基于工業(yè)機器人的沖壓自動上下料系統(tǒng)的設計

羅彩玉

（阿克蘇職業(yè)技術(shù)學院 新疆維吾爾自治區(qū)溫宿縣 843000）

沖壓線設計是汽車行業(yè)發(fā)展最重要的技術(shù)模塊。由于汽車自身結(jié)構(gòu)金屬沖壓件使用廣泛，因此建立起精準自動化上下料系統(tǒng)至關重要。本文從現(xiàn)有智能化工業(yè)機器人使用著手，通過對二次沖壓生產(chǎn)線的通用設計和把控，利用工業(yè)機器人來降低生產(chǎn)勞動密度，實現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)柔性的提升。

1 系統(tǒng)總體設計

隨著我國現(xiàn)階段汽車自動化沖壓生產(chǎn)模式多品種化程度明顯，因此要基于小批量的非單一化生產(chǎn)模式來合理設計上下料系統(tǒng)。在設計自動沖壓系統(tǒng)時，要從現(xiàn)有汽車鈑金件的沖壓生產(chǎn)質(zhì)量著手，實現(xiàn)沖壓加工的自動化送料，下料，加工，以有效解決現(xiàn)階段手工下料模式安全性低，產(chǎn)品質(zhì)量不符合實際生產(chǎn)標準的問題。自動化系統(tǒng)由真空系統(tǒng)，機械系統(tǒng)，視覺系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)組成。此系統(tǒng)之間組合生產(chǎn)實現(xiàn)對上下料傳動，自動化廢品收集和實時性的沖壓上下料視覺檢驗功能。自動化上下料系統(tǒng)利用工業(yè)機器人來實現(xiàn)上下料平臺的自動化取出，沖壓和放置。而后利用視覺檢驗系統(tǒng)來實時性對中形狀差異明顯的汽車加工件。視覺檢驗系統(tǒng)采用專業(yè)化的圖像檢測處理算法來進行完整的上下料比對，通過識別來調(diào)整機器人的自動化上下料抓取位置。系統(tǒng)將合格的產(chǎn)品輸送到成品滑臺，不合格產(chǎn)品輸送到已經(jīng)設置好的廢料臺工作區(qū)域，從而實現(xiàn)對手工上下料系統(tǒng)的科學更迭和自動化優(yōu)化。系統(tǒng)總體設計需要統(tǒng)籌控制體系和機器人上下料控制的各個方面，從模具生產(chǎn)標準出發(fā)，建立起高質(zhì)量的自動化上下料工藝。同時整體系統(tǒng)設計要從機器人生產(chǎn)兼容性和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的平衡度出發(fā)，在提升智能化機器控制精度的同時降低投資成本，實現(xiàn)生產(chǎn)收益和生產(chǎn)效率的雙提升。圖1是系統(tǒng)總體設計原理圖。

圖1：系統(tǒng)總體設計原理圖

2 系統(tǒng)控制方案

沖壓生產(chǎn)系統(tǒng)自動化控制功能是實現(xiàn)自動下料上料的零部件生產(chǎn)工藝核心。因此在系統(tǒng)控制方案設計與實施時，要從現(xiàn)階段生產(chǎn)線協(xié)調(diào)性出發(fā)，通過實現(xiàn)控制系統(tǒng)子功能之間的靈活協(xié)調(diào)性,以此來加大沖壓系統(tǒng)的自動化穩(wěn)定控制，提升系統(tǒng)生產(chǎn)效率和大批量生產(chǎn)安全性。沖壓上下料控制系統(tǒng)通過PLC來實現(xiàn)觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)與其余機械化傳動系統(tǒng)的聯(lián)動，以中央處理系統(tǒng)來實時性處理流水線視覺系統(tǒng)反饋的機器人信號，并實現(xiàn)對上料臺沖床和機器人的工作循環(huán)控制。PLC系統(tǒng)通過人機交互觸摸屏來負責上下料自動化檢測，廢品與成品的實時性狀態(tài)顯示和系統(tǒng)參數(shù)調(diào)優(yōu)；通過I/0控制模塊來實現(xiàn)視覺檢驗，沖床控制，旋轉(zhuǎn)臺控制與機器人安全系統(tǒng)控制的實時性通訊，從而有效增加系統(tǒng)聯(lián)系。在分布式控制系統(tǒng)設計時，需要統(tǒng)籌自動化控制系統(tǒng)中硬件與軟件設計思路，從機器人自動化控制，沖壓機自動化控制和軟件系統(tǒng)控制三個方面來完善系統(tǒng)控制。由于PLC系統(tǒng)需要從工序選定，配合和動作協(xié)調(diào)的各個方面進行控制，為了更好地提升控制信息和數(shù)據(jù)的傳輸精準度，總控系統(tǒng)要在沖壓機床和非標作業(yè)專機初始化時，基于機器人硬件控制思路來實現(xiàn)對程序自動模式與手動模式轉(zhuǎn)換的實時性。在實際控制系統(tǒng)設計時，以分布式控制系統(tǒng)來加大對生產(chǎn)占地面積，控制復雜和設備工序多樣的靈活把控力度，從而實現(xiàn)生產(chǎn)流程之間的分布式控制體系。

