馮 科，張祥林，劉 鑫，周 勝

（華中科技大學(xué) 材料成形及模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

1 前言

沖壓生產(chǎn)在基礎(chǔ)制造業(yè)中具有重要地位，板料的傳送在沖壓生產(chǎn)中處于中心環(huán)節(jié)。在我國(guó)，傳統(tǒng)的手工送料正逐步被自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)所取代[1]。中小型沖壓企業(yè)有強(qiáng)烈的自動(dòng)化改造意愿，卻又面臨著諸多困難：一方面是行業(yè)整體轉(zhuǎn)型的巨大壓力；另一方面，由于企業(yè)自身的資金、設(shè)備、模具、場(chǎng)地、技術(shù)等障礙難以適應(yīng)國(guó)外市場(chǎng)上成熟的自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線[2]。因此，在現(xiàn)有生產(chǎn)線基礎(chǔ)上進(jìn)行自動(dòng)化改造的方案設(shè)計(jì)顯得十分必要而迫切。

1.1 沖壓企業(yè)需求分析

發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)發(fā)出諸多不同形式的送料系統(tǒng)，但在我國(guó)中小型沖壓企業(yè)中應(yīng)用很少。經(jīng)過(guò)作者深入調(diào)研，了解到這是因?yàn)檫@些送料系統(tǒng)不能很好地滿足以下要求：①現(xiàn)有壓力機(jī)位置已固定，送料系統(tǒng)要能適應(yīng)車間布局；②要能良好克服相鄰工位模具定位面高度的差異；③要盡量降低模具定位要求，以利于快速換模；④要能實(shí)現(xiàn)沖壓過(guò)程中板料翻轉(zhuǎn)等常見(jiàn)動(dòng)作，以利于工藝擴(kuò)展；⑤沖壓節(jié)拍往往要求達(dá)到壓力機(jī)設(shè)計(jì)最高行程次數(shù)的30%以上；⑥對(duì)壓力機(jī)的電氣改造要盡可能簡(jiǎn)單、廉價(jià)；⑦可操作性良好，能適應(yīng)工人既有操作習(xí)慣。歸納起來(lái)，就是要能滿足生產(chǎn)快速性和生產(chǎn)柔性兩個(gè)基本要求。為此，就要解決定位精度和生產(chǎn)快速性、系統(tǒng)穩(wěn)定性和生產(chǎn)柔性這兩組矛盾。

1.2 現(xiàn)有送料方案歸納分析

目前，自動(dòng)送料生產(chǎn)線種類繁多，但歸納起來(lái)不外乎兩種模型：①拾料抓手加搬運(yùn)小車結(jié)構(gòu)；②活動(dòng)式送料機(jī)械手。

如圖1所示[3]為拾料抓手+送料小車模型，軌道送料小車（或傳送帶）完成板料的輸送，拾料抓手完成板料在送料小車和壓力機(jī)之間的交換。由于拾料抓手和送料小車結(jié)構(gòu)多變，該類型生產(chǎn)線紛繁多樣。它們的共同特點(diǎn)是拾料裝置加掛在壓力機(jī)上，不用單獨(dú)提供支撐基座；送料機(jī)構(gòu)與相鄰兩臺(tái)壓力機(jī)機(jī)械鎖死[4-5]。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠；缺點(diǎn)是要與壓力機(jī)機(jī)械鎖死，不利于換模。將拾料抓手和送料橫桿連成一體，就產(chǎn)生了業(yè)界熟知的快速連桿式自動(dòng)送料生產(chǎn)線[6]。由舒勒公司開(kāi)發(fā)的SpeedBAR快速送料系統(tǒng)盡管存有生產(chǎn)線柔性較差、不利于換模等情形，但因其快速高效仍在我國(guó)的沖壓企業(yè)中得到了一定推廣[7]。

圖1 拾料抓手加送料小車結(jié)構(gòu)示意圖

活動(dòng)式送料機(jī)械手可方便地?cái)[入各壓力機(jī)之間的空隙完成生產(chǎn)線的搭建，按照運(yùn)動(dòng)副的不同，可分為旋轉(zhuǎn)式和直線移動(dòng)式。如圖2所示是一種旋轉(zhuǎn)式機(jī)械手，它由立柱（旋轉(zhuǎn)軸）和旋轉(zhuǎn)臂（分內(nèi)臂和外臂）組成。其送料軌跡由內(nèi)臂相對(duì)于外臂的直線運(yùn)動(dòng)和跟隨外臂的圓周運(yùn)動(dòng)疊加而成。該結(jié)構(gòu)節(jié)省空間、送料距離短、送料節(jié)拍高，但是其最大的缺點(diǎn)在于運(yùn)動(dòng)的疊加復(fù)雜，不利于生產(chǎn)線的調(diào)試調(diào)整。

