工業機器人熱沖壓自動化生產系統研究

王鵬凱

(河北工業職業技術學院，河北 張家口 075100)

在沖壓生產技術與設備逐漸走向高速化、柔性化、精密化的趨勢下，傳統機械沖壓早已不能滿足個性化生產要求，也無法適應社會發展需要。而工業機器人以其自身獨特優勢，在沖壓生產領域備受青睞，在此基礎上，基于工業機器人構成了全自動熱沖壓生產體系。熱沖壓自動化生產體系可以編程方式切實改變工業機器人運動軌跡與具體作業，柔性較高，適用于小批量、多品種生產規模，是實現高速、高質、高效生產的有效方式，同時也是現代化沖壓生產技術的主要發展方向[1]。據此，本文對工業機器人熱沖壓自動化生產系統進行了深入探究。

1 熱沖壓自動化生產系統

1.1 拆 垛

基于拆垛系統，發揮磁性傳送帶、自動化涂油設備、拆垛小車裝置等設施作用，促使不同狀態下的工業機器人可實時導入或導出，其中導入可幫助工業機器人完成從拆垛機取料放置于涂油裝置，導出可轉移生產材料于指定的具體位置。為便于工業機器人順利操控，利用小車裝置涂油材料，以消除冷軋鋼板生產地滑移線，從而提高板件抗腐與潤滑能力，強化板料定位、運動、牢固，進而保障系統運行結構穩定性與可靠性。

1.2 視覺定位

視覺定位系統的任務是進行加熱板料定位，給工業機器人輸出準確的、具體的位置信息。由于定位對象屬于平面板料，只需2D視覺定位系統即可，其精確度為±0.5 mm，利用支架穩固攝像頭，基于定位平臺安裝，同時對攝像頭進行IP67等級全面防護，配置輔助性光源，以保障系統運行穩定性，實現加熱板料精確定位[2]。

1.3 控 制

工業機器人熱沖壓自動化生產系統的控制體系選擇雙層網絡結構[3]，具體如圖1所示。雙層結構可獨立分層、分段有效控制，并區分化管理相關功能。現場總線并未涵蓋壓機PLC站與人機界面控制，對此選擇DP-DP耦合器銜接壓機與生產系統控制PLC，且有效互鎖控制關聯信息。基于以太網劃分網絡控制層，即信息層與設備層。通過人機界面與所有PLC站端的實現，實時監控設備節點，從而提升控制系統柔性。

圖1 雙層網絡結構

1.3.1 設備層

設備層涉獵操作、輸出、開關、檢測、執行等全部設備。基于主機總線輸送指令于PLC，通過其再次傳輸指令于所有設備，由設備執行指令。其中，閥與傳感器之間的通信則以現場總線為載體加以實現。

1.3.2 控制層

控制層通過總線PLC操控設備，其具備連線與單獨控制兩項主要功能。在控制系統中，現場總線與以太網控制的穩定性、安全性、可靠性較高。其中設備與PLC通信、數據信息傳輸都是基于以太網操作。通過為壓力機控制系統配置Ethemet card，可有機連接壓力機各組成部分，從而實現工業機器人主機與控制體系之間的實時通信。

1.3.3 人機操作界面

人機操作界面主要選用觸摸屏，利用Profibus總線有效連接控制體系單元設備與人機操作界面，可確保界面指令快速準確傳輸于控制系統各部分，進而順利開展操作。人機操作界面可切實展示控制體系單元運行數據信息，基于處理分析，進一步了解工業機器人運作狀態與注意事項，提示危險信息。人機操作界面將運轉數據信息傳輸于主機控制平臺，其可全方位監控所有單元。

1.4 感應加熱爐

感應加熱爐系統的作用是針對批量材料，完成拆垛、板料加熱、溫度控制、板料節拍性輸出等操作，安排專機廠家專門定制，且配置對應的通信接口[4]。

1.5 安全性

工業機器人熱沖壓自動化生產系統可保障生產運行穩定性與安全性，以保證工業機器人可實現真正意義上全自動化生產操作。在熱沖壓自動化生產系統，上位機PLC可基于總線技術全面監控機器人生產過程，一旦察覺問題便會快速發出告警，提示工人及時檢查排除故障。PLC系統利用Profibus總線全方位實時監控工業機器人運作的安全區域，在日常檢修維護時，需實時更新排查，以保障各部件正常運行，減少生產失誤。

1.6 仿真模擬

工業機器人為實現熱沖壓自動化生產，其運行動作與程序需類似于人工操作，所以增強自動化生產系統仿真模擬與校驗勢在必行。在仿真校驗時，工業級機器人可基于模擬真實環境檢驗運作標準性，一旦發現運行漏洞，及時調整工業機器人運行節奏，以提升生產效率與水平，并在實際運轉時實時分析相關數據信息，以離線調試，仿真模擬工業機器人動作模式與運行軌跡，實現實時調節，從而縮減調試時間，減少失誤，進而提高熱沖壓自動化生產系統穩定性與安全性，切實滿足工業自動化生產多元化需求[5]。

