高速落料機器人自動化生產線運行原理及特點

丁剛強

（廣西汽車集團柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

汽車工業中的鈑金零部件（如車身頂蓋、側圍、大梁、前隔板、門柱、輪罩等）生產都要采用鈑金工藝，最重要的四個步驟就是開卷落料、沖壓、焊接、表面處理。其中開卷落料是第一道工序，就是將整卷的鋼板料制作成片狀的定尺料或異型料，用于后序的沖壓自動化生產。落料就是用沖模沿封閉曲線沖切，沖下部分是零件，用于制造各種形狀的平板零件[1]。如何設計與建造適合企業自身的生產設備，高效的生產出后序沖壓成型所需要的定尺料或異型料，并提高板材利用率，降低制造成本，提高外觀件表面質量，是汽車鈑金件生產企業亟需解決的一個重要課題。讓機器人替代工人單調、重復的體力勞動，可極大地提高生產效率可產品質量[2]，為此，研究開發出了一款高速落料機器人自動化生產線，滿足了效率、成本的要求，同時也對采用多工位級進沖壓模具的沖壓生產，也提供了借鑒。這種高速落料機器人自動化生產線使得沖壓成型技術轉向安全節約方向發展，同時具有高效率、高柔性的特點。

1 高速落料機器人自動化生產線運行原理

高速沖壓落料自動化生產線主要組成部分有：電控系統、液壓系統、上料小車、開卷機、校平機、夾送輥、擺橋（活套）、定尺送料、機械落料壓力機、成品收集、成品取料七軸工業機器人等。其運行原理圖見圖1。

圖1 高速沖壓落料機器人自動化生產線運行原理圖

該高速落料機器人自動化生產線最大的優勢是采用了落料壓力機、落料模具、七軸工業機器人，實現了提高生產效率，減少用人數量，提高生產柔性的目的，并能改變落料模具、七軸機器人抓手的設計，可以實現一模兩件及更多件生產。

在進行生產汽車零件板材生產時，首先用行車將料卷吊裝到上料小車上，不同規格的料卷放置到上料小車的對應位置，上料小車接到料卷后，移動到開卷機正中位置，并有人工進行微調，確保鋼卷對準開卷機。同時，料卷漲緊機工作，由液壓漲縮卷筒自動地壓緊鋼卷并轉動，將板料進行開卷，自動送料，板料在引料裝置作用下進入校平機，板料內部的應力，在經過四重或六重多輥式平行輥列的校平機后，成為平整的板料，每卷料初始的20～30 cm的料頭由于不整齊被切頭剪自動剪去，然后再沿著滾道前進，此時活套已經處于水平的導料狀態，板料一直前進，經過側導向的導向、定尺送料機構、送料輪、滾道送料，到達落料壓力機的模腔中，覆蓋整個模腔，壓料輪、定尺送料輪下降，壓緊鋼板，同時活套下降，開卷機繼續送出的板料在重力作用下下降，下降到活套地坑的檢測機構就，停止輸送。活套地坑是為了消除在正常運行時由開卷校平部分的連續運行與進入落料壓力機中的沖壓落料的間歇動作之間的速度差造成的板料堆積。之后板料被落料一次，送料機構前進一次，直至卷料被使用完。在此過程中，成品板料由七軸工業機器人依次抓取放置到成品料架上或輸送皮帶上，再由人工放到料架上，邊角廢料被模具上的切斷刀切斷后進度廢料收集器，落到位于地坑底部的廢料輸送機上，集中輸送到配料分選間。其生產工藝流程如圖2所示。

圖2 生產工藝流程圖

在工藝流程的控制上，高速落料機器人自動化生產線，其控制方式有手動以及自動兩種方式，當使用手動控制方式，需要依靠面板上的按鈕，來控制部分工藝流程，如果使用自動控制方式，則整個生產線則按照提前設定好的程序進行自動化生產。

實際應用現場如圖3所示：

圖3 實際應用現場

2 高速落料沖壓自動化生產線的性能特點

隨著我國汽車行業不斷的發展，汽車行業所涉及的工業生產行業也逐漸規模化，汽車零件生產呈現出汽車個性化化特征，并且逐漸顯現車型共線生產、車型批量小以及車身覆蓋大型一體化趨勢。

（1）高速度校平機、高精度與自動定位開卷機

鋼卷上料之后，與壓力機中的模具需要保持在同一中心線上，這樣有利于降低上料輔助時間和減少鋼板的扭曲變形。開卷機的伸縮對中裝置設置在鋼板的兩側，這種控制裝置的組成主要有三個部分，其一是液壓缸，主要用于驅動伸縮擋板，其二是位移傳感器，主要用來檢測鋼卷端部的接近開關，以及液壓缸同步伸縮，其三是伸縮擋板。在進行汽車零件生產當中，需要對生產線設定參數，依據料卷規格進行合理的設定，然后由PLC程序系統發出指令給側邊定位裝置，沿開卷機的主軸方向平移的伸縮擋板，移動到指定的位置。同時，位移傳感器向PLC程序發出停止信號，需要通過液壓缸活塞桿伸縮計算。當鋼卷運行到接近開關的位置時，開關發出信號傳輸給PLC系統，這個時候上料小車就會停止運行，并且鋼卷能夠準確停止在設定好的位置上。

