文/Jon Larrea· 西班牙法格塞達(dá)公司

Rainer Kie?wetter·德國庫卡自動化公司

高速沖壓線機(jī)器人模式的沖壓自動化革新

文/Jon Larrea· 西班牙法格塞達(dá)公司

Rainer Kie?wetter·德國庫卡自動化公司

汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展，所有與汽車行業(yè)發(fā)展業(yè)務(wù)相關(guān)的人均有體會。經(jīng)濟(jì)危機(jī)促使汽車制造商們努力通過降低成本以保持利潤率，這也促成了西班牙法格塞達(dá)公司和德國庫卡自動化公司在WAVELINE高速沖壓線（圖1）技術(shù)方面的合作。WAVELINE高速沖壓線可以實(shí)現(xiàn)低價格和高產(chǎn)能，從而為汽車企業(yè)獲得更大的經(jīng)濟(jì)收益。高速沖壓線具有生產(chǎn)大中型汽車沖壓件的能力，如車頂蓋板、側(cè)圍、門外板以及尾箱蓋板等。

WAVELINE高速沖壓線的研發(fā)背景

一直以來，壓機(jī)線都是由獨(dú)立的壓力機(jī)組成，通過自動化設(shè)備實(shí)現(xiàn)單序模式操作。這意味著，一旦自動化上料完成，啟動信號會通過自動化設(shè)備傳送到壓力機(jī)上。同時，飛輪上的離合器啟動，壓力機(jī)循環(huán)啟動。當(dāng)壓力機(jī)通過下死點(diǎn)回到上死點(diǎn)后，離合器松開，壓力機(jī)就會停留在上死點(diǎn)。壓力機(jī)的單序模式操作會產(chǎn)生以下兩種弊端：由于每次單序操作都消耗時間，從而單位時間效率無法達(dá)到最高；單序操作產(chǎn)生的能耗和磨損，大幅度增加了運(yùn)行成本（離合器和制動器的工作能耗、每次循環(huán)由于壓機(jī)必須加速和制動所產(chǎn)生的能耗、離合制動盤表面磨損所產(chǎn)生的維修費(fèi)用）。

WAVELINE高速沖壓線的優(yōu)勢

庫卡和法格塞達(dá)合作開發(fā)的WAVELINE高速沖壓線給出了這些問題的解決方案，如圖2所示。該線是目前市場上首條配有自動化機(jī)器人的高速連續(xù)模式?jīng)_壓線，完美地結(jié)合了串聯(lián)壓機(jī)線和多工位壓機(jī)線兩者的優(yōu)點(diǎn)。串聯(lián)壓機(jī)線由單動壓機(jī)組成，以單序模式運(yùn)行，并與自動化系統(tǒng)連接。資本規(guī)模適中，可以實(shí)現(xiàn)中低產(chǎn)能。多工位壓機(jī)線采用連續(xù)模式運(yùn)轉(zhuǎn)，連接復(fù)雜特殊的設(shè)備，如送料機(jī)構(gòu)或者傳送系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更高產(chǎn)能，但相對投資較高。WAVELINE高速沖壓線的理念實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)壓機(jī)線的連續(xù)、同步運(yùn)作，因此相較于傳統(tǒng)的串聯(lián)壓機(jī)線，可實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)量，但是比起多工位壓機(jī)線而言投資更低。

圖1 WAVELINE高速沖壓線

需要指出的是，WAVELINE高速沖壓線的單動壓力機(jī)專為連續(xù)生產(chǎn)設(shè)計，由庫卡最新型的COBRA機(jī)器人上下料，比起傳統(tǒng)機(jī)器人壓機(jī)線，沖程次數(shù)更高。這種運(yùn)行模式降低了能量損耗（WAVELINE高速沖壓線技術(shù)比單序模式壓機(jī)線能耗節(jié)省30％），由于壓機(jī)不用每個行程進(jìn)行離合制動，從而保護(hù)壓機(jī)機(jī)械部分，減少磨損。

