機器人沖壓自動化生產線構成研究

黃建蘭

(重慶市農業學校， 重慶 401329)

0 引言

近年來，汽車需求不斷攀升，與之相關的汽車制造業快速崛起，作為提高汽車生產效率的關鍵技術，沖壓自動化也處于高速發展時期。目前自動化生產線有三種，包括機械手型、機器人型以及多工位壓力機型。其中機器人型生產線，由于具有更高的柔性和更好的模具通過性，且滿足生產率高、安全性佳、能耗少等特點，目前已成為沖壓自動化生產線的發展趨勢[1-3]。

目前，國外關于機器人沖壓自動化生產線發展成熟，已形成巨大的制造產業，市場容量高達1000億美元，譬如瑞典的ABB公司、德國的BOSCH公司、美國GE公司等[4-5]。我國機器人沖壓自動化生產線起步慢，但發展迅速，2009年，濟南二機床集團研制了“全自動快速柔性沖壓生產線”已達到國際先進水平[6]。但目前機器人沖壓線常用的是普通(六軸)機器人沖壓線[7]。七軸機器人沖壓線[8]由于，具有更快運輸速度，更容易實現同向輸送各零件，生產節拍可以達到8～10次/min，已成為沖壓自動化生產線的首選。本文主要對七軸機器人沖壓自動化生產線的構成進行研究，并以某國內某轎車有限公司為例，對各構成的具體應用進行研究，以期為相關人員進行研究提供借鑒。

1 機器人沖壓線自動化生產線構成分析

1.1 構成概述

七軸機器人沖壓自動化生產線是在普通機器人沖壓自動化生產線基礎上，在末端添加直線七軸實現的。具體運行工藝，如圖1所示。

圖1 機器人沖壓線自動化生產線工藝

垛料放置在拆垛小車上，由拆垛機器人實現垛料的拆垛與運輸，運輸過程中對涂料進行涂油、對中，然后由上料機器人上料，下料機器人取料取料，線尾機器人進行垛料取料和放料，然后經皮帶機傳輸，形成人工碼垛，依次循環，完成沖壓自動化生產。

依照機器人沖壓線自動化生產線工藝流程，可知，其構成涉及到以下系統：控制系統、拆垛系統、上料系統、下料系統、對中臺、線尾傳輸系統、涂油機、清洗機和沖壓機器人等。其中，與其他工業機器人比較，沖壓機器人[9]具有較強的負載承受力，較快的啟動/制動頻率等特點。因此，沖壓機器人的選擇電機功率大、減速機規格增強，手臂增加，安全結構采用棚架式安裝模式。現今全球知名的沖壓機器人生產地包括德國、日本、瑞典等。以瑞典的ABB工業機器人為例，其已在我國自動化生產線中占主要地位。此外，機器人沖壓自動化生產線的核心為安全防護系統以及控制系統、拆垛系統，下面進行重點研究。

1.2 拆垛系統

拆垛系統主要基于沖壓機器人，完成料片的吸取、輸送與雙料檢測。一般來講由兩臺軌道移動式上料小車，其中每臺小車都裝載有磁力分張器，裝載數量有4～8臺不等。此外拆垛系統還包括上料機器人、涂油機、清洗機以及對中臺等裝置，包括皮帶輸送機。板料裝載到上料小車上后進行小車移動，直至到拆垛位置，拆垛機器人工作，然后小車移動直至拆垛位置，拆垛機器人作用，吸取料片，經皮帶輸送，依次經過清洗機清晰、涂油機潤滑、對中臺對準，完成沖壓之前的準備工作。目前常用的拆垛系統包括三種，即：桁架式機械手和拆垛小手組合、機器人和拆垛小手組合，以及專用拆垛機。具體結構特點，如表1所示。

表1 常用拆垛系統的結構特點

1.3 控制系統

控制系統是機器人沖壓自動化生產線的中心環節，其有效性以及可靠性直接影響沖壓效果?？刂葡到y目的是對生產線相關的系統，譬如線尾輸送系統、上料系統、下料系統、對中臺系統等進行統一管控、監督。因此，控制系統需要對多種系統進行集成，譬如拆垛裝置、壓力機裝置、傳輸帶、對中臺裝置、安全防護裝置、大屏幕顯示等。控制系統目前常采用以太網和工業現場總線組成的過程控制級和過程監控級二級網絡系統。涉及到物理層、數據層和人機交互平臺。

