伺服沖壓線自動(dòng)化傳輸技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

 隨著汽車需求的快速增長(zhǎng)，車身造型變得越來越復(fù)雜，主機(jī)廠不斷追求更高的生產(chǎn)效率、更多樣的生產(chǎn)工藝以及更高質(zhì)量的生產(chǎn)方式。在這種環(huán)境下，選擇連續(xù)節(jié)拍高、成形過程可編程的伺服沖壓線成為一種必然的趨勢(shì)。

為提高沖壓產(chǎn)能，我公司引進(jìn)一條6100t伺服沖壓線。不同于傳統(tǒng)的機(jī)械沖壓線，伺服沖壓線在自動(dòng)化傳輸方式上節(jié)拍更高、技術(shù)更先進(jìn)、柔性化更高。本文主要闡述伺服沖壓線在拆垛系統(tǒng)、對(duì)中系統(tǒng)、傳輸機(jī)械手、線尾下件系統(tǒng)、伺服技術(shù)五方面的發(fā)展及應(yīng)用。
拆垛系統(tǒng)

伺服沖壓線的拆垛系統(tǒng)由上料小車、拆垛工位、拆垛機(jī)器人、傳輸皮帶等機(jī)構(gòu)組成，共有左側(cè)和右側(cè)兩個(gè)拆垛工位，兩個(gè)拆垛機(jī)器人。正常自動(dòng)運(yùn)行時(shí)兩個(gè)機(jī)器人在同一側(cè)拆垛工位交替抓取板料放至傳輸皮帶上。這種拆垛方式可實(shí)現(xiàn)鋼板和鋁板的拆垛。兩個(gè)機(jī)器人交替進(jìn)行板料拆垛可滿足整線17SPM的節(jié)拍要求。
拆垛機(jī)器人

每個(gè)零件都有對(duì)應(yīng)的子程序，拆垛機(jī)器人（圖1）主程序根據(jù)整線生產(chǎn)的零件ID進(jìn)行調(diào)用。用戶可以根據(jù)板料形狀、大小、位置及端拾器的吸盤布置等對(duì)每個(gè)機(jī)器人運(yùn)行軌跡進(jìn)行編程，柔性化更高。
通用端拾器

拆垛機(jī)器人使用可伸縮式端拾器進(jìn)行拆垛，對(duì)于相似類型的零件，可以使用通用的端拾器進(jìn)行拆垛，節(jié)省成本。通過規(guī)范同類零件的布置形式、建立端拾器模型、板料受力仿真分析等工作，確定最合理的板料位置及吸盤位置，從而可以實(shí)現(xiàn)離線通用端拾器驗(yàn)證，如圖2所示。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了拆垛機(jī)器人端拾器的通用，可以大大降低對(duì)端拾器的投資費(fèi)用。



圖1 拆垛機(jī)器人



圖2 通用端拾器模型及板料受力仿真分析模型

對(duì)中系統(tǒng)

伺服沖壓線的對(duì)中方式為光學(xué)對(duì)中，由工控機(jī)、對(duì)中機(jī)器人、圖像采集系統(tǒng)組成。圖像采集系統(tǒng)對(duì)板料實(shí)際位置進(jìn)行拍照識(shí)別，工控機(jī)安裝的對(duì)中程序?qū)⑴恼战Y(jié)果與樣本進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出板料實(shí)際位置與樣本位置的偏差，對(duì)中機(jī)器人轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系抓取板料，然后放置在對(duì)中臺(tái)上，完成對(duì)中。
樣本保留板料邊緣及樣本最小匹配值的設(shè)定

光學(xué)對(duì)中需要對(duì)板料傳輸?shù)綄?duì)中臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)位置進(jìn)行示教。示教時(shí)需要遮蓋對(duì)中機(jī)器人及端拾器、部分板料邊緣。正常工作時(shí)對(duì)中程序只識(shí)別未被遮擋的板料邊緣。

樣本最小匹配值可以在程序中設(shè)定，一般設(shè)定為75%。當(dāng)板料邊緣識(shí)別率低于樣本最小匹配值的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。設(shè)定板料邊緣識(shí)別總量即樣本中未遮蓋的板料邊緣，其范圍越大意味著識(shí)別精度要求越高。但是樣本中保留的板料邊緣、樣本最小匹配值需要綜合考慮。在足以將板料定位的前提下，可以盡量少的保留板料邊緣。但是如果板料邊緣保留的過少容易被外界干擾，光學(xué)對(duì)中識(shí)別可能出現(xiàn)偏差。如果此時(shí)識(shí)別率大于樣本最小匹配值，不會(huì)報(bào)警，板料對(duì)中后的位置是錯(cuò)誤的。

