機(jī)器人沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線構(gòu)成研究

史士帥 李克龍 高宗輝

[摘 ? ?要]當(dāng)今制造業(yè)領(lǐng)域大批量生產(chǎn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，汽車的安全性能、智能化及新穎外觀是各大汽車生產(chǎn)商搶占市場(chǎng)份額的重要指標(biāo)，車身的生產(chǎn)工藝和質(zhì)量水平直接關(guān)系到汽車的安全。隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化程度的不斷提高，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用在這一領(lǐng)域越來越廣泛。與傳統(tǒng)人工操作方式相比，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用不僅可以切實(shí)提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，還可以滿足現(xiàn)代化工業(yè)的生產(chǎn)需求，促進(jìn)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展。為了減少燃料消耗，響應(yīng)國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)呼吁，目前汽車生產(chǎn)商為了降低生產(chǎn)及使用成本，正在減少車身重量。車身的大部分零部件都使用薄而輕的鋼板沖壓，沖壓是實(shí)現(xiàn)車身成型的重要手段，其沖壓質(zhì)量直接影響到整個(gè)汽車的安全性和整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)率。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)自動(dòng)化智能沖壓線系統(tǒng)是各汽車制造商需要考慮的問題。文章主要研究了沖壓自動(dòng)化模式的生產(chǎn)線系統(tǒng)。

[關(guān)鍵詞]沖壓自動(dòng)化;降低成本;生產(chǎn)線系統(tǒng)

[中圖分類號(hào)]TP242;U468.22 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）03–00–02

[Abstract]In the market competition of mass production in today's manufacturing field， the safety performance， intelligence and novel appearance of automobile are important indicators for major automobile manufacturers to seize market share. The production process and quality level of automobile body are directly related to the safety of automobile. With the continuous improvement of China's industrial production modernization， industrial robots are more and more widely used in this field. Compared with the traditional manual operation mode， the application of industrial robots can not only effectively improve the production efficiency and quality， but also meet the production needs of modern industry and promote the rapid development of industrial industry. In order to reduce fuel consumption and respond to the call of national ecological civilization construction， automobile manufacturers are reducing body weight in order to reduce production and use costs. Most parts of the car body are made of thin and light steel plate. Stamping is an important means to realize the body forming， and its stamping quality directly affects the safety of the whole car and the productivity of the whole production line. Therefore， the design and development of automatic and intelligent stamping line system is a problem that automobile manufacturers need to consider. This paper mainly studies the production line system of stamping automation mode.

[Keywords]stamping automation; cost reduction; production line system

1 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和特性

工業(yè)機(jī)器人指主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)器人或多自由度機(jī)器人。機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，根據(jù)自行擁有控制系統(tǒng)識(shí)別技術(shù)人員預(yù)設(shè)的程序控制機(jī)器人，執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)或輔助完成任務(wù)。整個(gè)生產(chǎn)任務(wù)不需要人工，全部由智能機(jī)器人自動(dòng)完成。

1.1 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

目前在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域使用的機(jī)器人主要由機(jī)器人主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其中，機(jī)器人主體在生產(chǎn)中主要負(fù)責(zé)將物體放在工作臺(tái)上，為此機(jī)器人主體必須具備人類手臂握持功能，靈活性更強(qiáng)。因此，在機(jī)器人主體的設(shè)計(jì)中，不僅主要以人的胳膊為仿形成圓形彎曲，還可以根據(jù)操作需要調(diào)整機(jī)器人手腕的靈活性。利用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行工業(yè)操作不僅可以提高工作效率，還可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。控制系統(tǒng)起到控制整個(gè)機(jī)器人的作用。收到系統(tǒng)主板傳遞的命令后，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將解釋該命令，并將其傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)，以執(zhí)行任務(wù)操作。

1.2 工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)

