侯雨雷 王嫦美② 杜建革 李 建 喻寶林 周玉林

(①燕山大學機械工程學院，河北 秦皇島066004;②東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽618000;③一重集團大連設計研究院有限公司，遼寧 大連116000)

汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展對其產品的更新?lián)Q代及自動化和柔性化程度提出很高的要求。汽車大部分覆蓋件及一些承重和支撐件均為沖壓件，因此沖壓生產線成為汽車企業(yè)中最核心的生產線［1］。自上世紀以來，機械手沖壓線一直作為汽車大型沖壓設備的主要形式［2］，而隨著消費者對轎車的品味日益多元化，汽車沖壓生產線逐漸向小批量、多品種轉型［3］。

作為一項規(guī)模效益遞增型的產業(yè)，汽車沖壓線的選擇應立足長遠。汽車沖壓是一個復雜而昂貴的過程，開發(fā)周期又較長［4］，如何能既獲得效益又不造成產能浪費，以應對多變的市場需求，值得思考和研究。

我國汽車工業(yè)生產集中度低，機器人自動化送料方式具有很好的柔性，既可以降低綜合制造和工藝設備投資成本，還可以最大程度的利用產能、縮短開發(fā)周期;既適宜汽車新線建設，又適合老線改造，越來越受到企業(yè)的認可和關注。實現汽車覆蓋件柔性沖壓的最典型的柔性設備便是6自由度工業(yè)機器人［5］。而配備有“旋轉/直線7軸”技術的汽車機器人自動化沖壓線，具有很強的智能性和兼容性［6］，可進行高柔性、高節(jié)拍的混流生產，生產效率很高，某些性能甚至與昂貴的機械手沖壓生產線相當［7］。

目前，國際品牌的沖壓機器人整機價格越來越低［8-9］，沖壓的專業(yè)性卻越來越強，在我國汽車市場得以廣泛應用［10］。國際機器人生產企業(yè)提供從生產線布置、物流管理到機器人選型一系列服務的交鑰匙工程，實際上已成為一種壟斷性技術服務，為汽車企業(yè)增添了較大的附加成本和技術依賴［11-12］。

鑒于我國汽車行業(yè)現狀，在很長一段時間內，機器人沖壓技術在汽車制造企業(yè)還將被繼續(xù)且更加廣泛地應用，因此，為扭轉機器人核心技術缺失和利潤外流的不利局面［13］，必須在整線選型方案和機器人上下料成套技術方面取得突破，打破國際機器人生產企業(yè)在沖壓領域的技術壟斷，以從根本上改變國內汽車廠依賴外商提供沖壓機器人及其上下料集成技術與全套選型服務的局面。

為此，本文將在對沖壓機器人上下料特點及其先進輔助技術分析基礎之上，提出針對汽車車身覆蓋件的沖壓線機器人的選型原則，繼而形成較為具體、全面的機器人選型方法，并給出一實例，為沖壓線制造商或用戶開展相關機器人選型提供參考。

1 汽車沖壓線機器人選型原則

全面、深入理解柔性沖壓技術內涵及掌握包括沖壓輔助設備在內的機器人整線搭配方法是進行沖壓線機器人選型的重要前提。隨著沖壓機器人性能的不斷提升及其輔助設備的開發(fā)，機器人自動化輸送設備的生產效率及柔性的提升不再僅限于作為通用設備的沖壓機器人本身，而越來越多地體現在柔性輔助設備的配置及先進的沖壓協(xié)調方法等技術上［14］。

如圖 1所示為由壓力機、沖壓專用機器人、柔性端拾器、視覺自動識別系統(tǒng)和智能協(xié)調系統(tǒng)組成的機器人柔性沖壓自動化新型線，其自動化程度高且布局緊湊，已成為汽車生產企業(yè)實現高品質、高效率、多品種生產的新模式。

沖壓機器人作為沖壓線的關鍵設備之一，其性能指標主要包括:機器人最大承重、最大運動半徑、手臂最大拾取高度、定位精度、重復定位精度、慣性、穩(wěn)定性以及易維護性。此外，機器人輔助柔性技術在很好地增強機器人沖壓專業(yè)性的同時，也在很大程度上影響著整線生產節(jié)拍及成本的高低，其主要包括視覺自動識別、沖壓同步協(xié)調、柔性7軸、運動軌跡虛擬仿真、機器人干涉校驗、網絡集成控制等技術。

