引言

    當前汽車(chē)沖壓件制造行業(yè)采用機器人代替人工搬運的應用已逐步普及，并且其需求量呈上升趨勢。國內沖壓自動(dòng)化行業(yè)從90年代末發(fā)展至今，機器人沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)憑借柔性、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)勢在國內沖壓自動(dòng)化領(lǐng)域占據了很大部分的比例?？梢灶A見(jiàn)，隨著(zhù)汽車(chē)產(chǎn)能的不斷提升，未來(lái)具備高性?xún)r(jià)比、高柔性的機器人快速沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)將在各大沖壓件零部件廠(chǎng)商內占據重要地位。同時(shí)，進(jìn)一步改善并發(fā)展以機器人為搬運平臺的柔性沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，并且在此基礎上提高生產(chǎn)輸出節拍、優(yōu)化布局、減少占地面積將成為一個(gè)重要發(fā)展方向。

    本文通過(guò)對傳統典型機器人沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)各個(gè)關(guān)鍵工藝環(huán)節的分析，來(lái)進(jìn)一步研究探討方案改善方向；通過(guò)采用FANUC高性能沖壓自動(dòng)化設備來(lái)提高生產(chǎn)節拍，優(yōu)化方案配置實(shí)現6000mm以下壓機間距的自動(dòng)化設備布局，從而協(xié)助客戶(hù)節約場(chǎng)地面積，提升單位面積產(chǎn)出比。

    存在問(wèn)題

    國內采用傳統6 軸機器人為搬運平臺的沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，壓機間距通常大于6500mm，一般為6500~8000mm，其側圍件通常最高節拍為7~8spm，中小型零件通常最高生產(chǎn)節拍為8~10spm，通過(guò)分析得知其主要影響生產(chǎn)線(xiàn)布局及輸出節拍的因素在于拆垛、對中以及壓機間搬運等環(huán)節。

    （1）拆垛環(huán)節

    傳統機器人拆垛布局方案中，拆垛機器人J1軸作循環(huán)往復旋轉運動(dòng)，搬運中小型零件如頂蓋及引擎罩等零件時(shí)，拆垛節拍最高可達10spm左右，當零件重量提高，由于搬運軌跡以及慣量等諸多因素的限制，導致運行周期時(shí)間增長(cháng)。以側圍件為例，按傳統拆垛搬運方案，其拆垛搬運節拍較頂蓋、引擎罩等零件慢20%左右，因此按此種拆垛方案配置，拆垛節拍提升存在瓶頸。

    （2）對中上料環(huán)節

    目前沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)對中方式主要有重力對中、機械拍打對中以及視覺(jué)對中。隨著(zhù)機器視覺(jué)的發(fā)展，視覺(jué)對中憑借其簡(jiǎn)潔的硬件配置以及對各種板料的柔性適應能力，目前在機器人沖壓自動(dòng)化線(xiàn)上配置普遍，但其存在視覺(jué)識別和機器人姿態(tài)調整的延時(shí)。同時(shí)在生產(chǎn)一機雙模類(lèi)對稱(chēng)板料時(shí)，機器人需要進(jìn)行兩次拾取動(dòng)作，其搬運節拍將受到進(jìn)一步的限制。

    （3）壓機間搬運環(huán)節

    當前以機器人為搬運平臺的沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，壓機間搬運方式主要有機器人6軸旋轉搬運、機器人附加平行連桿機構搬運以及機器人附加旋轉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(xiàn)首拆垛方案分析】

     1　常規拆垛區域布局（如圖1所示）
 

圖1 常規拆垛區域布局

    傳統機器人拆垛區域，拆垛臺車(chē)呈平行布局，機器人搬運軌跡為J1軸關(guān)節作±90度旋轉往復運動(dòng)，當搬運中小型板料時(shí)，其生產(chǎn)節拍最高可達10spm左右，但當生產(chǎn)側圍板料時(shí)，按此常規布局，預計最高節拍只能達到約8~9spm。分析原因，主要歸納有以下幾方面：

    （1）機器人主要作旋轉運動(dòng)，運行軌跡距離長(cháng)；

    （2）側圍料片間油膜粘連導致機器人Z方向提取時(shí)候受到負壓影響；

    （3）板料表面積大，機器人拆垛快速提升時(shí)，加速度越大受到空氣阻力隨之增大；

    （4）隨著(zhù)板料被不斷拾取，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(shí)間；

    （5）一般手腕負載為100kg級的6關(guān)節機器人J1軸最高轉動(dòng)速度通常為90度/秒~110度/秒左右，在拆垛運行過(guò)程中，J1軸為主導軸，當機器人搬運重量較大的側圍板料時(shí)，因慣性增大，導致J1軸馬達加減速時(shí)間增長(cháng)，影響輸出節拍。