如圖3所示是本課題組前期開(kāi)發(fā)的一種直線式送料機(jī)械手[8]，裝在橫向滑塊兩端的端拾器可隨橫向機(jī)構(gòu)送進(jìn)，并隨縱向機(jī)構(gòu)上下往復(fù)以拾取板料。其特點(diǎn)是：只有水平和豎直兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副，運(yùn)動(dòng)控制、節(jié)拍調(diào)整等非常簡(jiǎn)單；易于換模，便于生產(chǎn)線的快速搭建；具有良好的生產(chǎn)柔性，可根據(jù)需要方便調(diào)整生產(chǎn)工藝。

綜上所述，拾料抓手加送料小車模型的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于單種零件的長(zhǎng)期大規(guī)模生產(chǎn)；活動(dòng)式送料機(jī)械手可根據(jù)需要靈活組線，其中旋轉(zhuǎn)機(jī)械手送料節(jié)拍高，適用于小零件的大規(guī)模生產(chǎn)；直線運(yùn)動(dòng)式易于換產(chǎn)換模，具有極佳的生產(chǎn)柔性，因而廣受沖壓企業(yè)的青睞。因此本文基于直線送料機(jī)械手，對(duì)傳統(tǒng)沖壓線進(jìn)行自動(dòng)化改造。

圖2 旋轉(zhuǎn)式機(jī)械手

圖3 直線移動(dòng)式機(jī)械手

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

為解決前文提到的兩組矛盾，設(shè)計(jì)出一條由拆垛機(jī)、送料機(jī)械手、中間交換臺(tái)（簡(jiǎn)稱中間臺(tái)）、壓力機(jī)、線尾堆垛機(jī)構(gòu)等組成的快速?zèng)_壓線，如圖4所示。工作過(guò)程是：拆垛機(jī)的電磁分離器將板料分離成單片以防板料因油污等而粘合在一起，同時(shí)拆垛機(jī)的載物臺(tái)隨料垛厚度的減小而實(shí)時(shí)升高，以保持最上面一片板料始終在同一高度；機(jī)械手左臂吸取板料并送入中間臺(tái)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、定位等輔助工作，同時(shí)機(jī)械手右臂將中間臺(tái)上已經(jīng)定位完畢的板料送入下一模具內(nèi)；零件加工完成后由線尾堆垛系統(tǒng)進(jìn)行堆垛計(jì)數(shù)等。拆垛機(jī)和堆垛機(jī)構(gòu)可直接從市場(chǎng)選配。

圖4 自動(dòng)生產(chǎn)線示意圖

送料機(jī)（圖3）能完成板料的拾取和送進(jìn)。若繼續(xù)將板料定位、翻轉(zhuǎn)、高度和水平位置自動(dòng)調(diào)整等功能封裝在送料機(jī)上，將使得送料機(jī)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，勢(shì)必降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，有違機(jī)械設(shè)計(jì)理念。故將矛盾分散處理，在每臺(tái)送料機(jī)兩個(gè)手臂之間放置一臺(tái)中間臺(tái)（圖5），以實(shí)現(xiàn)板料暫存、定位、翻轉(zhuǎn)等輔助功能。其中調(diào)整推板1由微動(dòng)氣缸推動(dòng)實(shí)現(xiàn)板料定位，推板的位置可根據(jù)前后位模具之間的角度預(yù)先手動(dòng)調(diào)整，以降低模具的定位要求；高度調(diào)整氣缸推動(dòng)工作臺(tái)面沿高度調(diào)整導(dǎo)桿4上下調(diào)整，以適應(yīng)前后位模具工作面的高度差；翻轉(zhuǎn)吸盤(pán)2吸取由機(jī)械手左臂送來(lái)的板料，在翻轉(zhuǎn)電機(jī)的拖動(dòng)下翻轉(zhuǎn)板料并將其送入定位臺(tái)面內(nèi)。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可根據(jù)需要進(jìn)行拆裝，其他輔助功能均可向中間臺(tái)集成。高度調(diào)整氣缸、微動(dòng)氣缸、翻轉(zhuǎn)電機(jī)等都由程序統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)輔助功能的自動(dòng)化。

圖5 中間交換臺(tái)

2.2 控制方案設(shè)計(jì)

被控對(duì)象的動(dòng)作包括送料機(jī)的拾料和送進(jìn)，拆垛機(jī)的隨動(dòng)升高，壓力機(jī)的沖壓，中間臺(tái)的翻轉(zhuǎn)、自動(dòng)升降和定位。如果集中控制，將使主控單元負(fù)荷加大，穩(wěn)定性降低；如果完全分散控制，將加大通信量、增大各單元間調(diào)度難度。采用并行控制思想，以送料機(jī)械手和中間臺(tái)為主體，形成送料單元和中間臺(tái)單元彼此獨(dú)立的并行控制系統(tǒng)（圖6）。送料單元控制送料和沖壓過(guò)程；中間臺(tái)單元控制高度調(diào)整、定位和翻轉(zhuǎn)過(guò)程。建立獨(dú)立的主站，對(duì)各控制單元進(jìn)行管理、監(jiān)控和故障入庫(kù)。主站與各控制單元間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)（MODBUS網(wǎng)絡(luò)）組成車間級(jí)生產(chǎn)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)交互。

