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   引言

    當(dāng)前汽車沖壓件制造行業(yè)采用機(jī)器人代替人工搬運(yùn)的應(yīng)用已逐步普及，并且其需求量呈上升趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)沖壓自動(dòng)化行業(yè)從90年代末發(fā)展至今，機(jī)器人沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線憑借柔性、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)沖壓自動(dòng)化領(lǐng)域占據(jù)了很大部分的比例。可以預(yù)見，隨著汽車產(chǎn)能的不斷提升，未來(lái)具備高性價(jià)比、高柔性的機(jī)器人快速?zèng)_壓自動(dòng)化生產(chǎn)線將在各大沖壓件零部件廠商內(nèi)占據(jù)重要地位。同時(shí)，進(jìn)一步改善并發(fā)展以機(jī)器人為搬運(yùn)平臺(tái)的柔性沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線，并且在此基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)輸出節(jié)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(duì)傳統(tǒng)典型機(jī)器人沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線各個(gè)關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)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(shè)備來(lái)提高生產(chǎn)節(jié)拍，優(yōu)化方案配置實(shí)現(xiàn)6000mm以下壓機(jī)間距的自動(dòng)化設(shè)備布局，從而協(xié)助客戶節(jié)約場(chǎng)地面積，提升單位面積產(chǎn)出比。

    存在問(wèn)題

    國(guó)內(nèi)采用傳統(tǒng)6 軸機(jī)器人為搬運(yùn)平臺(tái)的沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線，壓機(jī)間距通常大于6500mm，一般為6500~8000mm，其側(cè)圍件通常最高節(jié)拍為7~8spm，中小型零件通常最高生產(chǎn)節(jié)拍為8~10spm，通過(guò)分析得知其主要影響生產(chǎn)線布局及輸出節(jié)拍的因素在于拆垛、對(duì)中以及壓機(jī)間搬運(yùn)等環(huán)節(jié)。

    （1）拆垛環(huán)節(jié)

    傳統(tǒng)機(jī)器人拆垛布局方案中，拆垛機(jī)器人J1軸作循環(huán)往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，搬運(yùn)中小型零件如頂蓋及引擎罩等零件時(shí)，拆垛節(jié)拍最高可達(dá)10spm左右，當(dāng)零件重量提高，由于搬運(yùn)軌跡以及慣量等諸多因素的限制，導(dǎo)致運(yùn)行周期時(shí)間增長(zhǎng)。以側(cè)圍件為例，按傳統(tǒng)拆垛搬運(yùn)方案，其拆垛搬運(yùn)節(jié)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(jié)拍提升存在瓶頸。

    （2）對(duì)中上料環(huán)節(jié)

    目前沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線對(duì)中方式主要有重力對(duì)中、機(jī)械拍打?qū)χ幸约耙曈X對(duì)中。隨著機(jī)器視覺的發(fā)展，視覺對(duì)中憑借其簡(jiǎn)潔的硬件配置以及對(duì)各種板料的柔性適應(yīng)能力，目前在機(jī)器人沖壓自動(dòng)化線上配置普遍，但其存在視覺識(shí)別和機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整的延時(shí)。同時(shí)在生產(chǎn)一機(jī)雙模類對(duì)稱板料時(shí)，機(jī)器人需要進(jìn)行兩次拾取動(dòng)作，其搬運(yùn)節(jié)拍將受到進(jìn)一步的限制。

    （3）壓機(jī)間搬運(yùn)環(huán)節(jié)

    當(dāng)前以機(jī)器人為搬運(yùn)平臺(tái)的沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線，壓機(jī)間搬運(yùn)方式主要有機(jī)器人6軸旋轉(zhuǎn)搬運(yùn)、機(jī)器人附加平行連桿機(jī)構(gòu)搬運(yùn)以及機(jī)器人附加旋轉(zhuǎn)7軸搬運(yùn)。采用以上搬運(yùn)方式，由于機(jī)器人運(yùn)行空間需求，通常壓機(jī)間距至少需要6500mm以上。

    【線首拆垛方案分析】

     1　常規(guī)拆垛區(qū)域布局（如圖1所示）
 

圖1 常規(guī)拆垛區(qū)域布局

    傳統(tǒng)機(jī)器人拆垛區(qū)域，拆垛臺(tái)車呈平行布局，機(jī)器人搬運(yùn)軌跡為J1軸關(guān)節(jié)作±90度旋轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)搬運(yùn)中小型板料時(shí)，其生產(chǎn)節(jié)拍最高可達(dá)10spm左右，但當(dāng)生產(chǎn)側(cè)圍板料時(shí)，按此常規(guī)布局，預(yù)計(jì)最高節(jié)拍只能達(dá)到約8~9spm。分析原因，主要?dú)w納有以下幾方面：

