机器人冲压生产线节拍仿真评估研究

2022-02-01赵兵杨龙成王传英张世顺车爱文

锻压装备与制造技术 2022年6期

关键词：数模压力机冲压

赵兵，杨龙成，王传英，张世顺，车爱文

（济南二机床集团有限公司，山东济南 250022）

0 引言

冲压生产线一般是指两台或两台以上压力机串联组成的生产线。对于汽车主机厂而言，冲压生产线一般包含四台或五台压力机+相应自动化搬运设备组成。

冲压生产线一般包含垛料台车、拆垛设备、输送设备、搬运设备、压力机、压机间搬运设备、下料设备、成型料输送设备等组成，以实现整线自动化生产的目的。如图1 所示为机器人冲压生产线、图2 所示为单臂冲压生产线示意图。

图1 直线七轴机器人冲压生产线

图2 单臂高速冲压生产线

依据搬运设备的不同，一般分为机器人冲压生产线、单臂冲压生产线等；依据整线生产控制模式的不同，一般分为断续模式、连续模式。断续模式是指压力机滑块到达上死点后进行等待，等待是给搬运设备预留工作时间；连续模式是指压力机滑块在上死点不作停留的工作模式。

单臂冲压生产线一般指大型冲压生产线，其整线生产节拍较高，一般采用连续生产模式。对于机械压力机生产线，一般生产节拍可达15 次/min 以上；伺服压力机生产线，一般生产节拍可达18 次/min 以上。

机器人冲压生产线一般指普通大型冲压生产线或中、小型冲压生产线，其整线生产节拍相对较低，一般采用断续生产模式，部分工件采用连续生产模式。其中机械压力机生产线一般生产节拍可达12 次/min，伺服机械压力机混合生产线，一般生产节拍可达13 次/min。

1 机器人冲压生产线分类

鉴于成熟的机器人开发体系、成熟的配套设备，标准工业机器人广泛支持冲压行业的发展。机器人冲压生产线相对于手工生产线而言，可以节省较多的人力资源，避免了各种人员的安全、冲压件的质量风险，并有效降低人员的劳动强度。可有效提高冲压生产线的生产节拍，由人工生产节拍5～7 次/min 提高到10～12 次/min，同时，可有效提高冲压模具的使用寿命。

1.1 六轴机器人冲压生产线

如图3 所示，六轴机器人冲压生产线一般首序压力机吨位不超过16000kN，后序一般配置更小吨位的压力机，用于生产较小冲压内覆盖件。

图3 六轴机器人冲压生产线

1.2 附加滑移轴的机器人冲压生产线

如图4 所示，附加滑移轴的机器人冲压生产线一般适用于原手工冲压生产线的自动化改造。此类型生产线具有压力机间距大，压力机行程较小等特点。

图4 滑移轴机器人冲压生产线

1.3 直线七轴的机器人冲压生产线

该类型的冲压生产线，如图1 所示，一般适用于大型冲压生产线，同样适用于中小型冲压生产线。此种类型的冲压生产线一般为新建冲压生产线，生产节拍可以实现8～12 次/min。

2 机器人冲压生产线仿真评估

目前汽车行业产品迭代周期缩短，车型不断增多，要求主机厂及一、二级配套商合理评估模具生产节拍、合理进行模具优化、合理安排各覆盖件的排产等，这必然引起主机厂及一、二级配套商对于冲压仿真的需求。高端大型全自动生产线的离线仿真已进行了技术、市场推广，取得了较好的经济、社会效益[1]；而市场普及更广的机器人冲压线的仿真技术，还需进行更多的技术研究。

2.1 机器人轨迹规划

机器人轨迹规划的基本思路如图5 所示，采用特殊点标准设置方法，其中0 点为机器人安装位置或长时间静置时的HOME 位置。

图5 端拾器中心运动轨迹

正常循环启动时，机器人由0 位走到1位，在1 位形成此套模具的HOME 位；当前一序压力机完成一次冲压，打开一定安全距离后，机器人携带端拾器进入前一序压力机模区的2 号点；其中2 号点到3 号点是竖直下降的过程，这主要是为了机器人携带的端拾器可以更好地与板料贴合，并躲避下模的干涉点；到达3 号点时，真空发生器动作，端拾器吸盘建立真空，完成端拾器对于板料的吸附；然后执行3 号点到4 号点，此区间内，机器人保持竖直方向动作，这是为避免在板料脱离模腔过程中，与下模产生干涉；之后执行4 号点到5 号点的动作，后序动作与前述相似，不作详细介绍。压力机每完成一次冲压，机器人执行一次抓料、放料动作，依次循环往复。

2.2 压力机行程与机器人配合介绍

冲压工艺流程一般有拉延、冲孔、裁边等。对于首序成形压力机而言，一般配置多连杆压力机执行拉延工序。本文在介绍压力机与机器人的配合运动时，以首序压力机为例。

机器人进入压力机模区前提条件是：压力机携带上模，上模与下模形成静开口空间，并满足相应的安全距离（图6）。

图6 端拾器抓料与模具相对位置关系

机械压力机的行程曲线是固定的，不随生产节拍而改变。在评估机器人进入、退出压力机模区时，必然涉及与压力机的相对运动问题。如图7 所示为上下料机器人与压力机滑块行程曲线的相对关系示意图，由图可知，当滑块行程打开一定高度时，机器人携带端拾器可以进入模区，当滑块行程闭合到一定高度时，机器人携带端拾器必须退出模区。显而易见，不同模具进入、退出模区的开口高度是不同的。