在實(shí)際應(yīng)用中，工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在功能上，工業(yè)機(jī)器人與人工操作相似，具有一定的識(shí)別功能、工作功能和行走功能。不僅適用于基本生產(chǎn)任務(wù)，而且在比較復(fù)雜的工作任務(wù)中，機(jī)器人也能順利完成，有些任務(wù)是人力無法完成的;工業(yè)機(jī)器人比人工操作具有更強(qiáng)的靈活性和智能性。機(jī)器人執(zhí)行的各種任務(wù)都是按照指示完成的，因此技術(shù)人員可以根據(jù)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)需求隨時(shí)調(diào)整機(jī)器人的工作任務(wù)，更好地完成生產(chǎn)任務(wù);工業(yè)用機(jī)器人生產(chǎn)成本低，利用機(jī)器人代替人工操作，可以節(jié)省大量人力成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線上的應(yīng)用只需要根據(jù)生產(chǎn)需求設(shè)置程序命令，靈活性很高。

2 自動(dòng)化生產(chǎn)線沖壓機(jī)器人的研究

2.1 沖壓機(jī)器人的特點(diǎn)

工業(yè)機(jī)器人在沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線上的應(yīng)用，一方面代替了傳統(tǒng)的手動(dòng)工作，另一方面將人們從沉重復(fù)雜的運(yùn)營(yíng)中解放出來，減少人力成本，降低運(yùn)營(yíng)任務(wù)對(duì)人身安全的威脅。另一方面是提高工作效率和質(zhì)量，促進(jìn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。目前沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線上選擇的機(jī)器人，不僅要滿足負(fù)載大、運(yùn)行軌跡準(zhǔn)確等要求，還要提高機(jī)器人的穩(wěn)定性和可靠性。隨著對(duì)工廠運(yùn)營(yíng)質(zhì)量的要求提高，技術(shù)人員設(shè)計(jì)增加了普通操縱機(jī)器人數(shù)據(jù)化功能，廣泛采用了板式自動(dòng)手臂安裝結(jié)構(gòu)。

2.2 拆垛系統(tǒng)分析

拆垛系統(tǒng)是沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線的重要組成部分，根據(jù)應(yīng)用需求分類，可分為專用拆垛器、機(jī)器人拆垛車、絎縫機(jī)器人拆垛車。其中，專用拆垛器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將可拆垛材料放置在可移動(dòng)液壓升降臺(tái)車輛上，在設(shè)備工作時(shí)依靠光電傳感器和液壓系統(tǒng)控制堆棧高度，使其始終保持一定狀態(tài)。拆除工作主要根據(jù)氣缸驅(qū)動(dòng)、矩陣布置的真空吸盤組進(jìn)行，最后將分割后的板材放置在磁帶上進(jìn)行傳輸。機(jī)器人可拆垛車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將可拆垛物放置在可移動(dòng)車上，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整拆垛物高度，且沒有明確規(guī)定。在拆垛搬運(yùn)過程中，技術(shù)人員可以根據(jù)板材厚度調(diào)整機(jī)器人插入高度，拆垛轉(zhuǎn)移工作仍然依靠真空吸盤組完成，分割后的板材由機(jī)器人放置在磁性帶上進(jìn)行傳輸。首先把垛放到轉(zhuǎn)盤上，然后點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，根據(jù)角度旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)，提升到位，后分解成單包進(jìn)行卸垛。智能拆垛機(jī)具有定位精度高、運(yùn)行速度快、工作范圍大等特點(diǎn)，即使空間狹小，也運(yùn)用自如，更適合卸垛作業(yè)。

2.3 伸縮帶式輸送機(jī)

可伸縮帶式輸送機(jī)的功能主要是傳輸單個(gè)鈑金，這部分需要注意傳輸速度。一般來說，木板傳輸速度可以控制，速度變化依據(jù)是清洗機(jī)和油漆機(jī)的速度，要確保三者處于相同的頻率，以保證生產(chǎn)力。利用膠帶多次折返和收放的原理調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，當(dāng)張緊車向機(jī)尾一端移動(dòng)時(shí)，膠帶進(jìn)入貯帶裝置內(nèi)，機(jī)尾在絞車牽引下回縮;反之則機(jī)尾延伸，從而使輸送機(jī)具有可伸縮的性能，以適應(yīng)前進(jìn)或后退式長(zhǎng)壁采煤順槽輸送和巷道掘進(jìn)運(yùn)輸?shù)男枰?dāng)張緊車到達(dá)軌道的終端時(shí)，就需要收掉或接入卷帶，使輸送機(jī)繼續(xù)具有伸縮的性能。