在實(shí)際操作中，壓力機(jī)速度由專業(yè)軟件控制；中央控制器實(shí)時監(jiān)控壓力機(jī)間的位置和速度（電子編碼器進(jìn)行軌跡曲線導(dǎo)向）；模具故障或其他原因壓機(jī)線停止運(yùn)行后，再次啟動時速度會降低；機(jī)器人傳輸沖壓件，將其送至下一序的壓力機(jī)；然后壓力機(jī)按照之前計算的偏移角度，以每分鐘7次的速度運(yùn)行；偏移量取決于模具設(shè)計、部件運(yùn)動軌跡要求和機(jī)器人速度；機(jī)器人在壓機(jī)下料位置等待；當(dāng)首臺壓機(jī)達(dá)到“啟動上料”位置，首臺機(jī)器人立即取出部件，將其移入下臺壓力機(jī)中；機(jī)器人根據(jù)其上下序的壓力機(jī)的情況進(jìn)行控制，并相應(yīng)地進(jìn)行位置調(diào)整；隨著生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行，壓機(jī)的每分種沖程次數(shù)以及機(jī)器人速度逐漸增加，直至達(dá)到最大生產(chǎn)量。

根據(jù)前后序壓力機(jī)的實(shí)際速度和位置，庫卡COBRA機(jī)器人在上下料方面分別保持一致，通過虛擬編碼器（模擬速度為12ms）實(shí)現(xiàn)與壓力機(jī)的同步。實(shí)時控制壓力機(jī)，保證壓機(jī)之間偏移角度在可接受范圍之內(nèi)（偏移角度在模擬系統(tǒng)中設(shè)定）。角度偏移太大會延長機(jī)器人到達(dá)下游壓機(jī)進(jìn)行上料的時間，從而無法即時回到下料位置。

模擬技術(shù)的應(yīng)用

所有自動化設(shè)備運(yùn)動路徑以及前后序壓機(jī)的同步，可在模擬程序中確定。模擬的同步軌跡同實(shí)際軌跡進(jìn)行比較，如果檢測出兩者存在巨大偏差，緊急停止將會啟動以避免發(fā)生任何碰撞。庫卡模擬器使用原始3D數(shù)據(jù)（壓力機(jī)、端拾器、機(jī)器人、夾具、零件和布局細(xì)節(jié)），能夠在完整的沖壓線中進(jìn)行新型和、或現(xiàn)有端拾器的運(yùn)行模擬。

法格塞達(dá)和庫卡的模擬軟件可單獨(dú)購買。但作為額外的投資，通常兩者一并購買，因?yàn)槟M軟件是能夠提高最終生產(chǎn)效率的重要工具。

使用模擬軟件的優(yōu)點(diǎn)，包括：在不破壞模具或自動化的情況下，確定路徑；模具和自動化之間的干擾可在制造時進(jìn)行檢測，在不影響安裝時間的情況下，允許對自動化移動路徑（通常通過降低最終總產(chǎn)量）或模具進(jìn)行修改；設(shè)置安裝時間大大減少，從而降低功耗（模擬器對實(shí)際壓機(jī)功耗），減少人工時間。

設(shè)備各結(jié)構(gòu)組成

圖2 庫卡COBRA機(jī)器人和法格壓力機(jī)

拆垛機(jī)的生產(chǎn)能力和效率

根據(jù)板料的尺寸、重量和生產(chǎn)線的期望產(chǎn)量，法格和庫卡可提供不同類型的柔性上料系統(tǒng)，如圖3所示。在新的WAVELINE高速沖壓線的設(shè)計中，板料上料機(jī)經(jīng)過特殊設(shè)計，能夠處理大尺寸、單片小尺寸，甚至是雙料片，理論節(jié)拍可達(dá) 16件 /min。WAVELINE高速沖壓線的上料機(jī)帶兩個上料工位，使用起重設(shè)備將位于生產(chǎn)線左方或右方托盤上的板料運(yùn)送到獨(dú)立的工位上。兩個獨(dú)立的鋼板工位完全自動，并配備磁力分層。磁體激活后，拆垛機(jī)開始運(yùn)行，兩個拆垛機(jī)器人（配備最先進(jìn)的庫卡Quantec技術(shù)）用于進(jìn)行板料拆垛。如果需要加工鋁板或不銹鋼板，將使用吹氣來分離板料。使用線性軌道上的拆垛機(jī)器人進(jìn)行板料拆垛，隨即將板料存放于清洗機(jī)前的首臺傳送帶上（送料）。