图7 机器人轨迹相对于滑块行程曲线关系

2.3 运动相位问题

在机器人冲压生产线整线控制方式上，存在两种不同的控制模式：一种是连续模式，一种是断续控制模式。二者最为明显的区别是：滑块到达上死点，若离合器作用，则为断续控制模式，反之为连续控制模式。

由于连续模式下，离合器不会频繁作用，这对离合器的使用寿命有很好的促进作用，且不会因压力机飞轮空转造成能量损耗。所以连续控制模式更为节能、环保，此种控制模式也受到较多主机厂的青睐。整线可否采用连续控制模式，受到滑块台面尺寸、滑块行程、具体模具结构等因素的影响。

无论采用何种控制模式，均需要严格控制机器人上下料允许进入的工作区间，然后通过测试运行，得出机器人上料时间、下料时间，然后在机器人上料、下料的各个关键节点进行机器人位置的检查，一旦机器人没有到达预定位置，整线立即停机，从而实现机器人与压机位置上的粗略的同步关系，而这种同步关系足以保证在压机的任意角度内整线停机，压机与机器人不会发生干涉。压力机与上序上料单元、下序下料单元的相对相位关系如图8 所示。

图8 机器人与压力机角度的相位关系

2.4 运动部件定义

在机器人冲压生产线中，运动的物体包含两类：一类为执行确切运动的滑块机构，这类机构的运动规律明确，各关键点的相对时间差确定，这类运动在RobCAD 软件中，是需要进行建模设置运动的；另一类执行三维空间运动，这类机构主要是指机器人系统，为保证机器人运动的准确性，国际主流机器人品牌均会定期发布用于支持RobCAD 软件的co 文件，故机器人的运动设置是不需要进行的。

滑块运动副建立方式采用SOLIDEGE 或其他三维建模软件，建立工作台、滑块三维数模，一般而言，需要转换为JT/IGS 等中间格式，在RobCAD 主窗口Data→CAD Import 选择需要转化的文件，定义格式，进行格式转化，格式转化后，进行运动定义。

打开RobCAD 软件的Modeling 模块，将转化后的滑块、工作台co 格式数模读入，在Kinematics 模块中，定义父项、子项、运动轴，三者关系为：父项是基础项，子项在运动轴的导向作用下，相对父项运动，运动模式可以是直线运动，也可以是旋转模式，其他运动模式，可以由两者组合实现。如图9 所示。

图9 压力机滑块运动设置

2.5 机器人冲压生产线整线数模搭建

完成前述压力机运动设置后，将RobCAD 切换到Workcell 模块，在此模块下，需要完成整线数模的搭建，即以实际产品布置的方式，以世界坐标系为基础，搭建Press 1～Press n，组成整线压机布置；以世界坐标系为基础，搭建R1～Rn 的机器人布置，这样，就建立起机器人冲压生产线的初步数模。

在机器人冲压生产线实际生产过程中，基于机器人安全考虑，机器人本体部分是不可以进入压力机模区范围内的。为此，需要配置带加长杆的端拾器，如图7 所示。将待加长杆以前述同样的方式，导入整线三维数模，并以合适的坐标系，将端拾器Mount 到对应的端拾器之上。

采用同样的方式，将模具导入到整线三维之中。鉴于模具设计阶段的坐标系与其定位坐标系存在差异，因此导入模具数模时，需要考虑模具的定位方式。一种方式为：在模具数模处理时，优先考虑模具的坐标系变换，将模具坐标系调整为在压力机工作台上的定位坐标系，此种方式较为方便，另一种方式：模具导入仿真软件后，采用测量的方式，精准调整模具与工作台的相对位置关系，此种方式，调整相对繁琐。模具导入仿真软件后，因上模需要与滑块共同运动，需要将上模Mount 到滑块之上，如端拾器相对于机器人的操作。

2.6 机器人断续冲压生产线SOP 仿真

在进行冲压线整线SOP 时序仿真之前，需要对各序压力机动作、各序机器人动作进行关键点Mark，具体步骤介绍如下。

压力机动作关键点Mark，如前述介绍，压力机在整个冲压过程中，需要与机器人配合，而压力机滑块在整个行程过程中，仅有两个点与机器人有关，即开口高度、闭合高度，上/下死点是其自身参数，在实际生产中，打开高度是压力机发出信号，告知机器人进行动作，而闭合高度时，是作为安全距离监测用，故在压力机仿真时，仅需考虑三个关键点即可。

机器人动作关键点Mark，如前述介绍，机器人动作是由七个关键点组成，需要将各序模具对应的成形板料Attach 到对应端拾器之上，以实际成形板料与模具的对应关系，进行机器人仿真关键点定义，并生成各序机器人的路径。如图10 所示。

图10 直线七轴机器人末端运动轨迹

在断续冲压生产线中，存在十分明显的木桶效应，即整线节拍受制于运行最慢的设备，此种生产模式下，压力机开断续，次数可以开到很高，而机器人就成为了明显的制约因素，通过对比各序机器人的运行时间，合理设定压力机行程设置，并进行压力机、机器人动作时序的合理安排，即可得到整线生产预评估，依据整线运行的实际工况，即可准确评估瓶颈工位产应的原因、优化措施、节拍评估等工作。如图11 所示。