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直線七軸工業機器（qì）人搬運係（xì）統在衝壓生產線上的應用

2021-3-20 來源：東風汽車集團技術中心作者：董鍇

【摘要】隨著我國汽車工業的高速發展，金屬板材衝壓自動化技術取得（dé）長足進步，尤其是工業機器（qì）人搬運係統在自動化衝（chōng）壓生產（chǎn）線上的廣泛應用，為高柔性、高效率的衝壓生（shēng）產線提供了很好的解決方案（àn）。本文通過分析在某汽車公司衝壓車間（jiān）所采（cǎi）用的

機器人直線七軸技術，闡述了該技術的特點和優勢。現代汽車工業具（jù）有生產規（guī）模（mó）化（huà）、車（chē）型批量小、品（pǐn）種變化快和多車型共線生產（chǎn）的特點，這些趨勢要求衝壓自動化技術不斷向高（gāo）柔性和高效（xiào）率方向發展。串列式單機聯線自動（dòng）化衝（chōng）壓線是（shì）當前我國汽車廠衝壓生產線采用的主流方案（àn）。采用機器人搬運（yùn）係統的串列式（shì）單機聯線自動化衝壓生（shēng）產線，具有低投入、高效（xiào）率以（yǐ）及高柔性等優點，並且隨著工業機器人技（jì）術不斷發展，衝壓（yā）機器人搬運係統的性能也在不斷提高。

1. 在衝壓自動化生產線上（shàng）的（de）運用

在（zài）采用機器人搬運係統的自動（dòng）化衝壓生產線上（shàng），機器人主要完成（chéng）板料拆垛、各工序壓力機之間的衝壓工件傳送、線尾工件輸出等工作。通過PLC控製係統的協調，機器人（rén）與壓力機之間，上下料機器人之間，機器人（rén）與輸送設（shè）備之間具有（yǒu）準確可靠的運動協調關係，各機器人的（de）功能布局如圖1所示。

用於衝壓生產線的工業機器人，從國內已（yǐ）經投產的自（zì）動（dòng）化衝壓生產線來看，大（dà）部分為標準（zhǔn）六軸工業機器人，其優勢在（zài）於采購成本（běn）較低，柔性化程度高，後期維護簡便。但（dàn）六軸工業機器人因為運動姿態的限製，衝壓工件（jiàn）在從上（shàng）一台壓力機向下一（yī）台壓（yā）力（lì）機傳遞過程中，衝壓工件必須進行180°的水平旋轉，導致機器（qì）人（rén）運動軌跡複雜，衝壓工件在旋轉過（guò）程中容易脫落等問（wèn）題，這（zhè）就限製了機器人的運行速度，進（jìn）而（ér）限製了生產節拍的提高。衝壓工件的水平旋轉動作，需要較（jiào）大的空（kōng）間，尤其在搬運“車身側圍”等大型衝壓件時，這個問題（tí）更（gèng）加明顯。這就導致前後工序壓力機之間的間距較大，增（zēng）加了生產線的占地麵積，進而增加廠（chǎng）房（fáng）基建投資。

機器人（rén）直線七軸（zhóu）技術正是（shì）為了克服標準六軸工業機（jī）器人的上述問題而開發，其基本原理就是在機器（qì）人第六（liù）軸的法蘭盤上增加外部軸平移裝置，該裝置配置有（yǒu）獨立的（de）伺（sì）服電機和編碼器，通過電纜接入機器（qì）人控製電櫃內，由機（jī）器人的控製係統協調該直線七軸裝置與機器人的其他六個軸（zhóu）的協調運作，如圖2所示。

通過在機器人第六軸上加裝（zhuāng）直（zhí）線七軸裝（zhuāng）置，實現工件在前後壓（yā）力機之間的平行移動，大大簡化了機（jī）器人的搬運（yùn）軌跡，不僅可以提高生產效率，還可以節省空間，如圖3所示。

2. 衝壓生產線規劃時注意事項

筆者（zhě）在多個衝壓自動化生產線建設項（xiàng）目中采（cǎi）用了配置直線七軸技術的工業機器人搬運係統，積累了一（yī）些經驗，規劃期間的經（jīng）驗重點總結如下：①如何選擇前後壓力機之間的中心間距。②如果（guǒ）選擇壓力機滑塊行程和模具開口度。③有效的防碰（pèng）撞措施。

（1）前後壓力機的中心距的選擇。采（cǎi）用直線七軸技術的工業機器人對（duì）運行空間的要求不高，當首台壓力機噸位不小於2000t，壓力機工作台前後寬度設定為2500mm時，前後壓力機之（zhī）間的最小間距（jù）可（kě）以設定為約（yuē）5800mm，間距越小，對節拍的提升更好，但在實際規劃時，還需要（yào）綜合考慮以下三個因素。

如（rú）果生產線還需要配置“機器（qì）人自動更換未端（duān）執行器” 功能，當壓力（lì）機中心（xīn）距過小時，必然會導致前後壓力機的立柱之間（jiān）沒（méi）有足夠的空間，無法實（shí）現機器人（rén）原地轉身到機器人底座後方來更換未端執行器，隻能配置未端執行器移載小車，增加土建和設備投資，並降低設備的運行穩定性。

配置未端執行器移載小車，機器人底座也就不得不更換為門型底座，導致前一台壓（yā）力機的左（zuǒ）後立柱和後一台壓力機的左前立柱（zhù），與機器人的底座距離很近，壓力機立柱上的維修門（mén）將難（nán）於打開。

壓力機中心（xīn）距過小，壓力機底座前後就沒（méi）有足夠的空間用於配置維修平台，給布置在壓力機底座下的工作台夾緊（jǐn）頂起油（yóu）缸的維修帶來困難，降低壓力機日後維修的方便性（xìng）。

