机器人自动装箱在冲压自动化生产中的应用分析

文／刘志祥·北京宝沃汽车股份有限公司

目前，整车制造厂冲压生产线一般为12 ～20SPM，生产速度快，效率高，且冲压零件一般为10～40kg，人工装箱劳动强度大、效率低，且不利于产品质量的控制。自动装箱已经越来越多地被汽车制造厂提上议程，行业内不乏合资品牌也已经在使用或探究使用自动化装箱系统。

对于整车冲压而言，整车覆盖件尤其是大型覆盖件的人工装箱存在劳动强度高、效率低下、品质损伤、安全隐患等诸多问题，工业机器人装箱可以从很大程度上解决上述问题，并具备以下优势：节省人工成本，降低劳动强度；降低安全隐患，减少工伤伤害；稳定运行，大大缩短装箱时间；避免人工装箱过程中对零件的磕碰划伤，提高零件品质。

本文着重阐述了汽车制造领域冲压生产过程中机器人自动装箱的生产线结构、原理；结合经验分析了维护、疑难故障处理以及改进改善和发展趋势。

综述

目前机器人自动装箱在整车冲压领域的应用并不广泛，主要应用在大型高速冲压线，而且仅是针对部分大型零件，如侧围、顶盖或个别易装零件门外板、底板等。现阶段，虽然冲压自动装箱仍然存在诸多瓶颈和不易实现的地方，但是随着冲压装备技术尤其是自动化技术的发展和不断优化完善，相信冲压自动化装箱将会越来越多地被汽车厂商应用。

现场布局

根据汽车制造领域冲压生产现场生产线的工艺特点，冲压件自动装箱一般布置在生产线的末端，前工序为常见工位，主要有拆垛、清洗、涂油、对中、上料机械手/机器人、压力机1、线中传输，…，压力机n(一般n为4/5/6)、下料机械手/机器人、质检等工位；自动装箱工位位于质检工位下游工序。自动装箱主要有左右两个部分，用于分别装箱左右对称冲压件，对于单个冲压件，可以自主选择使用任意一侧的设备工作。左侧、右侧各有质检输送皮带1 套、视觉相机2 个、装箱输送皮带1 套、装箱机器人2 台、承料台6 个工位(每个机器人对应3 个工位)；生产线周边有安全围栏、安全门；二层有端拾器平台、控制系统、ATC 系统(每个机器人对应2 套ATC 系统)。现场布局如图1 所示，设备如图2 所示。

图1 现场布局图

图2 现场设备图

工艺流程

在现场设备安全条件满足的前提下，机器人、皮带机、相机系统、控制系统均准备好，且各单元均处于自动模式时，按下系统启动按钮，装箱皮带、质检皮带、四个装箱机器人、视觉控制系统均启动运行，整个系统开始自动运行。工艺流程图如图3所示。根据前工序设备生产情况，下料机器人进行下料并将冲压件投放到质检皮带上，质检皮带将冲压件运输至质检工位，质检人员对冲压件质量进行检验，同时按下操作台上的合格品/不合格品按钮，系统记忆冲压件的质量状态；运行至装箱皮带时，冲压件完全经过质检皮带和装箱皮带交接区域稳定后，冲压件触发装箱皮带位置的检测开关，该开关被触发后，PLC 控制系统根据系统预设的触发相机距离和位置，触发相机系统拍照，视觉控制系统计算相机数据并传输给机器人，机器人控制系统经过数据运算，根据预设的抓取冲压件轨迹抓取冲压件，并运行投放至1#料框；这里PLC 控制系统是交替分配给机器人抓取任务的，当料框内冲压件达到设定值后，机器人开始根据预设的抓取冲压件轨迹投放冲压件至2#料框；无论哪个料框达到预设值后，系统均会发出换框声光警示，同时该内侧的安全护栏上升到位，外侧安全护栏下降到位，保障外围人员和设备安全，操作人员操作叉车进行换框。

图3 工艺流程图

而对于不合格品而言，机器人会将不合格品抓取按照预设的轨迹投放至不合格品料框内。

系统更换产品时，通过整线进行产品零件号切换，自动装箱控制系统PLC将零件号传送给相机工控机和左右两侧的四台机器人；工控机自动切换零件号，四台机器人分别自动切换零件号，同时机器人根据预设的ATC 轨迹到对应的ATC 工位进行工具更换。

控制方案

自动装箱控制系统PLC 通过现场运行方式信号、机器人信号、上工位下料信号、机器人准备就绪信号、安全防护信号、网络状态信号等的检测以及信号的处理和逻辑分析，控制机器人、皮带机、上工序下料、机器人运行指令、机器人1/2/3/4 及对应的真空阀、工控机及对应的相机运行，从而实现整个系统按照预设程序实现整个工艺过程(图4)。PLC 与机器人、控制相机的工控机、皮带机、编码器、机器人、现场IO 模块均是通过PROFINET 通讯方式进行信号交互。

