趙兵，楊龍成，王傳英，張世順，車愛(ài)文

（濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

0 引言

沖壓生產(chǎn)線一般是指兩臺(tái)或兩臺(tái)以上壓力機(jī)串聯(lián)組成的生產(chǎn)線。對(duì)于汽車主機(jī)廠而言，沖壓生產(chǎn)線一般包含四臺(tái)或五臺(tái)壓力機(jī)+相應(yīng)自動(dòng)化搬運(yùn)設(shè)備組成。

沖壓生產(chǎn)線一般包含垛料臺(tái)車、拆垛設(shè)備、輸送設(shè)備、搬運(yùn)設(shè)備、壓力機(jī)、壓機(jī)間搬運(yùn)設(shè)備、下料設(shè)備、成型料輸送設(shè)備等組成，以實(shí)現(xiàn)整線自動(dòng)化生產(chǎn)的目的。如圖1 所示為機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線、圖2 所示為單臂沖壓生產(chǎn)線示意圖。

圖1 直線七軸機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線

圖2 單臂高速?zèng)_壓生產(chǎn)線

依據(jù)搬運(yùn)設(shè)備的不同，一般分為機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線、單臂沖壓生產(chǎn)線等；依據(jù)整線生產(chǎn)控制模式的不同，一般分為斷續(xù)模式、連續(xù)模式。斷續(xù)模式是指壓力機(jī)滑塊到達(dá)上死點(diǎn)后進(jìn)行等待，等待是給搬運(yùn)設(shè)備預(yù)留工作時(shí)間；連續(xù)模式是指壓力機(jī)滑塊在上死點(diǎn)不作停留的工作模式。

單臂沖壓生產(chǎn)線一般指大型沖壓生產(chǎn)線，其整線生產(chǎn)節(jié)拍較高，一般采用連續(xù)生產(chǎn)模式。對(duì)于機(jī)械壓力機(jī)生產(chǎn)線，一般生產(chǎn)節(jié)拍可達(dá)15 次/min 以上；伺服壓力機(jī)生產(chǎn)線，一般生產(chǎn)節(jié)拍可達(dá)18 次/min 以上。

機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線一般指普通大型沖壓生產(chǎn)線或中、小型沖壓生產(chǎn)線，其整線生產(chǎn)節(jié)拍相對(duì)較低，一般采用斷續(xù)生產(chǎn)模式，部分工件采用連續(xù)生產(chǎn)模式。其中機(jī)械壓力機(jī)生產(chǎn)線一般生產(chǎn)節(jié)拍可達(dá)12 次/min，伺服機(jī)械壓力機(jī)混合生產(chǎn)線，一般生產(chǎn)節(jié)拍可達(dá)13 次/min。

1 機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線分類

鑒于成熟的機(jī)器人開(kāi)發(fā)體系、成熟的配套設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人廣泛支持沖壓行業(yè)的發(fā)展。機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線相對(duì)于手工生產(chǎn)線而言，可以節(jié)省較多的人力資源，避免了各種人員的安全、沖壓件的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，并有效降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。可有效提高沖壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍，由人工生產(chǎn)節(jié)拍5～7 次/min 提高到10～12 次/min，同時(shí)，可有效提高沖壓模具的使用壽命。

1.1 六軸機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線

如圖3 所示，六軸機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線一般首序壓力機(jī)噸位不超過(guò)16000kN，后序一般配置更小噸位的壓力機(jī)，用于生產(chǎn)較小沖壓內(nèi)覆蓋件。

圖3 六軸機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線

1.2 附加滑移軸的機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線

如圖4 所示，附加滑移軸的機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線一般適用于原手工沖壓生產(chǎn)線的自動(dòng)化改造。此類型生產(chǎn)線具有壓力機(jī)間距大，壓力機(jī)行程較小等特點(diǎn)。

圖4 滑移軸機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線

1.3 直線七軸的機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線

該類型的沖壓生產(chǎn)線，如圖1 所示，一般適用于大型沖壓生產(chǎn)線，同樣適用于中小型沖壓生產(chǎn)線。此種類型的沖壓生產(chǎn)線一般為新建沖壓生產(chǎn)線，生產(chǎn)節(jié)拍可以實(shí)現(xiàn)8～12 次/min。

