1　背景

近年來(lái)隨著(zhù)我國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級，機器人在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用，一方面節省人工，提高生產(chǎn)效率，另一方面提高產(chǎn)品質(zhì)量，達到質(zhì)與量的雙重提升。

本文以廣州數控設備有限公司為佛山一家家電制造企業(yè)的自動(dòng)化改造為例，淺談機器人在家電沖壓生產(chǎn)線(xiàn)的應用。

在設計產(chǎn)線(xiàn)前首先要了解客戶(hù)產(chǎn)品、需求及客戶(hù)現場(chǎng)情況。

1.1 客戶(hù)產(chǎn)品

客戶(hù)產(chǎn)品總共有11款，每款形狀均有差異，通過(guò)觀(guān)察并分析其形狀的共性部分，比較有代表性的形狀如圖1所示。

圖1 客戶(hù)代表性產(chǎn)品

有部分是“門(mén)”字形，有部分是“回”字形，還有一款是“一”字形，其中“門(mén)”字形工件三條邊沿需要折彎，“回”字形工件外4條邊需要折彎，內4邊有些要折彎，“一”字形工件只需要折彎一條邊。所有工件都有小凸起，在設計時(shí)需要注意避讓。

工件尺寸最小為630mm×84mm×0.4mm，最大為790mm×410mm×0.4mm，觀(guān)察所有工件形狀，可知有足夠大的平面方便抓取。工件是不銹鋼材質(zhì)，可以選擇真空吸盤(pán)或電磁鐵抓取。但考慮到工件厚度不足，且電磁鐵抓取容易粘附碎屑，對產(chǎn)品生產(chǎn)造成影響，最終選擇了用真空吸盤(pán)的抓取方式。

產(chǎn)品重量最小0.35kg，最大1.2kg。

因本產(chǎn)品是家電產(chǎn)品最外的裝配殼，所以對于外觀(guān)的要求特別高。產(chǎn)品表面有塑料膜，在生產(chǎn)時(shí)會(huì )有細碎的薄膜脫落，如果落在沖壓模里沒(méi)有及時(shí)清理，會(huì )使產(chǎn)品產(chǎn)生凹痕，影響產(chǎn)品品質(zhì)，所以在自動(dòng)生產(chǎn)中必須增加吹氣裝置。

1.2 客戶(hù)現場(chǎng)情況（如圖2所示）

圖2 客戶(hù)現場(chǎng)示意圖

客戶(hù)現場(chǎng)地面是水泥地面，但是不夠平整，通過(guò)打孔取樣發(fā)現水泥厚度不足，只有約12cm。機器人安裝要求20cm以上，所以在設計時(shí)需要特別考慮加固措施。

1.3 客戶(hù)需求

客戶(hù)要求每15秒生產(chǎn)一個(gè)工件，生產(chǎn)工藝可初步定為：S1：從料車(chē)取料—S2：通過(guò)定位平臺定位—S3：機器人抓取工件放入沖床完成工序1成型—S4：機器人抓取工件放入工序2成型—S5：抓取工件放入輸送帶到工人工作側。

客戶(hù)要求設計兩個(gè)放料小車(chē)，一個(gè)使用，一個(gè)備用。小車(chē)要求定位裝置，并且小車(chē)可以自由移動(dòng)，方便運載工件。

客戶(hù)要求整套系統必須配置透明PC防護圍欄，安全門(mén)必須配置防護鎖，送料車(chē)入口必須配置安全光柵。

2　技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

2.1　項目涉及的產(chǎn)品多，外形差異大

通過(guò)和客戶(hù)溝通，充分了解每一種工件、每一個(gè)工藝步驟的工作姿態(tài)、正反面情況后，把所有的工件組合到一起。

通過(guò)組合分析工件特征，對比得出機器人可以在工件的兩個(gè)大長(cháng)邊抓取比較合理，同時(shí)考慮穩定性和兼容性，在同一個(gè)邊上設計不少于2個(gè)吸盤(pán)。