图4 控制方案

冲压件在皮带输送机传输过程中，运行到预先设置的零件检测位置后发出系统对中相机拍照指令给工控机，工控机接收到拍照信号指令后触发对应的相机拍照，相机拍照数据与预先设定的相机视觉模板进行比对，将X、Y、Z坐标相对位置、φ相对角度传输给相应的机器人；装箱机器人与皮带机同步运行并根据预先示教的迹将冲压件抓取并放入到指定的料框中。机器人回到等待点重复下个循环。

控制系统硬件

本控制系统主控PLC 为西门子416F 系列，通过PROFINET 通讯协议将与IO 模块、左侧质检皮带机1电机变频器、右侧质检皮带机2 电机变频器、左侧装箱皮带机1 电机变频器、右侧装箱皮带机2 电机变频器、机器人1、机器人2、机器人3、机器人4、机器人1Dressing、机器人2Dressing、机器人3Dressing、机器人4Dressing、机器人1TC、机器人2TC、机器人3TC、工控机、安全防护阀岛进行信号交互；同时系统配置一个PN-PN COUPLER 用于装箱工位与整线自动化控制PLC 进行信号交互。由于机器人与皮带机需要同步运行，在此为每个装箱皮带机设置了一个编码器，编码器通过硬件组态中的高速计数器进行信号的计算和传输，同时通过信号中转模块将编码器信号传输给机器人控制系统；急停信号、安全护栏升降信号、安全门信号均通过安全程序进行控制。 PLC 控制系统硬件组态如图5 所示。

图5 PLC 控制系统硬件组态

信号交互

整个控制系统通过主控PLC 与机器人之间的PROFINET 网络通讯，PLC 将生产线机器人应具备的状态和运行命令通过交互信号传送给机器人主控柜CPU，其主要信号见表1，表中信号为一台机器人的通讯信号。

表1 PLC 发送机器人主要信号

整个控制系统通过主控PLC 与机器人之间的PROFINET 网络通讯，机器人主控CPU 将机器人自身的状态、机器人执行的命令通过交互信号传送给主控PLC，其主要信号见表2，表中信号为一台机器人的通讯信号。

表2 机器人发送PLC 主要信号

视觉工控机有4 个通讯网卡，主控PLC 通过机器人、整线的信号状态进行逻辑运算，将启动/停止相机拍照系统、复位相机故障、使拍照信号通过PROFINET 通讯传送给相机工控机；工控机将相机准备好、相机在线、相机报警、拍照结果正常信号通过PROFINET通讯传送给整线主控PLC。相机拍摄冲压件的X、Y、Z、φ转角坐标信号通过PROFINET 传送给四台机器人。视觉工控机信号交互如图6 所示。

图6 视觉工控机信号交互

视觉模板示教

新零件上线时，在整线控制系统中设定对应的零件号，相应地在工控机中设定对应的零件号，设置零件属于大中小哪种零件，在自动控制触摸屏中设置零件的尺寸、料框类型、触发相机距离、皮带机速度等信息；然后在工控机中将相机视觉控制软件中的相机切换为online 模式；手动模式运行质检皮带和装箱皮带，待相机被触发拍照后，在视觉相机软件中对冲压件特征进行识别、训练和特征保存。制作一个视觉相机模板分为相机拍照、训练参数、训练区域与原点、运行参数、设定搜索区域、图形与结果几个步骤。视觉相机软件拍照后的冲压件状态如图7 所示。

机器人取放件轨迹示教

Home(原点)：是一个机器人携带端拾器但不携带零件的全局点。原点位置是每一个机器人的开始点和结束点。原点位置选择需要保证机器人从BP、AP、WR、OR 点与周围设备不干涉。

视觉相机模板完成后，将机器人切换至手动模式，调用机器人例行程序Teaching，手动执行该程序，直到程序自动停止运行并且零件进入机器人能到达区域；操作机器人移动到抓取冲压件的位置制作端拾器,然后再打开真空阀抓取冲压件。

依次示教机器人的P 点(Pick 抓料点，机器人在这点将板料吸住)、BP 点(Before Pick 准备抓料点，位于Pick 点上方)、AP 点(After Pick 抓料完成点，位于Pick 点上方)、DR 点(Drop 放料点，机器人在这点释放板料)、BDR 点(Before Drop 位于料箱内，放料前板料堆栈的正上方或前方)、ADR 点(After Drop位于料箱内，放料后板料堆栈的正上方或前方)，路径上的其他点按照不干涉、轨迹顺畅、路径最优的原则进行设置；这几个点的速度一般设置V5 或V10，逼近点设置值为fine。取放件轨迹示教图如图8 所示。

