文／鄺志銘，劉聰，鐘劍·廣汽埃安新能源汽車股份有限公司

沖壓生產(chǎn)線SPM(Stroke Per Minute)，即每分鐘壓力機(jī)的沖壓次數(shù)，是生產(chǎn)節(jié)拍最直接的反映，也是影響整線生產(chǎn)效率的重要指標(biāo)之一。提升生產(chǎn)線SPM 后，在相同的時(shí)間內(nèi)可以沖壓出更多的零件，產(chǎn)能得到進(jìn)一步提高，從而降低企業(yè)的勞務(wù)費(fèi)、能源費(fèi)等生產(chǎn)成本，對(duì)于公司的發(fā)展具有積極的作用。

本文基于我公司Y 車型現(xiàn)場(chǎng)三個(gè)月的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，從壓力機(jī)和機(jī)器人動(dòng)作配合原理、節(jié)拍影響因素以及節(jié)拍提升優(yōu)化方法等方面進(jìn)行全面分析探討，對(duì)機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線整線效率提升具有十分重要的指導(dǎo)意義。

斷續(xù)＋連續(xù)模式機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線簡(jiǎn)介

斷續(xù)＋連續(xù)模式機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線，即拉延工序壓力機(jī)采用斷續(xù)模式，后工序壓力機(jī)采用連續(xù)模式，使用機(jī)器人進(jìn)行工序間零件搬運(yùn)的沖壓生產(chǎn)線。斷續(xù)模式：壓力機(jī)在上死點(diǎn)停留；連續(xù)模式：沖壓過程中壓力機(jī)不在上死點(diǎn)停留。整線壓力機(jī)采用同步控制器進(jìn)行控制，拉延工序壓力機(jī)以虛軸形式運(yùn)行，機(jī)器人具有同步功能，在同步點(diǎn)時(shí)耦合壓力機(jī)的角度，并跟隨壓力機(jī)運(yùn)行，整線的最高設(shè)計(jì)節(jié)拍為12SPM。

機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線整線組成及節(jié)拍瓶頸介紹

機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線分為線首、線中和線尾等三大部分，共十個(gè)單元，如圖1 所示。

圖1 機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線各組成單元

⑴線首部分主要由①單元(拆垛臺(tái)車)、②單元(搬運(yùn)皮帶)、③單元(清洗機(jī))、④單元(視覺對(duì)中)等組成；

⑵線中部分主要由⑤單元～⑨單元(壓力機(jī)和上下料機(jī)器人)等組成；

⑶線尾部分為⑩單元(線尾皮帶)。

以上各單元如果參數(shù)設(shè)置不合理或者調(diào)試未達(dá)最優(yōu)化，均有可能成為整線的瓶頸工序，該瓶頸工序的節(jié)拍則為整線的生產(chǎn)節(jié)拍，沖壓生產(chǎn)線各設(shè)備主要參數(shù)見表1。

表1 我司機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線各設(shè)備主要參數(shù)表

⑴線首部分①單元機(jī)器人軌跡和參數(shù)優(yōu)化后，滿足12SPM生產(chǎn)需求，②～④單元也并非整線瓶頸單元；

⑵線尾部分⑩單元(線尾皮帶機(jī))速度可調(diào)，節(jié)拍大于12SPM，除裝箱和質(zhì)檢速度跟不上以外，該單元并非整線的瓶頸。

因此，影響整線節(jié)拍的是線中部分⑤單元～⑨單元中的某個(gè)單元，生產(chǎn)線節(jié)拍提升的分析由整線轉(zhuǎn)移至線中部分，即某臺(tái)壓力機(jī)與對(duì)應(yīng)上下料機(jī)器人的動(dòng)作關(guān)系。

上下料機(jī)器人與壓力機(jī)動(dòng)作配合原理

整線的節(jié)拍提升受瓶頸單元影響，解決瓶頸單元節(jié)拍需要進(jìn)一步分析壓力機(jī)以及對(duì)應(yīng)上下料機(jī)器人動(dòng)作配合原理，只有將壓力機(jī)和對(duì)應(yīng)的上下料機(jī)器人動(dòng)作協(xié)調(diào)性優(yōu)化到極致，節(jié)拍方可提升至最高水平，如圖2 所示。

