0 引言

　　汽車車身鈑金件沖壓線是汽車生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備，其生產(chǎn)質(zhì)量和效率直接影響到汽車的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。沖壓生產(chǎn)自動化是提高勞動生產(chǎn)率和改善勞動條件的有效措施和主要方法。隨著我國汽車、電器產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高和生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國金屬沖壓行業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化勢在必行。

1 各種生產(chǎn)方式的比較

　　沖壓工藝中的生產(chǎn)方式有傳統(tǒng)的人工生產(chǎn)方式(如圖1所示)與自動化生產(chǎn)方式(如圖2與圖3所示)。從產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、人員勞動強(qiáng)度、安全生產(chǎn)、生產(chǎn)效率各方面進(jìn)行比較，自動化生產(chǎn)方式有較大優(yōu)勢，也是沖壓生產(chǎn)方式的發(fā)展趨勢。沖壓自動化生產(chǎn)線又分為機(jī)械手自動化生產(chǎn)線、機(jī)器人自動化生產(chǎn)線和多工位壓力機(jī)生產(chǎn)線等方式。

　　機(jī)械手自動化生產(chǎn)線和機(jī)器人自動化生產(chǎn)線的區(qū)別主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　(1)安裝方式：機(jī)器人線在地面安裝，與壓力機(jī)沒有機(jī)械上的連接；機(jī)械手線在壓力機(jī)立柱間安裝鋼梁，附著在壓力機(jī)上。
　　(2)使用特點(diǎn)：機(jī)器人線通過端拾器的切換和機(jī)器人動作軌跡的調(diào)整，更加柔性化。
　　(3)生產(chǎn)節(jié)拍：機(jī)器人線生產(chǎn)節(jié)拍為7件/min～10件/min，機(jī)械手線為8件/min～12件/min。

　　(4)投資成本：機(jī)器人線投資低，機(jī)械手線投資高。因?yàn)樯�產(chǎn)節(jié)拍是一個(gè)綜合指標(biāo)，它不僅取決于某一設(shè)備，而且取決于自動化設(shè)備、壓力機(jī)、模具3者的協(xié)調(diào)匹配關(guān)系，如達(dá)到10件/min以上，對壓力機(jī)和模具的要求就相應(yīng)提高，意味著投資增加。

　　綜合考慮，使用機(jī)器人自動化線更加經(jīng)濟(jì)、適用。機(jī)械手自動化線適于大間距的壓力機(jī)生產(chǎn)線，同時(shí)適用于已有生產(chǎn)線的自動化改造。通過更換端拾器，機(jī)器人自動化生產(chǎn)線可適合多車型的生產(chǎn)，柔性更高。

2 機(jī)器人沖壓自動化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

　　機(jī)器人自動化沖壓生產(chǎn)線運(yùn)行循環(huán)方式為：垛料拆垛(機(jī)器人拆垛)-板料傳輸-板料涂油-板料對中-上料機(jī)器人送料-(首臺壓機(jī)沖壓)-下料機(jī)器人取料、送料-(壓機(jī)沖壓)-(根據(jù)工序數(shù)量循環(huán))-下料機(jī)器人取料、送料-(末端壓機(jī)沖壓)-線尾機(jī)器人取料、放料-皮帶機(jī)輸送-人工碼垛。

　　本文以長城汽車的機(jī)器人沖壓自動化生產(chǎn)線為例對其整體布局、電器控制等進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。

　　2.1 系統(tǒng)組成

　　本系統(tǒng)包括拆垛系統(tǒng)、涂油機(jī)、對中臺、壓力機(jī)兼上下料系統(tǒng)、線尾輸送系統(tǒng)。

　　拆垛系統(tǒng)采用可循環(huán)式雙垛料臺，導(dǎo)軌布置平行于壓力機(jī)，沖壓板料用行車或叉車放置在非工作垛料臺上，然后通過有效信號確認(rèn)上料完畢，系統(tǒng)將在一臺拆垛完成后自動轉(zhuǎn)換垛料臺，保證連續(xù)生產(chǎn)；在垛料車上配備磁力分張器，通過磁力將垛料自動拆垛成單張。在拆垛機(jī)器人上有雙料檢測以及雙料處理裝置以保證每次為單張送料。拆垛機(jī)器人將板料放置在長度可調(diào)的磁性傳送帶上，板料送至涂油機(jī)，板料是否涂油及涂油位置可通過編程自行設(shè)定，板料涂油后，傳送到對中臺。

