伺服沖壓線自動化傳輸技術的發展和應用

文/羅超群，高貴麟，洪波林，孫書明·一汽轎車股份有限公司

隨著汽車需求的快速增長，車身造型變得越來越復雜，主機廠不斷追求更高的生產效率、更多樣的生產工藝以及更高質量的生產方式。在這種環境下，選擇連續節拍高、成形過程可編程的伺服沖壓線成為一種必然的趨勢。

為提高沖壓產能，我公司引進一條6100t伺服沖壓線。不同于傳統的機械沖壓線，伺服沖壓線在自動化傳輸方式上節拍更高、技術更先進、柔性化更高。本文主要闡述伺服沖壓線在拆垛系統、對中系統、傳輸機械手、線尾下件系統、伺服技術五方面的發展及應用。

拆垛系統

伺服沖壓線的拆垛系統由上料小車、拆垛工位、拆垛機器人、傳輸皮帶等機構組成，共有左側和右側兩個拆垛工位，兩個拆垛機器人。正常自動運行時兩個機器人在同一側拆垛工位交替抓取板料放至傳輸皮帶上。這種拆垛方式可實現鋼板和鋁板的拆垛。兩個機器人交替進行板料拆垛可滿足整線17SPM的節拍要求。

拆垛機器人

每個零件都有對應的子程序，拆垛機器人（圖1）主程序根據整線生產的零件ID進行調用。用戶可以根據板料形狀、大小、位置及端拾器的吸盤布置等對每個機器人運行軌跡進行編程，柔性化更高。

通用端拾器

拆垛機器人使用可伸縮式端拾器進行拆垛，對于相似類型的零件，可以使用通用的端拾器進行拆垛，節省成本。通過規范同類零件的布置形式、建立端拾器模型、板料受力仿真分析等工作，確定最合理的板料位置及吸盤位置，從而可以實現離線通用端拾器驗證，如圖2所示。進而實現了拆垛機器人端拾器的通用，可以大大降低對端拾器的投資費用。

圖1 拆垛機器人

圖2 通用端拾器模型及板料受力仿真分析模型

對中系統

伺服沖壓線的對中方式為光學對中，由工控機、對中機器人、圖像采集系統組成。圖像采集系統對板料實際位置進行拍照識別，工控機安裝的對中程序將拍照結果與樣本進行對比，計算出板料實際位置與樣本位置的偏差，對中機器人轉換坐標系抓取板料，然后放置在對中臺上，完成對中。

樣本保留板料邊緣及樣本最小匹配值的設定

光學對中需要對板料傳輸到對中臺的標準位置進行示教。示教時需要遮蓋對中機器人及端拾器、部分板料邊緣。正常工作時對中程序只識別未被遮擋的板料邊緣。

樣本最小匹配值可以在程序中設定，一般設定為75%。當板料邊緣識別率低于樣本最小匹配值的時候，就會產生報警。設定板料邊緣識別總量即樣本中未遮蓋的板料邊緣，其范圍越大意味著識別精度要求越高。但是樣本中保留的板料邊緣、樣本最小匹配值需要綜合考慮。在足以將板料定位的前提下，可以盡量少的保留板料邊緣。但是如果板料邊緣保留的過少容易被外界干擾，光學對中識別可能出現偏差。如果此時識別率大于樣本最小匹配值，不會報警，板料對中后的位置是錯誤的。

干擾因素

相比機械對中，光學對中柔性更高，對板料形狀要求較小。但是環境亮度、黑色背板及皮帶與板料的對比度、板料尺寸變化等都會影響光學對中的效果。特別是端拾器支桿及氣管的搭建方向要差異于板料邊緣的長度和方向。皮帶邊緣不要太接近板料邊緣，以防造成干擾。黑色背板要注意清潔，不要在上面亂畫標記。

圖3的左側為某零件發生報警時的圖像,紅色邊界為系統識別的板料位置，由于端拾器氣管干擾產生的誤識別。并且板料左側與皮帶邊緣重合，干擾了板料左側邊緣的識別。圖3的右側圖像為改善后識別的圖像，將端拾器支桿傾斜搭建方向與板料邊緣差異化，同時吸盤遠離板料邊緣，減少端拾器及氣管造成的干擾。并且優化對中皮帶位置，皮帶橫向調整位置優化，減少皮帶造成的干擾，最終對中報警消除。

圖3 改善前后光學對中識別對比

傳輸機械手

伺服沖壓線的傳輸機械手采用Crossbar-FeederⅢ（以下簡稱CBF）,其結構如圖4所示?？蓪崿F物流方向（X軸）、垂直方向（Z軸）、橫向（Y軸，YL和YR）、繞X軸旋轉（A軸）、繞Y軸旋轉（B軸）和繞Z軸旋轉（C軸）共7軸的運動。

離線仿真

PLS（Press Line Simulator）是伺服沖壓線廠家和達索公司基于DELMIA V5R19，針對伺服沖壓生產線合作開發的仿真軟件。該軟件能夠對模具在伺服壓機線上的生產進行動態模擬，直觀校驗機械手、端拾器、工件在運動過程中與模具的干涉情況，并且可以直觀看到曲線的最大節拍以及曲線目前限制節拍的瓶頸之處。并能夠輸出可直接導入設備的滑塊曲線、CBF運動曲線文件。大大節省了現場調試的時間，提高了現場調試的效率。PLS曲線設計界面如圖5所示。