圖2 壓力機(jī)滑塊凸輪角度及上/下料角度圖示

⑴上死點(diǎn)：壓力機(jī)上死點(diǎn)和下死點(diǎn)為一個(gè)角度區(qū)間，為便于理解，本文所述的上死點(diǎn)為0°或360°，下死點(diǎn)為180°。

⑵上料保護(hù)角(實(shí)測(cè)值)：上料機(jī)器人在此角度可安全退出壓力機(jī)外，與模具無任何干涉。

⑶制動(dòng)角(實(shí)測(cè)值)：沖壓過程中，制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)所需要的角度。

⑷上料報(bào)警角(計(jì)算值)：上料報(bào)警角＝上料保護(hù)角－制動(dòng)角。壓力機(jī)下壓過程中，到達(dá)上料報(bào)警角時(shí)監(jiān)測(cè)到機(jī)器人仍未退出到安全點(diǎn)，則報(bào)警停機(jī)。

⑸下料保護(hù)角(實(shí)測(cè)值)：下料機(jī)器人在此角度可安全進(jìn)入壓力機(jī)，與模具無任何干涉。

⑹上下料角度區(qū)間(計(jì)算值)：上下料角度區(qū)間＝360°－下料保護(hù)角＋上料保護(hù)角。壓力機(jī)從下料保護(hù)角回程到上死點(diǎn)，再從上死點(diǎn)沖壓到達(dá)上料報(bào)警角的角度區(qū)間為上下料角度區(qū)間。

⑺機(jī)器人上下料時(shí)間：圖3 為動(dòng)作時(shí)序圖，下料機(jī)器人啟動(dòng)，上下料機(jī)器人追逐，上料機(jī)器人剛好退出到壓力機(jī)外安全點(diǎn)的時(shí)間為機(jī)器人上下料時(shí)間。

圖3 壓力機(jī)與上下料機(jī)器人動(dòng)作時(shí)序圖

壓力機(jī)與上下料機(jī)器人依靠信號(hào)交互協(xié)調(diào)運(yùn)行，如圖4 所示，各單元?jiǎng)幼鞑襟E分解如下：

圖4 上/下料機(jī)器人進(jìn)出壓力機(jī)動(dòng)作原理圖

⑴壓力機(jī)沖壓完成，從下死點(diǎn)回程；

⑵壓力機(jī)回程到下料保護(hù)角時(shí)，下料機(jī)器人進(jìn)入壓力機(jī)內(nèi)取料；

⑶下料機(jī)器人將零件取走后，上料機(jī)器人進(jìn)入壓力機(jī)內(nèi)投料，且根據(jù)設(shè)定的參數(shù)與下料機(jī)器人保持一定的追逐距離；

⑷上料機(jī)器人投料后，在壓力機(jī)到達(dá)上料報(bào)警角之前，剛好退出到壓力機(jī)外的安全點(diǎn)，否則報(bào)警停機(jī)。

上述過程中，壓力機(jī)在上下料角度區(qū)間運(yùn)行的同時(shí)，上下料機(jī)器人完成取料和投料動(dòng)作。因此，當(dāng)節(jié)拍優(yōu)化到極致時(shí)，壓力機(jī)在上下料角度區(qū)間運(yùn)行時(shí)間約等于機(jī)器人上下料時(shí)間。研究瓶頸工序的節(jié)拍影響因素，轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯吭谏舷铝辖嵌葏^(qū)間內(nèi)機(jī)器人和壓力機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作。

