機器人直線七軸技術在沖壓生產線上的應用

文/董鍇·東風汽車公司技術中心制造工程部

機器人直線七軸技術在沖壓生產線上的應用

文/董鍇·東風汽車公司技術中心制造工程部

董鍇，高級工程師，主要從事沖壓車間和生產線的規劃和建設，曾主導和參與東風汽車公司旗下多家整車廠的沖壓生產線的建設，擁有3項專利、2項專有技術。

隨著我國汽車工業的高速發展，金屬板材沖壓自動化技術取得長足進步，尤其是機器人搬運系統在沖壓自動化生產線上的廣泛應用，為高柔性、高效率的沖壓生產線提供了很好的解決方案。機器人直線七軸技術是沖壓機器人搬運系統的最新發展成果，本文通過分析東風乘用車公司沖壓車間采用的機器人直線七軸技術，闡述了該技術的特點和優勢。

現代汽車工業具有生產規模化、車型批量小、品種變化快、多車型共線生產的特點，這些趨勢要求沖壓自動化技術不斷向高柔性和高效率方向發展。串列式單機聯線自動化沖壓線是當前我國沖壓生產線采用的主流方案。機器人搬運系統在串列式單機聯線自動化沖壓線上具有柔性高、效率高和投入低等優點，并且隨著工業機器人技術的不斷發展，沖壓機器人搬運系統的性能也在不斷提高。

機器人搬運系統在沖壓自動化生產線上的運用

在沖壓機器人搬運系統中，機器人主要完成板料拆垛、各工序壓力機之間的上下料、板件傳送翻轉、線尾工件輸出等工作。通過PLC控制系統的協調，機器人與壓力機之間，上下料機器人之間，機器人與輸送設備之間具有準確可靠的運動協調關系，保持與壓機的隨動和連鎖，完成機器人的運動控制，各機器人的功能布局如圖1所示。

圖1 沖壓機器人搬運系統功能布局圖

采用了機器人搬運系統的沖壓自動化生產線，集成了PLC控制、工業機器人技術、現場總線、工業以太網、HMI人機界面等當前比較先進的工業控制技術，是多設備組成的復雜工控系統。這里以東風乘用車公司沖壓車間的L2線為例，闡述沖壓機器人搬運系統的基本組成和功能。

東風乘用車公司的L2沖壓生產線由以下設備組成：1臺2400t單動帶液壓拉伸墊壓力機、2臺1000t單動壓力機、1臺800t單動壓力機、3臺ABB IRB6660 130/3.1型機器人、3臺ABB IRB7600 325/3.1型機器人、拆垛工作臺、板料清洗機、視覺對中系統、線尾出料輸送皮帶機、全線隔音降噪防護和全線影像監控系統。

整條生產線按照功能可以分為五個工作島，第一個工作島為拆垛單元，負責將料垛拆成單片，經過板料清洗機清洗，再利用機器視覺對中系統進行定位。第二、三、四工作島為沖壓單元，每個工作島包含一臺壓力機和這臺壓力機對應的上下料機器人。第五個工作島為出料單元。最后一臺機器人將沖壓完成的零件放置到輸送皮帶機上，傳送到裝箱區，由人工將零件取下放置到料箱中。根據生產工藝的需要，第二、三、四工作島，也就是壓力機之間的3臺機器人應用了機器人直線七軸技術，充分發揮了沖壓機器人搬運系統的優勢。小至發動機罩，大至車身側圍等車身沖壓件均可在該線自動化連續生產。生產車身側圍等大型零件時，可以達到9.4件/分鐘，生產發動機罩等一般中小型零件時可以達到11.6件/分鐘。東風乘用車公司沖壓車間L2線的布局如圖2所示。

圖2 東風乘用車公司沖壓L2線設備布局圖

機器人直線七軸技術的介紹

從國內已經投產的自動化沖壓生產線來看，用于沖壓生產線的工業機器人大部分采用標準六軸工業機器人，其優勢在于成本較低，柔性化程度高，后期維護簡便。但六軸工業機器人因為運動姿態的限制，工件從上一臺壓力機向下一臺壓力機傳遞過程中，沖壓工件必須進行180°的水平旋轉，這就導致機器人搬運軌跡復雜，導致出現沖壓工件在旋轉過程中容易脫落等問題，這就限制了機器人的運行速度，進而限制了整線生產節拍的提高。沖壓件的水平旋轉動作，需要較大的空間，尤其在搬運“車身側圍”等大型沖壓件時，這個問題更加明顯。這就導致前后工序壓力機之間的間距較大，增加了生產線的占地面積，進而增加了廠房投資。

機器人直線七軸技術是為了克服標準六軸工業機器人的問題而開發出來的，其基本原理就是在機器人第六軸的法蘭盤上增加外部軸平移裝置，該裝置配置有獨立的伺服電機和編碼器，通過電纜接入機器人控制電柜內，由機器人的控制系統協調該直線七軸裝置與機器人的其他六個軸的協調運作，如圖3所示。

圖3 直線七軸裝置在機器人上安裝位置示意

通過在機器人第六軸上加裝直線七軸裝置實現工件在前后壓力機之間的平行移動，大大簡化了機器人的搬運軌跡，可提高生產效率，還可節省空間，如圖4和圖5所示。

圖4 沖壓工件在前后壓力機之間搬運過程中的平行移動a

圖5 沖壓工件在前后壓力機之間搬運過程中的平行移動b

目前國外的機器人公司，如瑞典ABB公司、德國KUKA公司、日本FANUC公司均獨自開發出了用于沖壓自動化搬運系統的機器人直線七軸技術。令人欣喜的是，國內的沖壓設備公司，如濟南二機床、濟南奧圖等在借助國外機器人公司開放的機器人控制系統的外軸控制接口的基礎上，也開發出了自己的直線七軸技術，并且已經投入實際生產應用，如圖6就是國內濟南二機床公司在KUKA機器人的基礎上，配置自己設計制造的直線七軸裝置。