干擾因素

相比機(jī)械對(duì)中，光學(xué)對(duì)中柔性更高，對(duì)板料形狀要求較小。但是環(huán)境亮度、黑色背板及皮帶與板料的對(duì)比度、板料尺寸變化等都會(huì)影響光學(xué)對(duì)中的效果。特別是端拾器支桿及氣管的搭建方向要差異于板料邊緣的長(zhǎng)度和方向。皮帶邊緣不要太接近板料邊緣，以防造成干擾。黑色背板要注意清潔，不要在上面亂畫標(biāo)記。
圖3的左側(cè)為某零件發(fā)生報(bào)警時(shí)的圖像,紅色邊界為系統(tǒng)識(shí)別的板料位置，由于端拾器氣管干擾產(chǎn)生的誤識(shí)別。并且板料左側(cè)與皮帶邊緣重合，干擾了板料左側(cè)邊緣的識(shí)別。圖3的右側(cè)圖像為改善后識(shí)別的圖像，將端拾器支桿傾斜搭建方向與板料邊緣差異化，同時(shí)吸盤遠(yuǎn)離板料邊緣，減少端拾器及氣管造成的干擾。并且優(yōu)化對(duì)中皮帶位置，皮帶橫向調(diào)整位置優(yōu)化，減少皮帶造成的干擾，最終對(duì)中報(bào)警消除。



圖3 改善前后光學(xué)對(duì)中識(shí)別對(duì)比

傳輸機(jī)械手

伺服沖壓線的傳輸機(jī)械手采用Crossbar-FeederⅢ（以下簡(jiǎn)稱CBF）,其結(jié)構(gòu)如圖4所示?？蓪?shí)現(xiàn)物流方向（X軸）、垂直方向（Z軸）、橫向（Y軸，YL和YR）、繞X軸旋轉(zhuǎn)（A軸）、繞Y軸旋轉(zhuǎn)（B軸）和繞Z軸旋轉(zhuǎn)（C軸）共7軸的運(yùn)動(dòng)。

離線仿真

PLS（Press Line Simulator）是伺服沖壓線廠家和達(dá)索公司基于DELMIA V5R19，針對(duì)伺服沖壓生產(chǎn)線合作開發(fā)的仿真軟件。該軟件能夠?qū)δ＞咴谒欧簷C(jī)線上的生產(chǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，直觀校驗(yàn)機(jī)械手、端拾器、工件在運(yùn)動(dòng)過程中與模具的干涉情況，并且可以直觀看到曲線的最大節(jié)拍以及曲線目前限制節(jié)拍的瓶頸之處。并能夠輸出可直接導(dǎo)入設(shè)備的滑塊曲線、CBF運(yùn)動(dòng)曲線文件。大大節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的時(shí)間，提高了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的效率。PLS曲線設(shè)計(jì)界面如圖5所示。



圖4 Crossbar-Feeder Ⅲ示意圖



圖5 PLS曲線設(shè)計(jì)界面

在進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)圖會(huì)簽的時(shí)候，可以通過PLS的功能Die Design Volume生成模具設(shè)計(jì)空間，如圖6所示。模具設(shè)計(jì)空間是根據(jù)運(yùn)動(dòng)曲線及滑塊曲線、CBF和端拾器計(jì)算出不干涉區(qū)域，能夠?qū)δ＞叩脑O(shè)計(jì)提供參考意見?？梢杂闷渑c模具結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行比對(duì)，只要設(shè)計(jì)的模具在該圖形范圍之內(nèi)，使用對(duì)應(yīng)的滑塊曲線和運(yùn)動(dòng)曲線時(shí)，就不會(huì)發(fā)生干涉。相比機(jī)械沖壓線的干涉曲線校驗(yàn)方式，更加直觀、準(zhǔn)確、方便。



圖6 模具設(shè)計(jì)空間

工作臺(tái)氣閥控制及傳感器檢測(cè)

伺服沖壓線的工作臺(tái)共有9根（5組）氣路，前8根氣管每2根一組，第9根為常通氣路。氣路可以控制模具升降定位、側(cè)推定位、翻邊楔器等活動(dòng)部件的動(dòng)作。其中1～4組每組氣路均能使用壓機(jī)及前序CBF、后序CBF的凸輪角度，控制進(jìn)氣及出氣角度，柔性化更高。

另外模具活動(dòng)部件的動(dòng)作也可以通過壓機(jī)或者前序CBF、后序CBF的凸輪角度進(jìn)行相應(yīng)監(jiān)控。例如某零件拉延模具內(nèi)板和外板都使用了夾子來固定板料，CBF0放件和CBF1取件都需要保證夾子處于打開狀態(tài)。將夾子打開的傳感器信號(hào)接到傳感器哈丁接頭的5針和6針，板料固定架子及其傳感器監(jiān)控設(shè)定，如圖7所示。通過設(shè)置檢測(cè)角度，可以實(shí)現(xiàn)CBF0放件之前、CBF1取件之前，都保證夾子已經(jīng)打開，杜絕了干涉的可能。



圖7 板料固定架子及其傳感器監(jiān)控設(shè)定

線尾下件系統(tǒng)