斷續(xù)＋連續(xù)模式生產(chǎn)線各單元節(jié)拍影響因素

連續(xù)模式工序

生產(chǎn)過程中，采用連續(xù)模式的壓力機(jī)不在上死點(diǎn)停留，壓力機(jī)(主電機(jī))在沖壓全過程勻速運(yùn)行。壓力機(jī)在上下料角度區(qū)間運(yùn)行速度的快慢直接決定該單元的節(jié)拍，而壓力機(jī)運(yùn)行速度的快慢主要受上下料角度區(qū)間的大小和機(jī)器人上下料時(shí)間的影響。

各單元節(jié)拍＝θ/T(θ：上下料角度區(qū)間，T：機(jī)器人上下料時(shí)間)，該節(jié)拍與SPM 相對(duì)應(yīng)，可相互轉(zhuǎn)換，詳見圖5。

圖5 生產(chǎn)線節(jié)拍與壓力機(jī)速度轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)關(guān)系

以連續(xù)模式(12SPM)為例說明：壓力機(jī)以12SPM運(yùn)行，即12 沖次／分鐘＝12 沖次/60s，單沖次運(yùn)行時(shí)間t=60s/12=5s，壓力機(jī)單沖次運(yùn)行360°，因此，整線12SPM 對(duì)應(yīng)的壓力機(jī)速度=360°/5s＝72°/s。

簡(jiǎn)單來說，壓力機(jī)如果在上下料角度區(qū)間運(yùn)行的速度≥72°/s，則該單元的節(jié)拍可達(dá)到12SPM 以上。同理，其他SPM 也可用同樣方法轉(zhuǎn)換為壓力機(jī)速度。

當(dāng)上下料角度區(qū)間和機(jī)器人上下料時(shí)間一定時(shí)，如果壓力機(jī)速度不斷提高，則將會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人未退出到安全點(diǎn)，壓力機(jī)已到達(dá)上料報(bào)警角，觸發(fā)報(bào)警停機(jī)。通過增大上下料角度區(qū)間和減小機(jī)器人上下料時(shí)間可以提升節(jié)拍，也就是說：

⑴機(jī)器人上下料時(shí)間一定時(shí)，增大上下料角度區(qū)間，壓力機(jī)速度可以進(jìn)一步提高，該工序節(jié)拍也可提升；

⑵上下料角度區(qū)間一定時(shí)，減小機(jī)器人上下料時(shí)間，上料機(jī)器人更早退出到安全點(diǎn)，故壓力機(jī)速度可以進(jìn)一步提高，該工序節(jié)拍也可提升。

斷續(xù)模式工序

斷續(xù)模式與連續(xù)模式原理類似，影響節(jié)拍的原因也是上下料角度區(qū)間的大小和機(jī)器人上下料時(shí)間，說明如下：

⑴當(dāng)機(jī)器人上下料時(shí)間一定時(shí)，下料保護(hù)角減小(上下料角度區(qū)間增大)，機(jī)器人可提早進(jìn)入壓力機(jī)進(jìn)行上下料，則壓力機(jī)可提前沖壓，節(jié)拍提升；

⑵當(dāng)機(jī)器人上下料角度區(qū)間一定時(shí)，機(jī)器人上下料時(shí)間減小，則壓力機(jī)可提前沖壓，節(jié)拍提升。

小結(jié)：不管是斷續(xù)模式還是連續(xù)模式，影響線中部分各單元節(jié)拍的因素主要是上下料角度區(qū)間和機(jī)器人上下料時(shí)間。針對(duì)以上兩個(gè)部分進(jìn)行優(yōu)化提升，可以優(yōu)化各單元的節(jié)拍，從而提高生產(chǎn)線整線節(jié)拍。

斷續(xù)＋連續(xù)模式生產(chǎn)線節(jié)拍提升優(yōu)化

上下料角度區(qū)間優(yōu)化

端拾器制作不合理以及上／下料保護(hù)角度測(cè)量預(yù)留余量過大均會(huì)影響上下料角度區(qū)間，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)需將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