    （1）機(jī)器人主要作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行軌跡距離長(zhǎng)；

    （2）側(cè)圍料片間油膜粘連導(dǎo)致機(jī)器人Z方向提取時(shí)候受到負(fù)壓影響；

    （3）板料表面積大，機(jī)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）隨著板料被不斷拾取，料垛高度隨之下降，機(jī)器人在Z方向上的運(yùn)行距離也逐漸增大，增加運(yùn)行時(shí)間；

    （5）一般手腕負(fù)載為100kg級(jí)的6關(guān)節(jié)機(jī)器人J1軸最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度通常為90度/秒~110度/秒左右，在拆垛運(yùn)行過(guò)程中，J1軸為主導(dǎo)軸，當(dāng)機(jī)器人搬運(yùn)重量較大的側(cè)圍板料時(shí)，因慣性增大，導(dǎo)致J1軸馬達(dá)加減速時(shí)間增長(zhǎng)，影響輸出節(jié)拍。

    2　改善布局討論

    2.1　優(yōu)化布局，減少機(jī)器人運(yùn)行距離

    2.1.1　傳統(tǒng)拆垛區(qū)域布局：機(jī)器人J1軸關(guān)節(jié)作循環(huán)旋轉(zhuǎn)±90度運(yùn)動(dòng)（如圖2所示）。
 

圖2 傳統(tǒng)拆垛區(qū)域布局

    2.1.2　改善布局：機(jī)器人作循環(huán)直線運(yùn)動(dòng)（如圖3所示），減少機(jī)器人運(yùn)行距離。
 

圖3 機(jī)器人作循環(huán)直線運(yùn)動(dòng)

    2.2　結(jié)合以上優(yōu)化布局，根據(jù)機(jī)器人特性，選擇性能匹配最佳的機(jī)器人型號(hào)

    目前行業(yè)內(nèi)負(fù)載100kg級(jí)6軸關(guān)節(jié)機(jī)器人J1軸最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度通常為90度/秒~110度/秒左右，直線運(yùn)行速度通常為2000mm/s左右，鑒于改善后布局，機(jī)器人運(yùn)行軌跡為直線，因此方案選擇FANUC M-900iA/150P作為拆垛機(jī)型，其手腕負(fù)載為150kg，工作半徑為3500mm；關(guān)鍵其加速性能優(yōu)良，直線運(yùn)行速度達(dá)4000mm/s，因此能很好地匹配改善后布局中高速循環(huán)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

    2.3　減少機(jī)器人在料垛側(cè)拾取時(shí)Z方向的運(yùn)行距離

    傳統(tǒng)拆垛機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，通過(guò)其程序控制來(lái)調(diào)整板料拾取點(diǎn)位置，機(jī)器人拾取一張板料，機(jī)器人自動(dòng)往下運(yùn)行一片料厚的距離，依次循環(huán)往復(fù)。這種通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)板料拾取位置調(diào)整的方法能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，但隨著料片被不斷拾取，料垛高度隨之不斷降低，機(jī)器人在Z方向上的運(yùn)行距離也逐漸增加，這直接導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)行周期時(shí)間增長(zhǎng)。

    為縮短拆垛機(jī)器人在Z方向上的無(wú)效運(yùn)行時(shí)間，本方案采用自動(dòng)頂升機(jī)構(gòu)，隨著料片被不斷拾取，自動(dòng)頂升機(jī)構(gòu)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(jī)基本保持同一平面上。這樣，機(jī)器人的板料拾取點(diǎn)始終被固定在一個(gè)穩(wěn)定的高度上，這也意味著其在Z方向上的運(yùn)行距離始終是最小的。與傳統(tǒng)方案相比，采用料垛自動(dòng)頂升功能的方案節(jié)省了機(jī)器人在拆垛工程中Z方向上的無(wú)效運(yùn)行時(shí)間。

    3　小結(jié)

