重力對中臺在厚板沖壓自動生產線中的應用

文/李明昕，黃秀香，路慧明，呂良·一汽解放青島汽車有限公司

在自動化薄板沖壓生產過程中，板料經過拆垛、清洗、涂油工序后，位置發生變化，為了確保機器人或機械手抓取板料的精度和速度，對板料需要進行再次對中定位。對中技術在薄板沖壓中應用已經非常廣泛，并且方式多樣化。

而對于厚板沖壓，對中技術應用就比較少。這主要是國內的整車廠，厚板沖壓并沒有實現完全自動化生產，最多只是實現機械輔助上料。由于我廠采用的ABB機器人厚板自動上料系統已經通過機器人重新編程和設備改造，已經具備單臺機器人自動上下料功能。為了進一步實現厚板沖壓的全自動化生產，我們設計了適用于厚板沖壓的對中臺，以保證上料精度，實現厚板沖壓的自動化生產。

現有板料對中方式

對于薄板沖壓，對中技術應用已經相當廣泛并且非常成熟。隨著科學技術的不斷發展，現在對中技術已經發展到采用光學系統、圖像處理系統來實現對中。目前常用的對中方式主要有重力對中、機械對中、圖像掃描對中和視覺對中四種方式。

重力對中

重力對中主要是利用板料自重實現對中。對中臺臺面相鄰兩邊傾斜一定的角度，然后依靠板料自身所受到的重力，沿著臺面滑向傾斜兩邊形成是夾角，以實現對中。每張板料都會沿臺面滑向夾角，這樣就可以實現每張板料都是同一個抓取點，從而保證后工序能夠將板料精確地放入模具當中。

機械對中

機械對中主要是通過對板料進行拍打夾緊的方式進行定位。板料傳送到對中臺上，通過接近開關檢測板料是否到位，然后通過氣缸驅動實現對板料的拍打和夾緊。氣缸的位置通過螺桿和伺服電機進行編碼控制，以適應不同尺寸的板料。

圖像掃描對中

圖像掃描對中系統是板料通過傳送帶經過掃描儀照相機時，開始對板料進行掃描照相，然后控制系統將板料的關鍵位置（工件的邊緣或者輪廓）與示教時的基準板料進行對比，計算出偏差(X，Y，α)。當板料被輸送到對中臺上時，通過伺服系統控制對中臺的對中電機進行動作，修正來料與基準板料的位置偏差，從而保證板料的抓取點保持不變，如圖1所示。

視覺對中

圖1 圖像掃描對中系統工作示意圖

視覺對中系統主要是通過攝像頭拍取一張作為基準板料的位置，然后其他的板料都會進行拍照，同樣是通過對比計算出與基準板料位置之間的偏差(X，Y，α)，并將偏差反饋給機器人，機器人抓取板料的軌跡點通過程序進行自動偏移補償，從而保證每次抓件的精度。不同的板料都需要對中拍攝一張基準板料的位置。

相比于其他3種對中方式，重力對中方式結構最簡單，對中臺設計加工周期短，制造成本最低，且根據現場的實際空間，臺面尺寸可以做到最小。另外，重力對中臺操作簡單，使用方便，不需要像機械對中臺那樣頻繁地調整氣缸位置或者像圖像掃描、視覺對中那樣對不同板料進行拍照調試。基于以上方面，我們選擇重力對中臺實現厚板沖壓的重力對中。

圖2 厚板重力對中臺結構示意圖

厚板重力對中臺結構設計

根據厚板沖壓板料尺寸形狀以及生產現場的空間，我們設計了圖2所示的重力對中臺。重力對中臺主要由萬向球工作臺面、高度可調的移動式支架、板料檢測傳感器和異形板料擋銷構成。

工作臺設計

工作臺根據厚板板料的尺寸規格，臺面尺寸設計為600mm×1200mm，這樣既可以滿足現場的生產空間，又可以滿足厚板所有的板料尺寸規格。

圖3(a)中工作臺面設計有萬向球安裝孔，通過布置合理間距和數量的萬向球，保證板料可以順利地滑落到夾角處，實現對中。同時，臺面上還設計了擋銷孔，用來安裝擋銷，這主要是針對異形板料，通過布置擋銷來實現異形板料的定位。