圖6 濟南二機床公司的直線七軸裝置

沖壓生產線采用七軸機器人在規劃時的注意事項

東風乘用車公司的沖壓L2線，從項目規劃到建成投產歷時兩年。在整個項目執行過程中，克服了很多困難，也積累了一些經驗，例如，如何選擇前后壓力機之間的中心間距；如何選擇壓力機滑塊行程和模具開口度；對模具下模高度和零件中心線的要求。

前后壓力機中心距的選擇

采用直線七軸技術的機器人對運行空間的要求不高，當首臺壓力機噸位不小于2000t，壓力機工作臺前后寬度設定為2500mm時，前后壓力機之間的最小間距可以設定為5.8m，間距越小，對節拍的提升肯定更好，但在實際規劃時，還需要綜合考慮以下因素。

如果生產線還需要配置“機器人自動換端拾器”功能。這時當壓力機中心距過小，就必然導致前后壓力機的立柱之間沒有足夠的空間，實現機器人原地轉身動作到機器人底座后方來更換端拾器，這就只能配置端拾器移載小車，會增加土建和設備投資，并降低設備的運行穩定性。

配置端拾器移載小車，機器人底座也不得不更換為門型底座，這就會導致前一臺壓力機的左后立柱、后一臺壓力機的左前立柱與機器人底座距離很近，壓力機立柱上的維修門將很難打開。

壓力機中心距過小，壓力機底座前后就無法配置維修平臺，給布置在壓力機底座下的工作臺夾緊頂起油缸進行維修帶來困難，降低壓力機以后的維修方便性。

壓力機滑塊行程和模具開口度的選擇

當生產線采用直線七軸技術，在進行壓力機和模具設計時，滑塊行程和模具開口度可以按照以下原則進行設定（G=A+B+C+D+E），如圖7所示。其中A為零件厚度，B為下模安全距離，值為50mm，C為直線七軸裝置+端拾器的厚度，值為250mm，D為上模安全距離，值為50mm，E為模具定位銷高度。

圖7 模具開口度的設定示意

模具的有效開口高度必須要大于G，沖壓件才可以順利的進出模具。當模具的有效開口高度小于G時，則需要對模具和沖壓件進行具體分析，才能確認該沖壓件是否能在該沖壓線上生產。

模具下模高度和零件中心線的要求

⑴同一零件的模具，各工序下模高度差范圍±100mm；

⑵不同零件的模具，下模最高點高度差范圍±150mm；

⑶零件的中心在工作臺中心的±100mm之內。

注意：成形之后零件的最高點，對于首臺拉伸模來說，是指拉伸墊頂起狀態時的成形沖壓件的最高點的高度。

機器人直線七軸技術的優點和局限性

機器人直線七軸技術的優點

⑴工件在生產過程中始終保持平行移動，無須旋轉。這有益于提高工件在上下工序壓力機之間的傳遞速度，進而提高生產線的效率，尤其是在生產車身側圍等大型覆蓋件時，優勢更明顯。

⑵工件在上下工序壓力機之間傳遞時保持平行移動方式，可以使大型工件在較小的空間內傳遞，減小壓力機之間的間距，也就減少整條沖壓線在廠房內的占地面積，從而降低廠房的建設成本。

⑶采用直線七軸技術的機器人生產線搬運適應性強、柔性化高。在東風乘用車公司的沖壓L2線上，小至輪罩、大至車身整體側圍等沖壓件均可以全自動化高效生產。

⑷配合大型機器人，直線七軸裝置的有效負載能力強。東風乘用車公司的沖壓L2線上，配置直線七軸技術的機器人選用的是ABB IRB7600 325/3.1型機器人，直線七軸裝置端部的負載能力可以達到90kg。減去端拾器和端拾器快換夾具的重量，還可以提供至少60kg的負載能力給沖壓件，這已經超過了一般轎車和SUV的整體側圍沖壓件的重量。

機器人直線七軸技術存在的局限

⑴基于承載能力的考慮，直線七軸裝置的長度是有限制的，這就對壓力機的間距上限存在限制。一般情況下，前后壓力機中軸線之間的間距不能大于8.5m。如果是老式手動沖壓生產線改造，前后壓力機中心距大于上述數值，將無法采用機器人直線七軸技術。

⑵沖壓生產過程中，直線七軸裝置是需要伸入到壓力機上下模具內的，如果發生機器人與機器人、機器人與模具的碰撞，可能造成該七軸裝置的損壞，直線七軸裝置的修復難度較大。對于標準六軸工業機器人，伸入到壓力機上下模具內的僅僅是端拾器，如果因為撞擊而損壞，則容易修復和更換。

結束語

隨著我國汽車市場競爭的不斷加劇，汽車的制造成本和品質成為各汽車制造廠家角逐市場的先決條件，因此，采用機器人搬運系統進行沖壓生產是降低汽車制造成本，提高車身制造品質的重要手段。機器人直線七軸技術更是充分發揮了沖壓機器人搬運系統的優勢，將高柔性、高效率和低投入的特點推進了一步。