圖3 生產(chǎn)線前端

WAVELINE高速沖壓線拆垛機(jī)配有5個特殊的磁性傳送帶和2個可旋轉(zhuǎn)的銜接傳送帶，用于運(yùn)送板料。當(dāng)檢測到有雙料片時，一個傳送帶作為緩沖區(qū)。雙料檢測器同送料傳送帶相結(jié)合。當(dāng)檢測到雙料，傳送帶自動反轉(zhuǎn)，雙料板被投入廢料箱中，廢料箱安裝于拆垛區(qū)域后。

清洗機(jī)和涂油機(jī)要求

清洗機(jī)和涂油機(jī)根據(jù)客戶要求采購。如果板料無需清洗，可以將清洗機(jī)電動移出。因此，進(jìn)料傳送機(jī)可部分移至原清洗機(jī)位置，擺動傳送帶與在線傳送皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)相同，滿足清洗機(jī)移出后空間的過渡傳送。通過清洗機(jī)和涂油機(jī)后，板料移至磁性傳送帶（間歇式傳送），此傳送帶還充當(dāng)緩沖區(qū)。在清洗機(jī)、涂油機(jī)開出時，間歇傳送帶與擺動式皮帶機(jī)一起工作。

零件對中

板料通過緩沖傳送帶后，傳送至光學(xué)對中臺。在對中系統(tǒng)中，安裝有兩個庫卡Quantec機(jī)器人與攝像系統(tǒng)連接。根據(jù)原始編程的位置，攝像系統(tǒng)識別出間歇式傳送帶上板料的位置，將信息發(fā)送至機(jī)器人，從而機(jī)器人能移至正確位置，抓取板料。板料對中后，板料引至上料機(jī)器人（庫卡COBRA），機(jī)器人將板料送至壓力機(jī)的模具中（拉深壓力機(jī)）。

壓力機(jī)間的上下料和產(chǎn)量

庫卡COBRA機(jī)器人

庫卡的COBRA機(jī)器人（圖4）抓取料的速度非?？?。使用這種新型壓機(jī)自動化系統(tǒng)，提高沖壓車間生產(chǎn)力，機(jī)械抓手水平旋轉(zhuǎn)，保證壓機(jī)線中運(yùn)動的自由度和高度的靈活性。通過多軸疊加運(yùn)動和線性軸高速穿梭，系統(tǒng)可達(dá)到最高速度，同時也減少了大量移動。庫卡COBRA機(jī)器人的特殊傳動系統(tǒng)可以使壓機(jī)間的間距最小達(dá)到5200mm。

圖4 庫卡COBRA機(jī)器人運(yùn)動軌跡

連續(xù)模式上下料及產(chǎn)量

產(chǎn)能效率取決于零件上下料運(yùn)動軌跡、沖壓件重量和模具設(shè)計。而實(shí)際生產(chǎn)中，沖壓件的提升過高會降低實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍。復(fù)雜沖壓件需要復(fù)雜的模具和外部滑塊，無法實(shí)現(xiàn)角度位置的過早同步，以致降低實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍，還有很多實(shí)例情況都會影響產(chǎn)能,而WAVELINE生產(chǎn)節(jié)拍達(dá)到15次/min是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

圖5 法格壓機(jī)特殊的滑塊運(yùn)動

壓力機(jī)要求

WAVELINE高速沖壓線采用機(jī)械壓力機(jī)，配有8系多連桿傳動系以及較長的行程（1400mm），速度可控（沒有任何較大的延遲），在緊急制動（短滑塊停止行程）的情況下，能夠迅速停機(jī)。法格為壓力機(jī)設(shè)計了雙多連桿系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)減速，見圖5。下死點(diǎn)前減速可實(shí)現(xiàn)更好的成形質(zhì)量，降低模具的接觸速度和磨損。上死點(diǎn)前的第二次降速是為了增加自動上料/下料的時間。