⑴端拾器制作標(biāo)準(zhǔn)化。

制作端拾器時(shí)，在圖6 中B 處位置，板件和剛朵拉的距離≤10mm。尤其是針對(duì)瓶頸工序上下料機(jī)器人的端拾器制作，務(wù)必追求極致。

圖6 端拾器制作標(biāo)準(zhǔn)示意圖

端拾器吸盤的整體高度要盡可能小，且吸盤布局也有嚴(yán)格要求(圖7)，否則既影響上下料角度區(qū)間，又影響機(jī)器人上下料時(shí)間，前后物流方向上的部分吸盤需布局在板件的最高點(diǎn)，或者布局在板件的左右兩側(cè)。

案例一：端拾器吸盤在物流方向上的布局會(huì)影響機(jī)器人軌跡，從而影響上／下料保護(hù)角度(上下料角度區(qū)間)。

案例二：圖8 中★為原吸盤位置布局(物流方向)，影響上／下料保護(hù)角度和機(jī)器人上下料時(shí)間，改為左右兩側(cè)布局后(圖8 中●)，上下料角度區(qū)間增大，同時(shí)上下料時(shí)間縮短，節(jié)拍由8SPM 提升至9.6SPM，提升20%。

圖8 端拾器吸盤布局現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物展示圖

⑵上／下料保護(hù)角度測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)化。

如圖9 所示，上／下料保護(hù)角測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)：機(jī)器人七軸(拖鏈)最高點(diǎn)與上模最低點(diǎn)距離為10mm。

圖9 上/下料保護(hù)角度測(cè)量示意圖

小結(jié)：日常工作中，很多企業(yè)都有強(qiáng)調(diào)端拾器制作時(shí)需要扁平化，盡量做薄。但是忽略了端拾器吸盤在物流方向上的布局會(huì)影響機(jī)器人軌跡，從而影響上／下料保護(hù)角度(上下料角度區(qū)間)。通過優(yōu)化吸盤布局，上下料機(jī)器人端拾器均做薄50mm，或者上料機(jī)器人投料后和下料機(jī)器人取料后上升的軌跡均縮短50mm，根據(jù)滑塊行程曲線(以1000t 壓力機(jī)為例，圖10)，上下料角度區(qū)間會(huì)增加10°，部分零件節(jié)拍可以提升1SPM。

圖10 1000t 壓力機(jī)滑塊行程曲線

機(jī)器人上下料時(shí)間優(yōu)化

⑴機(jī)器人軌跡和參數(shù)設(shè)置總體要求。

機(jī)器人軌跡調(diào)試不良會(huì)影響機(jī)器人上下料時(shí)間，尤其是11.5SPM 以上的零件，對(duì)于軌跡點(diǎn)的調(diào)試要求更高。為防止吸料和投料不良的發(fā)生，P 點(diǎn)和D 點(diǎn)的單點(diǎn)速度值設(shè)置為3000，轉(zhuǎn)彎半徑值設(shè)置為0，其余各軌跡點(diǎn)的單點(diǎn)速度值設(shè)置為7000，轉(zhuǎn)彎半徑值設(shè)置為200，并且使用MOVE L 命令(七軸機(jī)器人)?？傮w的機(jī)器人軌跡設(shè)置主要有圖11 所示的三種。

圖11 機(jī)器人軌跡點(diǎn)設(shè)置圖示

⑵機(jī)器人上料軌跡設(shè)置。

1)上料機(jī)器人軌跡點(diǎn)的調(diào)試對(duì)縮短上料時(shí)間具有十分重要的作用，常見的上料軌跡主要有三種，如圖12 所示。

圖12 上料機(jī)器人投料軌跡示意圖

首選軌跡：BD 點(diǎn)、D 點(diǎn)、AD 點(diǎn)三點(diǎn)一致，機(jī)器人上料時(shí)間最短，常發(fā)投料撞傷，需要精調(diào)軌跡。

第二選擇：AD／D 點(diǎn)兩點(diǎn)一致與BD 點(diǎn)X／Y軸坐標(biāo)一樣，但Z 軸坐標(biāo)不同。大部分零件會(huì)選擇這種軌跡，保證投料穩(wěn)定性和上下料時(shí)間。