數據層作用是完成數據處理和傳輸，目前常用Profibus 現場總線技術[10]實現數據傳輸。物理層作用是進行數據采集和處理，涉及的設備包括控制站、操作臺、現場控制層以及數據轉換接口等，現場控制設備常選擇PLC。人機交互平臺是直接操作界面，需要滿足整潔、方便、易操作、功能齊全等。

關于具體的控制系統方案，目前涉及單層網絡結構和雙層網絡結構。單層網絡結構圖，如圖2所示。

圖2 單層網絡結構

生產線PLC為主站，壓機PLC、人機界面、安全PLC等經Profibus總線組網連接，進行自動控制。這種結構模式成本低，但可靠性與柔性相對比較差。

雙層網絡結，如圖3所示。

圖3 雙層網絡系統

壓力PLC和人機界面從Profibus總線中獨立，壓力PLC通過耦合器與生產線PLC進行信息互連。這種網絡結構穩定可靠，且具有較高的柔性，但成本高。目前機器人沖壓自動化生產線常選擇這種網絡結構控制方案。

1.4 安全防護系統

安全防護系統作為沖壓自動化生產線關鍵，其目的是用于保證生產線安全。需要滿足以下條件：物理層采用安全柵保證生產線安全；軟硬件采用互鎖功能的冗余結構，保證系統安全；以聲光形式進行報警提升；沖壓、上料以及下料等環節設置啟動開關和急停按鈕。通過這些系統結構，實現隱患提前預知，故障及時處理等功能。

安全防護系統的具體組成包括：(1) 安全門，是實現真個沖壓自動化生產線的防護，工作人員只能從安全門進入，安全門設有安全鎖裝置和停止信號連鎖裝置，一旦檢測到相關信號，設備停止運行；(2) 安全光幕，壓機保護，避免工作人員進入壓機后壓機產生意外動作；(3) 換膜區、安全防護欄空缺位置，安裝光電開關，防止人員從此進入。

2 機器人沖壓自動化生產線應用研究

2.1 工程概述

本文將以國內某轎車有限公司，進行應用研究。該轎車有限公司采用的機器人沖壓線自動化生產線中，沖壓機器人型號為ABB IRB，控制系統為Profibus總線連接的雙層網絡結構，控制器為S7-416-2DP型PLC。安全防護系統控制器為PILZ PSS3 000，實時控制安全區域。由4臺2 500 t閉式四點伺服壓力機、2臺1 000 t曲柄壓力機。具體生產工藝流程圖，如圖4所示。

圖4 本工程沖壓自動化生產線工藝流程

2.2 總體布局

本工程綜合考慮了生產線工藝流程、設備布局、多種產品加工需求，設計生產線總體布局示意圖，如圖5所示。

圖5 機器人沖壓自動化生產線總體布局圖

機器人沖壓自動化生產線組成包括沖壓機、工業機器人、機器人橫梁、加熱爐、控制系統、安全防護系統、拆垛系統、上料系統、下料系統、對中臺、線尾傳輸系統、涂油機、清洗機等組成。其中，本工程工業機器人采用的是七軸機器人ABB IRB，負載3 Kg，工作半徑為580 mm，重復定位精度為0.01 mm。機器人末端包括柔性Crossbar。

2.3 仿真分析

采用RobotStudio仿真軟件，對端拾器三維模型和SolidWork軟件設計的上下料平臺進行處理，通過離散變成程序，模擬沖壓自動化生產線的運動軌跡。沖壓機器人自動化生產線的路徑軌跡圖，如圖6所示。

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

運動軌跡規劃為：上料機器人上料，機器人二經路徑①獲得壓機一物料，通過路徑②傳送至壓機三，通過路徑③獲得壓機二的物料，并通過路徑④送至壓機四，然后沿路徑⑤返回原點，重新開始下次上下料。仿真結果表明顯示：七軸機器人能夠根據運動軌跡精準取料和放料，機器人運動效果良好。

3 總結

機器人沖壓自動化生產線能夠減少勞動強度，確保生產安全，降低能耗，縮減成本。

(1) 本文在七軸機器人沖壓自動化生產線基礎上，分析其構成，并對拆垛系統、控制系統和安全防護系統進行重點研究。為七軸機器人沖壓自動化生產線的研究提供參考。

(2) 采用ABB七軸沖壓機器人，利用雙層網絡的控制系統的轎車有限公司的機器人沖壓線自動化生產線，其運行軌跡可以精準按照設定進行。