根據沖壓機器人及其輔助技術特點，并結合生產線實際情況，提出如下沖壓線機器人選型總體原則:(1)根據生產線結構與沖壓工藝，初步確定所需機器人的工位與裝機總量。(2)根據汽車覆蓋件的重量及外形尺寸，估計端拾器的最大重量以初步確定機器人的最小載荷限制。(3)根據工件的傳送方式、沖壓線生產節(jié)拍要求和成本預算，確定機器人性能參數和工作空間范圍特點，選擇機器人與端拾器的搭配方式。(4)根據工件的生產種類和機器人工位，確定端拾器總套數及最大高度。(5)根據生產線布局和壓機工藝參數，確定機器人的水平最大臂展和安裝位置。(6)根據壓機內滑塊、模具等垂直空間參數，確定機器人的實際最大臂展、上下料的最大干涉高度、機器人腰部、機器人底座的外形尺寸及高度。(7)根據沖壓線機器人手腕承載與工具質心偏置，確定機器人的實際承載能力與選型要求是否相符，并在軟件環(huán)境下進行機器人上下料干涉校驗，確定機器人精確位置及其壓機間運行軌跡。(8)根據自動化生產線結構和環(huán)境特點，選購或自行開發(fā)技術配套單元，配備相關外圍設備，并進行生產編程調試。

2 汽車沖壓線機器人選型方法

在進行機器人選型之前，需要對汽車沖壓生產線基本工藝特點及需求有明確的認識，根據沖壓線的有關特點制定符合自身實際情況的工件、壓機、工藝等數據，而后根據需求按照一定的步驟逐步縮小工業(yè)機器人的可選范圍及輔助設備的搭配方式。

本文面向一般汽車覆蓋件沖壓生產線開展汽車沖壓機器人及輔助設備的選型，具體方法如下:

(1)根據沖壓工藝確定購進機器人的總數N。

工序數n→壓機臺數n→壓機間機器人數n-1→機器人總數N=(n-1)+3，其中，額外增加的3臺機器人分別為拆垛機器人、首臺壓機上料機器人和尾臺壓機下料機器人。

當舊線改造時，若相鄰壓機間存在m臺機器人，則N=(n-1)×m+3。

(2)根據最重工件質量G、端拾器質量D估算機器人最大承載P。

劃定機器人選型范圍時，一般按所抓取的最重工件與端拾器質量1∶1經驗值估算，即D≈G，進而機器人載荷需滿足P≥G+D≈2G，由此初步確定機器人承載規(guī)格。

(3)根據生產要求和成本預算確定機器人與端拾器的搭配方式與性能要求。

工件的傳送方式影響機器人單臂傳輸的速度和穩(wěn)定性，合理選擇機器人與端拾器的搭配方式可在保證效率的前提下盡量節(jié)約成本。一般來講，工作空間全面的機器人，便于自動更換端拾器，價格也隨著承載能力的增高而加大;而某些特殊沖壓機器人僅保留了前俯工作空間以提高剛度與速度，該類機器人與工作空間全面、承載一般的機器人價格相近，但沖壓效率最高。

機器人配備標準端拾器進行板料搬運時，為避免工件的長邊撞擊壓機支柱或碰觸自身，需將工件旋轉180°放入模具，一般適用于中小型線;而柔性七軸技術在機器人末端增加了一個旋轉或移動自由度，能彌補機器人在搬運大中型件時的手臂長度、工作空間靈活度、速度和平穩(wěn)性的不足，適用于大中型件的平行高效搬運，其中，直線7軸質量較重，需配備負載大的機器人，但板料的到位速度最快。

若以“①”代表“旋轉180°+標準端拾器”，以“②”代表“旋轉7軸+標準端拾器”，以“③”代表“直線7軸+標準端拾器”，以“④”表示“工作空間全面、承載大的機器人”，以“⑤”表示“工作空間全面、承載一般的機器人”，以“⑥”表示“僅有前俯工作空間的機器人”，用戶可結合自身的實際情況，參照汽車覆蓋件板料的一般性數據(見表1)劃分沖壓線類型，繼而依據生產節(jié)拍要求和預算情況選擇機器人及其附屬設備的搭配方式(見表2)，其中，大中型線以大型件的搬運需求來選，中小型線按小型件的搬運特點來選。