第三選擇：BD 點(diǎn)、D 點(diǎn)、AD 點(diǎn)軌跡點(diǎn)X／Y 軸坐標(biāo)一致，但Z 軸坐標(biāo)各不相同。

2)不同的軌跡，機(jī)器人上料時(shí)間不同，退出到壓力機(jī)安全點(diǎn)的時(shí)間也不一樣，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果見圖13。

圖13 上料機(jī)器人不同軌跡退出到安全點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

從以上測(cè)試結(jié)果可以得出：機(jī)器人上料軌跡為三點(diǎn)一致時(shí)，上料時(shí)間最短，退出到安全點(diǎn)時(shí)最快，該工序節(jié)拍可以繼續(xù)提升。

3)上料機(jī)器人進(jìn)入壓力機(jī)內(nèi)投料，需要盡可能減小從BD 點(diǎn)→D 點(diǎn)，以及D 點(diǎn)到AD 點(diǎn)的距離，減少機(jī)器人行走路徑，如圖14 所示，具體要求如下：

圖14 板件與模具型面距離標(biāo)準(zhǔn)示意圖

①機(jī)器人從WL 點(diǎn)進(jìn)入BD 點(diǎn)過程中，板件最低點(diǎn)與模具最高點(diǎn)距離20mm。

②機(jī)器人投料后，從AD 點(diǎn)運(yùn)行至OL 點(diǎn)時(shí)，端拾器吸盤最低點(diǎn)與模具上板件最高點(diǎn)距離20mm。

⑶機(jī)器人下料軌跡設(shè)置。

機(jī)器人下料軌跡僅有一種，三點(diǎn)均不一致。如圖15 所示，要求BP 點(diǎn)→P 點(diǎn)、P 點(diǎn)→AP 點(diǎn)的Z／Y軸一致，Z 軸坐標(biāo)盡可能近，機(jī)器人走的路徑短，下料時(shí)間快。

圖15 機(jī)器人下料軌跡設(shè)置示意圖

與上料機(jī)器人軌跡調(diào)試方法相同，如圖16 所示，機(jī)器人進(jìn)入壓力機(jī)內(nèi)取料要求如下：

圖16 下料機(jī)器人運(yùn)行過程中板件和吸盤與模具型面的高度標(biāo)準(zhǔn)

①機(jī)器人從WU 點(diǎn)進(jìn)入BP 點(diǎn)過程中，端拾器吸盤最低點(diǎn)與模具上板件最高點(diǎn)距離20mm。

②機(jī)器人取料后，從AP 點(diǎn)運(yùn)行至OU 點(diǎn)時(shí)，板件最低點(diǎn)與模具最高點(diǎn)距離20mm。

⑷重要軌跡點(diǎn)設(shè)置說明。

1)WU 點(diǎn)設(shè)置。

設(shè)置機(jī)器人下料等待點(diǎn)(WU 點(diǎn))時(shí)，應(yīng)盡量靠近壓力機(jī)滑塊邊緣，如現(xiàn)場(chǎng)夾鉗無接線盒影響，可以考慮將WU 點(diǎn)設(shè)置在兩個(gè)夾鉗中間位置，可縮短機(jī)器人上、下料時(shí)間，提升節(jié)拍。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，如圖17 所示，根據(jù)零件節(jié)拍以及模具寬度的不同，機(jī)器人示教器WU 點(diǎn)設(shè)定值＝下料保護(hù)角實(shí)測(cè)值－(5°～10°)，相當(dāng)于讓機(jī)器人更早地到達(dá)WU 點(diǎn)，從而更早進(jìn)入壓力機(jī)，縮短上下料時(shí)間。

圖17 下料機(jī)器人WU 點(diǎn)設(shè)置示意圖

2)OL 點(diǎn)設(shè)置。

壓力機(jī)到達(dá)上料報(bào)警角時(shí)，機(jī)器人還沒退出到安全點(diǎn)(OL 點(diǎn))，就會(huì)觸發(fā)上料保護(hù)報(bào)警停機(jī)，需降低壓力機(jī)速度，整線節(jié)拍也隨之降低。因此，OL 點(diǎn)越靠近壓力機(jī)，壓力機(jī)的速度便可提升越快，如圖18所示。