此項目客戶(hù)沖床的沖壓區域比較大，設計的手抓應該足夠長(cháng)才能保證手抓抓放工件便捷可靠。首先確定每臺機器人能夠抓取的工件數量，因工件比較大，如果一臺機器人配備2個(gè)手抓，手抓需要占據很大的空間，結合客戶(hù)現場(chǎng)實(shí)際情況，不能這樣設計；其次確定工件抓取位置，如前所述采用多排多個(gè)吸盤(pán)的方式來(lái)保證可靠性；再次是客戶(hù)要求在生產(chǎn)過(guò)程中，保證模具的清潔性，需要定時(shí)吹氣，因工件多樣，可以考慮用編程的方法增加吹氣的適應性，可以考慮在機器人夾具增加氣嘴。綜合考慮設計夾具，夾具的重量應該盡量輕便，同時(shí)也要兼顧整個(gè)夾具剛性。最終設計的夾具如圖3所示。

圖3 夾具設計圖

考慮到并不是每一臺機器人都必須配置有吹氣裝置，所以設計兩種夾具。吹氣裝置可以用大的電磁閥+可調方向氣嘴噴頭來(lái)構成，氣嘴可以調整方向，方便按需要調整。同時(shí)設計的多排吸盤(pán)用鋁合金和鈑金折彎件作為框架連接，既保證夾具的剛性，也盡量減少夾具重量，結實(shí)美觀(guān)。設計好后夾具加最大工件的重量約8.6kg，重心離安裝面的距離約800mm。結合夾具負載情況選用廣州數控設備有限公司生產(chǎn)的RB20機器人，其負載為20kg，速度快，工作穩定。通過(guò)3D模擬抓取每種工件，可以達到運行動(dòng)作要求，留有安全余量。

2.2　客戶(hù)要求的工作節拍

初步布局如圖4所示：

圖4 初步布局示意圖

通過(guò)模擬仿真分析，發(fā)現單靠?jì)膳_RB20機器人工作節拍達不到客戶(hù)需求，并且因沖床比較大，兩側有支撐墻等場(chǎng)地限制問(wèn)題，存在機器人夠不著(zhù)所有位置，機器人運行時(shí)會(huì )與支撐墻發(fā)生結構干涉。因此必須增加機器人用于工件中轉，因客戶(hù)現場(chǎng)空間限制，如果采用標準的機器人，機器人之間會(huì )互相干擾，影響生產(chǎn)穩定性，必須設計一臺非標的專(zhuān)用機器人以滿(mǎn)足空間節拍使用要求。本項目特別開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用機器人以滿(mǎn)足狹小空間范圍內的使用要求。

該非標機器人由4個(gè)軸組成，一軸能夠上下運動(dòng)，由伺服電機+絲桿和直線(xiàn)導軌組成，運動(dòng)范圍能夠覆蓋所有模具的高度變化；二、三、四軸是旋轉軸，其中二軸采用伺服電機+RV減速機結構，三軸和四軸采用伺服電機+諧波結構，同時(shí)考慮走線(xiàn)和在運動(dòng)時(shí)不干涉沖床和其它機器人。該機器人結構簡(jiǎn)潔可靠，運行良好。結構示意如圖5所示。

圖5 非標機器人結構示意圖

2.3　送料小車(chē)銜接

送料小車(chē)承擔著(zhù)銜接上道工序，并且為本工序提供原料的任務(wù)，因客戶(hù)工件產(chǎn)品種類(lèi)比較多，大小形狀差異大，小車(chē)設計除常用的定位裝置外，還需要設計可以方便調整定位的裝置；小車(chē)整個(gè)也需要定位，方便機器人抓取原料，設計的小車(chē)及定位裝置如圖6所示。

