侯雨雷 張志強(qiáng) 譚候金 王建新 喻寶林 周玉林

1.燕山大學(xué)，秦皇島，066004 2.一重集團(tuán)大連設(shè)計(jì)研究院有限公司，大連，116000

0 引言

近年來，我國汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，汽車更新?lián)Q代的速度日益加快，由此競爭更為激烈，這就要求汽車制造企業(yè)必須改進(jìn)傳統(tǒng)技術(shù)、縮短研發(fā)周期、降低制造成本、提高生產(chǎn)效率。

采用信息技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。汽車車身沖壓自動化生產(chǎn)線(簡稱沖壓自動線)的運(yùn)動仿真是在虛擬的環(huán)境中對生產(chǎn)線的主要元素進(jìn)行三維建模，并裝配成線，然后驅(qū)動虛擬生產(chǎn)線，模擬真實(shí)生產(chǎn)線的運(yùn)行情況［1］。通過對沖壓自動線進(jìn)行運(yùn)動仿真，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線在虛擬環(huán)境中的安裝調(diào)試，形象地展示生產(chǎn)線的三維布局，演示生產(chǎn)線的預(yù)期動作，檢查各裝備的運(yùn)行干涉情況。沖壓自動線的運(yùn)動仿真能夠避免實(shí)際生產(chǎn)中的干涉碰撞事故［2］，縮短生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)周期和降低現(xiàn)場安裝調(diào)試所造成的額外成本［3］，并可通過調(diào)整各裝備的動作實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍的優(yōu)化，從而提高生產(chǎn)效率。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在沖壓生產(chǎn)中，僅有不足10%的時(shí)間用于工件的沖壓加工，其余時(shí)間均用于工件搬運(yùn)與等待搬運(yùn)［4］。目前，在我國機(jī)器人自動化沖壓生產(chǎn)線中，機(jī)器人與壓力機(jī)的運(yùn)動協(xié)調(diào)關(guān)系多為靜態(tài)配合方式。在此配合方式下，壓力機(jī)滑塊必須在上死點(diǎn)靜止時(shí)，機(jī)器人才能進(jìn)行上下料操作，因此導(dǎo)致生產(chǎn)效率低;且由于壓力機(jī)必須等待機(jī)器人，故壓力機(jī)的運(yùn)行時(shí)斷時(shí)續(xù)，增加了壓力機(jī)離合器、抱閘的動作頻率，縮短了使用壽命［5］。

本文以汽車車身側(cè)圍板沖壓自動線為對象，設(shè)計(jì)了機(jī)器人與壓力機(jī)動態(tài)配合方式的動作協(xié)調(diào)方案，充分利用壓力機(jī)滑塊在上下料干涉高度以上的運(yùn)行時(shí)間，消除了傳統(tǒng)靜態(tài)配合方式中壓力機(jī)的等待時(shí)間，可顯著提高生產(chǎn)效率，并結(jié)合不同運(yùn)動方案，針對沖壓線整體運(yùn)動予以仿真，為沖壓線機(jī)器人運(yùn)料過程穩(wěn)定性的進(jìn)一步改進(jìn)提供依據(jù)。

1 沖壓自動線基本構(gòu)成與尺寸

本文研究對象為安徽江淮汽車車身的側(cè)圍板(圖1)等大型沖壓件，它由1臺2500t閉式四點(diǎn)伺服壓力機(jī)、3臺1000t曲柄壓力機(jī)、5臺 ABB IRB 6660機(jī)器人(配有柔性Crossbar)以及輔助裝備等組成。

圖1 汽車車身的側(cè)圍板

汽車車身側(cè)圍板的坯料尺寸為3110mm×1560mm×0.7mm，拉深深度為200mm，材料為非時(shí)效性深沖冷軋?zhí)间摫“?。各壓力機(jī)間距及壓力機(jī)外形尺寸如圖2所示。

圖2 各壓力機(jī)間距及壓力機(jī)外形尺寸

2 沖壓自動線機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析與軌跡規(guī)劃

機(jī)器人的工作空間及其運(yùn)動軌跡規(guī)劃是進(jìn)行沖壓自動線運(yùn)動仿真的前提。

2.1 ABB機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析

采用 Denavit－Hartenberg 方法［6-7］可方便地建立ABB IRB 6660機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程，其連桿坐標(biāo)系如圖3所示。

利用反正切表示的該機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)反解［8］如下:

圖3 ABB IRB 6660機(jī)器人連桿坐標(biāo)系

需要說明的是，當(dāng)θ5=0時(shí)，操作臂處于奇異狀態(tài)，此時(shí)關(guān)節(jié)軸4和6重合在同一直線上，θ4可任意取值。而當(dāng)θ5≠0時(shí)，可以按式(3)求解θ4。

確定工作空間的方法通常可分為解析法和圖解法［9］兩類。圖4所示即為利用圖解法求出的ABB IRB 6660機(jī)器人工作空間與靈活工作空間。曲線C1之內(nèi)為機(jī)器人靈活工作空間，曲線C2為關(guān)節(jié)5可達(dá)空間的邊界，曲線C3為機(jī)器人末端可達(dá)空間的邊界。

