劉 辰，范淑琴，趙升噸

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

汽車大型覆蓋件沖壓線上工件傳送方式合理性探討

劉 辰，范淑琴，趙升噸

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

介紹了汽車覆蓋件沖壓生產(chǎn)線的工藝流程及設(shè)備組成。對(duì)生產(chǎn)線上工件的不同傳送方式的基本原理、特點(diǎn)與合理性進(jìn)行了探討。提出一種并聯(lián)機(jī)器人在該生產(chǎn)線上的新型應(yīng)用方式，并對(duì)其中關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了論述。

機(jī)械制造；沖壓生產(chǎn)線；汽車覆蓋件；機(jī)器人；傳送方式

1 引言

在汽車生產(chǎn)過程中，為了減輕車身重量及降低生產(chǎn)成本，車身40%～70%的構(gòu)件采用薄鋼板沖壓件，因而沖壓加工成為車身制造的主要加工方法。沖壓作為車身制造的第一道工藝，直接決定了車身的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。目前，大部分汽車生產(chǎn)廠商均采取大、中型覆蓋件自制，小型沖壓件外包的生產(chǎn)方式。因此，沖壓線自動(dòng)化的設(shè)計(jì)及設(shè)備選擇受到各汽車生產(chǎn)廠商的極大重視。

隨著工業(yè)機(jī)器人在汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用，機(jī)器人替代了工人單調(diào)、重復(fù)的體力勞動(dòng)，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，已成為汽車制造業(yè)提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵裝備。在車身沖壓生產(chǎn)中，采用工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成沖壓自動(dòng)化輸送系統(tǒng)極大地提高了車身覆蓋件沖壓生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，降低了成本，提高了生產(chǎn)效率。

2 機(jī)器人在覆蓋件沖壓線上的應(yīng)用

目前廣泛應(yīng)用的沖壓連線自動(dòng)化輸送系統(tǒng)，根據(jù)其使用對(duì)象、抓取工件大小及結(jié)構(gòu)的不同，通?？梢苑譃橐韵碌慕Y(jié)構(gòu)形式。

2.1 擺動(dòng)橫桿式機(jī)械手

如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)類型的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)形式簡(jiǎn)單，因而運(yùn)動(dòng)控制算法也比較簡(jiǎn)單，容易控制。設(shè)置在橫桿上的調(diào)節(jié)裝置可以通過多達(dá)5個(gè)自由度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)工件在兩個(gè)工位之間的任意“變位”。端拾器按照工件的形狀安裝在一根由兩側(cè)導(dǎo)軌導(dǎo)向的橫桿上，其有效作用區(qū)域可以覆蓋前后兩臺(tái)壓力機(jī)的整個(gè)工作臺(tái)面。安裝時(shí)，擺動(dòng)橫桿式機(jī)械手采用在壓機(jī)上吊裝的方式，不占地面空間，負(fù)載能力較高。

2.2 平行四連桿結(jié)構(gòu)擺臂式機(jī)械手

如圖2所示，平行四連桿結(jié)構(gòu)擺臂式機(jī)械手是目前沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線中應(yīng)用比較廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)擺臂結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為雙平行四連桿結(jié)構(gòu)擺臂式機(jī)械手和單平行四連桿結(jié)構(gòu)擺臂式機(jī)械手。擺臂式機(jī)械手采用在壓機(jī)上吊裝的方式，不占地面工作空間，負(fù)載能力較高，而且由于擺臂式機(jī)構(gòu)具有行程放大的特點(diǎn)，因此運(yùn)動(dòng)速度高。

2.3 6自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，6自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)及應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，在沖壓自動(dòng)化中廣泛應(yīng)用，如圖3所示。6自由度機(jī)器人可以確定三維空間內(nèi)任意點(diǎn)，因而姿態(tài)調(diào)整靈活，具有較高的柔性。但其末端的速度為各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度的合成，因此，運(yùn)行速度要低于其他兩種機(jī)械手；另外，由于受到腕部機(jī)構(gòu)的限制，負(fù)載能力也較小。機(jī)器人安裝簡(jiǎn)單，采用地面安裝或在壓機(jī)上吊裝的方式，但由于其工作范圍較大，因而對(duì)相鄰壓機(jī)之間的距離的要求不高。

圖3 6自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人

3 新型并聯(lián)機(jī)器人在沖壓線中的應(yīng)用

串聯(lián)機(jī)器人由于自身結(jié)構(gòu)原因，存在許多缺點(diǎn)。如較低的運(yùn)動(dòng)剛度，這將導(dǎo)致操縱的精度降低；以及較差的動(dòng)力特性、較低的速度和加速度。而這些缺點(diǎn)正是并聯(lián)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)。如圖4、5所示。

