机器人冲压自动化生产线构成研究

史士帅 李克龙 高宗辉

[摘    要]当今制造业领域大批量生产市场竞争中，汽车的安全性能、智能化及新颖外观是各大汽车生产商抢占市场份额的重要指标，车身的生产工艺和质量水平直接关系到汽车的安全。随着我国工业生产现代化程度的不断提高，工业机器人的应用在这一领域越来越广泛。与传统人工操作方式相比，工业机器人的应用不仅可以切实提高生产效率和质量，还可以满足现代化工业的生产需求，促进工业产业的长足发展。为了减少燃料消耗，响应国家生态文明建设呼吁，目前汽车生产商为了降低生产及使用成本，正在减少车身重量。车身的大部分零部件都使用薄而轻的钢板冲压，冲压是实现车身成型的重要手段，其冲压质量直接影响到整个汽车的安全性和整个生产线的生产率。因此，设计开发自动化智能冲压线系统是各汽车制造商需要考虑的问题。文章主要研究了冲压自动化模式的生产线系统。

[关键词]冲压自动化;降低成本;生产线系统

[中图分类号]TP242;U468.22 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）03–00–02

[Abstract]In the market competition of mass production in today's manufacturing field， the safety performance， intelligence and novel appearance of automobile are important indicators for major automobile manufacturers to seize market share. The production process and quality level of automobile body are directly related to the safety of automobile. With the continuous improvement of China's industrial production modernization， industrial robots are more and more widely used in this field. Compared with the traditional manual operation mode， the application of industrial robots can not only effectively improve the production efficiency and quality， but also meet the production needs of modern industry and promote the rapid development of industrial industry. In order to reduce fuel consumption and respond to the call of national ecological civilization construction， automobile manufacturers are reducing body weight in order to reduce production and use costs. Most parts of the car body are made of thin and light steel plate. Stamping is an important means to realize the body forming， and its stamping quality directly affects the safety of the whole car and the productivity of the whole production line. Therefore， the design and development of automatic and intelligent stamping line system is a problem that automobile manufacturers need to consider. This paper mainly studies the production line system of stamping automation mode.

[Keywords]stamping automation; cost reduction; production line system

1 工業机器人的结构和特性

工业机器人指主要应用于工业生产领域的多关节机器人或多自由度机器人。机器人运行时，根据自行拥有控制系统识别技术人员预设的程序控制机器人，执行生产任务或辅助完成任务。整个生产任务不需要人工，全部由智能机器人自动完成。

1.1 工业机器人的结构

目前在工业生产领域使用的机器人主要由机器人主体、驱动系统和控制系统组成。其中，机器人主体在生产中主要负责将物体放在工作台上，为此机器人主体必须具备人类手臂握持功能，灵活性更强。因此，在机器人主体的设计中，不仅主要以人的胳膊为仿形成圆形弯曲，还可以根据操作需要调整机器人手腕的灵活性。利用工业机器人进行工业操作不仅可以提高工作效率，还可以实现节约成本、提高经济效益的目的。控制系统起到控制整个机器人的作用。收到系统主板传递的命令后，驱动系统将解释该命令，并将其传递给执行系统，以执行任务操作。

1.2 工业机器人的特点

在实际应用中，工业机器人的特点主要表现在以下几个方面：在功能上，工业机器人与人工操作相似，具有一定的识别功能、工作功能和行走功能。不仅适用于基本生产任务，而且在比较复杂的工作任务中，机器人也能顺利完成，有些任务是人力无法完成的;工业机器人比人工操作具有更强的灵活性和智能性。机器人执行的各种任务都是按照指示完成的，因此技术人员可以根据产业生产需求随时调整机器人的工作任务，更好地完成生产任务;工业用机器人生产成本低，利用机器人代替人工操作，可以节省大量人力成本，提高企业经济效益。冲压自动化生产线上的应用只需要根据生产需求设置程序命令，灵活性很高。

2 自动化生产线冲压机器人的研究

2.1 冲压机器人的特点

工业机器人在冲压自动化生产线上的应用，一方面代替了传统的手动工作，另一方面将人们从沉重复杂的运营中解放出来，减少人力成本，降低运营任务对人身安全的威胁。另一方面是提高工作效率和质量，促进企业的经济和社会效益。目前冲压自动化生产线上选择的机器人，不仅要满足负载大、运行轨迹准确等要求，还要提高机器人的稳定性和可靠性。随着对工厂运营质量的要求提高，技术人员设计增加了普通操纵机器人数据化功能，广泛采用了板式自动手臂安装结构。

2.2 拆垛系统分析

拆垛系统是冲压自动化生产线的重要组成部分，根据应用需求分类，可分为专用拆垛器、机器人拆垛车、绗缝机器人拆垛车。其中，专用拆垛器的结构特点是将可拆垛材料放置在可移动液压升降台车辆上，在设备工作时依靠光电传感器和液压系统控制堆栈高度，使其始终保持一定状态。拆除工作主要根据气缸驱动、矩阵布置的真空吸盘组进行，最后将分割后的板材放置在磁带上进行传输。机器人可拆垛车的结构特点是将可拆垛物放置在可移动车上，根据实际情况适当调整拆垛物高度，且没有明确规定。在拆垛搬运过程中，技术人员可以根据板材厚度调整机器人插入高度，拆垛转移工作仍然依靠真空吸盘组完成，分割后的板材由机器人放置在磁性带上进行传输。首先把垛放到转盘上，然后点击启动按钮，根据角度旋转转台，提升到位，后分解成单包进行卸垛。智能拆垛机具有定位精度高、运行速度快、工作范围大等特点，即使空间狭小，也运用自如，更适合卸垛作业。

