機器人在金屬沖壓行業(yè)生產(chǎn)自動化的實現(xiàn)

汽車車身鈑金件沖壓線是汽車生產(chǎn)過程中的重要設備, 其生產(chǎn)質(zhì)量和效率直接影響到汽車的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。沖壓生產(chǎn)自動化是提高勞動生產(chǎn)率和改善勞動條件的有效措施和主要方法。隨著我國汽車、電器產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高和生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大, 我國金屬沖壓行業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)自動化勢在必行。

沖壓工藝中的生產(chǎn)方式有傳統(tǒng)的人工生產(chǎn)方式(?如圖 1 所示) 與自動化生產(chǎn)方式(?如圖 2 與圖 3 所示) 。從產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、人員勞動強度、安全生產(chǎn)、生產(chǎn)效率各方面進行比較, 自動化生產(chǎn)方式有較大優(yōu)勢, 也是沖壓生產(chǎn)方式的發(fā)展趨勢。沖壓自動化生產(chǎn)線又分為機械手自動化生產(chǎn)線、機器人自動化生產(chǎn)線和多工位壓力機生產(chǎn)線等方式。

1. 各種生產(chǎn)方式的比較

機械手自動化生產(chǎn)線和機器人自動化生產(chǎn)線的區(qū)別主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

安裝方式:?機器人線在地面安裝, 與壓力機沒有機械上的連接; 機械手線在壓力機立柱間安裝鋼梁, 附著在壓力機上。

使用特點:機器人線通過端拾器的切換和機器人動作軌跡的調(diào)整, 更加柔性化。

生產(chǎn)節(jié)拍:機器人線生產(chǎn)節(jié)拍為7 件/ min～10 件/ min, 機械手線為8件/ min～12 件/ min。

投資成本:機器人線投資低, 機械手線投資高。因為生產(chǎn)節(jié)拍是一個綜合指標, 它不僅取決于某一設備, 而且取決于自動化設備、壓力機、模具 3 者的協(xié)調(diào)匹配關系, 如達到10 件/ min以上, 對壓力機和模具的要求就相應提高, 意味著投資增加。綜合考慮, 使用機器人自動化線更加經(jīng)濟、適用。

機械手自動化線適于大間距的壓力機生產(chǎn)線, 同時適用于已有生產(chǎn)線的自動化改造。通過更換端拾器, 機器人自動化生產(chǎn)線可適合多車型的生產(chǎn), 柔性更高。

2. 機器人沖壓自動化生產(chǎn)線設計

機器人自動化沖壓生產(chǎn)線運行循環(huán)方式為: 垛料拆垛(?機器人拆垛) - 板料傳輸- 板料涂油- 板料對中- 上料機器人送料- (?首臺壓機沖壓) - 下料機器人取料、送料- (?壓機沖壓) - (?根據(jù)工序數(shù)量循環(huán)) - 下料機器人取料、送料- (?末端壓機沖壓) - 線尾機器人取料、放料- 皮帶機輸送- 人工碼垛。本文以長城汽車的機器人沖壓自動化生產(chǎn)線為例對其整體布局、電器控制等進行具體設計。

2.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)包括拆垛系統(tǒng)、涂油機、對中臺、壓力機兼上下料系統(tǒng)、線尾輸送系系統(tǒng)。