2 機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線仿真評(píng)估

目前汽車行業(yè)產(chǎn)品迭代周期縮短，車型不斷增多，要求主機(jī)廠及一、二級(jí)配套商合理評(píng)估模具生產(chǎn)節(jié)拍、合理進(jìn)行模具優(yōu)化、合理安排各覆蓋件的排產(chǎn)等，這必然引起主機(jī)廠及一、二級(jí)配套商對(duì)于沖壓仿真的需求。高端大型全自動(dòng)生產(chǎn)線的離線仿真已進(jìn)行了技術(shù)、市場(chǎng)推廣，取得了較好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益[1]；而市場(chǎng)普及更廣的機(jī)器人沖壓線的仿真技術(shù)，還需進(jìn)行更多的技術(shù)研究。

2.1 機(jī)器人軌跡規(guī)劃

機(jī)器人軌跡規(guī)劃的基本思路如圖5 所示，采用特殊點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置方法，其中0 點(diǎn)為機(jī)器人安裝位置或長(zhǎng)時(shí)間靜置時(shí)的HOME 位置。

圖5 端拾器中心運(yùn)動(dòng)軌跡

正常循環(huán)啟動(dòng)時(shí)，機(jī)器人由0 位走到1位，在1 位形成此套模具的HOME 位；當(dāng)前一序壓力機(jī)完成一次沖壓，打開(kāi)一定安全距離后，機(jī)器人攜帶端拾器進(jìn)入前一序壓力機(jī)模區(qū)的2 號(hào)點(diǎn)；其中2 號(hào)點(diǎn)到3 號(hào)點(diǎn)是豎直下降的過(guò)程，這主要是為了機(jī)器人攜帶的端拾器可以更好地與板料貼合，并躲避下模的干涉點(diǎn)；到達(dá)3 號(hào)點(diǎn)時(shí)，真空發(fā)生器動(dòng)作，端拾器吸盤(pán)建立真空，完成端拾器對(duì)于板料的吸附；然后執(zhí)行3 號(hào)點(diǎn)到4 號(hào)點(diǎn)，此區(qū)間內(nèi)，機(jī)器人保持豎直方向動(dòng)作，這是為避免在板料脫離模腔過(guò)程中，與下模產(chǎn)生干涉；之后執(zhí)行4 號(hào)點(diǎn)到5 號(hào)點(diǎn)的動(dòng)作，后序動(dòng)作與前述相似，不作詳細(xì)介紹。壓力機(jī)每完成一次沖壓，機(jī)器人執(zhí)行一次抓料、放料動(dòng)作，依次循環(huán)往復(fù)。

2.2 壓力機(jī)行程與機(jī)器人配合介紹

沖壓工藝流程一般有拉延、沖孔、裁邊等。對(duì)于首序成形壓力機(jī)而言，一般配置多連桿壓力機(jī)執(zhí)行拉延工序。本文在介紹壓力機(jī)與機(jī)器人的配合運(yùn)動(dòng)時(shí)，以首序壓力機(jī)為例。

機(jī)器人進(jìn)入壓力機(jī)模區(qū)前提條件是：壓力機(jī)攜帶上模，上模與下模形成靜開(kāi)口空間，并滿足相應(yīng)的安全距離（圖6）。

圖6 端拾器抓料與模具相對(duì)位置關(guān)系

機(jī)械壓力機(jī)的行程曲線是固定的，不隨生產(chǎn)節(jié)拍而改變。在評(píng)估機(jī)器人進(jìn)入、退出壓力機(jī)模區(qū)時(shí)，必然涉及與壓力機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。如圖7 所示為上下料機(jī)器人與壓力機(jī)滑塊行程曲線的相對(duì)關(guān)系示意圖，由圖可知，當(dāng)滑塊行程打開(kāi)一定高度時(shí)，機(jī)器人攜帶端拾器可以進(jìn)入模區(qū)，當(dāng)滑塊行程閉合到一定高度時(shí)，機(jī)器人攜帶端拾器必須退出模區(qū)。顯而易見(jiàn)，不同模具進(jìn)入、退出模區(qū)的開(kāi)口高度是不同的。

圖7 機(jī)器人軌跡相對(duì)于滑塊行程曲線關(guān)系

2.3 運(yùn)動(dòng)相位問(wèn)題

在機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線整線控制方式上，存在兩種不同的控制模式：一種是連續(xù)模式，一種是斷續(xù)控制模式。二者最為明顯的區(qū)別是：滑塊到達(dá)上死點(diǎn)，若離合器作用，則為斷續(xù)控制模式，反之為連續(xù)控制模式。