圖4、5對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，并聯(lián)機(jī)器人采用閉環(huán)機(jī)構(gòu)形式，而串聯(lián)機(jī)器人采用開式傳動(dòng)鏈機(jī)構(gòu)。相對(duì)于串聯(lián)機(jī)器人，并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)安裝在靜平臺(tái)上，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件慣性較小，與串聯(lián)機(jī)構(gòu)的懸臂梁相比，其承載能力高，剛度大，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

（2）串聯(lián)式末端執(zhí)行器的誤差是各個(gè)關(guān)節(jié)誤差的積累和放大，因此誤差大而精度低。并聯(lián)機(jī)構(gòu)沒有累積誤差和誤差放大效應(yīng)，各個(gè)分支誤差相互平均，誤差小而精度高。

（3）串聯(lián)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)都放在運(yùn)動(dòng)的大小臂上，增加了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)慣性，惡化了系統(tǒng)的動(dòng)力性能。而并聯(lián)機(jī)器人很容易將電機(jī)置于基座上，減少了運(yùn)動(dòng)負(fù)荷，極大提高了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)性能。

（4）并聯(lián)機(jī)器人具有對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，位置的反解求解容易。而串聯(lián)機(jī)器人位置求解上，正解容易而反解十分困難。因而在機(jī)器人的在線實(shí)時(shí)計(jì)算中，并聯(lián)機(jī)器人很容易實(shí)現(xiàn)而串聯(lián)機(jī)器人十分困難。

因此，可以將并聯(lián)機(jī)器人在覆蓋件沖壓生產(chǎn)線上使用，以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。如圖6、7所示的并聯(lián)機(jī)器人，具有快速和運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確的特性，特別適合快速搬運(yùn)場(chǎng)合的使用，該類型的機(jī)器人在食品包裝等行業(yè)已經(jīng)有了成功應(yīng)用。同樣的原理，我們可以使用并聯(lián)機(jī)器人代替串聯(lián)機(jī)器人在汽車覆蓋件生產(chǎn)線中的運(yùn)輸作用。下面就對(duì)一條運(yùn)用并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)輸?shù)母采w件生產(chǎn)線做一些設(shè)計(jì)。

圖6 Delta并聯(lián)機(jī)器人

圖7 Delta機(jī)器人在食品包裝工業(yè)應(yīng)用

圖8所示為實(shí)際運(yùn)行的沖壓線。這樣一條機(jī)器人自動(dòng)化沖壓線，一般的整線運(yùn)行循環(huán)方式為：垛料拆垛(機(jī)器人拆垛)—板料傳輸—板料涂油—板料對(duì)中—上料機(jī)器人送料—(首臺(tái)壓機(jī)沖壓)一下料機(jī)器人取料、送料—(壓機(jī)沖壓)—(根據(jù)工序數(shù)量循環(huán))—下料機(jī)器人取料、送料—(末端壓機(jī)沖壓)—線尾機(jī)器人取料、放料—皮帶機(jī)輸送—人工碼垛。因此，所有設(shè)備串聯(lián)完成整條線的正常工作。

圖9 安裝移動(dòng)導(dǎo)軌的并聯(lián)機(jī)器人

圖8 沖壓線上的串聯(lián)機(jī)器人

3.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)包括拆垛系統(tǒng)、涂油機(jī)、對(duì)中臺(tái)、運(yùn)輸機(jī)器人、線尾輸送系統(tǒng)。拆垛系統(tǒng)采用可循環(huán)式雙垛料臺(tái)，導(dǎo)軌布置平行于壓力機(jī)，沖壓板料用行車或叉車放置在非工作垛料臺(tái)上，然后通過有效信號(hào)確認(rèn)上料完畢，系統(tǒng)將在一臺(tái)拆垛完成后自動(dòng)轉(zhuǎn)換垛料臺(tái)，以保證連續(xù)生產(chǎn)；在垛料車上配備磁力分張器，通過磁力將垛料自動(dòng)拆垛成單張。為保證每次送料為單張，在拆垛機(jī)器人上有雙料檢測(cè)及雙料處理裝置。拆垛機(jī)器人將板料放置在長(zhǎng)度可調(diào)的磁性傳送帶上，板料送至涂油機(jī)。板料是否涂油及涂油位置可通過編程自行設(shè)定。板料涂油后，傳送到對(duì)中臺(tái)。

對(duì)中臺(tái)采用機(jī)械對(duì)中臺(tái)，可方便移動(dòng)和固定，同時(shí)使用重力對(duì)中或視覺對(duì)中系統(tǒng)，保證板料重復(fù)定位的快捷、準(zhǔn)確。上料機(jī)器人根據(jù)每個(gè)零件的對(duì)中位置進(jìn)行調(diào)整，將板料準(zhǔn)確搬運(yùn)到壓力機(jī)內(nèi)；線尾輸送采用皮帶機(jī)，在生產(chǎn)線的末端放置皮帶機(jī)，保證最后一臺(tái)壓力機(jī)的機(jī)器人直接將零件放置到皮帶機(jī)上，達(dá)到出件效果。