圖4 Crossbar-Feeder Ⅲ示意圖

圖5 PLS曲線設計界面

在進行模具結構圖會簽的時候，可以通過PLS的功能Die Design Volume生成模具設計空間，如圖6所示。模具設計空間是根據運動曲線及滑塊曲線、CBF和端拾器計算出不干涉區域，能夠對模具的設計提供參考意見。可以用其與模具結構圖進行比對，只要設計的模具在該圖形范圍之內，使用對應的滑塊曲線和運動曲線時，就不會發生干涉。相比機械沖壓線的干涉曲線校驗方式，更加直觀、準確、方便。

圖6 模具設計空間

工作臺氣閥控制及傳感器檢測

伺服沖壓線的工作臺共有9根（5組）氣路，前8根氣管每2根一組，第9根為常通氣路。氣路可以控制模具升降定位、側推定位、翻邊楔器等活動部件的動作。其中1～4組每組氣路均能使用壓機及前序CBF、后序CBF的凸輪角度，控制進氣及出氣角度，柔性化更高。

另外模具活動部件的動作也可以通過壓機或者前序CBF、后序CBF的凸輪角度進行相應監控。例如某零件拉延模具內板和外板都使用了夾子來固定板料，CBF0放件和CBF1取件都需要保證夾子處于打開狀態。將夾子打開的傳感器信號接到傳感器哈丁接頭的5針和6針，板料固定架子及其傳感器監控設定，如圖7所示。通過設置檢測角度，可以實現CBF0放件之前、CBF1取件之前，都保證夾子已經打開，杜絕了干涉的可能。

圖7 板料固定架子及其傳感器監控設定

線尾下件系統

下件方式

線尾下件系統由穿梭小車、兩個下件機器人、線尾皮帶機組成，共有兩種下件方式。第一種使用穿梭小車及下件機器人，CBF4將零件放到穿梭小車上，然后穿梭小車向后輸送，再由下件機器人從穿梭小車上將零件抓起放到左右兩側線尾皮帶機上，通過使用穿梭小車及下件機器人，放件的位置和角度更加柔性化，線尾裝箱人員下件更加方便。

第二種不使用穿梭小車及下件機器人，最后一工序CBF（CBF4）將零件直接放到線尾皮帶機上。若CBF4能夠直接將零件放到線尾皮帶機上，則可以省去穿梭小車及下件機器人的工藝動作，既可以實現工藝節能，也可以實現降成本的目的（省去對穿梭小車及下件機器人的端拾器投資）。

圖8為線尾下料系統，左側使用穿梭小車及下件機器人，右側不用。因此選擇兩種下件方式的時候，要綜合考慮零件在模具中的布置方式、線尾裝箱人員下件動作舒適性、工藝節能、端拾器降成本等多個因素。

圖8 線尾下料系統

堆垛放件數量設置

伺服沖壓線可以設定線尾皮帶左側或者右側堆垛的數量?？梢詫崿F皮帶每次啟動前，CBF4或者線尾下件機器人往線尾皮帶上堆垛的數量。這樣對于某些內板件來說，可以摞放多件后皮帶啟動一次，線尾裝箱人員可以每次完成多件的裝箱。不但提高了工作效率，還減少了工作量。

伺服技術的應用-自動化輔助工藝

不同于機械沖壓線，伺服沖壓線的滑塊曲線可以進行編程。根據需求修改出無數位置、速度不同的曲線，從而輔助拉延及成形工藝，提高制件質量。例如某后背門內外板模具在節拍提升至10次/分鐘以上高速生產時，OP30外板燈口部位出現壓痕（圖9），降速至10次/分鐘以下時，壓痕消除?？梢妷汉鄢霈F的原因可能與生產節拍相關，進而分析壓痕可能是由于壓料板快速沖擊制件導致的。

圖9 高速生產時產生壓痕位置

OP30上模壓料板行程為87mm。原滑塊曲線最高節拍15.3次/分鐘，滑塊位置為87mm左右時，滑塊速度為490mm/s(壓料板與制件接觸速度)。對應10次/分鐘時，接觸速度為320mm/s。通過修改滑塊曲線，修改后的曲線最高節拍為15次/分鐘，滑塊位置為87mm左右時，滑塊速度為340mm/s左右。即使按最高節拍15次/分鐘生產，接觸速度與原曲線10次/分鐘時近似。更換新的滑塊曲線之后，高速生產時外板壓痕問題徹底消除。

另外在高速連續生產時，由于模具凸凹模、壓料板、壓邊圈、斜楔等機構接觸時會產生較大沖擊，產生大幅振動并發出高音量噪聲損害設備、模具壽命，同時對周圍環境造成嚴重的影響。通過降低接觸速度，也可以降低凸凹模及其部件接觸瞬間的相對速度，以達到降噪減振的目的。

結束語

本文主要總結了伺服沖壓線自動化傳輸系統的發展及應用。伺服沖壓線在拆垛系統、對中系統、傳輸機械手、線尾下件系統等方面都更加柔性化、技術更加先進。未來我們將結合伺服技術的應用，充分發揮自動化傳輸系統柔性化的特點，提升沖壓件的工藝質量和生產效率。