　　對中臺采用機(jī)械對中臺，可方便地進(jìn)行移動和固定，同時(shí)使用重力對中或視覺對中系統(tǒng)，保證板料的重復(fù)定位快捷、準(zhǔn)確與牢固；上料機(jī)器人根據(jù)每個(gè)零件的對中位置，改變運(yùn)行軌跡，將板料準(zhǔn)確地搬運(yùn)到壓力機(jī)內(nèi)；對不同的沖壓制件進(jìn)行機(jī)器人的模擬示教，離線編程，以適應(yīng)多種制件的共線生產(chǎn)；線尾輸送采用皮帶機(jī)，在生產(chǎn)線的末端放置皮帶機(jī)，保證最后一臺壓力機(jī)的機(jī)器人直接將零件放置到皮帶機(jī)上，達(dá)到出件效果。

　　通過軟件使機(jī)器人跟蹤壓機(jī)的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)壓機(jī)與機(jī)器人同步功能，可以最大化上下料與壓機(jī)運(yùn)動之間的重合度，達(dá)到平穩(wěn)切換其速度來縮短生產(chǎn)節(jié)拍及減少機(jī)械負(fù)荷的目的。

通過增加外部軸，做為機(jī)器人的第七軸進(jìn)行伺服控制，使壓力機(jī)間的間距布置更加自由；同時(shí)，機(jī)器人的傳送范圍和搬運(yùn)速度得到提升，生產(chǎn)節(jié)拍更快。

　　2.2 控制系統(tǒng)

　　2.2.1總體控制方案

　　本系統(tǒng)包括拆垛機(jī)、涂油機(jī)、對中臺、上下料系統(tǒng)、線尾輸送系統(tǒng)，各分系統(tǒng)間的電氣控制按照集中監(jiān)控、分散控制的原則。在各控制部分控制系統(tǒng)中，采用設(shè)備層和控制層的典型控制模式，每個(gè)層次中使用不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及軟硬件配置，以實(shí)現(xiàn)各自不同的功能。

　　2.2.2控制層

　　各部分控制系統(tǒng)采用具有現(xiàn)場總線形式的PLC控制方式，具有單獨(dú)控制及連線自動控制的功能。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，可采用西門子S7—416—2DP的PLC，現(xiàn)場總線采用西門子Profibus總線及工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)。每個(gè)控制部分的PI，C之間及各PLC與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換采用工業(yè)以太網(wǎng)方式，供監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)使用。壓力機(jī)控制系統(tǒng)需配備Ethernet card與機(jī)器人控制系統(tǒng)接口，控制系統(tǒng)與機(jī)器人系統(tǒng)間通過Profibus—DP現(xiàn)場總線形式實(shí)現(xiàn)信息交換和連鎖對接。

　　2.2.3 設(shè)備層

　　設(shè)備層在整個(gè)控制系統(tǒng)中處于最底層，是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包括現(xiàn)場操作站、現(xiàn)場設(shè)備檢測單元(如接近開關(guān)、光電開關(guān))、現(xiàn)場其他輸入設(shè)備、現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如電動機(jī)、電磁閥)等，直接或通過現(xiàn)場總線與控制層中的PLC相聯(lián)系，將輸入信號發(fā)送給PLC，并將PLC輸出指令發(fā)送到現(xiàn)場設(shè)備。各種傳感器和閥的接線盒通過現(xiàn)場總線(Profibus—DP)和相應(yīng)控制單元通訊。