圖6 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)示意圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 生產(chǎn)線搭建

①將帶腳輪的送料機(jī)械手（圖3）推入壓力機(jī)之間的空隙，將中間臺(tái)擺入機(jī)械手雙臂之間，并配置合適的拆垛和堆垛系統(tǒng)，即構(gòu)建了生產(chǎn)線的雛形。②調(diào)整機(jī)械手的擺放位置，以適應(yīng)相鄰壓力機(jī)之間的中心距和夾角，調(diào)整完成后鎖定機(jī)械手位置并設(shè)定送料行程。③壓力機(jī)中放入模具（只需保證相鄰兩幅模具工作面之間高度差不超過(guò)100mm，中心線之間的夾角不超過(guò)15°即可），然后調(diào)整中間臺(tái)定位推板6（圖5）的角度并設(shè)定臺(tái)面的升降高度以適應(yīng)前后位模具。這樣可在不改變?cè)熊囬g布局、粗放的裝夾模具的情況下，快速完成生產(chǎn)線搭建。

3.2 控制網(wǎng)絡(luò)組建

主站和從站單元均選用松下FPOR系列PLC作為處理器，GT32系列觸摸屏作為人機(jī)界面（HMI）。將壓力機(jī)的曲柄角度信號(hào)接入相鄰機(jī)械手單元，經(jīng)PLC運(yùn)算后向壓力機(jī)發(fā)送運(yùn)行指令；同時(shí)，向壓力機(jī)控制器接入一個(gè)反鎖信號(hào)，以防壓力機(jī)在聯(lián)線模式下仍被人工操縱，這樣只需共享兩個(gè)信號(hào)就完成了壓力機(jī)改造。通過(guò)快速通信接口將各控制單元接入總線，即可搭建起車間級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)，此網(wǎng)絡(luò)具有良好的開(kāi)放性。

3.3 系統(tǒng)性能實(shí)現(xiàn)[9]

系統(tǒng)的性能主要包括功能性、安全性和可操作性三方面。①目標(biāo)功能的實(shí)現(xiàn)是基礎(chǔ)，可通過(guò)編寫(xiě)PLC程序調(diào)度執(zhí)行元件（伺服電機(jī)和氣缸）來(lái)完成。②為確保安全，由PLC的相關(guān)高級(jí)指令編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)開(kāi)機(jī)自動(dòng)復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、緊急停車、安全停車、極限保護(hù)等軟保護(hù)措施，并在配電線路中安裝空氣開(kāi)關(guān)等以實(shí)現(xiàn)硬保護(hù)。③本系統(tǒng)中主站HMI實(shí)現(xiàn)對(duì)整線的開(kāi)關(guān)、各從站單元狀態(tài)的監(jiān)控以及運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定；從站單元的HMI可實(shí)現(xiàn)對(duì)本控制單元內(nèi)各執(zhí)行元件的相同操作。工藝參數(shù)的調(diào)整只需在HMI上更改幾組數(shù)字，即可通過(guò)修改PLC程序中的相關(guān)寄存器的值而實(shí)現(xiàn)，操作簡(jiǎn)單；常用工藝參數(shù)和常見(jiàn)故障信息均可存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，以便于試模和故障檢修。

4 總結(jié)

本文對(duì)現(xiàn)有送料系統(tǒng)進(jìn)行模型歸納與分析，結(jié)合企業(yè)需求，采用生產(chǎn)柔性極好的直線式送料機(jī)械手方案。將工藝過(guò)程分拆到送料機(jī)和交換臺(tái)上，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了生產(chǎn)線的柔性。采用并行處理的方法，以送料單元和中間臺(tái)單元為獨(dú)立運(yùn)算單元，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與主站進(jìn)行交互，綜合了集中控制和分散控制的優(yōu)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的開(kāi)放性。將PLC和HMI結(jié)合，設(shè)計(jì)出快速、可靠、操作性良好的控制系統(tǒng)。

本方案只需將機(jī)械手和中間臺(tái)擺入適當(dāng)位置，實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)和相鄰機(jī)械手之間兩個(gè)信號(hào)的共享，通過(guò)快速通信接口搭建起現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，即可完成傳統(tǒng)沖壓線的自動(dòng)化改造。經(jīng)過(guò)在沖壓企業(yè)的試驗(yàn)，整條線的運(yùn)行節(jié)拍能夠達(dá)到15min-1。滿足要求的送料速度，極佳的生產(chǎn)柔性以及良好的操作性能，是本系統(tǒng)得到實(shí)用推廣的重要保證。

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