2 生產流程設計

工業機器人熱沖壓自動化生產系統具體流程[6]如圖2所示。

圖2 生產流程

3 效能計算分析

熱沖壓自動化各個生產工序工時計算[7]具體如表1所示。

表1 各個工序工時 s

根據數據信息與生產效能計算分析，獲得數據，即

單個零件總加工時間=

各工序時間的總和=410.2 s

生產線節拍時間=最長工序時間=177.8 s

班制度工作時間是8 h，減去準備時間0.5 h，實施現場6S管理模式(6S即整理、整頓、清掃、清潔、素養、安全)進行現場管理的時間與工人休息時間0.5 h，以此單班可用于生產的時間是7 h。其中具體產能，即

根據每天開兩班，每個月有效作業時間為25天，計算可知：

月產能=單班產能×開班數×有效作業天數=142×2×25=7 100件

通過計算結果得知，熱沖壓自動化生產系統可滿足規范標準，即月產能6 600件的具體要求。

4 系統仿真分析

針對熱沖壓自動化生產系統仿真模擬，可節約研發成本，基于虛擬環境可發現工業機器人運行問題，獲得良好生產效益，防止應用程序失誤或其他系統干擾影響。以離線編程模擬工業機器人運行軌跡與運轉路線，可有效節省調試時間。以工業機器人上下料環節進行仿真分析。

4.1 仿真模擬過程

選用Robot Studio為仿真軟件，轉換基于端拾器三維模型與Solid Work軟件的上下料平臺格式，以SAT格式導入于仿真軟件，同時添加工業機器人實體模型，就具體應用需要進行平臺安裝。其中上料平臺需轉換兩個機械視覺功能，工業機器人末端軌跡規劃需與平臺攝像頭支架相互避開，所以，端拾器安裝過程中，應保障位置與姿勢始終如一，并且短邊尺寸與支架相對。

假設工業機器人上下料核心點位置是P3與P4，運行工業機器人手腕向下旋轉90°，吸盤底層接觸平面與法蘭盤機中心線相互交錯，交錯位置設定為P1，端拾器底層核心點為Q，工業機器人待命，可以實時運行抓取板料。具備強有力功能的末端執行器，可以幫助機器人增加1～2個自由度，強化搬運柔性。

其一，抓取板料，機器人核心點Q運轉于上料平臺核心點上方位置P2，開始下降于上料平臺核心點P3，進行板料抓取操作，然后回升于P2；其二，下放板料，機器人核心點Q基于P2運轉于下料平臺核心點上方位置P5，工業機器人以直線運動軌跡，在P5下降于下料平臺核心點P4，進行板料下放操作，然后回升于P5。

為順利準確規劃工業機器人上下料軌跡，持續循環板料抓取、運輸、下放操作過程，大約10次后，為防止端拾器與下料平臺轉回原點時發生碰撞，機器人核心點Q需先從P4上升于P6，隨后各軸轉回零位，以實現運動軌跡精確規劃。

運動軌跡規劃后，離線仿真板料運輸，設置6個工業機器人位置姿勢點。通過工業機器人抓取板料與下放板料仿真模擬，可知板料抓取與下放過程基于規劃軌跡非常精確，工業機器人應用效果良好。

4.2 實踐成效分析

在工業機器人熱沖壓自動化生產系統投入生產使用之后，設備運行順利穩定，可根據設計標準，進行熱沖壓動作。系統運行表明在很大程度上實現了預期功能目標，與設計要求相符。首先直接提高了生產效率，相比既有電阻爐加熱與人工上下料，熱沖壓自動化生產每件節約時間大約3 min，生產效率提高了近400%。其次有效改善了運行環境，縮減了工人勞動強度。基于熱沖壓自動化生產，板料上料、運輸、下放等都通過工業機器人操作，無須人工完成。再次可精確化控制溫度，提升定位精準性與成型效率質量。熱沖壓自動化生產板料溫度控制精確度為±3℃，定位誤差控制于1 mm以內，切實避免了成型一致性較低，以及擠料和壓裂等不良現象[8]。

5 結 論

綜上所述，在現代化科學技術快速更新進步下，工業生產技術與設備都愈發科學化、新穎化，沖壓技術也實現優化發展。而工業機器人的衍生，及其在熱沖壓自動化生產線中的應用可有效提高自動化生產水平，并合理控制工業生產成本，因此備受工業領域積極關注。本文通過設計仿真工業機器人熱沖壓自動化生產系統，結果表明，工業機器人以其靈活性、可靠性，通過替代人工勞動，減輕了操作人員工作強度，提升了沖壓自動化生產效率與水平，節約了生產成本，且能夠避免誤差，實現零誤差操作，從而在保障產品質量穩定性的基礎上，帶來良好經濟效益。