2.4 鈑金清洗機(jī)

為了使汽車外觀表面質(zhì)量不斷提高，鈑金清潔工藝的完善引起了汽車制造廠的高度重視。對(duì)于鈑金清洗，目前有兩種選擇：在線清洗和離線清洗。其中，在線洗滌一般適用于產(chǎn)量高的企業(yè)，為適應(yīng)轎車整體側(cè)面部位，清洗設(shè)備的規(guī)格一般為4～5m。離線清洗主要適用于制造初期、落差型產(chǎn)量低的企業(yè)，普通板材洗滌線可供應(yīng)2條沖壓線。兩種清洗方式都有各自的特點(diǎn)和適用范圍，企業(yè)可以根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。

2.5 板料涂油機(jī)

涂油機(jī)的功能是在板材拉延前對(duì)其進(jìn)行涂油的設(shè)備，主要由噴槍單元、供油及油液保溫單元、噴射供氣單元、材料輸送單元、油霧收集單元、電氣控制單元及機(jī)身組成。在具體操作時(shí)，板料由輸送單元帶動(dòng)從噴嘴中間通過，繼而由電氣控制系統(tǒng)根據(jù)制作需求噴射油霧，實(shí)現(xiàn)在板料表面形成厚度均勻且位置準(zhǔn)確的油膜。對(duì)于噴射過程中產(chǎn)生的多余油霧，油霧收集單元會(huì)將其進(jìn)行收集并回收，降低油霧排放給周邊環(huán)境造成的污染。

2.6 板料對(duì)中臺(tái)

就當(dāng)前沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線中選用的板料對(duì)中臺(tái)來看，主要可分為兩種類型，即重力對(duì)中臺(tái)、機(jī)械對(duì)中臺(tái)。重力對(duì)中臺(tái)主要是依靠重力實(shí)現(xiàn)定位，臺(tái)上具有板料到位檢測(cè)及雙料檢測(cè)，一旦檢測(cè)板料未到達(dá)指定位置，將不會(huì)進(jìn)行下一步操作。重力對(duì)中臺(tái)適用于機(jī)器人直接放置板料，如果自動(dòng)生產(chǎn)線中存在清洗機(jī)和涂油機(jī)，那么這種方式將不適用。機(jī)械對(duì)中臺(tái)主要是依靠磁性皮帶移動(dòng)至檔塊，再由另外三側(cè)汽缸驅(qū)動(dòng)打料器向中心推，從而實(shí)現(xiàn)精確定位，臺(tái)中同樣具有到位檢測(cè)和雙料檢測(cè)。

2.7 線尾碼垛系統(tǒng)

目前，沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率已經(jīng)達(dá)到了每分鐘10件以上，而大量的生產(chǎn)任務(wù)勢(shì)必會(huì)給線尾碼垛系統(tǒng)造成較大的負(fù)荷。在這種情況下，為了保證線尾碼垛系統(tǒng)滿足工作需求，需要先對(duì)沖壓件成品進(jìn)行分流，然后將其中一部分交給人工或者機(jī)器人將其碼入料架，最后由鏟車將料架運(yùn)走。這不僅可以減輕線尾碼垛系統(tǒng)的負(fù)荷，而且對(duì)生產(chǎn)效率的提升也有促進(jìn)作用。