表1 汽車覆蓋件板料一般性數據

表2 機器人及附屬設備選型表

(4)根據工件種類和機器人工位確定配套端拾器數量及其最大高度與質量。

首臺拆垛機器人所用端拾器為通用端拾器，適用于所有板料，一般只有1套，特殊情況下最多不超過3套(大、中、小);其余機器人所用端拾器因工序的不同而有較大差別。若一條生產線上加工M種不同大小、重量的汽車覆蓋件，機器人總數為N，則需要(N-1)系列端拾器，每系列端拾器分為M套，即需要(N-1)×M套端拾器。進而確認所選端拾器的實際最大高度為Hdsq和最大實際重量Dmax。

(5)根據生產線結構布置估計機器人最大臂展及安裝位置。

生產線壓力機的布置分為并聯(lián)和串聯(lián)兩種，壓力機并聯(lián)布置，機器人運動相對復雜，效率低。本文壓機為串聯(lián)直線排列(單機聯(lián)線)，沖壓件單向流動，相鄰壓機在機器人兩側對稱分布。

設工作臺中心為A，板料此時在工作臺的模具內，兩壓機連線的對稱中心為B，機器人底座中心為C，工作臺中心到壓機立柱內側距離為L，機器人到兩壓機中心線的垂距為Lr。并設相鄰兩壓機中心距為a，板料尺寸(長×寬)為k×w，兩壓機立柱間距為z，機器人底座尺寸(前后×左右)為b×d，工作臺中心端拾器輔助加長桿長為j。按普通、旋轉7軸、直線7軸端拾器3種情況來求取機器人最大臂展的水平投影r，如圖2。

若壓機立柱間距z小于機器人底座左右尺寸d，則機器人需要安放在立柱內側或倒立安裝;若壓機立柱間距z遠大于機器人底座左右尺寸d，則考慮為機器人加設導軌。

若配備普通標準端拾器，底座中心C離AB連線較近，以實現工件的180°旋轉，則有

式中:(w/2+b/2)＜Lr＜L。

若配備旋轉七軸端拾器，底座中心C離AB連線較遠，以實現工件的平行移動，則有

式中:(k/2+b/2)＜Lr。

類似的，若配備直線7軸端拾器，有

式中:(k/2+b/2)＜Lr。

(6)根據壓機內垂直空間結構估算機器人底座高度和端拾器干涉高度。

考慮到機器人軌跡的簡化和整體節(jié)拍的優(yōu)化，并為保證沖壓頻率的一致性與高效性，壓機內所安裝的下模具中心點高度均保持在一條水平線上。

如圖3所示，Ht為工作臺距地面高度，Hdb為工作臺墊板厚度，Hg為工件厚度，Hxc為滑塊行程，Hk為壓機的最大開模高度，Hsm為上模具高度，Hxm為下模具高度。

根據圖3所示，可估算機器人底座安裝高度Hdz為

根據機器人與滑塊行程進行高度調整以適宜上下料。若預留模具間余量為Hmy，則機器人上下料的干涉高度Hgs為

為能讓機器人順利進入壓機內取料、放料，設機器人手臂與上下模具間的余量為Hjy(包括安全距離、機器人手臂及手腕高度)，則端拾器最大高度Hdsq須滿足

(7)根據底座高度和干涉高度估算機器人腰部高度和最大臂長。

如圖4所示為機器人取放料垂直空間示意圖，其左側為配備普通端拾器的機器人取放料垂直空間，右側為配備柔性端拾器的機器人取放料垂直空間，設Hyb為機器人腰部高度，rm為最大臂長，j0為標準端拾器加長桿長度、j1為直線7軸端拾器平移長度、j2為柔性7軸端拾器加長桿長度，u×v(長×寬)為壓機滑塊底面尺寸。

使用普通標準端拾器的機器人手臂須與板料中心線重合，參照圖4，為減少手臂伸長幅度，機器人必須靠近兩壓機中心連線，機器人上下料的干涉余量Hgs應包括伸入壓機的機器人手臂高度。若機器人底座高于最高上料位置，則會造成大臂與滑塊的干涉，故機器人底座的安裝高度應滿足如下限制條件

而使用柔性端拾器的機器人手臂擺動與伸長范圍都大為減小，且當直線7軸端拾器的平移軸長度j1超過v/2、旋轉7軸的加長桿長度j2×cosθ＞v/2(其中，θ為機器人手臂與加長桿連線與兩壓機對稱線夾角)時，沖壓機器人手臂可以完全在壓機外完成上下料任務。因此，使用柔性端拾器的機器人腰部高度與機器人端拾器上下極限位置的平分線重合為宜，即應滿足以下關系

