文/李明昕，路慧明，呂良，蘭明·一汽解放青島汽車有限公司

基于單臺ABB機器人的厚板沖壓自動上下料系統(tǒng)的搭建

文/李明昕，路慧明，呂良，蘭明·一汽解放青島汽車有限公司

以厚板沖壓生產(chǎn)現(xiàn)場現(xiàn)有的ABB機器人上料系統(tǒng)為基礎(chǔ)，為了降低工人的勞動強度，通過對機器人軌跡重新進行規(guī)劃和增加下料臺車，建立了單臺機器人單側(cè)上下料系統(tǒng)。利用Robotstudio軟件對整個厚板沖壓生產(chǎn)線進行離線模擬，驗證機器人的上下料功能，并通過優(yōu)化機器人程序和運動軌跡，減少機器人上下料所需要的時間，保證生產(chǎn)效率，同時為實現(xiàn)厚板沖壓全自動化生產(chǎn)提供了數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

隨著“工業(yè)4.0”和《中國制造2025》戰(zhàn)略的提出，推進制造過程智能化，建設(shè)智能工廠、數(shù)字化車間，加快人機智能交互、工業(yè)機器人等技術(shù)和裝備在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，將成為工業(yè)化的重要發(fā)展方向。目前，我國汽車制造業(yè)不斷的進行生產(chǎn)裝備的自動化、智能化升級改造，以確保新車型的換代頻率，并滿足消費者對車型個性化和高品質(zhì)的追求。沖壓工藝作為汽車制造四大工藝之一，柔性化生產(chǎn)已經(jīng)成為發(fā)展趨勢，越來越多的汽車生產(chǎn)廠商建設(shè)柔性化沖壓生產(chǎn)線。沖壓柔性化生產(chǎn)的代表設(shè)備就是工業(yè)機器人，工業(yè)機器人動作靈活，可靠性高，能夠建立起快速、精確的沖壓件輸送鏈，實現(xiàn)沖壓件傳送的柔性化和智能化。

商用車車架橫梁厚板沖壓件雖然沖壓工藝簡單（一般需要2～3道沖壓工序），但是厚板件板料質(zhì)量較大，人工搬運費時費力，工人勞動強度非常大。為減少工人的勞動強度，我廠沖壓厚板生產(chǎn)線采用ABB IRB6640型機器人進行輔助上料。雖然可以實現(xiàn)自動上料，但是下料仍然需要人工將板料從模具中取出再碼垛，對于尺寸和質(zhì)量比較大的板料，工人的勞動負擔仍然比較大。

為了解決上述問題，本文將以現(xiàn)在的厚板沖壓生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，使用單臺ABB機器人搭建自動化上下料系統(tǒng)，并對機器人自動化上下料系統(tǒng)進行仿真模擬和實際生產(chǎn)試驗，為沖壓厚板線的自動化生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

現(xiàn)有機器人上料系統(tǒng)

目前，我廠現(xiàn)有的機器人上料系統(tǒng)由5部分組成：ABB機器人、上料臺車、電磁鐵端拾器和電氣控制系統(tǒng)。厚板沖壓生產(chǎn)采用機器人上料、人工下料的生產(chǎn)方式，生產(chǎn)流程如圖1所示。

通過流程圖可以看出，現(xiàn)有的厚板沖壓生產(chǎn)線可以實現(xiàn)半自動生產(chǎn)，仍然需要人工將板料從模具中取出進行碼放。工人在碼放制件時，需要將身子探到壓力機內(nèi)將板料取出，然后需要彎腰將制件放在料架上。從人機工程的角度分析，需要避免不自然的身體姿態(tài)、費力的身體移動、高的體力消耗和負重作業(yè)?？紤]到人的效能和需求，我們通過使用機器人進行下料來實現(xiàn)人機工程，創(chuàng)造操作人員、壓力機、機器人和沖壓件的最佳共同效應(yīng)，即降低工人的勞動強度，同時保證生產(chǎn)效率。根據(jù)生產(chǎn)實際情況和資源，我們搭建了基于單臺ABB機器人的上下料系統(tǒng)。

圖1 厚板沖壓生產(chǎn)流程示意圖

機器人自動上下料系統(tǒng)的組成

機器人上下料系統(tǒng)的技術(shù)要求

機器人上下料系統(tǒng)必須考慮生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況，并且必須滿足實際生產(chǎn)要求，因此我們搭建的機器人上下料系統(tǒng)必須滿足以下技術(shù)要求。

⑴利用一臺ABB IRB6640機器人實現(xiàn)上料和下料。

⑵合理布局，有效利用生產(chǎn)現(xiàn)場的空間。

⑶機器人碼垛完成的沖壓件能夠便利運送出生產(chǎn)區(qū)域。

⑷目前只滿足在切邊沖孔、沖孔工序?qū)崿F(xiàn)自動上下料。

⑸滿足生產(chǎn)節(jié)拍，2.5次/分鐘，單班生產(chǎn)達到750沖次。

機器人自動上下料系統(tǒng)硬件搭建

鑒于以上技術(shù)要求，為了減少投資和改造工程量，并且充分利用現(xiàn)有的生產(chǎn)資源，機器人上下料系統(tǒng)只是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加一臺下料臺車，如圖2所示。機器人將制件從模具內(nèi)取出后，碼放在下料臺車上，然后通過下料臺車將碼放好的制件運出工作區(qū)域。