    2　改善布局討論

    2.1　優(yōu)化布局，減少機器人運行距離

    2.1.1　傳統拆垛區域布局：機器人J1軸關(guān)節作循環(huán)旋轉±90度運動(dòng)（如圖2所示）。
 

圖2 傳統拆垛區域布局

    2.1.2　改善布局：機器人作循環(huán)直線(xiàn)運動(dòng)（如圖3所示），減少機器人運行距離。
 

圖3 機器人作循環(huán)直線(xiàn)運動(dòng)

    2.2　結合以上優(yōu)化布局，根據機器人特性，選擇性能匹配最佳的機器人型號

    目前行業(yè)內負載100kg級6軸關(guān)節機器人J1軸最高轉動(dòng)速度通常為90度/秒~110度/秒左右，直線(xiàn)運行速度通常為2000mm/s左右，鑒于改善后布局，機器人運行軌跡為直線(xiàn)，因此方案選擇FANUC M-900iA/150P作為拆垛機型，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(xiàn)運行速度達4000mm/s，因此能很好地匹配改善后布局中高速循環(huán)的直線(xiàn)往復運動(dòng)。

    2.3　減少機器人在料垛側拾取時(shí)Z方向的運行距離

    傳統拆垛機器人運行時(shí)，通過(guò)其程序控制來(lái)調整板料拾取點(diǎn)位置，機器人拾取一張板料，機器人自動(dòng)往下運行一片料厚的距離，依次循環(huán)往復。這種通過(guò)軟件實(shí)現板料拾取位置調整的方法能滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)的需求，但隨著(zhù)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，這直接導致機器人運行周期時(shí)間增長(cháng)。

    為縮短拆垛機器人在Z方向上的無(wú)效運行時(shí)間，本方案采用自動(dòng)頂升機構，隨著(zhù)料片被不斷拾取，自動(dòng)頂升機構自動(dòng)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(jìn)料皮帶機基本保持同一平面上。這樣，機器人的板料拾取點(diǎn)始終被固定在一個(gè)穩定的高度上，這也意味著(zhù)其在Z方向上的運行距離始終是最小的。與傳統方案相比，采用料垛自動(dòng)頂升功能的方案節省了機器人在拆垛工程中Z方向上的無(wú)效運行時(shí)間。

    3　小結

    根據以上若干重點(diǎn)環(huán)節的改善，以及通過(guò)FANUC Roboguide模擬仿真軟件進(jìn)行理論節拍分析，最終形成優(yōu)化后的機器人拆垛技術(shù)方案。

    以上布局的方案，使機器人運行距離降到最短，其趨于直線(xiàn)的運行軌跡有效利用并發(fā)揮了M-900iA/150P機器人高直線(xiàn)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(shí)料垛自動(dòng)頂升機構的配備，有效縮短了機器人在拆垛過(guò)程中Z方向上的無(wú)效運行時(shí)間，最大程度的降低了高速提升運動(dòng)時(shí)氣壓阻力造成的不利影響；通過(guò)FANUC Roboguide仿真推定，生產(chǎn)效率較傳統配置方案能提升約30%。

    【對中上料區方案分析】

    1　常規方案分析

    常規機械拍打對中因其結構復雜，且后期維護保養不易，目前逐步被視覺(jué)對中所取代；相比前者，視覺(jué)對中具有柔性化程度高，周邊硬件配置簡(jiǎn)單，后期維護保養容易等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應用于沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上；對于單片板料對中定位，其柔性適應的優(yōu)勢突出明顯。但同樣也存在不足之處，其每個(gè)工作循環(huán)均需損耗0.5~1s的視覺(jué)識別和機器人姿態(tài)調整時(shí)間，生產(chǎn)線(xiàn)受到每分鐘1~2件的產(chǎn)能制約；同時(shí)，在生產(chǎn)一機雙模的雙片板料時(shí)，若采用視覺(jué)對中，則機器人須分兩次拾取板料，雖能實(shí)現生產(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(shí)間，生產(chǎn)線(xiàn)預計將受到每分鐘1~2件產(chǎn)能的損失。

    2　方案優(yōu)化討論

    針對以上常規視覺(jué)對中的功能不足，本方案在原有視覺(jué)對中系統的基礎上做了改良優(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)，這就需要三套系統能進(jìn)行協(xié)同工作。第一，視覺(jué)識別系統完成板料的偏差識別，并將偏差數據傳送至對中系統；第二，對中系統根據識別系統獲得的偏差數據執行并完成板料的位置補償調整；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(jiǎn)化了上料機器人的搬運程序，同時(shí)也避免了原先方案中的視覺(jué)識別等待時(shí)間以及上料機器人姿態(tài)調整時(shí)間。

