文/朱益晨·上海發(fā)那科機器人有限公司

基于6軸機器人的快速柔性沖壓自動化生產(chǎn)線方案探討

文/朱益晨·上海發(fā)那科機器人有限公司

本文通過對傳統(tǒng)典型機器人沖壓自動化生產(chǎn)線各個關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)的分析，來進一步研究探討方案改善方向；通過采用FANUC高性能沖壓自動化設(shè)備來提高生產(chǎn)節(jié)拍，優(yōu)化方案配置實現(xiàn)6000mm以下壓機間距的自動化設(shè)備布局；從而協(xié)助客戶節(jié)約場地面積，提升單位面積產(chǎn)出比。

當(dāng)前汽車沖壓件制造行業(yè)采用機器人代替人工搬運的應(yīng)用已逐步普及，并且其需求量呈上升趨勢；國內(nèi)沖壓自動化行業(yè)從90年代末發(fā)展至今，機器人沖壓自動化生產(chǎn)線憑借柔性、性價比高等優(yōu)勢在國內(nèi)沖壓自動化領(lǐng)域占據(jù)了很大部分的比例?？梢灶A(yù)見，隨著汽車產(chǎn)能的不斷提升，未來具備高性價比、高柔性的機器人快速沖壓自動化生產(chǎn)線將在各大沖壓件零部件廠商內(nèi)占據(jù)重要地位；同時，進一步改善并發(fā)展以機器人為搬運平臺的柔性沖壓自動化生產(chǎn)線，并且在此基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)輸出節(jié)拍、優(yōu)化布局、減少占地面積將成為一個重要發(fā)展方向。

存在問題

國內(nèi)采用傳統(tǒng)6軸機器人為搬運平臺的沖壓自動化生產(chǎn)線，壓機間距一般為6500～8000mm，其側(cè)圍件的最高SPM值通常為7～8，中小型零件的最高SPM值通常為8～10；通過分析得知，影響其生產(chǎn)線布局及輸出節(jié)拍的主要因素在于拆垛、對中以及壓機間搬運等環(huán)節(jié)。

拆垛環(huán)節(jié)

傳統(tǒng)機器人拆垛布局方案中，拆垛機器人J1軸作循環(huán)往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動，搬運中小型零件如頂蓋及引擎罩等零件時，拆垛節(jié)拍的SPM值最高可達10次左右。當(dāng)零件重量提高，囿于搬運軌跡以及慣量等諸多因素的限制，導(dǎo)致運行周期時間增長。以側(cè)圍件為例，按傳統(tǒng)拆垛搬運方案，其拆垛搬運節(jié)拍較頂蓋、引擎罩等零件慢20%左右，因此按此種拆垛方案配置，拆垛節(jié)拍提升存在瓶頸。

對中上料環(huán)節(jié)

目前沖壓自動化生產(chǎn)線對中方式主要有重力對中、機械拍打?qū)χ幸约耙曈X對中。隨著機器視覺的發(fā)展，視覺對中憑借其簡潔的硬件配置以及對各種板料的柔性適應(yīng)能力，目前在機器人沖壓自動化線體上配置較普遍，但其存在視覺識別和機器人姿態(tài)調(diào)整的延時。同時在生產(chǎn)一機雙模類對稱零件時，機器人需要進行兩次拾取動作，其搬運節(jié)拍將受到進一步的限制。

壓機間搬運環(huán)節(jié)

當(dāng)前以機器人為搬運平臺的沖壓自動化生產(chǎn)線，壓機間搬運方式主要有機器人6軸旋轉(zhuǎn)搬運、機器人附加平行連桿機構(gòu)搬運以及機器人附加旋轉(zhuǎn)7軸搬運。采用以上搬運方式，由于機器人運行空間需求，通常壓機間距至少需要6500mm以上。

線首拆垛方案分析

常規(guī)拆剁區(qū)域布局

傳統(tǒng)機器人拆垛區(qū)域，拆垛臺車呈平行布局，如圖1所示。機器人搬運軌跡為J1軸關(guān)節(jié)作±90°旋轉(zhuǎn)往復(fù)運動，當(dāng)搬運中小型板料時，其生產(chǎn)節(jié)拍的SPM值最高可達10次左右，但當(dāng)生產(chǎn)側(cè)圍零件時，按此常規(guī)布局，預(yù)計SPM值最高只能達到約8～9次。分析原因，主要歸納為以下幾方面：