圖2 機器人上下料系統(tǒng)現(xiàn)場布置示意圖及生產(chǎn)流程示意圖

通過機器人上下料的工作流程可以看出，相比于機器人上料，機器人上下料系統(tǒng)的整個工作過程增加了機器人再次進入模具抓取制件、機器人碼放制件和通過下料臺車將垛料輸送出工作區(qū)域3個過程。由于增加了3個過程，機器人上下料生產(chǎn)必然會增加生產(chǎn)時間，相應(yīng)的生產(chǎn)節(jié)拍也勢必降低。如何保證生產(chǎn)效率將會是搭建機器人自動上下料系統(tǒng)的重點和難點。

機器人上下料程序的調(diào)試

確定機器人上下料系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)之后，就需要對機器人上料程序進行修改，使機器人能夠完成下料動作。

機器人上下料程序

相比于現(xiàn)在的ABB機器人運動軌跡，我們增加了運動軌跡點，實現(xiàn)機器人將制件取出并碼放的動作。在機器人程序中，增加以下語句來控制機器人完成下料工作。

MoveL pBeforeLoad,v7000,z50,tool1;

MoveL pPickagain,v2000,fine,tool1;

MoveJ pAfterLoad,v7000,z50,tool1;

MoveL pDrop,v5000,fine,tool1;

MoveL PafterDrop,v7000,z50,tool1;

同時，我們使用下面的語句來實現(xiàn)機器人將制件逐個進行碼放。

MoveL offs(pDrop,0,0,Drop_pos),v5000,fine, tool1;

在生產(chǎn)現(xiàn)場，我們對自動上下料程序進行調(diào)試，機器人程序正常，可以順利的將制件從模具內(nèi)取出然后碼放。同時，我們對機器人上下料程序進行了實際生產(chǎn)驗證，通過對上下料生產(chǎn)進行計時，得到機器人完成一次上下料需要32s，這達不到我們的要求（2.5次/分鐘）。因此，需要提升機器人上下料的效率。

機器人上下料效率提升

⑴增加速度和優(yōu)化軌跡提高效率。

我們首先采用最直接的辦法，即對每個軌跡點的速度、加速度以及速度的百分比進行了修改，提高每個軌跡點的運行速度。另外，我們通過修改程序，使得機器人只在第一次上下料時經(jīng)過Home點，連續(xù)工作后不需要再經(jīng)過Home點，這樣可以減少運動軌跡點。優(yōu)化前后，機器人軌跡如圖3所示。

圖3 機器人運行軌跡優(yōu)化前后對比圖

我們通過Robotstudio軟件建立了沖壓厚板壓力機生產(chǎn)線的三維模型，并對優(yōu)化前后機器人的程序進行模擬，優(yōu)化前后的速度—時間曲線對比圖，如圖4所示。優(yōu)化后總體速度有所增加，最高可達到5210.76 mm/s，通過模擬計算優(yōu)化后50次上下料的平均時間為26.672s/次，優(yōu)化前的平均時間為28.413s/次。模擬時間與實際生產(chǎn)時間不同，主要是因為壓力機由人進行操作，而且機器人進入壓力機內(nèi)放料和取料都是通過人工發(fā)出指令實現(xiàn)的，模擬時并沒有將這些因素計算在內(nèi)。

為了觀察提高速度對機器人關(guān)節(jié)軸的影響，我們對機器人完成一個循環(huán)過程中的每個關(guān)節(jié)角位移進行了監(jiān)測，結(jié)果如圖4所示。從關(guān)節(jié)角位移曲線圖可以看出，機器人在整個軌跡運動過程中，各關(guān)節(jié)角度變化平穩(wěn)，無劇烈振動跡象，并且各個關(guān)節(jié)角的運動范圍始終在機器人設(shè)定的可允許范圍內(nèi)。其中，關(guān)節(jié)6角度變化范圍比較大，這是因為在上料過程中端拾器需要旋轉(zhuǎn)180°，這也與實際情況相符。

通過提高軌跡點運行速度，發(fā)現(xiàn)節(jié)省時間只有1s左右，并不能大幅度的提高效率，所以需要采取其他措施。

⑵優(yōu)化程序提高效率。

通過對機器人程序的分析，我們發(fā)現(xiàn)機器人在每次抓料或者放料時，都需要2s的時間，這2s時間包括對端拾器電磁鐵發(fā)射充磁或者消磁脈沖信號0.5s，還有電磁鐵將板料抓起或者放下時的等待時間1.5s。由于整個上下料過程需要2次抓料和2次放料，這就需要8s的時間，大約占總時間的25%。如果這部分時間可以節(jié)約，那上下料時間可以有較大程度的縮短。