　　2.2.4 人機(jī)界面HMI

　　本系統(tǒng)HMI采用SIEMENS的觸摸屏，在每個(gè)控制單元均配置一個(gè)觸摸屏，采用Profibus總線通訊。單元觸摸屏具有指示燈及操作按鈕(或旋鈕)，可顯示錯(cuò)誤報(bào)警及自診斷等信息，本單元相關(guān)的I/O信號在HMI上顯示，并以不同顏色區(qū)分。一旦有故障節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)將持續(xù)報(bào)警，HMI上將在當(dāng)前畫面顯示故障點(diǎn)，以便工作人員查找。

　　2.3 安全系統(tǒng)

　　安全是自動化生產(chǎn)線的最大特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用基于德國PILZ安全PLC的SafetyBus保護(hù)系統(tǒng)，并配置了完善的安全裝置，實(shí)時(shí)控制顯示安全區(qū)域狀況，及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號或停機(jī)，與主PLC系統(tǒng)通訊采用Profibus—DP總線。聲光報(bào)警單元作為整線安全系統(tǒng)的輔助工具，能夠在設(shè)備啟停、設(shè)備故障、上下料故障以及安全系統(tǒng)中各安全監(jiān)控點(diǎn)報(bào)警等異常狀況發(fā)生時(shí)及時(shí)通知操作人員處理。

　　在拆垛系統(tǒng)前設(shè)有一升降門，該門為卷簾門。升降門的開閉與兩個(gè)垛料臺的轉(zhuǎn)換互鎖，當(dāng)一個(gè)垛料臺無料時(shí)，另一個(gè)垛料臺進(jìn)入前，升降門打開，垛料臺開進(jìn)；當(dāng)前一個(gè)垛料臺開出后，升降門落下。升降門是電動升降，并且由操作員從相應(yīng)的操作臺控制，在關(guān)閉時(shí)它們檢測2個(gè)行程開關(guān)，打開時(shí)用一個(gè)傳感器檢測。在保證工作單元安全的情況下，一個(gè)光幕單元(發(fā)射器/接收器)允許相關(guān)的垛料臺車的進(jìn)出，也就是說沖壓線自動運(yùn)行。如果相關(guān)的垛料臺車不是處于過渡階段，而是人或者異物阻擋光幕，這個(gè)光幕單元的斷開將導(dǎo)致整個(gè)沖壓線機(jī)器人動力的切斷(除了處于編程模式的機(jī)器人)，并且拆垛單元的控制回路電源斷開。

　　整個(gè)控制系統(tǒng)的所有緊急停止信號以及壓機(jī)和機(jī)器人之間的安全連鎖信號都連入安全PLC系統(tǒng)，通過PLC程序進(jìn)行互鎖控制。

　　2.4 仿真模擬

　　在虛擬環(huán)境中仿真沖壓線的運(yùn)行情況，避免到生產(chǎn)現(xiàn)場才發(fā)現(xiàn)諸如干涉、節(jié)拍不合理等錯(cuò)誤；通過機(jī)器人離線編程，對機(jī)器人的運(yùn)動軌跡和路線進(jìn)行模擬，以縮短現(xiàn)場的調(diào)試周期。機(jī)器人運(yùn)行軌跡如圖4所示。

3 結(jié)語

　　機(jī)器人沖壓加工自動化的應(yīng)用，既改善了勞動條件，減輕了工人勞動強(qiáng)度，又可確保生產(chǎn)安全，提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，還能降低能源及原材料消耗，節(jié)省輔助加工時(shí)間，降低產(chǎn)品成本。隨著生產(chǎn)線的制作、調(diào)試周期逐步縮短，機(jī)器人自動化生產(chǎn)線越來越為汽車主機(jī)廠所接受，成為沖壓自動化生產(chǎn)線的主流。

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本文標(biāo)題：工業(yè)機(jī)器人在沖壓自動化生產(chǎn)線中的應(yīng)用

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