工業機器人在沖壓應用中的效率優化

劉永安

（廣州數控設備有限公司，廣東 廣州 510530）

在沖壓領域，目前我國仍然是高密集的人力勞動，自動化程度低，工作環境惡劣。由于在沖壓生產中，高噪音的工作環境、高度重復單調的工序以及高節拍要求三個因素，易使工作人員疲勞進而經常導致工傷事故發生。推進工業機器人在沖壓生產的應用，不僅把勞動人員從危險惡劣、單調重復地工作環境中解放出來，同時大大提高沖壓產品的產量、穩定性及一致性，進一步提高工業自動化水平的重要一環。目前，在沖壓應用中對于大負載、拉深等應用，對節拍要求不高的場合已大范圍應用工業機器人實現機器換人。為了進一步攻克沖壓作業中節拍效率要求高的問題，更全面地把人從危險低附加值的工作中解放出來，從各環節提高工業機器人的作業效率，顯得異常重要。。

1 沖壓應用中工業機器人的種類選擇對作業效率的影響

在整條沖壓自動化線中，沖壓各環節所使用的工業機器人，應該有針對性地做出選擇，因為這將直接影響沖壓作業的效率，下面就幾種典型結構的工業機器人在沖壓上的應用作簡單的介紹。并聯機器人比較適合高精度、高剛度以及大的載荷同時要求的工作空間并不大的場合。在沖壓上應用，可以使用在物料的分揀等來料上料環節。沖壓中一般有多工序組成，不同工序間壓力機緊密配合。在移載環節，可選擇的工業機器人包括6 軸關節式搬運機器人，4 軸關節式搬運機器人以及擺臂機械人。假如對自由度要求高，例如工序中有對工件作翻轉再進行作業的要求，或者當工件因為翻轉，相對地面需要傾斜，應選擇6 軸關節式搬運機器人；而對剛性要求低、沖壓工件部署單調重復、不經常更換工件的小件沖壓應用，可以選擇低成本的擺臂機器人；目前在移載工序中，由于兼具高剛性、高速度以及關節又不失靈活的特點，應用最多的是4 軸關節式搬運機器人。在沖壓自動線的末端，下料堆垛等可選擇使用碼垛機器人，效率高，成本又比多自由度的機器人較低。

下面就沖壓應用中使用最廣的4 軸關節式機器人作較細化的介紹。機構上，4 軸關節式機器人有與碼垛機器人相通之處，有兩副平行四桿機構，用以保證機器人末端與地面水平，節省傳統機器人的兩個軸聯動才實現末端水平。這種機器人在設計之初，就為了大概率適應沖壓應用，故其1 軸旋轉速度與4 軸旋轉速度很高；同時，由于關節采用了RV 結構減速機，保證了高剛性及易于裝配。在沖壓自動化生產線的各環節，選擇正確合適的工業機器人種類，將大大節省成本，提高沖壓作業效率。

2 沖壓應用中工業機器人的方案布局對作業效率的影響

影響沖壓作業的效率的又一大因素，是工業機器人的方案布局。圖1 為典型的工業機器人沖壓應用方案布局示意圖，方案中機器人作業區域有安全圍欄，使用多臺工業機器人協作完成沖壓自動化。在選擇正確的工業機器人種類后，接下來重要的就是如何布置工業機器人之間的相對位置。應按以下原則來安排。

圖1 典型工業機器人沖壓應用布局方案

首先，在安裝固定機器人到地面時，設置機器人與地面的高度，應結合工業機器人的工作范圍、臂展等考慮，在滿足工況的前提下，讓機器人在“舒服”的位置工作，減少不必要的考驗機器人串聯結構剛性的機會，這也將大大地節能及增長機器人的使用壽命。其次，整個沖壓方案中，盡可能在各環節中，讓單臺工業機器人應付多臺壓力機或多個工序操作。這樣的好處是，可以提高工業機器人的在線使用率，同時減少了不必要的機器人等待時間。然后，在多臺工業機器人協作的方案中，應充分考慮合理布置機器人與機器人之間的間隙，或者機器人與壓力機之間的距離，以免增加機器人多余的避讓動作軌跡，以提高沖壓作業效率。最后，工業機器人的方案布局，針對壓力機要常更換模具的應用場合，應留夠更換操作空間或設置相應的機器人移動機構，減少更換模具時間以提高作業效率。

3 沖壓應用中工業機器人的工裝夾具對作業效率的影響

和人類的手操作不同的是，聯系工業機器人與工件的橋梁，就是工裝夾具。在上料、移載、下料等環節，合理設計工裝夾具，將大大提高工業機器人的作業效率。沒有與工業機器人直連的有上料料盤、分揀輸運、工件翻轉、工件檢測等工裝。安裝在機器人末端的是夾具，在常用的沖壓應用中，有吸盤類夾具以及抓手類夾具。由于兩者使用大量氣動元器件如真空發生器、氣缸等，工廠應保證氣源供應的穩定。同時，應根據工件及工序的特點設計合適的工裝，以避免發生低效率的機器人取放工件，導致節拍時間變長。再者，實現同樣功能的工裝夾具，應優化其機構的設計，用優化的機械結構來達到減少執行器氣缸個數，或氣缸動作的次數，這將節省時間和能源，提高沖壓的作業效率。對于不同工序間，有工件翻轉要求的場合，應仿真衡量設置單獨的翻轉工裝，還是直接選用多軸機器人直接實現翻轉。以較經濟的方式做設計，并以提高效率為目標。

4 沖壓應用中工業機器人的電氣控制對作業效率的影響

工業機器人的控制系統在整個沖壓應用中尤為重要，它主導著工業機器人的任務分配和程序執行，同時接收各環節各種傳感器反饋信號。關于電氣控制中需注意的事項有以下幾點。第一，選擇兼容的通訊方式，根據各類信號，設計以安全為前提的動作邏輯，盡量讓機器人不作多余的等待，可以顯著提高效率節拍。第二，根據工業機器人的工位以及取放點，應設計優化的工業機器人動作軌跡路線，避免多余的避障點或路線增加機器人的動作時間。第三，應盡量選用有內置PLC 功能的工業機器人供應商，內置PLC 功能將允許機器人多線程同步處理各類信號，無需增加與外置PLC 通訊的時間，大大提高程序執行效率。第四，應選用有友好人機界面的工業機器人供應商，由于沖壓工人需經過培訓才能順利使用工業機器人進行示教應用，所以越簡潔易操作的人機界面，設計出來的程序越能反映出沖壓工人優化的工藝思想。第五，整個方案應設置安全柵欄及應急預案，以便在發生工業機器人故障時，維修人員操作的時間不影響正常的沖壓生產。

5 結語

本文從工業機器人種類選擇、方案布局、工裝夾具以及電氣控制多方面，闡述了沖壓應用中，影響工業機器人效率及節拍的多種原因，并提出了眾多可操作或參考的技術細節。隨著工業機器人在沖壓領域的應用不斷深入，將大大緩解沖壓生產中工傷的問題，加速工業自動化的進程。