為了檢測板料是否完成定位，在臺面上設計了板料檢測傳感器見圖3(b)。傳感器可以根據板料的大小，通過滑行槽來調整位置，實現對不同板料的位置檢測。

圖3 重力對中臺工作臺結構圖和板料檢測傳感器模塊

支架設計

由于厚板板料尺寸規格較多，最小尺寸有10mm×180mm×300mm，最大尺寸可以達到8mm×545 mm×1255mm，尺寸規格的多樣性也導致了板料重量變化較大，最大50kg左右。為了保證板料能夠順利滑向夾角，同時避免滑行速度過快而造成的沖擊，我們設計了高度可調的支腿見圖4(b)。針對不同重量的板料，可以通過調整支腿的高度，從而獲得不同的臺面傾斜角度，臺面傾斜角度可以在0°～15°之間自由調節。

圖4 重力對中臺支架結構圖

目前，厚板沖壓自動線并沒有實現完全的自動化，因為有些模具無法實現自動化改造，例如封閉落料的模具，因為廢料無法自動排出，需要人工輔助生產。因此，為了生產的靈活性，支架設計了萬向輪，便于在人工生產的情況下將重力對中臺從生產區域移出。

由于重力對中臺要隨時移入和移出工作區域，這就無法保證每次在工作區域的位置是固定的，為解決這個問題，在支架上設計了定位裝置，如圖4(c)所示。將“地面固定塊”焊接在工作區域的合適位置，每次將工作臺推入工作區域后，利用支架上的“固定插銷”插入“地面固定塊”中，從而實現重力對中臺的精確定位。這樣，在不同批次生產同種制件時，就不需要反復修改機器人的軌跡點，節省機器人調試時間，提高生產效率。

重力對中臺實際工作過程模擬

為了驗證重力對中臺的對中效果，我們對重力對中臺的工作過程進行了運動仿真模擬，模擬過程如圖5所示。通過異形板料模擬在不同傾斜角度的情況下，板料在重力對中臺上的滑移過程。

圖5 重力對中臺模擬過程

我們模擬了不同傾斜角度下板料的滑移過程，并對板料的滑移速度進行了跟蹤如圖6所示。從圖中的(a) ～(e)幾幅圖可以看出，隨著傾斜角度的增大，板料的滑移速度逐漸增大，并且速度振幅也呈增加趨勢。傾斜角從5°到13°，速度出現多個峰值，這主要是因為板料與擋銷為剛性接觸，板料不可避免地發生振動，而且傾斜角度越大，速度峰值變化越大。

圖6 板料在不同傾斜角度條件下的V-T曲線圖

在傾斜角度為13°時，板料一直在振動，10s之后板料仍然沒有停止完成對中。這主要是因為異形板料一邊靠擋塊而另一邊只靠一個圓銷進行定位，并且該定位邊是一條圓弧曲線。當板料與擋銷開始接觸后，板料就會以擋銷為中心左右進行轉動，如圖7所示。傾斜角度越大，板料滑移速度就越快，板料與擋銷接觸后就需要很長時間才能停止振動。如果是形狀規則的板料則不會出現這種現象，因為可以依靠兩條直角邊與兩側的擋塊接觸進行定位。

圖7 板料滑移位置跟蹤圖

另外，我們對不同傾斜角度下板料的最大滑移速度和對中完成時間進行了對比見圖6(f)。板料滑移最大速度隨傾斜角度的增大而增大，而且從2°到5°，板料的滑移速度快速增大。從圖中還可以看出對中完成時間也隨之增加，并且角度大于12°后，板料對中完成時間急劇增加，已經超過10s。

通過對比，只有在傾斜角度為2°時，板料對中完成時間才小于1s，其他傾斜角度對中時間已經超過2s。板料對中完成時間會直接影響沖壓效率，因此當傾斜角度為2°時，滿足實際生產。因此在實際生產過程中，需要將對中臺調整到合適的傾斜角度，盡量減少對中所需要的時間。

結束語

目前，從各大商用車整車廠商來看，相對于薄板沖壓自動化生產，厚板沖壓自動化生產只處于起步階段，要實現自動化生產還有許多工作要做。本文通過對重力對中臺的結構和工作過程的探討，實現了厚板沖壓板料對中定位，板料自動精確放入模具。板料對中定位是沖壓自動化生產的第一步，這為我們實現厚板沖壓完全自動化生產奠定了堅實的基礎。