線尾部分

線尾輸送系統(tǒng)在末臺壓機(jī)后面與整線集成，設(shè)置了成形沖壓件在傳送皮帶上的姿態(tài)，以便其經(jīng)傳送皮帶送出，手工堆垛的方式時，將部件放入相應(yīng)的料箱，并且符合人機(jī)工程學(xué)操作。末臺壓機(jī)下料系統(tǒng)（庫卡COBRA）抓取成形沖壓件，放在出料傳送帶上或儲料架上。線尾是安裝有吸盤的兩臺庫卡機(jī)器人，從末臺壓機(jī)自動碼垛儲料架拾取成形部件（單件、雙件或四件），將其放于傳送帶上正確的位置。作為儲料站，伺服旋轉(zhuǎn)軸可實(shí)現(xiàn)部件±90°的旋轉(zhuǎn)，達(dá)到更靈活的性能和更高生產(chǎn)效率，將廢料移送至線尾。

電氣控制系統(tǒng)和操作說明（HMI）

壓機(jī)線電氣系統(tǒng)采用西門子最新的PLC技術(shù)，結(jié)合PROFINET/安全總線。得益于總線系統(tǒng)，采用一個PLC即可進(jìn)行壓機(jī)和自動化設(shè)備的可視化。傳統(tǒng)壓機(jī)線采用的多線通信可減少為一個以太網(wǎng)的系統(tǒng)，進(jìn)行傳輸、安全和備份功能。此外，這種電氣系統(tǒng)構(gòu)架在多方面存在優(yōu)勢，包括安裝和調(diào)試時間、高可靠性、高安全性、最佳的診斷功能、可持續(xù)性和投資保護(hù)（采用最新技術(shù)）等等。

WAVELINE高速沖壓線通過庫卡計算機(jī)系統(tǒng)操作運(yùn)行，在計算機(jī)上用戶可查看所有設(shè)備的情況，例如自動化設(shè)備、壓力機(jī)和模具更換設(shè)備（KSPressMaster）。由于整條線上使用相同的零件，可以做到所有的PLC內(nèi)部鏈接、KS壓機(jī)診斷給出當(dāng)前生產(chǎn)信息、在不同時段進(jìn)行沖壓件生產(chǎn)狀態(tài)比較，同時進(jìn)行備份等。此外，能夠查看操作和維修手冊，明確指出生產(chǎn)線中的問題。

觸屏技術(shù)的應(yīng)用，提供了一個舒適、直觀的操作系統(tǒng)，讓操作人員更容易了解系統(tǒng)。

自動換模

WAVELINE高速沖壓線設(shè)計能在5min中完成自動換模。自動換模工作，包括：所有軸的自動調(diào)整（拆垛機(jī)分層磁體，雙料傳感器選擇，滑塊調(diào)整，平衡缸調(diào)整等）；所有機(jī)器人的端拾器更換；雙移動工作臺，用于壓機(jī)模具更換。

所有這些附加功能，可使全新的模具和端拾器在壓機(jī)線外準(zhǔn)備，更換時自動提取，無需人工操作。

伺服WAVELINE高速沖壓線的新品研發(fā)

法格塞達(dá)和庫卡公司的下一步合作計劃是開發(fā)WAVELINE高速沖壓自動化系統(tǒng)與伺服壓力機(jī)應(yīng)用。與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械壓力機(jī)傳動系相比，伺服壓力機(jī)的優(yōu)勢在于閉合時間更短?？晒?jié)省出的時間可用于自動化設(shè)備工作，提高產(chǎn)量。拉延速度和上模速度提升往往是生產(chǎn)的瓶頸，但在伺服壓機(jī)上這點(diǎn)很容易克服。如果能在壓機(jī)起始階段提高加速度，那么產(chǎn)量也能提高。這一新型理念相信能在不久的將來得以實(shí)現(xiàn)。