直線七軸工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)在沖壓生產(chǎn)線上的應(yīng)用
2021-3-20 來源：東風(fēng)汽車集團(tuán)技術(shù)中心 作者：董鍇
【摘要】隨著我國汽車工業(yè)的高速發(fā)展，金屬板材沖壓自動(dòng)化技術(shù)取得長足進(jìn)步，尤其是工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)在自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線上的廣泛應(yīng)用，為高柔性、高效率的沖壓生產(chǎn)線提供了很好的解決方案。本文通過分析在某汽車公司沖壓車間所采用的
機(jī)器人直線七軸技術(shù)，闡述了該技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)代汽車工業(yè)具有生產(chǎn)規(guī)模化、車型批量小、品種變化快和多車型共線生產(chǎn)的特點(diǎn)，這些趨勢(shì)要求沖壓自動(dòng)化技術(shù)不斷向高柔性和高效率方向發(fā)展。串列式單機(jī)聯(lián)線自動(dòng)化沖壓線是當(dāng)前我國汽車廠沖壓生產(chǎn)線采用的主流方案。采用機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)的串列式單機(jī)聯(lián)線自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線，具有低投入、高效率以及高柔性等優(yōu)點(diǎn)，并且隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)不斷發(fā)展，沖壓機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)的性能也在不斷提高。
1. 在沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線上的運(yùn)用
在采用機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)的自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線上，機(jī)器人主要完成板料拆垛、各工序壓力機(jī)之間的沖壓工件傳送、線尾工件輸出等工作。通過PLC控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，機(jī)器人與壓力機(jī)之間，上下料機(jī)器人之間，機(jī)器人與輸送設(shè)備之間具有準(zhǔn)確可靠的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系，各機(jī)器人的功能布局如圖1所示。
用于沖壓生產(chǎn)線的工業(yè)機(jī)器人，從國內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)的自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線來看，大部分為標(biāo)準(zhǔn)六軸工業(yè)機(jī)器人，其優(yōu)勢(shì)在于采購成本較低，柔性化程度高，后期維護(hù)簡(jiǎn)便。但六軸工業(yè)機(jī)器人因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)姿態(tài)的限制，沖壓工件在從上一臺(tái)壓力機(jī)向下一臺(tái)壓力機(jī)傳遞過程中，沖壓工件必須進(jìn)行180°的水平旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，沖壓工件在旋轉(zhuǎn)過程中容易脫落等問題，這就限制了機(jī)器人的運(yùn)行速度，進(jìn)而限制了生產(chǎn)節(jié)拍的提高。沖壓工件的水平旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，需要較大的空間，尤其在搬運(yùn)“車身側(cè)圍”等大型沖壓件時(shí)，這個(gè)問題更加明顯。這就導(dǎo)致前后工序壓力機(jī)之間的間距較大，增加了生產(chǎn)線的占地面積，進(jìn)而增加廠房基建投資。