    2.1　偏差識別系統

    本方案板料偏差識別系統采用FANUC iRVision視覺(jué)系統，該系統最大優(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(mǎn)足所有車(chē)身沖壓板料的視覺(jué)對中需求；同時(shí)區別于其他第三方視覺(jué)系統，FANUC iRVision視覺(jué)系統能與FANUC上料機器人無(wú)縫對接，同時(shí)硬件配置相當精簡(jiǎn)，通過(guò)機器人TP示教器即能完成整套視覺(jué)系統的標定和配置。

    2.2　對中系統

    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整；本方案采用兩臺FANUC平行連桿機器人實(shí)現料片的對中調整，此種配置的優(yōu)勢在于：第一，能為整套上料工藝環(huán)節節省0.5~2s的周期運行時(shí)間；第二，其伺服柔性調整功能可以滿(mǎn)足各種不同形狀板料的對中調整，較機械拍打對中有更廣泛的適應性；第三，此種對中機器人作為成熟標準設備導入生產(chǎn)線(xiàn)，簡(jiǎn)化了系統配置，有利于后期維護保養工作。

    2.3　上料機器人系統

    類(lèi)似于拆垛機器人，上料機器人運行軌跡同樣是循環(huán)往復的直線(xiàn)運動(dòng)，因此機器人選型同樣采用FANUC高性能沖壓專(zhuān)用搬運機器人M-900iA/150P，通過(guò)FANUC Roboguide動(dòng)態(tài)仿真軟件分析，推定其能很好地匹配優(yōu)化后視覺(jué)系統，并完成高速直線(xiàn)往復上下料運動(dòng)。

    3　小結

    通過(guò)采用FANUC iRVision視覺(jué)系統以及伺服對中機器人，使整套上料自動(dòng)化系統更加柔性，能滿(mǎn)足各種形狀單片板料及一機雙模雙片板料的識別定位；并有效解決了常規視覺(jué)對中過(guò)程中視覺(jué)識別和機器人姿態(tài)調整造成的時(shí)間延時(shí)；同時(shí)視覺(jué)識別、板料對中以及機器人上料等各工藝環(huán)節，環(huán)環(huán)緊扣，銜接更加緊湊；根據生產(chǎn)板料不同，較傳統視覺(jué)對中方案能節約0.5~2s的周期運行時(shí)間。

    【壓機間方案分析】

    1　現狀分析

    目前各大沖壓件制造廠(chǎng)商紛紛都在努力提高單位面積產(chǎn)出比，沖壓線(xiàn)的壓機間距規劃愈加緊湊，如德國SCHULER配備其Crossbar Feeder的機械壓力機自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，其壓機間距壓縮到了5200mm，其緊湊程度相當于在國內常規5臺壓機所占面積內布置了6臺壓機。

    采用傳統6軸機器人旋轉搬運方式或旋轉7軸搬運中小型零件時(shí)，通常要求的壓機間距為6500mm以上；但當生產(chǎn)零件為車(chē)身側圍或一機雙模零件時(shí)，其間距要求更大；同時(shí)為了避免與壓機立柱和模具導向斜楔等機構的干涉，機器人軌跡較為復雜，這同樣也影響了輸出節拍。

    需要解決的問(wèn)題主要有以下幾方面：第一，避免因復雜軌跡導致的輸出節拍下降；第二，目標6000mm以下的壓機間距布置；第三，實(shí)現正面上下料，避免機器人在工作過(guò)程中與壓機立柱和模具發(fā)生干涉；第四，簡(jiǎn)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)節拍。

    2　專(zhuān)用設備導入應用

    本方案根據壓機間一系列搬運工藝要求和特點(diǎn)，采用上海發(fā)那科沖壓直線(xiàn)搬運機器人，利用其手腕部直線(xiàn)倍速機構的運行原理，實(shí)現零件在壓機間高速直線(xiàn)的搬運。

    3　小結

    通過(guò)有效利用沖壓直線(xiàn)搬運機器人的運動(dòng)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(xiàn)，避免了與周邊設備的干涉，同時(shí)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。據仿真分析測算，按搬運零件不同，其生產(chǎn)輸出節拍較傳統方案提升3~4spm。

    結語(yǔ)

    通過(guò)對沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)各個(gè)關(guān)鍵工藝環(huán)節特點(diǎn)的優(yōu)化和分析，采用FANUC一系列高性能自動(dòng)化設備，使生產(chǎn)節拍得到有效提升，壓機間距縮小優(yōu)化至5600mm，同時(shí)因本方案基于FANUC標準成熟機器人搬運平臺，整線(xiàn)配置投入較目前國外昂貴的專(zhuān)機搬運生產(chǎn)線(xiàn)，更能滿(mǎn)足國內廣大沖壓件零部件廠(chǎng)商對沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的需求。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2月刊