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

    以上布局的方案，使機(jī)器人運(yùn)行距離降到最短，其趨于直線的運(yùn)行軌跡有效利用并發(fā)揮了M-900iA/150P機(jī)器人高直線運(yùn)行速度的優(yōu)勢(shì)，避免了板料慣量對(duì)搬運(yùn)產(chǎn)生的阻礙。同時(shí)料垛自動(dòng)頂升機(jī)構(gòu)的配備，有效縮短了機(jī)器人在拆垛過(guò)程中Z方向上的無(wú)效運(yùn)行時(shí)間，最大程度的降低了高速提升運(yùn)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(tǒng)配置方案能提升約30%。

    【對(duì)中上料區(qū)方案分析】

    1　常規(guī)方案分析

    常規(guī)機(jī)械拍打?qū)χ幸蚱浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，且后期維護(hù)保養(yǎng)不易，目前逐步被視覺對(duì)中所取代；相比前者，視覺對(duì)中具有柔性化程度高，周邊硬件配置簡(jiǎn)單，后期維護(hù)保養(yǎng)容易等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線上；對(duì)于單片板料對(duì)中定位，其柔性適應(yīng)的優(yōu)勢(shì)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的視覺識(shí)別和機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整時(shí)間，生產(chǎn)線受到每分鐘1~2件的產(chǎn)能制約；同時(shí)，在生產(chǎn)一機(jī)雙模的雙片板料時(shí)，若采用視覺對(duì)中，則機(jī)器人須分兩次拾取板料，雖能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)功能，但較一次拾取板料至少還要多花費(fèi)1s左右的運(yùn)行時(shí)間，生產(chǎn)線預(yù)計(jì)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(duì)以上常規(guī)視覺對(duì)中的功能不足，本方案在原有視覺對(duì)中系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做了改良優(yōu)化，最終目標(biāo)是確保在上料機(jī)器人拾取板料前，板料須處于能從既定位置被直接搬運(yùn)拾取的就緒狀態(tài)，這就需要三套系統(tǒng)能進(jìn)行協(xié)同工作。第一，視覺識(shí)別系統(tǒng)完成板料的偏差識(shí)別，并將偏差數(shù)據(jù)傳送至對(duì)中系統(tǒng)；第二，對(duì)中系統(tǒng)根據(jù)識(shí)別系統(tǒng)獲得的偏差數(shù)據(jù)執(zhí)行并完成板料的位置補(bǔ)償調(diào)整；第三，機(jī)器人快速拾取并將板料送入第一工序模具。這樣，上料機(jī)器人只需將板料從對(duì)中臺(tái)以最快的速度搬運(yùn)至第一工序模具，從而簡(jiǎn)化了上料機(jī)器人的搬運(yùn)程序，同時(shí)也避免了原先方案中的視覺識(shí)別等待時(shí)間以及上料機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整時(shí)間。

    2.1　偏差識(shí)別系統(tǒng)

    本方案板料偏差識(shí)別系統(tǒng)采用FANUC iRVision視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大優(yōu)勢(shì)在于精度可達(dá)1.5mm/pixel，工作范圍能達(dá)到4000mm×2000mm，基本能覆蓋并滿足所有車身沖壓板料的視覺對(duì)中需求；同時(shí)區(qū)別于其他第三方視覺系統(tǒng)，F(xiàn)ANUC iRVision視覺系統(tǒng)能與FANUC上料機(jī)器人無(wú)縫對(duì)接，同時(shí)硬件配置相當(dāng)精簡(jiǎn)，通過(guò)機(jī)器人TP示教器即能完成整套視覺系統(tǒng)的標(biāo)定和配置。

    2.2　對(duì)中系統(tǒng)

    為了確保上料機(jī)器人能快速直接地完成上料工作，要求料片必須在上料機(jī)器人取料前完成板料的對(duì)中調(diào)整；本方案采用兩臺(tái)FANUC平行連桿機(jī)器人實(shí)現(xiàn)料片的對(duì)中調(diào)整，此種配置的優(yōu)勢(shì)在于：第一，能為整套上料工藝環(huán)節(jié)節(jié)省0.5~2s的周期運(yùn)行時(shí)間；第二，其伺服柔性調(diào)整功能可以滿足各種不同形狀板料的對(duì)中調(diào)整，較機(jī)械拍打?qū)χ杏懈鼜V泛的適應(yīng)性；第三，此種對(duì)中機(jī)器人作為成熟標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備導(dǎo)入生產(chǎn)線，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)配置，有利于后期維護(hù)保養(yǎng)工作。

    2.3　上料機(jī)器人系統(tǒng)

    類似于拆垛機(jī)器人，上料機(jī)器人運(yùn)行軌跡同樣是循環(huán)往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)器人選型同樣采用FANUC高性能沖壓專用搬運(yùn)機(jī)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)化后視覺系統(tǒng)，并完成高速直線往復(fù)上下料運(yùn)動(dòng)。