機(jī)器人直線七軸技術(shù)正是為了克服標(biāo)準(zhǔn)六軸工業(yè)機(jī)器人的上述問題而開發(fā)，其基本原理就是在機(jī)器人第六軸的法蘭盤上增加外部軸平移裝置，該裝置配置有獨(dú)立的伺服電機(jī)和編碼器，通過電纜接入機(jī)器人控制電柜內(nèi)，由機(jī)器人的控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)該直線七軸裝置與機(jī)器人的其他六個(gè)軸的協(xié)調(diào)運(yùn)作，如圖2所示。
通過在機(jī)器人第六軸上加裝直線七軸裝置，實(shí)現(xiàn)工件在前后壓力機(jī)之間的平行移動(dòng)，大大簡(jiǎn)化了機(jī)器人的搬運(yùn)軌跡，不僅可以提高生產(chǎn)效率，還可以節(jié)省空間，如圖3所示。
2. 沖壓生產(chǎn)線規(guī)劃時(shí)注意事項(xiàng)
筆者在多個(gè)沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線建設(shè)項(xiàng)目中采用了配置直線七軸技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)，積累了一些經(jīng)驗(yàn)，規(guī)劃期間的經(jīng)驗(yàn)重點(diǎn)總結(jié)如下：①如何選擇前后壓力機(jī)之間的中心間距。②如果選擇壓力機(jī)滑塊行程和模具開口度。③有效的防碰撞措施。
（1）前后壓力機(jī)的中心距的選擇。采用直線七軸技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人對(duì)運(yùn)行空間的要求不高， 當(dāng)首臺(tái)壓力機(jī)噸位不小于2000t，壓力機(jī)工作臺(tái)前后寬度設(shè)定為2500mm時(shí)，前后壓力機(jī)之間的最小間距可以設(shè)定為約5800mm，間距越小，對(duì)節(jié)拍的提升更好，但在實(shí)際規(guī)劃時(shí)，還需要綜合考慮以下三個(gè)因素。
如果生產(chǎn)線還需要配置“機(jī)器人自動(dòng)更換未端執(zhí)行器” 功能，當(dāng)壓力機(jī)中心距過小時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致前后壓力機(jī)的立柱之間沒有足夠的空間，無法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人原地轉(zhuǎn)身到機(jī)器人底座后方來更換未端執(zhí)行器，只能配置未端執(zhí)行器移載小車，增加土建和設(shè)備投資，并降低設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。
配置未端執(zhí)行器移載小車，機(jī)器人底座也就不得不更換為門型底座，導(dǎo)致前一臺(tái)壓力機(jī)的左后立柱和后一臺(tái)壓力機(jī)的左前立柱，與機(jī)器人的底座距離很近，壓力機(jī)立柱上的維修門將難于打開。
壓力機(jī)中心距過小，壓力機(jī)底座前后就沒有足夠的空間用于配置維修平臺(tái)，給布置在壓力機(jī)底座下的工作臺(tái)夾緊頂起油缸的維修帶來困難，降低壓力機(jī)日后維修的方便性。
（2）壓力機(jī)滑塊行程和模具開口度的的選擇。當(dāng)生產(chǎn)線采用直線七軸技術(shù)，在進(jìn)行壓力機(jī)和模具設(shè)計(jì)時(shí)，滑塊行程和模具開口度可以按照以下原則進(jìn)行設(shè)定。
如圖4所示，G=A+B+C+D式中， A 是零件厚度， 單位為m m； B 是下模安全距離， 取50mm；C是直線七軸裝置+端拾器的厚度，取250mm；D是上模安全距離，取50mm。
模具的有效開口高度必須要大于G，機(jī)器人才可以順利的將沖壓件從模具內(nèi)送入或取出。當(dāng)模具的有效開口高度小于G時(shí)，則需要對(duì)模具和沖壓件進(jìn)行具體分析，才能確認(rèn)沖壓件是否能在該沖壓線上生產(chǎn)。
（3）有效的防碰撞措施。直線七軸工業(yè)機(jī)器人，在進(jìn)行沖壓生產(chǎn)過程中，直線七軸裝置要伸入到模具型腔內(nèi)進(jìn)行上下料，所以在軟硬件系統(tǒng)上必須采用以下有效措施來減少發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。