圖18 上料機(jī)器人安全點(diǎn)(OL 點(diǎn))設(shè)置示意圖

現(xiàn)場(chǎng)使用尾門上段10SPM 空運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試，得出結(jié)果(圖19)：機(jī)器人七軸每接近滑塊邊緣100mm，壓力機(jī)對(duì)應(yīng)的凸輪角度減小3°。換言之，如果將OL點(diǎn)設(shè)置越靠近模具，上料保護(hù)越不容易觸發(fā)，壓力機(jī)速度可設(shè)置更高。

圖19 機(jī)器人設(shè)置不同OL 點(diǎn)對(duì)應(yīng)壓力機(jī)凸輪角度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

例：原零件連續(xù)生產(chǎn)節(jié)拍為10SPM，機(jī)器人OL點(diǎn)設(shè)置在距離壓力機(jī)滑塊邊緣500mm 的位置，機(jī)器人運(yùn)行到該位置時(shí)壓力機(jī)到達(dá)95°?，F(xiàn)將OL 點(diǎn)設(shè)置在滑塊邊緣，此時(shí)機(jī)器人運(yùn)行到該位置時(shí)壓力機(jī)到達(dá)80°，距離上料報(bào)警角還有15°的空間，此時(shí)壓力機(jī)速度可以進(jìn)一步提升。

機(jī)器人OL 點(diǎn)設(shè)置越靠近模具，對(duì)節(jié)拍提升越有幫助。針對(duì)將OL 點(diǎn)直接設(shè)置在模具邊緣，機(jī)器人退出到壓力機(jī)邊緣過程中壓力機(jī)下壓，是否與機(jī)器人干涉碰撞的問題，測(cè)試結(jié)果如圖20 所示。

圖20 機(jī)器人從模具邊緣運(yùn)行至滑塊邊緣對(duì)應(yīng)壓力機(jī)運(yùn)行角度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

12SPM 連續(xù)模式空運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試：機(jī)器人從位置①運(yùn)行至位置②(L ＝600mm)，對(duì)應(yīng)壓力機(jī)運(yùn)行的最大角度為24.5°。根據(jù)1000t 壓力機(jī)滑塊行程曲線，滑塊從位置③運(yùn)行至位置④(H ＝400mm)，需要35°左右。相當(dāng)于機(jī)器人從模具邊緣運(yùn)行至滑塊邊緣時(shí)，滑塊底部與機(jī)器人七軸還有10.5°的安全區(qū)間，其余連續(xù)模式節(jié)拍低于12SPM 的零件，安全區(qū)間更大，機(jī)器人與壓力機(jī)無干涉。

18SPM 斷續(xù)模式空運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試：機(jī)器人從位置①運(yùn)行至位置②對(duì)應(yīng)壓力機(jī)運(yùn)行的最大角度為27.1°，機(jī)器人從模具邊緣運(yùn)行至滑塊邊緣時(shí)滑塊底部與機(jī)器人七軸還有7.9°的安全區(qū)間，使用斷續(xù)模式生產(chǎn)壓力機(jī)節(jié)拍低于18SPM 的零件，安全區(qū)間更大，機(jī)器人與壓力機(jī)也無干涉。

結(jié)束語

我公司生產(chǎn)Y 車型共13 組模具，6 組模具節(jié)拍可達(dá)到整線設(shè)計(jì)最高節(jié)拍12SPM，該車型優(yōu)化前平均節(jié)拍為8.8SPM，優(yōu)化后可達(dá)到10.7SPM，效率提升21.6%，達(dá)到行業(yè)內(nèi)同類型生產(chǎn)線領(lǐng)先水平。大大削減了生產(chǎn)人員加班費(fèi)、能源費(fèi)等成本，為公司發(fā)展創(chuàng)造巨大收益。