由于連續(xù)模式下，離合器不會(huì)頻繁作用，這對(duì)離合器的使用壽命有很好的促進(jìn)作用，且不會(huì)因壓力機(jī)飛輪空轉(zhuǎn)造成能量損耗。所以連續(xù)控制模式更為節(jié)能、環(huán)保，此種控制模式也受到較多主機(jī)廠的青睞。整線可否采用連續(xù)控制模式，受到滑塊臺(tái)面尺寸、滑塊行程、具體模具結(jié)構(gòu)等因素的影響。

無(wú)論采用何種控制模式，均需要嚴(yán)格控制機(jī)器人上下料允許進(jìn)入的工作區(qū)間，然后通過(guò)測(cè)試運(yùn)行，得出機(jī)器人上料時(shí)間、下料時(shí)間，然后在機(jī)器人上料、下料的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行機(jī)器人位置的檢查，一旦機(jī)器人沒(méi)有到達(dá)預(yù)定位置，整線立即停機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與壓機(jī)位置上的粗略的同步關(guān)系，而這種同步關(guān)系足以保證在壓機(jī)的任意角度內(nèi)整線停機(jī)，壓機(jī)與機(jī)器人不會(huì)發(fā)生干涉。壓力機(jī)與上序上料單元、下序下料單元的相對(duì)相位關(guān)系如圖8 所示。

圖8 機(jī)器人與壓力機(jī)角度的相位關(guān)系

2.4 運(yùn)動(dòng)部件定義

在機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線中，運(yùn)動(dòng)的物體包含兩類：一類為執(zhí)行確切運(yùn)動(dòng)的滑塊機(jī)構(gòu)，這類機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律明確，各關(guān)鍵點(diǎn)的相對(duì)時(shí)間差確定，這類運(yùn)動(dòng)在RobCAD 軟件中，是需要進(jìn)行建模設(shè)置運(yùn)動(dòng)的；另一類執(zhí)行三維空間運(yùn)動(dòng)，這類機(jī)構(gòu)主要是指機(jī)器人系統(tǒng)，為保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，國(guó)際主流機(jī)器人品牌均會(huì)定期發(fā)布用于支持RobCAD 軟件的co 文件，故機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)設(shè)置是不需要進(jìn)行的。

滑塊運(yùn)動(dòng)副建立方式采用SOLIDEGE 或其他三維建模軟件，建立工作臺(tái)、滑塊三維數(shù)模，一般而言，需要轉(zhuǎn)換為JT/IGS 等中間格式，在RobCAD 主窗口Data→CAD Import 選擇需要轉(zhuǎn)化的文件，定義格式，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，格式轉(zhuǎn)化后，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)定義。

打開(kāi)RobCAD 軟件的Modeling 模塊，將轉(zhuǎn)化后的滑塊、工作臺(tái)co 格式數(shù)模讀入，在Kinematics 模塊中，定義父項(xiàng)、子項(xiàng)、運(yùn)動(dòng)軸，三者關(guān)系為：父項(xiàng)是基礎(chǔ)項(xiàng)，子項(xiàng)在運(yùn)動(dòng)軸的導(dǎo)向作用下，相對(duì)父項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)模式可以是直線運(yùn)動(dòng)，也可以是旋轉(zhuǎn)模式，其他運(yùn)動(dòng)模式，可以由兩者組合實(shí)現(xiàn)。如圖9 所示。

圖9 壓力機(jī)滑塊運(yùn)動(dòng)設(shè)置

2.5 機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線整線數(shù)模搭建

完成前述壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)設(shè)置后，將RobCAD 切換到Workcell 模塊，在此模塊下，需要完成整線數(shù)模的搭建，即以實(shí)際產(chǎn)品布置的方式，以世界坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，搭建Press 1～Press n，組成整線壓機(jī)布置；以世界坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，搭建R1～Rn 的機(jī)器人布置，這樣，就建立起機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線的初步數(shù)模。

在機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，基于機(jī)器人安全考慮，機(jī)器人本體部分是不可以進(jìn)入壓力機(jī)模區(qū)范圍內(nèi)的。為此，需要配置帶加長(zhǎng)桿的端拾器，如圖7 所示。將待加長(zhǎng)桿以前述同樣的方式，導(dǎo)入整線三維數(shù)模，并以合適的坐標(biāo)系，將端拾器Mount 到對(duì)應(yīng)的端拾器之上。