3 自動化上料臺設計

在實際工業(yè)化生產(chǎn)中，上下料系統(tǒng)堆積的料片表面會由于油膜粘和造成安全隱患。因此為了更好地讓圓盤型毛坯件在上料臺中實現(xiàn)自動化沖壓和輸送傳輸，降低盤片在沖床沖壓時對沖壓模具的結(jié)構(gòu)性破壞，要在上料臺中設計出自動化上料程序，從而實現(xiàn)機器人平臺自動化分離，抓取送料等功能。上料臺機構(gòu)由氣動控制元件，取料氣缸，失料感應臺，得料回程感應裝置等結(jié)構(gòu)組成。工作臺通過實現(xiàn)工位轉(zhuǎn)換來控制各個堆料取料裝置的自動化放置。自動化上料臺中的電磁感應元件在定位后，放置汽缸和取料氣缸的位置由上料臺確定。而后由取料工位導桿來開啟回程感應功能，由取料電磁鐵來推動取料氣缸工作。在取料氣缸與放置汽缸工作的同時，利用裝置定位尺寸差來刮落多余物料到廢料區(qū)，并開始下一次取料。單張料片需要統(tǒng)籌機器人的沖壓進度，確保機構(gòu)自動轉(zhuǎn)入下一階段時，工位料片的完整接收和智能化提示。

4 機器人上下料實現(xiàn)

4.1 工業(yè)機器人選型

工業(yè)機器人能夠?qū)崿F(xiàn)多工業(yè)領域的自動化流程實施，通過多關節(jié)機械設備來自動完成的邏輯性可控機械組建體系。工業(yè)機器人在上下料系統(tǒng)實施中表現(xiàn)出定位精準化，由于自動化程度強，增加了上下料系統(tǒng)的生產(chǎn)柔性。工業(yè)機器人在與專業(yè)人員和專業(yè)機器的上下料適用性對比中表現(xiàn)突出，自動化和流水線可控性強的智能化特點明顯，其投資成本較低而實現(xiàn)了生產(chǎn)效率和收益的全方位提升。

對現(xiàn)階段沖床尺寸與料片的衡量，以SR10C機器人來作為項目自動化上下料系統(tǒng)設計的工業(yè)核心。此型號機器人能夠通過輕量式機械手臂結(jié)構(gòu)實現(xiàn)機械控制體系的靈活性和極小的數(shù)據(jù)誤差。由于其工作范圍能夠0.06mm范圍內(nèi)的機器工作精度，因此可以作為核心機器人使用。

4.2 機械系統(tǒng)設計

機械系統(tǒng)設計需要從機器人全方位的可適用性表現(xiàn)著手，通過對加工材料的實時性分析把控，以板料端拾器的對稱結(jié)構(gòu)設計來確定機器人原點位置空間。同時要注重對上下料平臺與機器人之間的工作空間范圍的把控，確保上料平臺的對尺桌面，支架與下料平臺的一致性，使得下料平臺能夠?qū)崿F(xiàn)下料拖板，支架等元件的完整構(gòu)成。在機械系統(tǒng)設計中除了要進行上下料平臺和端拾器質(zhì)心位置的把握之外，還需依照抓取材料的尺寸，表面狀態(tài)等性質(zhì)來進行機器人末端執(zhí)行器的設計。現(xiàn)階段的機器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)不同的機械傳導功能。其中吸附式取料手可以實現(xiàn)對取料元件的差異化執(zhí)行。末端執(zhí)行器要合理設置具備光電檢驗效應的智能式檢驗開關，同時要確保被吸附抓取的元件位置不會發(fā)生偏差，采用高質(zhì)量的電磁鐵來加強機械系統(tǒng)對操作元件的機械吸附力。在末端執(zhí)行器中的取盤電磁鐵吸取設置來增加對機器人單次上料，下料的工序控制，從而實現(xiàn)機器人工作路徑優(yōu)化和沖床等待時間的沖床利用率。