下件方式

線尾下件系統(tǒng)由穿梭小車、兩個(gè)下件機(jī)器人、線尾皮帶機(jī)組成，共有兩種下件方式。第一種使用穿梭小車及下件機(jī)器人，CBF4將零件放到穿梭小車上，然后穿梭小車向后輸送，再由下件機(jī)器人從穿梭小車上將零件抓起放到左右兩側(cè)線尾皮帶機(jī)上，通過使用穿梭小車及下件機(jī)器人，放件的位置和角度更加柔性化，線尾裝箱人員下件更加方便。

第二種不使用穿梭小車及下件機(jī)器人，最后一工序CBF（CBF4）將零件直接放到線尾皮帶機(jī)上。若CBF4能夠直接將零件放到線尾皮帶機(jī)上，則可以省去穿梭小車及下件機(jī)器人的工藝動(dòng)作，既可以實(shí)現(xiàn)工藝節(jié)能，也可以實(shí)現(xiàn)降成本的目的（省去對(duì)穿梭小車及下件機(jī)器人的端拾器投資）。
圖8為線尾下料系統(tǒng)，左側(cè)使用穿梭小車及下件機(jī)器人，右側(cè)不用。因此選擇兩種下件方式的時(shí)候，要綜合考慮零件在模具中的布置方式、線尾裝箱人員下件動(dòng)作舒適性、工藝節(jié)能、端拾器降成本等多個(gè)因素。



圖8 線尾下料系統(tǒng)(左側(cè)使用穿梭小車及下件機(jī)器人，右側(cè)不用)

堆垛放件數(shù)量設(shè)置

伺服沖壓線可以設(shè)定線尾皮帶左側(cè)或者右側(cè)堆垛的數(shù)量?？梢詫?shí)現(xiàn)皮帶每次啟動(dòng)前，CBF4或者線尾下件機(jī)器人往線尾皮帶上堆垛的數(shù)量。這樣對(duì)于某些內(nèi)板件來說，可以摞放多件后皮帶啟動(dòng)一次，線尾裝箱人員可以每次完成多件的裝箱。不但提高了工作效率，還減少了工作量。
伺服技術(shù)的應(yīng)用-自動(dòng)化輔助工藝

不同于機(jī)械沖壓線，伺服沖壓線的滑塊曲線可以進(jìn)行編程。根據(jù)需求修改出無數(shù)位置、速度不同的曲線，從而輔助拉延及成形工藝，提高制件質(zhì)量。例如某后背門內(nèi)外板模具在節(jié)拍提升至10次/分鐘以上高速生產(chǎn)時(shí)，OP30外板燈口部位出現(xiàn)壓痕（圖9），降速至10次/分鐘以下時(shí)，壓痕消除。可見壓痕出現(xiàn)的原因可能與生產(chǎn)節(jié)拍相關(guān)，進(jìn)而分析壓痕可能是由于壓料板快速?zèng)_擊制件導(dǎo)致的。



圖9 高速生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生壓痕位置

OP30上模壓料板行程為87mm。原滑塊曲線最高節(jié)拍15.3次/分鐘，滑塊位置為87mm左右時(shí)，滑塊速度為490mm/s(壓料板與制件接觸速度)。對(duì)應(yīng)10次/分鐘時(shí)，接觸速度為320mm/s。通過修改滑塊曲線，修改后的曲線最高節(jié)拍為15次/分鐘，滑塊位置為87mm左右時(shí)，滑塊速度為340mm/s左右。即使按最高節(jié)拍15次/分鐘生產(chǎn)，接觸速度與原曲線10次/分鐘時(shí)近似。更換新的滑塊曲線之后，高速生產(chǎn)時(shí)外板壓痕問題徹底消除。

另外在高速連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，由于模具凸凹模、壓料板、壓邊圈、斜楔等機(jī)構(gòu)接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大沖擊，產(chǎn)生大幅振動(dòng)并發(fā)出高音量噪聲損害設(shè)備、模具壽命，同時(shí)對(duì)周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。通過降低接觸速度，也可以降低凸凹模及其部件接觸瞬間的相對(duì)速度，以達(dá)到降噪減振的目的。
結(jié)束語(yǔ)

本文主要總結(jié)了伺服沖壓線自動(dòng)化傳輸系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用。伺服沖壓線在拆垛系統(tǒng)、對(duì)中系統(tǒng)、傳輸機(jī)械手、線尾下件系統(tǒng)等方面都更加柔性化、技術(shù)更加先進(jìn)。未來我們將結(jié)合伺服技術(shù)的應(yīng)用，充分發(fā)揮自動(dòng)化傳輸系統(tǒng)柔性化的特點(diǎn)，提升沖壓件的工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

作者簡(jiǎn)介羅超群，沖壓設(shè)備工程師，主要從事沖壓設(shè)備及自動(dòng)化生準(zhǔn)及調(diào)試工作，參與伺服沖壓線的引進(jìn)與規(guī)劃工作。
本文節(jié)選自《鍛造與沖壓》2018.14期。