2.8 雙料檢測(cè)裝置

在機(jī)器人沖壓線系統(tǒng)中，最前端的是雙料檢測(cè)裝置，其主要作用是通過傳感器來檢測(cè)端拾器上的板料是否是單料，避免雙張金屬板被機(jī)器人送進(jìn)壓力機(jī)造成不必要的模具損壞。在拆垛機(jī)器人的通用端拾器上配置有雙料檢測(cè)傳感器，并采用帶彈簧支架的雙層吸盤來實(shí)現(xiàn)傳感器緊貼板料。在線主控制站上裝有雙料檢測(cè)控制器，用于控制傳感器。雙料傳感器的選用方式和料厚參數(shù)可在線主操作站觸摸屏上操作實(shí)現(xiàn)，同時(shí)作為零件的生產(chǎn)配方參數(shù)儲(chǔ)存在PLC控制器中，并在自動(dòng)換模過程中自動(dòng)調(diào)用。當(dāng)檢測(cè)到是雙料時(shí)，拆垛機(jī)器人將雙料放回原垛料中，再吸料并檢測(cè)，來回進(jìn)行3次，如還是雙料，則拆垛機(jī)器人將雙料放回垛料，并發(fā)故障信息，由人工處理。

2.9 視覺矯正系統(tǒng)

重力對(duì)中、機(jī)械對(duì)中等傳統(tǒng)的對(duì)中方式有難以克服的對(duì)中誤差，上料機(jī)器人需要視覺矯正來確定沖壓板的當(dāng)前方位，上料機(jī)器人在接到視覺系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)后，根據(jù)每個(gè)零件的實(shí)際位置，自動(dòng)改變運(yùn)行軌跡，將板料從板料對(duì)中臺(tái)上取出準(zhǔn)確地送入第一臺(tái)壓力機(jī)模具內(nèi)。沖壓線線首上料機(jī)器人區(qū)域的樣式，相機(jī)安裝在支架上，鏡頭垂直于對(duì)中臺(tái)的沖壓板，為了將板料放入壓力機(jī)模具中，在上料之前首先進(jìn)行視覺矯正。視覺系統(tǒng)作為機(jī)器人的眼睛，完成板件的對(duì)中任務(wù)。與機(jī)械對(duì)中相比，視覺系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)中精度高，對(duì)中時(shí)間短，可以完成任意形狀板料的對(duì)中，可滿足生產(chǎn)線節(jié)拍達(dá)到每分鐘10件的要求，更好地完成了板件對(duì)中任務(wù)。機(jī)器視覺原型識(shí)別、定位沖壓板的當(dāng)前位置，并和其零位置（機(jī)器人的初始位置）進(jìn)行比較，得出一個(gè)相對(duì)偏差向量也叫矯正矢量;采用ProfiNet或EtherNet通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了智能相機(jī)與機(jī)器人之間的通訊;開發(fā)完成了從圖像的采集，到圖像的分析處理，再到將矯正矢量發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差糾正得以調(diào)整自身的軌跡，以同樣的位置、姿態(tài)（相對(duì)于沖壓板）來抓取沖壓板，并準(zhǔn)確地送入到壓力機(jī)中。光學(xué)對(duì)中與機(jī)器人為兩個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)系統(tǒng)，為了使光學(xué)對(duì)中測(cè)量的數(shù)據(jù)機(jī)器人可以直接使用，需要在兩個(gè)坐標(biāo)系之間建立起聯(lián)系。光學(xué)對(duì)中標(biāo)定的方法為九點(diǎn)標(biāo)定法：即利用九個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)分別在兩個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)值，通過計(jì)算，得到兩個(gè)坐標(biāo)系之間的換算關(guān)系。

3 結(jié)語

在信息化時(shí)代背景下，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)逐漸取代了人工參與到?jīng)_壓自動(dòng)化生產(chǎn)中，并且在一定程度上提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量。可以預(yù)見，在未來的時(shí)間里，通過技術(shù)人員對(duì)沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)的不斷更新與完善，汽車制造行業(yè)將得到前所未有的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)發(fā)展目標(biāo)的同時(shí)，也可以進(jìn)一步促進(jìn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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