    3　小結(jié)

    通過(guò)采用FANUC iRVision視覺系統(tǒng)以及伺服對(duì)中機(jī)器人，使整套上料自動(dòng)化系統(tǒng)更加柔性，能滿足各種形狀單片板料及一機(jī)雙模雙片板料的識(shí)別定位；并有效解決了常規(guī)視覺對(duì)中過(guò)程中視覺識(shí)別和機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整造成的時(shí)間延時(shí)；同時(shí)視覺識(shí)別、板料對(duì)中以及機(jī)器人上料等各工藝環(huán)節(jié)，環(huán)環(huán)緊扣，銜接更加緊湊；根據(jù)生產(chǎn)板料不同，較傳統(tǒng)視覺對(duì)中方案能節(jié)約0.5~2s的周期運(yùn)行時(shí)間。

    【壓機(jī)間方案分析】

    1　現(xiàn)狀分析

    目前各大沖壓件制造廠商紛紛都在努力提高單位面積產(chǎn)出比，沖壓線的壓機(jī)間距規(guī)劃愈加緊湊，如德國(guó)SCHULER配備其Crossbar Feeder的機(jī)械壓力機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線，其壓機(jī)間距壓縮到了5200mm，其緊湊程度相當(dāng)于在國(guó)內(nèi)常規(guī)5臺(tái)壓機(jī)所占面積內(nèi)布置了6臺(tái)壓機(jī)。

    采用傳統(tǒng)6軸機(jī)器人旋轉(zhuǎn)搬運(yùn)方式或旋轉(zhuǎn)7軸搬運(yùn)中小型零件時(shí)，通常要求的壓機(jī)間距為6500mm以上；但當(dāng)生產(chǎn)零件為車身側(cè)圍或一機(jī)雙模零件時(shí)，其間距要求更大；同時(shí)為了避免與壓機(jī)立柱和模具導(dǎo)向斜楔等機(jī)構(gòu)的干涉，機(jī)器人軌跡較為復(fù)雜，這同樣也影響了輸出節(jié)拍。

    需要解決的問(wèn)題主要有以下幾方面：第一，避免因復(fù)雜軌跡導(dǎo)致的輸出節(jié)拍下降；第二，目標(biāo)6000mm以下的壓機(jī)間距布置；第三，實(shí)現(xiàn)正面上下料，避免機(jī)器人在工作過(guò)程中與壓機(jī)立柱和模具發(fā)生干涉；第四，簡(jiǎn)化機(jī)器人運(yùn)行軌跡，使機(jī)器人以最短最快的路徑達(dá)成最高生產(chǎn)節(jié)拍。

    2　專用設(shè)備導(dǎo)入應(yīng)用

    本方案根據(jù)壓機(jī)間一系列搬運(yùn)工藝要求和特點(diǎn)，采用上海發(fā)那科沖壓直線搬運(yùn)機(jī)器人，利用其手腕部直線倍速機(jī)構(gòu)的運(yùn)行原理，實(shí)現(xiàn)零件在壓機(jī)間高速直線的搬運(yùn)。

    3　小結(jié)

    通過(guò)有效利用沖壓直線搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性，提高了壓機(jī)間零件的整體傳輸效率，運(yùn)行軌跡趨于直線，避免了與周邊設(shè)備的干涉，同時(shí)利用FANUC Roboguide軟件最優(yōu)位置計(jì)算功能，本方案最終優(yōu)化達(dá)成了5600mm的壓機(jī)間距布置。據(jù)仿真分析測(cè)算，按搬運(yùn)零件不同，其生產(chǎn)輸出節(jié)拍較傳統(tǒng)方案提升3~4spm。

    結(jié)語(yǔ)

    通過(guò)對(duì)沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線各個(gè)關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)特點(diǎn)的優(yōu)化和分析，采用FANUC一系列高性能自動(dòng)化設(shè)備，使生產(chǎn)節(jié)拍得到有效提升，壓機(jī)間距縮小優(yōu)化至5600mm，同時(shí)因本方案基于FANUC標(biāo)準(zhǔn)成熟機(jī)器人搬運(yùn)平臺(tái)，整線配置投入較目前國(guó)外昂貴的專機(jī)搬運(yùn)生產(chǎn)線，更能滿足國(guó)內(nèi)廣大沖壓件零部件廠商對(duì)沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線的需求。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2月刊