在進行輸料工作過程當中，為了保證汽車額零件加工質量以及成型之后的質量，提高整個高速落料沖壓自動化生產線的速度，并結合多年加工設計經驗，采用多輥（四重輥或六重輥）校平方式，來消除板料的內應力，保證板料的平整，在校平的過程中，其精度應當小于0.8 mm/m2，其速度應當為42 m/min。自動定位開卷機如圖4所示。

圖4 自動定位開卷機

（2）高速度、高精度的伺服送料

伺服送料控制系統，其控制需要通過編碼器實現閉環控制，達到送料的高速度、高精度。在送料過程中，送過、打滑不同程度的現象可能會出現，針對這類現象，除了數字式伺服電機做定尺驅動之外，還應當采用編碼器加測量輥所形成的閉環反饋系統，以此來保證送料的高精度，確保送料的高速度，在送料當中，其精度應當低于±0.1 mm，送料的最大速度應當達到110 m/min，這樣一來，才能保證汽車零件成品的質量以及零件加工生產過程中的質量，保證42 m/min的整線線速度、7 m/s2加速度的高速度連續生產，這不僅保證了該生產線所加工的零件質量，并且對整線生產來說，也大大提高了其生產效率。

（3）落料壓力機工作臺整體鎖緊、自動升降功能

由于壓力機落料模具的規格不一樣，為了使得板料順利經過傳輸帶，需要充分考慮到壓力機落料模具規格的不同，因此，工作臺上的輸送料機構，需要集中在一起，利用蝸桿、渦輪自動升降機構，對整個工作臺進行高度調整，從而實現板料高效率的輸送。同時，為了保證工作臺的穩定性，在工作狀態時，應當在工作臺與升降機構之間設置鎖緊裝置，鎖緊裝置有利于調整工作臺的鎖緊或者是放松工作狀態，為了達到這一狀態目的，主要通過液壓缸，對一組碟簧進行控制，從而達到理想化的工作狀態，不論是調整之前還是調整之后，以此來保證工作臺的穩定性，對高度落料沖壓自動化生產來說，有利于提高該生產線的自動化程度。

（4）七軸工業機器人自動化取件

在工業機器人的第六軸端部增加第七軸，擴展機器人的臂展，達到較大的覆蓋范圍，能使用抓手順利地從壓力機模腔中取件及放件，第七軸與機器人插補運動，提高輸送速度。壓力機旁邊不再使用人工，安全性大大提高。機器人抓手還可以設計成快換形式，滿足更多規格的板料及一模多件的抓取。柔性大大提高。

圖5 七軸工業機器人自動化取件示意圖

（5）落料模具可以進行多種異型料的生產

傳統的開卷線使用直線切刀，只能切直線，生產出方料或梯形料，后序沖壓生產時邊角料較多，板材利用率低。而此線上使用了落料模具，可以根據模具進行板料的優化排版，提高板材利用率，降低材料成本。板料排版圖見圖6所示。

圖6 板料排版圖

3 同類生產線比較

汽車零件高速落料沖壓自動化生產線，應用范圍較為廣闊，有著良好的發展前景。相比于國內外同類的產品，主要特點表現在：高精度、高速度、高度自動化程度等，具體如表1所示。

表1 國內外同類產品技術性能比較

某企業應用后，相比傳統的開卷校平線，節拍提升由4 SPM提高為16 SPM，人工費用可以減少：（60/4～60/16）×360×7.5小時/班 ×3班/天 ×21.75天/月 ×12月/年 ×0.002 8（每秒人均工資）＝6.6萬元/年；人員優化：4.84萬元/年（人均成本）×2人/班（減員數）×3班/天 =29萬元/年；材料利用率提升：3.2萬噸/年 ×8.41%（材料利用率提升）×5000元/噸 =1345.6萬元/年；取消委外加工：3.2萬噸/年× 354 元/噸 ＝ 1132.8 萬元/年；材質優化：3.2 萬噸/年×461元/噸 ＝1475.2萬元/年。預期每年節約成本3989.2萬元，2017年7月至10月實際節約成本1138萬元。

4 結束語

近年來，隨著世界經濟環境不斷變化，汽車產業面臨的狀況也發生了眾多變化[3]，生產形態由大規模大批量生產轉為小批量定制化生產，本高速落料機器人自動化生產線的研制成功，就是適應這一變化的具體行動。適合于小批量、多品種的制造模式，且具有較大的柔性，有利于提高企業在市場中的競爭優勢，為企業帶來經濟效益。