對于生產大板料和小板料的節拍是不同的。對于中、小板料生產線，目前ABB在國內做到最快的生產節拍是每分鐘13件。

圖4 六軸機器人

圖5 六軸機器人沖壓生產線

旋轉七軸機器人生產線

由于模具設計的原因，有些汽車廠用戶不希望在壓力機間旋轉零件。針對這樣的要求，ABB開發了伺服旋轉第七軸，附加在機器人第六軸上，如圖6所示。因為旋轉第七軸使用伺服電機，在機器人控制系統內作為機器人的附加軸，所以，它是完全可控和可編程的。

圖6 附加第七軸的機器人

旋轉七軸機器人沖壓生產線線除了實現零件在壓力機之間的平移，還具有其他優勢。因為零件不用平移，所以壓力機之間的距離可以減小，這樣對提高整線速度有一定的幫助。同時，由于壓力機間距的減小，又可以縮短廢料輸送線的長度，節省了廠房等的投資。

直線七軸機器人生產線

在目前追求高效率的時代，沖壓自動化線也追求高速運行，以提高生產效率。在前面介紹旋轉七軸機器人生產線時，可以看出旋轉七軸對生產線的節拍有一定的提升。但是，由于旋轉七軸還是通過旋轉來實現平移，所以對節拍的提升有限。我們知道，兩個點之間，直線傳送的距離最短，所以，如果直線傳送，那么速度會更快?；谶@種原理，ABB在2007年推出了直線七軸機器人（圖7）。

圖7 直線七軸機器人

ABB直線七軸機器人是將直線傳送技術與機器人技術相結合，既具有直線傳送的快速性，同時又具有機器人的柔性。直線七軸機器人生產線，由于自身的柔性特點，可以適應各種復雜模具，對老模具也具有非常好的適應性，速度也快。目前，已完成的直線七軸機器人生產線，穩定運行的生產節拍最快達到每分鐘12次。

雙機器人技術生產線

對于新上生產線，用戶越來越多地選用高速生產線。那么，多高速度是高速生產線呢?通常，我們定義整線節拍在每分鐘15次及以上的生產線為高速生產線。

高速生產線最初是以雙臂自動化為主，即硬自動化，專用沖壓自動化設備。但是，隨著汽車制造廠對設備要求的提高，除了速度要求，柔性也越來越重要。因此，沖壓自動化設備供應商都越來越多地開始應用機器人技術。

為了滿足用戶需求，在保持原有的柔性基礎上，ABB推出了雙機器人沖壓自動化設備（圖8），提高了整線的生產速度。

圖8所示雙機器人沖壓自動化設備采用兩臺機器人以最佳的方式分配總功率并減少慣量，是一個單控制器系統，控制兩臺4軸機器人，外加兩個附加軸，共10個軸。兩個附加軸可以實現橫桿傾斜擺動。橫桿采用碳纖維結構，以減少慣量。

圖8 雙機器人沖壓自動化技術

如圖9所示，橫桿的第一個方向（α-α’）的運動是由附加軸來完成，第二個方向（β-β’）和第三個方向（γ-γ’）的運動是由兩臺機器人腕部的運動來完成，無需使 用附加伺服軸。另外，該系統在移動雙零件（側移）時能夠根據零件距離進行動態匹配，亦無需使用任何附加伺服軸。

該雙機器人沖壓設備是基于機器人技術的解決方案，用于壓力機的上料和下料，而不需要對壓力機進行任何改動。它適用于現有沖壓生產線，相較于其他系統需要在立柱和滑塊間預留額外空間而言優勢明顯。這是一款快速和柔性化的傳送裝置，應用于沖壓生產線上能夠達到每分鐘16次的生產節拍。

圖9 雙機器人設備橫桿的運動控制

結束語

根據上面的介紹，我們可以看出來，沖壓自動化的種類很多。各個沖壓自動化設備供應商的起點不同，有些是從硬自動化起步，在保持高速的前提下，逐步向柔性自動化發展；有些是從柔性自動化起步，在保持柔性的前提下，向高速化發展。其實，最終的發展方向是一致的，即高速、柔性沖壓自動化。

除此之外，沖壓線的節拍快與慢，并不只是由自動化設備決定的，還與壓力機速度的快慢、壓力機的行程大小、模具的狀態等諸多因素有關。但是，安全、可靠、高效、柔性化是所有用戶都追求的共同目標。