⑴機器人主要作旋轉(zhuǎn)運動，運行軌跡距離長；

⑵側(cè)圍料片間油膜粘連導(dǎo)致機器人Z方向提取板料時受到負壓影響；

⑶板料表面積大，機器人拆垛快速提升時，加速度越大受到空氣阻力也越大；

⑷隨著板料的不斷拾取，料垛高度隨之下降，機器人在Z方向上的運行距離也逐漸增大，增加運行時間；

⑸一般手腕負載為100kg級的6關(guān)節(jié)機器人J1軸的最高轉(zhuǎn)動速度通常為90～110°/s，在拆垛運行過程中，J1軸為主導(dǎo)軸，當(dāng)機器人搬運重量較大的側(cè)圍板料時，因慣性增大，導(dǎo)致J1軸馬達加減速時間增長，影響輸出節(jié)拍。

圖1 常規(guī)拆垛區(qū)域布局

改善布局討論

⑴優(yōu)化布局，減少機器人運行距離。

圖2 改進后的機器人循環(huán)直線運動

將傳統(tǒng)拆垛區(qū)域布局中機器人J1軸關(guān)節(jié)所作的循環(huán)旋轉(zhuǎn)±90°運動改進為循環(huán)直線運動（圖2），減少機器人運行距離。

⑵結(jié)合以上優(yōu)化布局，根據(jù)機器人特性，選擇性能匹配最佳的機器人型號。

目前行業(yè)內(nèi)負載100kg級6軸關(guān)節(jié)機器人J1軸的直線運行速度通常為2000mm/s左右。鑒于改善布局后機器人運行軌跡為直線，因此選擇FANUC M-900iA/150P作為拆垛機型（圖3），其手腕負載為150kg，工作半徑為3500mm；關(guān)鍵其加速性能優(yōu)良，直線運行速度可達4000mm/s；因此能很好地匹配改善后布局中高速循環(huán)的直線往復(fù)運動。

圖3 FANUC M-900iA/150P型機器人

⑶減少機器人在料垛側(cè)拾取時Z方向的運行距離。

傳統(tǒng)拆垛機器人運行時，通過程序控制來調(diào)整板料拾取點位置，每拾取一張板料，程序會控制機器人自動往下運行一片料厚的距離，依次循環(huán)往復(fù)。這種通過軟件實現(xiàn)板料拾取位置調(diào)整的方法能滿足實際生產(chǎn)的需求，但隨著料片被不斷拾取，料垛高度隨之不斷降低，機器人在Z方向上的運行距離也逐漸增加，這直接導(dǎo)致機器人運行周期增長。

為縮短拆垛機器人在Z方向上的無效運行時間，本方案采用自動頂升機構(gòu)，隨著料片被不斷拾取，自動頂升機構(gòu)自動將料垛頂升至既定的板料拾取高度位置，確保料垛上表面板料始終與進料皮帶機基本保持同一平面。這樣，機器人的板料拾取點始終被固定在一個穩(wěn)定的高度上，這也意味著其在Z方向上的運行距離始終是最小的；與傳統(tǒng)方案相比，采用料垛自動頂升功能的方案節(jié)省了機器人在拆垛系統(tǒng)中Z方向上的無效運行時間（圖4）。

根據(jù)以上若干重點環(huán)節(jié)的改善，以及通過FANUC Roboguide模擬仿真軟件進行理論節(jié)拍分析，最終形成優(yōu)化后的機器人拆垛技術(shù)方案（圖5）。

通過以上布局調(diào)整，使機器人運行距離降到最短，其趨于直線的運行軌跡有效地利用并發(fā)揮了M-900iA/150P機器人高直線運行速度的優(yōu)勢，避免了板料慣量對搬運產(chǎn)生的阻礙；同時料垛自動頂升機構(gòu)的配備，有效縮短了機器人在拆垛過程中Z方向上的無效運行時間，最大程度地降低了高速提升運動時氣壓阻力造成的不利影響。通過FANUC Roboguide仿真推定，生產(chǎn)效率較傳統(tǒng)配置方案能提升約30%。