2.3 伸缩带式输送机

可伸缩带式输送机的功能主要是传输单个钣金，这部分需要注意传输速度。一般来说，木板传输速度可以控制，速度变化依据是清洗机和油漆机的速度，要确保三者处于相同的频率，以保证生产力。利用胶带多次折返和收放的原理调节长度，当张紧车向机尾一端移动时，胶带进入贮带装置内，机尾在绞车牵引下回缩;反之则机尾延伸，从而使输送机具有可伸缩的性能，以适应前进或后退式长壁采煤顺槽输送和巷道掘进运输的需要，当张紧车到达轨道的终端时，就需要收掉或接入卷带，使输送机继续具有伸缩的性能。

2.4 钣金清洗机

为了使汽车外观表面质量不断提高，钣金清洁工艺的完善引起了汽车制造厂的高度重视。对于钣金清洗，目前有两种选择：在线清洗和离线清洗。其中，在线洗涤一般适用于产量高的企业，为适应轿车整体侧面部位，清洗设备的规格一般为4～5m。离线清洗主要适用于制造初期、落差型产量低的企业，普通板材洗涤线可供应2条冲压线。两种清洗方式都有各自的特点和适用范围，企业可以根据实际情况合理选择。

2.5 板料涂油机

涂油机的功能是在板材拉延前对其进行涂油的设备，主要由喷枪单元、供油及油液保温单元、喷射供气单元、材料输送单元、油雾收集单元、电气控制单元及机身组成。在具体操作时，板料由输送单元带动从喷嘴中间通过，继而由电气控制系统根据制作需求喷射油雾，实现在板料表面形成厚度均匀且位置准确的油膜。对于喷射过程中产生的多余油雾，油雾收集单元会将其进行收集并回收，降低油雾排放给周边环境造成的污染。

2.6 板料对中台

就当前冲压自动化生产线中选用的板料对中台来看，主要可分为两种类型，即重力对中台、机械对中台。重力对中台主要是依靠重力实现定位，台上具有板料到位检测及双料检测，一旦检测板料未到达指定位置，将不会进行下一步操作。重力对中台适用于机器人直接放置板料，如果自动生产线中存在清洗机和涂油机，那么这种方式将不适用。机械对中台主要是依靠磁性皮带移动至档块，再由另外三侧汽缸驱动打料器向中心推，从而实现精确定位，台中同样具有到位检测和双料检测。

2.7 线尾码垛系统

目前，冲压自动化生产系统的生产效率已经达到了每分钟10件以上，而大量的生产任务势必会给线尾码垛系统造成较大的负荷。在这种情况下，为了保证线尾码垛系统满足工作需求，需要先对冲压件成品进行分流，然后将其中一部分交给人工或者机器人将其码入料架，最后由铲车将料架运走。这不仅可以减轻线尾码垛系统的负荷，而且对生产效率的提升也有促进作用。

2.8 双料检测装置

在机器人冲压线系统中，最前端的是双料检测装置，其主要作用是通过传感器来检测端拾器上的板料是否是单料，避免双张金属板被机器人送进压力机造成不必要的模具损坏。在拆垛机器人的通用端拾器上配置有双料检测传感器，并采用带弹簧支架的双层吸盘来实现传感器紧贴板料。在线主控制站上装有双料检测控制器，用于控制传感器。双料传感器的选用方式和料厚参数可在线主操作站触摸屏上操作实现，同时作为零件的生产配方参数储存在PLC控制器中，并在自动换模过程中自动调用。当检测到是双料时，拆垛机器人将双料放回原垛料中，再吸料并检测，来回进行3次，如还是双料，则拆垛机器人将双料放回垛料，并发故障信息，由人工处理。

2.9 视觉矫正系统

重力对中、机械对中等传统的对中方式有难以克服的对中误差，上料机器人需要视觉矫正来确定冲压板的当前方位，上料机器人在接到视觉系統发出的信号后，根据每个零件的实际位置，自动改变运行轨迹，将板料从板料对中台上取出准确地送入第一台压力机模具内。冲压线线首上料机器人区域的样式，相机安装在支架上，镜头垂直于对中台的冲压板，为了将板料放入压力机模具中，在上料之前首先进行视觉矫正。视觉系统作为机器人的眼睛，完成板件的对中任务。与机械对中相比，视觉系统机械结构简单，对中精度高，对中时间短，可以完成任意形状板料的对中，可满足生产线节拍达到每分钟10件的要求，更好地完成了板件对中任务。机器视觉原型识别、定位冲压板的当前位置，并和其零位置（机器人的初始位置）进行比较，得出一个相对偏差向量也叫矫正矢量;采用ProfiNet或EtherNet通讯协议，实现了智能相机与机器人之间的通讯;开发完成了从图像的采集，到图像的分析处理，再到将矫正矢量发送给机器人，机器人根据接受到的数据进行偏差纠正得以调整自身的轨迹，以同样的位置、姿态（相对于冲压板）来抓取冲压板，并准确地送入到压力机中。光学对中与机器人为两个独立的坐标系统，为了使光学对中测量的数据机器人可以直接使用，需要在两个坐标系之间建立起联系。光学对中标定的方法为九点标定法：即利用九个坐标点分别在两个坐标系内的坐标值，通过计算，得到两个坐标系之间的换算关系。

3 结语

在信息化时代背景下，工业机器人已经逐渐取代了人工参与到冲压自动化生产中，并且在一定程度上提高了生产效率和质量。可以预见，在未来的时间里，通过技术人员对冲压自动化生产线系统的不断更新与完善，汽车制造行业将得到前所未有的发展，实现发展目标的同时，也可以进一步促进行业的可持续发展。

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