工作對象不同，對機(jī)器人操作靈活性的要求也不一樣。就本文所研究生產(chǎn)線中的上下料機(jī)器人而言，對其末端姿態(tài)的要求并不非常嚴(yán)格，因此，機(jī)器人的軌跡可處于靈活性稍差的 C2范圍之內(nèi)。

2.2 ABB IRB 6660機(jī)器人軌跡規(guī)劃

根據(jù)沖壓生產(chǎn)線的實(shí)際工況，將機(jī)器人水平運(yùn)料高度設(shè)定為1000mm。機(jī)器人的末端(未包括柔性 Crossbar)軌跡規(guī)劃如圖 5所示，其中WV=3300mm，h=2200mm，坯料提升高度為UV=200mm，圓弧ST、PQ的半徑均為50mm。由此亦可確定機(jī)器人在生產(chǎn)線中的安裝位置。

圖4 ABB IRB 6660機(jī)器人靈活工作空間

圖5 機(jī)器人末端軌跡

機(jī)器人末端軌跡的俯視圖參見圖6(線段WV)?？梢姡瑱C(jī)器人末端軌跡位于其靈活工作空間中。

圖6 機(jī)器人末端軌跡的俯視圖

在機(jī)器人搬運(yùn)工件過程中，工件的姿態(tài)保持不變，則在所規(guī)劃軌跡上按一定間隔取點(diǎn)，由運(yùn)動學(xué)反解，即可求出各點(diǎn)所對應(yīng)的機(jī)器人各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量。

3 沖壓自動線動作方案的設(shè)計(jì)

結(jié)合重大專項(xiàng)任務(wù)要求，沖壓自動線的生產(chǎn)節(jié)拍定為每分鐘10件，伺服壓力機(jī)與曲柄壓力機(jī)的運(yùn)動周期均為6s，其升程分別為1200mm和1100mm。假設(shè)每臺壓力機(jī)的偏心主盤均為勻速轉(zhuǎn)動，生產(chǎn)線的上下料干涉高度為500mm。不妨將壓力機(jī)的動作按時(shí)間等分為12份，則伺服壓力機(jī)與曲柄壓力機(jī)的滑塊運(yùn)動曲線分別如圖7和圖8所示。

圖7 2500t伺服壓力機(jī)動作劃分

圖8 1000t壓力機(jī)動作劃分

與壓力機(jī)動作相對應(yīng)，如圖9所示，機(jī)器人的動作也按時(shí)間等分為 12份，即 RL、LK、KP、PK、KL、LR、RM、MN、NU、UN、NM、MR。其中，動作KP、PK 為機(jī)器人送料動作，MN、NU、UN、NM 為機(jī)器人取料動作。

圖9 機(jī)器人動作劃分節(jié)點(diǎn)示意圖

壓力機(jī)與機(jī)器人動作劃分完成之后，即可制訂整條沖壓線的動作方案(方案1)，參見表1。

結(jié)合圖7～圖9，可見表1所示動作方案中機(jī)器人送料動作較快(僅占用1s)，運(yùn)料速度起伏較大，后4臺機(jī)器人還有改善的余地，由此可將放料動作由兩份(KP、PK)改為4份(占用2s):LK、KP、PK和KL。改進(jìn)后的動作方案(方案2)見表2。

表1 沖壓線動作方案1

表2 沖壓線動作方案2

4 沖壓自動線運(yùn)動仿真

首先，提煉生產(chǎn)線中各設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，利用Solidworks建立其簡化三維模型，并根據(jù)軌跡規(guī)劃中所確定的機(jī)器人位置和沖壓線布局進(jìn)行整線裝配，進(jìn)而建立沖壓自動線模型，如圖10所示。

圖10 沖壓自動線三維模型

其次，根據(jù)先前所設(shè)計(jì)動作方案，確定生產(chǎn)線中各個(gè)設(shè)備的初始位置，并在Solidworks中進(jìn)行調(diào)整。

再次，將三維模型導(dǎo)入ADAMS中，添加約束和驅(qū)動。

而后，編制驅(qū)動函數(shù)，調(diào)試虛擬樣機(jī)。機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動函數(shù)均采用AKISPL函數(shù)。其中，被引用的樣條線性數(shù)據(jù)均為兩列，第一列為時(shí)間，第二列為與時(shí)間對應(yīng)的 θi(i=1，2，…，6)。驅(qū)動函數(shù)設(shè)置完成之后，調(diào)試生產(chǎn)線虛擬樣機(jī)，使其按預(yù)定的動作運(yùn)行。由于設(shè)備多，調(diào)試較困難，可將所有可能發(fā)生互鎖的驅(qū)動賦值為0，然后逐個(gè)設(shè)備調(diào)試，依次排除設(shè)備的互鎖，進(jìn)而完成整線調(diào)試。