圖6 小車(chē)及定位裝置設計圖

小車(chē)底部設計有4個(gè)腳輪，其中有兩個(gè)是萬(wàn)向輪。小車(chē)放料板兩側設計有可以調整的梯形絲桿，通過(guò)旋轉的方式推動(dòng)定位柱定位不同工件，使工件都往一個(gè)方向靠齊。設計有定位框，小車(chē)推入定位時(shí)，底部有氣缸拉緊小車(chē)。在定位框上同時(shí)設計了磁性雙張分離裝置，以防止夾具取料時(shí)會(huì )同時(shí)抓取兩張板，同時(shí)為進(jìn)一步提高可靠性，還配置有雙張檢測開(kāi)關(guān)。

2.4 最終現場(chǎng)布局

圖7 最終現場(chǎng)布局圖

由兩臺RB20機器人和兩臺特別設計的專(zhuān)用機器人組成，安裝在鐵板上，鐵板再用地腳螺釘固定在水泥地面上。配備兩臺上料小車(chē)，小車(chē)有磁性分張裝置和雙張檢測裝置，保證每次機器人只能取一張原料板。共有4臺機器人和4套手抓，每套手抓上都配有至少3組真空發(fā)生器和真空吸盤(pán)，并配置有負壓檢測開(kāi)關(guān)，防止運行過(guò)程中工件掉落。

圖8 項目現場(chǎng)

2.5 電氣控制系統

本項目采用S7-1200西門(mén)子PLC，通過(guò)Modbus/TCP IP協(xié)議與機器人系統連接通訊。電氣控制系統的核心部分除西門(mén)子PLC外，還包括檢測元件（行程開(kāi)關(guān)、磁感應開(kāi)關(guān)）、操作面板（觸摸屏、按鈕開(kāi)關(guān)、指示燈）、控制元件（接觸器、電磁閥）以及執行元件（機器人、繼電器）等。

電氣控制系統外圍的輔助元器件包括負荷開(kāi)關(guān)、總斷路器、電機保護斷路器、中間繼電器、變壓器、直流電源、接線(xiàn)盒、接線(xiàn)端子以及其它輔件。

操作面板作為操作人員與設備之間的交互界面，接收來(lái)自操作人員的操作指令并指示設備的運行狀態(tài)，檢測機器人的位置狀態(tài)以及機械各部機的動(dòng)作狀態(tài)。PLC程序自動(dòng)循環(huán)掃描各個(gè)輸入輸出點(diǎn)的當前狀態(tài)，并根據程序所確定的邏輯關(guān)系刷新輸出點(diǎn)的狀態(tài)，連接機器人及外部執行機構從而完成整個(gè)流程的自動(dòng)控制。

操作面板如圖9所示。

圖9 操作面板

觸摸屏上設置有每個(gè)設備的狀態(tài)監控信息，方便問(wèn)題查找。配置各種操作按鈕，方便進(jìn)一步操作設備，吹氣的時(shí)間和頻率也在觸摸屏上設置。

不同產(chǎn)品的生產(chǎn)程序。通過(guò)操作機器人示教盒選擇實(shí)現。

3　效益分析

3.1　應用效果及收益

（1）提升產(chǎn)量：每班產(chǎn)量從1200件提升到2000件；

（2）減少人員：從原先的3人減少到1人，達到省人增效的目的；

（3）生產(chǎn)質(zhì)量穩定，受人為因素影響很少。

3.2　應用擴展

作為機器人在沖壓行業(yè)的典型應用，這個(gè)案例告訴我們，在實(shí)際應用中經(jīng)常會(huì )受到客戶(hù)生產(chǎn)要求和現場(chǎng)空間條件限制，應結合公司的實(shí)際情況，打破固有產(chǎn)品限制，按需要設計專(zhuān)用智能化設備以滿(mǎn)足客戶(hù)需求。

作者簡(jiǎn)介：

江文明（1984-），男，江西撫州人，中級經(jīng)濟師，碩士，現就職于廣州數控設備有限公司，從事工業(yè)機器人研制及產(chǎn)業(yè)化推廣。

李業(yè)銀（1984-），男，助理工程師，本科，現就職于廣州數控設備有限公司，從事機械設計及自動(dòng)化。

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年9月刊