通過軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)器人跟蹤壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)壓機(jī)與機(jī)器人同步功能，可以最大化上下料與壓機(jī)運(yùn)動(dòng)之間的重合度。由于使用了并聯(lián)機(jī)器人，因此可以完成零件的空間平動(dòng)，不用像串聯(lián)機(jī)器人那樣需多個(gè)串聯(lián)的轉(zhuǎn)動(dòng)來完成運(yùn)動(dòng)。這樣，可以更精確、更快速地完成工件的空間移動(dòng)。

為了擴(kuò)展并聯(lián)機(jī)器人的活動(dòng)空間，讓并聯(lián)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠到達(dá)壓力機(jī)的模具位置拾取零件，在并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)架上安裝導(dǎo)軌（圖 9）,這使得并聯(lián)機(jī)器人更加適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工況。實(shí)際使用中，將導(dǎo)軌兩端架設(shè)在兩臺(tái)壓力機(jī)之間。工作時(shí)，機(jī)器人先通過滑軌移至壓力機(jī)前，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)拾取工件，取出工件后機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)回歸中位，導(dǎo)軌移動(dòng)至下一臺(tái)壓力機(jī)。機(jī)器人將工件放入模具，工作臺(tái)移出，導(dǎo)軌與機(jī)器人工作臺(tái)再回歸中位等待下一次工作。

3.2 控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)包括的各個(gè)系統(tǒng)間的電氣控制按照集中監(jiān)控、分散控制的原則。將每個(gè)子系統(tǒng)看成一個(gè)站。在各控制部分控制系統(tǒng)中，每個(gè)部分有著自己獨(dú)立的控制器，同時(shí)與前后站和總控制器進(jìn)行通訊。

每一站的工作流程都應(yīng)遵循如下流程（圖10）。

圖10 分系統(tǒng)工作流程

此流程中所指的緩沖模式是與前后站都不發(fā)生干涉的位置，對(duì)機(jī)器人來說就是將零件運(yùn)輸在兩個(gè)壓力機(jī)之間的位置。等待后站準(zhǔn)備完畢，將零件傳送到下一站。對(duì)于壓力機(jī)來說，接收到前站的完成指令后還要等到后站的預(yù)備指令，之后進(jìn)行沖壓，以防止沖壓損壞機(jī)器人。

從上面的工作流程可以看出，生產(chǎn)線的控制要嚴(yán)格按照固定的邏輯執(zhí)行。為滿足要求，可以選用PLC進(jìn)行控制，現(xiàn)場(chǎng)總線采用Profibus等工業(yè)總線及工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)。每個(gè)控制部分的PLC之間以及各PLC與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換采用工業(yè)以太網(wǎng)方式，供監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)使用。壓力機(jī)控制系統(tǒng)需配備Ethernet card，與機(jī)器人控制系統(tǒng)接口，控制系統(tǒng)與機(jī)器人系統(tǒng)間通過Profibus—DP現(xiàn)場(chǎng)總線形式實(shí)現(xiàn)信息交換和連鎖對(duì)接。如圖11所示。

圖11 控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)過程中，還要充分考慮到工作空間與各種應(yīng)急裝置，將工作空間隔離開，防止工作人員誤入。只在生產(chǎn)線的首尾設(shè)置人工活動(dòng)區(qū)，用來送料和取料，以保證工作人員安全。設(shè)置在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，了解整個(gè)生產(chǎn)線中每部分的工作狀況。在出現(xiàn)故障時(shí)，維修人員可以通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)快速找出故障并維修。

4 結(jié)論

工業(yè)機(jī)器人在汽車覆蓋件沖壓線中的應(yīng)用，改善了沖壓生產(chǎn)環(huán)境，大幅提高了生產(chǎn)效率。尤其是并聯(lián)機(jī)器人，其具有的高速、高精等特點(diǎn)非常適合于沖壓生產(chǎn)線。因此，并聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用將會(huì)成為沖壓生產(chǎn)線發(fā)展的一個(gè)方向。

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Rationality discussion of transfer method in punching line for auto's big panel

LIU Chen,FAN Shuqin,ZHAO Shengdun
（School of Mechanical Engineering,Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049,Shanxi China）

The technical process and equipments of punching line for auto panel have been introduced.The basic principle,features,and rationality of different transfer modes for work pieces in the line have been discussed.A new application of parallel robots into punching line has been put forward and the key technical issues have been expounded.

Punching line;Automobile panel;Robot;Transfer mode

TG385.9

B

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50975222）

2011-12-26

劉 辰（1988-），男，碩士在讀，主攻自動(dòng)化伺服控制設(shè)計(jì)研究

1672－0121（2012）02－0021－04