最后，驅(qū)動該沖壓線進(jìn)行運(yùn)動仿真。分別對動作方案1、方案2進(jìn)行了仿真，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人與壓力機(jī)的動態(tài)配合。圖11所示為生產(chǎn)線中某臺機(jī)器人工作時(shí)的末端軌跡。

圖11 機(jī)器人末端軌跡仿真圖

利用ADAMS可方便地獲得沖壓線運(yùn)行過程中各機(jī)器人末端位移與速度變化情況。圖12所示即為對應(yīng)動作方案1和方案2的沖壓線后4臺機(jī)器人末端運(yùn)動曲線。

由圖12a、圖12b可見，動作方案2改善了機(jī)器人水平方向的運(yùn)動，減緩了末端運(yùn)動曲線的突變;由圖12c、圖12d可見，動作方案2使得機(jī)器人末端的最高速度由6161mm/s降低至4804mm/s。

綜合比較對應(yīng)兩個(gè)動作方案的沖壓線仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，動作方案2充分利用了后3臺壓力機(jī)滑塊在干涉高度之上的運(yùn)行時(shí)間，使得工件的搬運(yùn)過程更加平穩(wěn)。

5 結(jié)束語

本文所提出的沖壓自動線機(jī)器人與壓力機(jī)動作協(xié)調(diào)方案消除了傳統(tǒng)靜態(tài)配合方式的等待時(shí)間，可加快生產(chǎn)節(jié)拍;仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出的機(jī)器人與壓力機(jī)動態(tài)配合方式的可行性，也為機(jī)器人運(yùn)料過程中運(yùn)動性能的改善提供了改進(jìn)依據(jù)。

針對大型沖壓自動線中機(jī)器人與壓力機(jī)的動作協(xié)調(diào)及其運(yùn)動仿真所進(jìn)行的研究，不僅形象地展示了生產(chǎn)線的總體布局，還大為縮短了生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)周期和現(xiàn)場安裝調(diào)試周期，還為類似系統(tǒng)的運(yùn)動仿真提供了參考。

圖12 沖壓線后4臺機(jī)器人末端運(yùn)動曲線

［1］常劍峰，鐘約先，韓贊東，等.轎車車身沖壓生產(chǎn)線虛擬制造系統(tǒng)的研究［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2004，11(4):61-66.Chang Jianfeng，Zhong Yuexian，Han Zandong，et al.A Virtual Manufacturing System for the Press Production Line of Car Body［J］.Journal of Plasticity Engineering，2004，11(4):61-66.

［2］高崇暉，趙震，李玉強(qiáng)，等.汽車覆蓋件自動沖壓生產(chǎn)線虛擬仿真技術(shù)研究［J］.鍛壓技術(shù)，2010，35(1):146-148.Gao Chonghui，Zhao Zhen，Li Yuqiang，et al.Research and Application of Virtual Simulation of Automatic Press Line for Automobile Pane［J］.Forging ＆Stamping Technology，2010，35(1):146-148.

［3］張國彬，林亨.轎車車身沖壓生產(chǎn)線加工過程的建模與仿真［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2002(3):49-52.Zhang Guobin，Lin Heng.Modeling and Simulation of Machining Process of Automobile’s Body Punch Line［J］.Machinery Design＆ Manufacture，2002(3):49-52.

［4］Stone R S，Brett P N，Evans B S，et al.An Automated Handling System for Soft Compact Shaped Non－rigid Products［J］.Mechatronics，1998，8(2):85-102.

［5］王明，黃英，王長潤，等.機(jī)器人沖壓自動線的生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化［J］.儀器儀表用戶，2008，77(6):75-77.Wang Ming，Huang Ying，Wang Changrun，et al.The Optimizations of Productive Time in the Roboticized Autanation Press Line［J］.Electronic Instrumentation Customer，2008，77(6):75-77.

［6］曾劍，林義忠，廖小平，等.6R型噴涂機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析及仿真［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(6):145-147.Zeng Jian，Lin Yizhong，Liao Xiaoping，et al.Kinematics Analysis and Simulation for 6－rotation Joint Spraying Robot［J］.Machinery Design ＆ Manufacture，2010(6):145-147.

［7］王立權(quán)，劉秉昊，吳健榮，等.6R關(guān)節(jié)型機(jī)器人運(yùn)動學(xué)建模［J］.智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2010，5(2):156-160.Wang Liquan，Liu Binghao，Wu Jianrong，et al.Modeling and Implementing the Inverse Kinematics of a Six Revolute Joint Robot［J］.Transactions on Intelligent Systems，2010，5(2):156-160.

［8］Craig J J.Introduction to Robotics［M］.Mechanics and Control.3th ed.Beijing:China Machine Press，2005.

［9］謝俊，匡俐輝，馬履中，等.一種新型串聯(lián)中醫(yī)推拿機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)綜合和工作空間分析［J］.中國機(jī)械工程，2011，22(6):697-701.Xie Jun，Kuang Lihui，Ma Lüzhong，et al.Type Synthesis and Analysis of Workspace of a Novel Series Chinese Medical Massage Arm［J］.China Mechanical Engineering，2011，22(6):156-160.