進而沖壓機器人手臂的實際伸長量應為

(8)根據最重工件質量G、最重端拾器實際質量Dmax、最重加長裝置質量D＇、端拾器中心點離機器人法蘭盤中心點處的偏差L來確定機器人最大載荷。

對照機器人參數圖，查出工具質心距法蘭盤中心L≥0時，機器人對應實際載荷PL，須滿足

據此排除不符合載荷條件的機器人。

(9)根據所選機器人、端拾器和與壓機的相對位置，進行干涉校驗。

為保證沖壓生產線順利運行，利用機器人上下料干涉檢測軟件，仿真模擬實際壓機、模具、工件、端拾器、機器人的運行工況，不斷調整相互的位置，找到最優(yōu)性能的機器人安裝調試方案，并確認詢價。

(10)確定壓機、模具、機器人、端拾器位置后，選定生產線其他配套設備單元。

3 汽車沖壓線機器人選型實例

以某企業(yè)生產汽車側圍板等大型件沖壓線為例進行上下料機器人選型說明。該沖壓線分4道工序成型，由1臺25 000 kN大型閉式四點伺服壓力機、3臺10 000 kN的曲柄壓力機直線串聯(lián)排列組成，結構緊湊，傳送方式為平移。

由壓機數量為4臺，可推算該線所需機器人總數N=6臺，進而根據工位的不同，可分為1臺拆垛機器人、1臺首臺壓機上料機器人、1臺尾臺壓機下料機器人和3臺壓機間傳遞機器人。在汽車沖壓件中，側圍件屬于最大、最重的工件，查閱相關數據知其質量可達27 kg，以此質量作為本文側圍件質量，按與端拾器質量1∶1估算，機器人末端承載至少應達到54 kg。

根據該生產線10次/min的生產節(jié)拍及壓機的空間布局，按照表2可知最佳選項為直線7軸柔性端拾器搭配工作空間范圍全、承載大的機器人。

機器人壓機間上下料的位置布局如圖5所示。由于生產線布局緊湊，因此無需為機器人增設導軌。

因側圍件傳送方式為平移，故此機器人需保證板料的長邊不能接觸底座外沿，則有

式中:Ly為接觸余量。

為避免壓機立柱對機器人手臂轉動的影響，機器人底座中心應在立柱內側，則有

已知側圍件長度k為3.11 m，立柱內側距工作臺中心連線L為2.6 m，設接觸余量Ly為0.4 m，聯(lián)立式(11)、式(12)可推算機器人底座前后尺寸b＜1.29 m，取b=1.25 m，則機器人中心與工作臺中心連線的垂直距離Lr=2.58 m。

壓機滑塊的底面尺寸與工作臺尺寸相同，即長×寬為5 m×2.6 m，取其寬度的一半即為1.3 m，加上壓機滑塊的外圍螺栓等余量0.2 m，即為機器人在水平方向上的干涉距離;若直線7軸端拾器的平移加長量j＞1.5 m，則機器人手臂可在壓機外上下料，便于優(yōu)化沖壓軌跡，故取端拾器平移加長量j=1.6 m。進而，由式(3)可知，機器人取、放料時的手臂伸長量在水平面內的投影距離r約為2.83 m。安全計，取其為2.9 m，即機器人手臂水平方向上的伸長量至少需為2.9 m。

工件厚度Hgj、墊板厚度Hdb、機器人底座的安裝高度Hjz、機器人上下料的最大干涉高度Hgs、干涉高度余量Hyg及端拾器最大高度Hdsq之間存在關系式如下

根據汽車側圍件板料數據及壓機設備參數，并結合式(13)，可推算伺服壓機的機器人底座高度為1.45 m，普通壓機的機器人底座高度為1.35 m;為保證所有壓機間傳送機器人高度在同一水平線上，給3臺普通壓機加設墊板厚度為0.5 m;機器人基座的高度Hjz統(tǒng)一預設為1.45 m;首臺壓機和其余3臺壓機的干涉高度均為1.1 m，設干涉高度余量Hyg為0.3 m，則取端拾器最大高度Hdsq為0.8 m。

如圖6所示為配備直線7軸柔性端拾器的沖壓機器人取放料時的垂直工作空間示意圖，由其可見，機器人腰部頂端設在機器人直線7軸端拾器上、下極限位置的平分線上為宜，即應滿足以下關系