對中上料區(qū)方案分析

常規(guī)方案分析

常規(guī)機械拍打?qū)χ幸蚪Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，且后期維護保養(yǎng)不易，目前逐步被視覺對中所取代。相比前者，視覺對中具有柔性化程度高，周邊硬件配置簡單，后期維護保養(yǎng)容易等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于沖壓自動化生產(chǎn)線上；對于單片板料對中定位，其柔性適應(yīng)的優(yōu)勢明顯。但同樣也存在不足之處，其每個工作循環(huán)均需損耗0.5～1s的視覺識別和機器人姿態(tài)調(diào)整時間，生產(chǎn)線受到每分鐘1～2件的產(chǎn)能制約；同時，在生產(chǎn)一機雙模的零件時，若采用視覺對中，則機器人須分兩次拾取板料，雖能實現(xiàn)生產(chǎn)功能，但較一次拾取板料至少還要多花費1s左右的運行時間，生產(chǎn)線預(yù)計將受到每分鐘1～2件產(chǎn)能的損失（圖6）。

圖4 采用料垛自動頂升機構(gòu)縮短Z方向的運行距離

圖5 優(yōu)化后的線首拆垛方案

圖6 常規(guī)視覺對中在一機雙模生產(chǎn)中的弊端

方案優(yōu)化討論

針對以上常規(guī)視覺對中的功能不足，本方案在原有視覺對中系統(tǒng)的基礎(chǔ)上作了改良優(yōu)化，最終目標是確保在上料機器人拾取板料前，板料須處于能從既定位置被直接搬運拾取的就緒狀態(tài)，這就需要三套系統(tǒng)能進行協(xié)同工作。第一，視覺識別系統(tǒng)完成板料的偏差識別，并將偏差數(shù)據(jù)傳送至對中系統(tǒng)；第二，對中系統(tǒng)根據(jù)識別系統(tǒng)獲得的偏差數(shù)據(jù)執(zhí)行并完成板料的位置補償調(diào)整；第三，機器人快速拾取并將板料送入第一工序模具。這樣，上料機器人只需將板料從對中臺以最快的速度搬運至第一工序模具，從而簡化了上料機器人的搬運程序，同時也避免了原先方案中的視覺識別等待時間以及上料機器人姿態(tài)調(diào)整時間。

⑴偏差識別系統(tǒng)。

本方案板料偏差識別系統(tǒng)采用FANUC iRVision視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大優(yōu)勢在于精度可達1.5mm/ pixel，工作范圍能達到4000mm×2000mm，基本能覆蓋并滿足所有車身沖壓板料的視覺對中需求；同時區(qū)別于其他第三方視覺系統(tǒng)，F(xiàn)ANUC iRVision視覺系統(tǒng)能與FANUC上料機器人無縫對接，同時硬件配置精簡，通過機器人TP示教器即能完成整套視覺系統(tǒng)的標定和配置（圖7）。

圖7 FANUC iRVision視覺系統(tǒng)

⑵對中系統(tǒng)。

為了確保上料機器人能快速直接地完成上料工作，要求料片必須在上料機器人取料前完成板料的對中調(diào)整，本方案采用兩臺FANUC平行連桿機器人實現(xiàn)料片的對中調(diào)整（圖8）。此種配置的優(yōu)勢在于：第一，能為整套上料工藝環(huán)節(jié)節(jié)省0.5～2s的周期運行時間；第二，其伺服柔性調(diào)整功能可以滿足各種不同形狀板料的對中調(diào)整，較機械拍打?qū)χ杏懈鼜V泛的適應(yīng)性；第三，此種對中機器人作為成熟標準設(shè)備導(dǎo)入生產(chǎn)線，簡化了系統(tǒng)配置，有利于后期維護保養(yǎng)工作（圖9）。