為了減少充磁、消磁以及等待時間，我們設(shè)計機器人在達到抓料點或者放料點之前就發(fā)出脈沖信號，使得端拾器的電磁鐵已經(jīng)充磁或者消磁完畢，從而減少這部分時間。

我們利用ABB機器人程序中TriggIO、TriggL兩個命令編寫程序語句，控制機器人在達到抓料點或者放料點之前的0.5s就發(fā)出充磁或者去磁脈沖信號。在修改ABB機器人程序完成后，為了檢驗程序的正確性和可靠性，我們通過Robotstudio軟件對程序進行了模擬，在模擬過程中機器人可以順利完成上下料動作，而且機器人完成50次上下料的平均時間約為22.724s/次。我們對程序進行了實際生產(chǎn)驗證，在確保成功率為100%的前提下，只對抓料點、放料點和再次放料點進行提前充、放磁，實際完成一次上下料循環(huán)的時間為25s，生產(chǎn)節(jié)拍為2.4次/分鐘，基本達到技術(shù)要求。

⑶增加緩存平臺提高效率。

通過對機器人上下料的整個過程進行研究對比發(fā)現(xiàn)，在整個上下料的過程中，機器人有一段停止等待時間，即壓力機運行時，機器人在壓力機工作區(qū)域外等待大概8s的時間，如圖3所示。如果能夠?qū)⒋硕螜C器人的等待時間變?yōu)闄C器人的工作時間，那么可以減少一部分時間，提高生產(chǎn)節(jié)拍。

為此，我們設(shè)計了一個緩存平臺，通過增加緩存平臺，將機器人的運動軌跡變?yōu)槿鐖D5所示。當機器人連續(xù)工作時，機器人的運動軌跡封閉在上料小車、緩存平臺、模具、下料小車之間的循環(huán)之內(nèi)，將壓力機完成動作的8s完全利用起來。而且在壓力機動作的過程中，機器人就已經(jīng)將板料放到緩存平臺上。這樣整個上下料過程就可以簡化為：機器人抓取緩存平臺上的板料→機器人將板料放入模具內(nèi)→機器人從壓機內(nèi)取出板料→機器人將板料放在下料小車上，這種簡單的循環(huán)過程。

我們對機器人的運動軌跡進行了模擬，如圖6所示。相對于圖4，機器人的速度變換更加頻繁，這主要是由于機器人的軌跡點增加導致的，但是機器人速度為0的時間明顯減少，機器人的利用率提高。通過模擬，計算機器人完成50次上下料循環(huán)的平均時間為20.638s/次，生產(chǎn)節(jié)拍進一步得到提高。

機器人自動上下料系統(tǒng)的實際生產(chǎn)驗證

我們成功搭建了機器人上下料系統(tǒng)，如圖7所示，整個機器人上下料系統(tǒng)由ABB機器人、上料臺車、下料臺車、緩存平臺、電磁鐵端拾器和電氣控制系統(tǒng)組成。在上料系統(tǒng)的基礎(chǔ)上只是增加了下料臺車和緩存平臺兩個簡單的工裝，實現(xiàn)了機器人自動上下料。機器人自動上下料系統(tǒng)有效的利用了現(xiàn)有的生產(chǎn)現(xiàn)場，同時投入較少的資金，并且滿足生產(chǎn)技術(shù)的要求。

圖5 緩存平臺位置及機器人運動軌跡示意圖

圖6 增加緩存平臺后機器人速度-時間曲線

圖7 單臺ABB機器人上下料系統(tǒng)現(xiàn)場布置圖

我們對機器人自動上下料系統(tǒng)進行生產(chǎn)驗證，機器人上下料程序成功運行，并且成功率為100%。通過對實際生產(chǎn)過程進行計時，實際生產(chǎn)節(jié)拍約為22s/次。

表1通過各種優(yōu)化方案，機器人的上下料時間最終控制在22s，生產(chǎn)節(jié)拍也達到了2.7次/分鐘，單班生產(chǎn)就可達到900沖次，完全滿足生產(chǎn)要求。

本文根據(jù)實際生產(chǎn)現(xiàn)場工況要求和基本條件完成了單臺ABB機器人上下料系統(tǒng)的搭建，完成各種工裝的設(shè)計和機器人上下料程序的編制。同時，通過建立厚板沖壓生產(chǎn)線的三維模型和對整個生產(chǎn)線的計算機模擬，積累了相關(guān)經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。

表1 各種方案生產(chǎn)節(jié)拍

通過各種方案的編制和實施，不斷的提高機器人上下料的生產(chǎn)節(jié)拍，最終將生產(chǎn)節(jié)拍提高到2.7次/分鐘。最終，單臺ABB機器人上下料系統(tǒng)可以滿足生產(chǎn)要求，同時可以大大降低工人的勞動強度，為厚板沖壓自動化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。