（2）壓力機滑塊行程和模（mó）具開口度的的（de）選擇。當生產線采用直線七軸（zhóu）技術，在進行壓力機和（hé）模具設計時，滑（huá）塊行程和模具開口度可以（yǐ）按照以下原則進行設定。

如圖4所示（shì），G=A+B+C+D式中， A 是零件厚度，單位為m m； B 是下模安全距離，取50mm；C是直線（xiàn）七軸裝置+端拾器的厚度，取250mm；D是上模安全（quán）距離，取50mm。

模具的（de）有效開口高度必須要大於G，機器人（rén）才可以順利的將（jiāng）衝壓件從模具內送（sòng）入或取出。當模具的有效開口高度小於G時，則需要對模具和衝壓（yā）件進行具體分析，才能確認衝壓件是否能（néng）在該衝壓線上（shàng）生產。

（3）有效的防（fáng）碰撞措施。直線七軸工（gōng）業機器人，在進行衝壓生產（chǎn）過程中，直（zhí）線七軸裝置要伸入到（dào）模具（jù）型腔內進行上下料，所以在軟硬件係統上必須采用以（yǐ）下有效措施來減（jiǎn）少發生碰撞的（de）風險。

在壓力機控製係統中，設置合（hé）理的保護角度，並留出足夠的滑塊製動距離；當壓力機滑塊運行的行程次數發生變化時，自動取消“下（xià）料機（jī）器人的提前進入取料”和“壓力機滑塊提前下行”的優化動作；當下料機器（qì）人的速度設定（dìng）低於100%時，自動取消“上料機（jī）器人（rén）的提（tí）前（qián）進入上（shàng）料”的優化動作；當上料機器人的速度設定低於100%時，自動取消“壓力機滑塊提前下行”的優化（huà）動作；當壓力機滑塊在上行過程（chéng）中突然停止時（shí），立即自動（dòng）停止“下料機器人的運行”；當下料機器人在（zài）模（mó）腔內取料時，如因故障突然停止，應立即停止上料機器人的運行。並且故障排除後，必須手動將下料機（jī）器人（rén）移出模腔後（hòu），再啟動生產循環。

全（quán）線自動換模時，第一個（gè）流程必須是全部機器人先回HOME位，然後（hòu）才允許壓機工作台開動；必須是在壓力機的換模流程全部完成（chéng）後。由人工確認（rèn）後，按下“生產線循環啟動按鈕”，才允許機（jī）器人運行到“等待下料位置”。

在壓力（lì）機上增設一個（gè）檢測滑塊位置的絕對值編碼器，並（bìng）與壓力機自身的滑塊角度編碼器信號進行（háng）實時對比，如果出現（xiàn）偏差，立即停止滑（huá）塊和機器人的運行；在直線七軸（zhóu）裝置（zhì）的兩端配置橡膠防撞塊，當發生輕（qīng）微碰撞時，保證七軸本體不會損壞。

3. 優點及問題總結

（1）工件在生產過程中始終保持平行移動，無須旋轉。這有（yǒu）益於提高工件在上下工序壓力機之間的（de）傳送速（sù）度，進而提高生產線的（de）效率，尤其是在生產“車身側圍”等大型覆蓋件時，優勢更明顯。

（2）工件在上下工（gōng）序壓力機之間傳遞時保持平（píng）行移動方式，可以使大（dà）型工件在（zài）較小的空間內傳遞，減（jiǎn）小壓力機之間的間距，進而減少整條衝壓線在廠房內的占地麵積，降低廠房建設成本。

（3）采用直線七軸技術的（de）機器人搬運係（xì）統適應性強，柔性化高，小至輪罩，大（dà）至“車身整體側圍”等衝壓件均可以全自動高效生產。

（4）配合大型機（jī）器人（rén），直（zhí）線（xiàn）七軸（zhóu）裝置（zhì）的有效負載能力強。例如配置（zhì）直線七軸技術（shù）的機器人選用的是ABB IRB7600 325/3.1型機器人，直線七軸裝置端部的負載能（néng）力可以達到90kg。減去未端執行器和未端執行器快換夾具的質量，還（hái）可以提供（gòng）至少60kg的負載能力給衝壓工件，這已（yǐ）經遠（yuǎn）遠超過了（le）一般轎車和SUV的整（zhěng）體側圍衝壓件質量。

機器人直（zhí）線七軸技（jì）術（shù）存在的局限性（xìng）如（rú）下：基（jī）於承載能力的（de）考慮（lǜ），直線七（qī）軸裝置的長度是有限製的，這就對前後壓力機的最大中心距（jù）存在限製。一般情（qíng）況下，前後壓力機中軸線之間的（de）間距不（bú）能大於（yú）8.5m。如果（guǒ）是老式手動衝壓生產（chǎn）線改造，前後壓力機中心距大於上述（shù）數值（zhí），將無法采（cǎi）用機器人直線七軸技術。此外，衝壓生產過程中，直線（xiàn）七軸裝置需要伸（shēn）入到壓力機模（mó）腔內，如果發（fā）生機器人與機器人（rén）、機器人（rén）與模具的碰撞，可能造成七軸裝置的損壞，修複難度較大。

4. 結（jié）語

隨著我國汽（qì）車市場競爭的不斷加劇，汽車的製造成本和品質成為各汽車（chē）製造（zào）廠家角逐市場的先決條件，因此，采用機器人搬運係統進行衝壓生產是降（jiàng）低汽車製造成本，提（tí）高車身（shēn）製造品質的重要手段。機器人（rén）直線七軸技術更是充分發揮了（le）衝壓（yā）機器人搬（bān）運係統的優勢，將高柔性、高效（xiào）率，低投入的（de）特點更推（tuī）進了一（yī）步。

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