圖8 FANUC平行連桿機器人

圖9 平行連桿機器人在生產(chǎn)中的應(yīng)用

⑶上料機器人系統(tǒng)。

類似于拆垛機器人，上料機器人運行軌跡同樣是循環(huán)往復(fù)的直線運動，因此機器人選型同樣采用FANUC高性能沖壓專用搬運機器人M-900iA/150P，通過FANUC Roboguide動態(tài)仿真軟件分析，推斷其能很好地匹配優(yōu)化后視覺系統(tǒng)，并完成高速直線往復(fù)上下料運動。

通過采用FANUC iRVision視覺系統(tǒng)以及伺服對中機器人，使整套上料自動化系統(tǒng)更加柔性，能滿足各種形狀單片板料及一機雙模雙片板料的識別定位；并有效解決了常規(guī)視覺對中過程中視覺識別和機器人姿態(tài)調(diào)整造成的時間延時。同時，視覺識別、板料對中以及機器人上料等各工藝環(huán)節(jié)，環(huán)環(huán)緊扣，銜接更加緊湊；根據(jù)生產(chǎn)板料不同，較傳統(tǒng)視覺對中方案能節(jié)約0.5～2s的周期運行時間（圖10）。

圖10 優(yōu)化后的對中方案

圖11 FANUC沖壓直線搬運機器人

壓機間方案分析

現(xiàn)狀分析

目前各大沖壓件制造廠商都在努力提高單位面積產(chǎn)出比，沖壓線的壓機間距規(guī)劃愈加緊湊，如德國SCHULER配備的Crossbar Feeder機械壓力機自動化生產(chǎn)線，壓機間距壓縮到了5200mm，其緊湊程度相當(dāng)于在國內(nèi)常規(guī)5臺壓機所占面積內(nèi)布置了6臺壓機。

采用傳統(tǒng)6軸機器人旋轉(zhuǎn)搬運方式或旋轉(zhuǎn)7軸搬運中小型零件時，通常要求的壓機間距為6500mm以上，但當(dāng)生產(chǎn)車身側(cè)圍等零件或一機雙模零件時，其間距要求更大。同時，為了避免與壓機立柱和模具導(dǎo)向斜楔等機構(gòu)的干涉，機器人軌跡較為復(fù)雜，這同樣也影響了輸出節(jié)拍。

需要解決的問題主要有以下幾方面：第一，避免因復(fù)雜軌跡導(dǎo)致的輸出節(jié)拍下降；第二，目標6000mm以下的壓機間距布置；第三，實現(xiàn)正面上下料，避免機器人在工作過程中與壓機立柱和模具發(fā)生干涉；第四，簡化機器人運行軌跡，使機器人以最短最快的路徑達成最高生產(chǎn)節(jié)拍。

專用設(shè)備導(dǎo)入應(yīng)用

本方案根據(jù)壓機間一系列搬運工藝要求和特點，采用FANUC沖壓直線搬運機器人，利用其手腕部直線倍速機構(gòu)的運行原理，實現(xiàn)零件在壓機間高速直線的搬運（圖11）。

通過有效利用沖壓直線搬運機器人的運動特性，提高了壓機間零件的整體傳輸效率，運行軌跡趨于直線，避免了與周邊設(shè)備的干涉，同時利用FANUC Roboguide軟件最優(yōu)位置計算功能，本方案最終優(yōu)化達成了5600mm的壓機間距布置；據(jù)仿真分析測算，按搬運零件不同，其生產(chǎn)輸出節(jié)拍的SPM值較傳統(tǒng)方案提升3～4次。優(yōu)化后的壓機布局方案如圖12所示。

圖12 優(yōu)化后的壓機布局

結(jié)束語

通過對沖壓自動化生產(chǎn)線各個關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)特點的優(yōu)化和分析，采用FANUC一系列高性能自動化設(shè)備，使生產(chǎn)節(jié)拍得到有效提升，壓機間距縮小至5600mm；同時，因本方案基于FANUC標準成熟機器人搬運平臺，整線配置較目前國外投入昂貴的專機搬運生產(chǎn)線更能滿足國內(nèi)廣大沖壓件零部件廠商對沖壓自動化生產(chǎn)線的需求。