式中:Hyx為上模具下方余量。

此時，手臂的最大伸長量應滿足

機器人底座的左右尺寸b應小于相鄰壓機的立柱間距z，即

根據相關數據，由式(14)、(15)和(16)可得Hyb≤0.9 m，rm＞3.04 m，b＜1.2 m，進而可取Hyb=0.8 m，rm=3.1 m，b=1.1 m。

該線共生產9種大型件，由機器人總數可知所需端拾器的總數為46套，根據板件外形尺寸，初步估算最重端拾器為50 kg，最大高度為0.7 m。

綜上計算與分析結果，提出該條大型汽車覆蓋件生產線所需配備的機器人及其輔助設備性能參數如下:該線共需6臺機器人，其中3臺是壓機間傳送機器人，要求壓機間傳送機器人工作空間全面，末端搭配的直線7軸柔性端拾器，其輔助增加平移量至少為1.6 m，機器人在極限偏載的情況下能承受的靜載荷至少為76 kg，機器人手臂最大伸長范圍至少3.1 m;其余3臺機器人分別為拆垛、首臺壓機上料、尾臺壓機下料機器人，應具有較高的操作速度。

所有機器人均為地面安裝，其腰部高度最好在0.85 m以內，基座尺寸(前后×左右)約為1.25 m×1.1 m，機器人與工作臺中心垂直距離為2.58 m以內。整線所需端拾器共計46套，其中包括配備拆垛機器人的通用端拾器1套，其余端拾器45套共9個系列。端拾器高度限制在0.8 m以內，端拾器最大質量限定在50 kg以內。

若選用ABB公司產品構建產線，則壓機間的物料傳送可選擇ABB IRB 7600-325/3.1型沖壓專用機器人，而拆垛機器人、首臺壓機上料機器人、尾臺壓機下料機器人可選擇ABB IRB 6660-130/3.1型號沖壓專用機器人。

4 結語

本文面向具有一般性特征的汽車沖壓生產線，根據汽車覆蓋件沖壓生產工藝要求，建立了柔性沖壓線上下料機器人選型的總體原則，給出沖壓線機器人及其附屬設備選型或選購的具體方法和步驟，并結合某一汽車側圍板沖壓線構建實例予以說明。該研究工作對汽車企業(yè)和沖壓線制造商在工業(yè)機器人整線選型技術和設備單元的選購具有工程指導和實際借鑒意義。

［1］方海峰.汽車車身制造技術發(fā)展現狀及趨勢分析［J］.汽車與配件，2009(28):12-14.

［2］邱繼紅，熊麗英，王玉山，等.一種柔性沖壓自動化生產線系統(tǒng)的研制［J］.機器人，1998(6):17-21.

［3］張慶庚，張迎杰，回金楷.汽車整車柔性化制造技術［J］.金屬加工:冷加工，2012(22):12-17.

［4］鄒立連.一種汽車覆蓋件自動化沖壓線改造的實際應用［J］.制造業(yè)自動化，2004(12):73-74.

［5］徐方.發(fā)展我國工業(yè)機器人產業(yè)的思考［J］.機器人技術與應用，2010(5):5-6.

［6］單動薄板沖壓液壓機生產線柔性自動化［J］.上海電氣技術，2008(2):54-56，62.

［7］和瑞林，劉吉輝，苗金鐘.機器人沖壓自動化生產線的構成及技術特點［J］.金屬加工:熱加工，2012(5):10-13.

［8］Akeel H A，Holland S W.Product and technology trends for industrial robots［C］.ICRA 2000:IEEEInternational Conference on Roboticsand Automation，2000:696-700.

［9］Makoto Mizukawa.Robot technology(RT)trend and standardization［C］.2005 IEEE Workshop on Advanced Robotics and its Social Impacts，2005:249-253.

［10］孫英飛，羅愛華.我國工業(yè)機器人發(fā)展研究［J］.科學技術與工程，2012(12):2912-2918，3031.

［11］李瑞峰.中國工業(yè)機器人產業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略［J］.航空制造技術，2010(9):32-37.

［12］趙杰.我國工業(yè)機器人發(fā)展現狀與面臨的挑戰(zhàn)［J］.航空制造技術，2012(12):26-29.

［13］李宇劍，巢明.我國工業(yè)機器人產業(yè)現狀與發(fā)展戰(zhàn)略探討［J］.制造業(yè)自動化，2010(15):106-108.

［14］周玉林，張志強，侯雨雷，等.沖壓線機器人與壓機動作協(xié)調方法［J］.制造技術與機床，2013(1):77-80.