4.3 視覺系統(tǒng)設計

機器人上下料系統(tǒng)中的視覺檢驗系統(tǒng)是重要的沖壓生產(chǎn)優(yōu)化內(nèi)容。基于機器人的視覺系統(tǒng)的完整性搭建能夠?qū)崿F(xiàn)對復雜沖壓上下料生產(chǎn)線的整合優(yōu)化，使傳統(tǒng)沖壓上下料的多條復雜生產(chǎn)流水線實現(xiàn)自動化多功能單條生產(chǎn)。在實際工作場景中，只需使用機器人的自動化對中程度來進行操作元件分析和調(diào)整，便可以快速地加大汽車元部件自動對中效率。由于我國現(xiàn)階段視覺自動對中技術(shù)在上下料系統(tǒng)設計中的缺失，導致企業(yè)生產(chǎn)制造容易受到發(fā)達國家的技術(shù)壟斷。因此，在上下料系統(tǒng)設計中采取科學的機器化視覺流程，通過工業(yè)攝像機進行元件外形，對尺槽精度等綜合因素的拍攝，而后利用pc機中圖像處理系統(tǒng)來實現(xiàn)對角度，偏差等數(shù)據(jù)識別指令的實時性轉(zhuǎn)換，從而針對形式多樣、內(nèi)容復雜的元件生產(chǎn)的自動化抓取調(diào)整工作。視覺系統(tǒng)設計除了要加大機器人的自動化調(diào)整，還要注重對機器與管理人員的交互設計。當機器使用出現(xiàn)生產(chǎn)故障時，視覺系統(tǒng)要能夠基于現(xiàn)有上下料系統(tǒng)來進行實時性的自動化報警和故障處理響應。通過建立起圖像識別與機器故障等級的報警日志記錄體系，實現(xiàn)對故障查詢的自動化報備和生產(chǎn)體系的及時調(diào)整，并將完整的報警信息顯示并存儲在視覺系統(tǒng)中。

4.4 機器人原點復位設計

機器人原點復位設計需要設計者統(tǒng)籌機器人邏輯設計流程，從機器人的二次沖壓運動指令和邏輯處理體系著手來建立起便于調(diào)節(jié)和修改的原點復位體系。由于初始機器人需要做到對體系緊急停止時的原點復位工作，確保機器人初始啟動可以通過系統(tǒng)原點控制裝置來進行及時的安全復位處理。機器人原點自動復位是提升安全操作的主要內(nèi)容之一。原點自動復位首先要判斷機器人所處的運動位置和狀態(tài)，然后采取可調(diào)節(jié)的運動指令來將機器人運送到上下料臺和沖床前方，并確保視覺檢驗和原點復位工作處于安全的工作區(qū)域附近，然后依照機器人指令的區(qū)域標志清零來確保機器人工作原點。原點復位自動化需要建立起模塊化的機器人流程體系，通過對機器人原點復位子程序，取料子程序，壓機信號監(jiān)測，和運動模塊的機器控制指令的調(diào)試，來實現(xiàn)對機器人控制的原點復位邏輯流程的設計和維修。

5 安全系統(tǒng)設計

上下料安全系統(tǒng)的設計離不開各個階段的機器人工序安全控制。在沖壓上下料生產(chǎn)安全保障工作中，要做到對系統(tǒng)控制安全和實時性分析，從現(xiàn)有分布式控制系統(tǒng)的自動化控制工序流程出發(fā)，將生產(chǎn)系統(tǒng)中的各個生產(chǎn)單元統(tǒng)一劃分，并在對應劃分區(qū)域中實現(xiàn)對機器人單元和上下料系統(tǒng)的有效控制和維修。同時，要加大對機床設備與機器人安全動作空間的智能化把控，以機器人距離感知探測，電壓感知探測和機械化路徑規(guī)劃的智能計算，實現(xiàn)對機器人設備的安全完整保護。為避免電壓波動對設備的干擾，要注重對沖壓設施的電源配置，通過優(yōu)化連接線路和氣路來增加系統(tǒng)安全。在進行系統(tǒng)優(yōu)化安全設計時，要注重對機器人的危險中斷指令，光電檢測開關和產(chǎn)品檢測上傳體系的維修，確保機器人能夠針對特定的生產(chǎn)危害進行實時性的視覺系統(tǒng)報警和預警安全工序的正常啟動。

6 結(jié)束語

設計自動沖壓系統(tǒng)時，要從現(xiàn)有汽車鈑金件的沖壓生產(chǎn)質(zhì)量著手，實現(xiàn)沖壓加工的自動化送料、下料和加工等工序。沖壓自動上下料系統(tǒng)的設計需要統(tǒng)籌分布式上下料工作場景，通過建立起對自動化上料臺、機械系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、機器人原點復位和安全系統(tǒng)等上下料模塊之間的自動化聯(lián)系，以提升機器人上下料自動化生產(chǎn)效率。