采用同樣的方式，將模具導(dǎo)入到整線三維之中。鑒于模具設(shè)計(jì)階段的坐標(biāo)系與其定位坐標(biāo)系存在差異，因此導(dǎo)入模具數(shù)模時(shí)，需要考慮模具的定位方式。一種方式為：在模具數(shù)模處理時(shí)，優(yōu)先考慮模具的坐標(biāo)系變換，將模具坐標(biāo)系調(diào)整為在壓力機(jī)工作臺(tái)上的定位坐標(biāo)系，此種方式較為方便，另一種方式：模具導(dǎo)入仿真軟件后，采用測(cè)量的方式，精準(zhǔn)調(diào)整模具與工作臺(tái)的相對(duì)位置關(guān)系，此種方式，調(diào)整相對(duì)繁瑣。模具導(dǎo)入仿真軟件后，因上模需要與滑塊共同運(yùn)動(dòng)，需要將上模Mount 到滑塊之上，如端拾器相對(duì)于機(jī)器人的操作。

2.6 機(jī)器人斷續(xù)沖壓生產(chǎn)線SOP 仿真

在進(jìn)行沖壓線整線SOP 時(shí)序仿真之前，需要對(duì)各序壓力機(jī)動(dòng)作、各序機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)Mark，具體步驟介紹如下。

壓力機(jī)動(dòng)作關(guān)鍵點(diǎn)Mark，如前述介紹，壓力機(jī)在整個(gè)沖壓過(guò)程中，需要與機(jī)器人配合，而壓力機(jī)滑塊在整個(gè)行程過(guò)程中，僅有兩個(gè)點(diǎn)與機(jī)器人有關(guān)，即開(kāi)口高度、閉合高度，上/下死點(diǎn)是其自身參數(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)中，打開(kāi)高度是壓力機(jī)發(fā)出信號(hào)，告知機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作，而閉合高度時(shí)，是作為安全距離監(jiān)測(cè)用，故在壓力機(jī)仿真時(shí)，僅需考慮三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)即可。

機(jī)器人動(dòng)作關(guān)鍵點(diǎn)Mark，如前述介紹，機(jī)器人動(dòng)作是由七個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)組成，需要將各序模具對(duì)應(yīng)的成形板料Attach 到對(duì)應(yīng)端拾器之上，以實(shí)際成形板料與模具的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行機(jī)器人仿真關(guān)鍵點(diǎn)定義，并生成各序機(jī)器人的路徑。如圖10 所示。

圖10 直線七軸機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)軌跡

在斷續(xù)沖壓生產(chǎn)線中，存在十分明顯的木桶效應(yīng)，即整線節(jié)拍受制于運(yùn)行最慢的設(shè)備，此種生產(chǎn)模式下，壓力機(jī)開(kāi)斷續(xù)，次數(shù)可以開(kāi)到很高，而機(jī)器人就成為了明顯的制約因素，通過(guò)對(duì)比各序機(jī)器人的運(yùn)行時(shí)間，合理設(shè)定壓力機(jī)行程設(shè)置，并進(jìn)行壓力機(jī)、機(jī)器人動(dòng)作時(shí)序的合理安排，即可得到整線生產(chǎn)預(yù)評(píng)估，依據(jù)整線運(yùn)行的實(shí)際工況，即可準(zhǔn)確評(píng)估瓶頸工位產(chǎn)應(yīng)的原因、優(yōu)化措施、節(jié)拍評(píng)估等工作。如圖11 所示。

圖11 沖壓線整線時(shí)序圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)RobCAD 軟件，可以相對(duì)準(zhǔn)確設(shè)置機(jī)器人、壓力機(jī)等整線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可依據(jù)獲得的時(shí)序圖，準(zhǔn)確評(píng)估沖壓過(guò)程中的瓶頸工位，實(shí)現(xiàn)成形工件的通過(guò)性檢查、該套模具的生產(chǎn)節(jié)拍評(píng)估。該技術(shù)針對(duì)于機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線，特別是對(duì)于原手工生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)化改造生產(chǎn)線的模具自動(dòng)化生產(chǎn)評(píng)估，具有預(yù)測(cè)性意義。