在壓力機(jī)控制系統(tǒng)中，設(shè)置合理的保護(hù)角度，并留出足夠的滑塊制動(dòng)距離；當(dāng)壓力機(jī)滑塊運(yùn)行的行程次數(shù)發(fā)生變化時(shí)，自動(dòng)取消“下料機(jī)器人的提前進(jìn)入取料”和“壓力機(jī)滑塊提前下行”的優(yōu)化動(dòng)作；當(dāng)下料機(jī)器人的速度設(shè)定低于100%時(shí)，自動(dòng)取消“上料機(jī)器人的提前進(jìn)入上料”的優(yōu)化動(dòng)作； 當(dāng)上料機(jī)器人的速度設(shè)定低于100%時(shí)，自動(dòng)取消“壓力機(jī)滑塊提前下行”的優(yōu)化動(dòng)作；當(dāng)壓力機(jī)滑塊在上行過程中突然停止時(shí)，立即自動(dòng)停止“下料機(jī)器人的運(yùn)行”；當(dāng)下料機(jī)器人在模腔內(nèi)取料時(shí)，如因故障突然停止，應(yīng)立即停止上料機(jī)器人的運(yùn)行。并且故障排除后，必須手動(dòng)將下料機(jī)器人移出模腔后，再啟動(dòng)生產(chǎn)循環(huán)。
全線自動(dòng)換模時(shí)，第一個(gè)流程必須是全部機(jī)器人先回HOME位， 然后才允許壓機(jī)工作臺(tái)開動(dòng)；必須是在壓力機(jī)的換模流程全部完成后。由人工確認(rèn)后，按下“生產(chǎn)線循環(huán)啟動(dòng)按鈕”，才允許機(jī)器人運(yùn)行到“等待下料位置”。
在壓力機(jī)上增設(shè)一個(gè)檢測(cè)滑塊位置的絕對(duì)值編碼器，并與壓力機(jī)自身的滑塊角度編碼器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，如果出現(xiàn)偏差，立即停止滑塊和機(jī)器人的運(yùn)行；在直線七軸裝置的兩端配置橡膠防撞塊，當(dāng)發(fā)生輕微碰撞時(shí)，保證七軸本體不會(huì)損壞。
3. 優(yōu)點(diǎn)及問題總結(jié)
（1）工件在生產(chǎn)過程中始終保持平行移動(dòng)，無須旋轉(zhuǎn)。這有益于提高工件在上下工序壓力機(jī)之間的傳送速度，進(jìn)而提高生產(chǎn)線的效率，尤其是在生產(chǎn)“車身側(cè)圍”等大型覆蓋件時(shí)，優(yōu)勢(shì)更明顯。
（2）工件在上下工序壓力機(jī)之間傳遞時(shí)保持平行移動(dòng)方式，可以使大型工件在較小的空間內(nèi)傳遞，減小壓力機(jī)之間的間距，進(jìn)而減少整條沖壓線在廠房內(nèi)的占地面積，降低廠房建設(shè)成本。
（3）采用直線七軸技術(shù)的機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，柔性化高，小至輪罩，大至“車身整體側(cè)圍”等沖壓件均可以全自動(dòng)高效生產(chǎn)。
（4）配合大型機(jī)器人，直線七軸裝置的有效負(fù)載能力強(qiáng)。例如配置直線七軸技術(shù)的機(jī)器人選用的是ABB IRB7600 325/3.1型機(jī)器人，直線七軸裝置端部的負(fù)載能力可以達(dá)到90kg。減去未端執(zhí)行器和未端執(zhí)行器快換夾具的質(zhì)量，還可以提供至少60kg的負(fù)載能力給沖壓工件，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般轎車和SUV的整體側(cè)圍沖壓件質(zhì)量。
機(jī)器人直線七軸技術(shù)存在的局限性如下：基于承載能力的考慮，直線七軸裝置的長度是有限制的，這就對(duì)前后壓力機(jī)的最大中心距存在限制。一般情況下，前后壓力機(jī)中軸線之間的間距不能大于8.5m。如果是老式手動(dòng)沖壓生產(chǎn)線改造，前后壓力機(jī)中心距大于上述數(shù)值，將無法采用機(jī)器人直線七軸技術(shù)。此外，沖壓生產(chǎn)過程中，直線七軸裝置需要伸入到壓力機(jī)模腔內(nèi)，如果發(fā)生機(jī)器人與機(jī)器人、機(jī)器人與模具的碰撞，可能造成七軸裝置的損壞，修復(fù)難度較大。
4. 結(jié)語
隨著我國汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，汽車的制造成本和品質(zhì)成為各汽車制造廠家角逐市場(chǎng)的先決條件，因此，采用機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行沖壓生產(chǎn)是降低汽車制造成本，提高車身制造品質(zhì)的重要手段。機(jī)器人直線七軸技術(shù)更是充分發(fā)揮了沖壓機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，將高柔性、高效率，低投入的特點(diǎn)更推進(jìn)了一步。
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