机器人ATC 轨迹示教

通常机器人都是带着端拾器从ATC 支架1 放端拾器，然后按照支架2Pick Tool 的轨迹去抓取端拾器开始工作，反之亦然。各点的定义为SLT 点(Start Leave Tool开始运动去放工具)、BLT点(Before Leave Tool 释放工具前的轨迹点)、LT 点(Leave Tool 释放工具点)、ALT 点(After Leave Tool 完成释放工具点)、ELT 点(End Leave Tool 结束释放工具点)、SPT 点(Start Pick Tool 开始抓取工具点)、BPT(Before Pick Tool 抓取工具前的轨迹点)、PT 点(Pick Tool 抓取工具点)、APT 点(After Pick Tool 完成抓取工具点)、EPT 点(End Pick Tool 结束释放工具点。ATC 轨迹示教图如图9 所示。

图9 ATC 轨迹示教图

示教这些点要特别注意人员安全、工具安全和机器人的安全，速度必须慢，要眼观六路；尤其是对准快换装置与工具之间的对接位置，该位置LT 点、PT点的轨迹速度设置为V1，逼近点设置为fine。

经验总结

典型问题处理方法

在生产过程中，系统的可靠运行无疑是每一位设备运营管理者最期望的，根据经验总结了以下常见问题及处理措施(表3)。在生产现场出现最多的就是找不到视觉特征、板料照片反光和视觉得分低，一般需要进行人工干预处理；除此之外，要按照维护保养计划定期对通讯线缆、线缆接头、皮带机传动装置、视觉灯具进行检查和维护保养。这些内容与我们现场线首上料对中系统有很多相似之处。

表3 常见问题及处理措施

疑难问题处理方法

⑴转数计数器需要更新。

1)出现场景。根据现场应用经验，经过总结，一般在机器人电机更换、机器人电机编码器线缆断线、SMB 板损坏或SMB 板电池电量耗尽时，会出现需要更新1 ～6 轴转数计数器的故障，该故障出现后，机器人无法自动运行，只能手动进行更新转数计数器。

2)解决方法。

Step1:进入校准界面，选择机械单元“ROB_1”。

Step2:点击转数计数器，再点击更新转数计数器。出现如图10 所示界面。

图10 更新转速计数器示教图

当“状态栏”显示“转数计数器未更新”，那么相应的轴就需要更新。

Step3:选择需要更新的轴，手动将机器人单轴操纵到同步标记位置。

Step4：点击“更新”，更新转数计数器。

Step5:确认更新是否成功。当状态栏显示所有的轴都已更新后，进入“手动操纵”界面，打开“动作模式”，当里面出现“线性”选项时，代表更新成功。

⑵Track Motion 需要校准。

1)出现场景。当更换装箱皮带后，由于新旧皮带的长度、张紧度等以及厚度与原皮带有差异，会导致冲压件的传输不精准，此时需要对该轴进行更新。

2)解决方法。

Step1:进入校准界面，选择机械单元“Track_1”。

Step2:点击转数计数器，再点击更新转数计数器。

Step3:选择机械单元Track_1，手动将Track_1移动到同步标记位置。

Step4:点击“更新”，更新转数计数器。

Step5：选择Track_1，点击OK。

视觉系统使用注意事项

⑴在每次调整视觉工具、参数前，请先备份E:BackUp 文件夹，当调试出错时可覆盖原文件夹原来的视觉工具设置和参数设置。

⑵备份程序文件夹的步骤为:拷贝E:BackUp 文件夹到备份文件夹中，并重命名该文件夹，在文件夹的名字中加上日期、工程师姓名。

⑶每次做模板都要把对应的图片保存在E:模板。非专业人员请勿调整相机位置、相机支架位置。

⑷电脑关机问题:必须正常对电脑关机，不要通过切断电脑的电源对电脑关机。

维护与保养

根据多年现场设备运行、管理经验，结合日常设备故障及设备维护保养手册内容，除了对设备进行必要的专业维护保养(如机器人维护保养包)外，在日常工作中必须做好中短期的维护保养工作，主要包括月度、季度、年度维护保养，只有这样才能保证设备的正常运行，为生产保驾护航。

总结与瞻望

自动化装箱系统在冲压生产过程中对提高生产效率、提高生产自动化水平、降低劳动强度、降低零件质量缺陷、降低安全事故方面非常具有优势，但是自动化装箱系统对现场设备布局场地要求较高，对自动化料框的精度和重复定位精度、操作人员制作端拾器和轨迹的精度要求也非常高，且料框的价格是人工装箱的十倍以上；除此以外，自动化装箱系统对设备维护人员的素质要求也非常高；其设计和应用也对后工序物流、生产产生了一定的影响；现在自动化装箱系统还不能做到全覆盖的冲压件装箱，只能实现如门内板、门外板、前后地板、翼子板、轮罩等零件的自动装箱，而对于行业内迫切需求的侧围等大型冲压件的自动化装箱还有待探究。

随着工业技术水平的发展，以及国内外自动化装备公司研发的不断创新、改进，相信在不久的将来，自动化装箱系统定会在汽车制造、家电、家具、卫浴、物流等行业得到广泛应用。