拆垛系統(tǒng)采用可循環(huán)式雙垛料臺, 導軌布置平行于壓力機, 沖壓板料用行車或叉車放置在非工作垛料臺上, 然后通過有效信號確認上料完畢, 系統(tǒng)將在一臺拆垛完成后自動轉換垛料臺, 保證連續(xù)生產(chǎn); 在垛料車上配備磁力分張器, 通過磁力將垛料自動拆垛成單張。在拆垛機器人上有雙料檢測以及雙料處理裝置以保證每次為單張送料。拆垛機器人將板料放置在長度可調(diào)的磁性傳送帶上, 板料送至涂油機, 板料是否涂油及涂油位置可通過編程自行設定, 板料涂油后, 傳送到對中臺。對中臺采用機械對中臺, 可方便地進行移動和固定, 同時使用重力對中或視覺對中系統(tǒng), 保證板料的重復定位快捷、準確與牢固; 上料機器人根據(jù)每個零件的對中位置, 改變運行軌跡, 將板料準確地搬運到壓力機內(nèi); 對不同的沖壓制件進行機器人的模擬示教,離線編程, 以適應多種制件的共線生產(chǎn); 線尾輸送采用皮帶機, 在生產(chǎn)線的末端放置皮帶機, 保證最后一臺壓力機的機器人直接將零件放置到皮帶機上, 達到出件效果。通過軟件使機器人跟蹤壓機的運動, 實現(xiàn)壓機與機器人同步功能, 可以最大化上下料與壓機運動之間的重合度, 達到平穩(wěn)切換其速度來縮短生產(chǎn)節(jié)拍及減少機械負荷的目的。通過增加外部軸, 做為機器人的第七軸進行伺服控制, 使壓力機間的間距布置更加自由; 同時, 機器人的傳送范圍和搬運速度得到提升, 生產(chǎn)節(jié)拍更快。

2. 2 控制系統(tǒng)

2. 2. 1 總體控制方案

本系統(tǒng)包括拆垛機、涂油機、對中臺、上下料系統(tǒng)、線尾輸送系統(tǒng), 各分系統(tǒng)間的電氣控制按照集中監(jiān)控、分散控制的原則。在各控制部分控制系統(tǒng)中, 采用設備層和控制層的典型控制模式, 每個層次中使用不同的網(wǎng)絡結構及軟硬件配置,以實現(xiàn)各自不同的功能。

2. 2. 2 控制層

各部分控制系統(tǒng)采用具有現(xiàn)場總線形式的?PLC控制方式, 具有單獨控制及連線自動控制的功能。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行, 可采用西門子 S7- 416-2DP 的PLC, 現(xiàn)場總線采用西門子Profibus 總線及工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)。每個控制部分的 PLC 之間及各PLC 與上位機之間的數(shù)據(jù)交換采用工業(yè)以太網(wǎng)方式,供 監(jiān) 控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) 使用。壓力機控 制系統(tǒng)需配 備Ethernet card 與機器人控制系統(tǒng)接口, 控制系統(tǒng)與機器人系統(tǒng)間通過 Profibus- DP 現(xiàn)場總線形式實現(xiàn)信息交換和連鎖對接。

2. 2. 3 設備層

設備層在整個控制系統(tǒng)中處于最底層, 是整個控制系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié), 主要包括現(xiàn)場操作站、現(xiàn)場設備檢測單元(?如接近開關、光電開關) 、現(xiàn)場其他輸入設備、現(xiàn)場執(zhí)行機構(?如電動機、電磁閥) 等, 直接或通過現(xiàn)場總線與控制層中的 PLC 相聯(lián)系, 將輸入信號發(fā)送給 PLC, 并將 PLC 輸出指令發(fā)送到現(xiàn)場設備。各種傳感器和閥的接線盒通過現(xiàn)場總線(?Profibus- DP) 和相應控制單元通訊。

2. 2. 4 人機界面 HMI

本系統(tǒng) HMI 采用 SIEMENS 的觸摸屏, 在每個控制單元均配置一個觸摸屏, 采用 Profibus 總線通訊。單元觸摸屏具有指示燈及操作按鈕(?或旋鈕) , 可顯示錯誤報警及自診斷等信息, 本單元相關的 I/ O 信號在HMI 上顯示, 并以不同顏色區(qū)分。一旦有故障節(jié)點, 系統(tǒng)將持續(xù)報警, HMI 上將在當前畫面顯示故障點, 以便工作人員查找。

2. 3 安全系統(tǒng)

安全是自動化生產(chǎn)線的最大特點, 本系統(tǒng)采用基于德國 PILZ 安全 PLC 的 SafetyBus 保護系統(tǒng), 并配置了完善的安全裝置, 實時控制顯示安全區(qū)域狀況, 及時發(fā)出聲光報警信號或停機, 與主PLC 系統(tǒng)通訊采用Profibus- DP 總線。聲光報警單元作為整線安全系統(tǒng)的輔助工具, 能夠在設備啟停、設備故障、上下料故障以及安全系統(tǒng)中各安全監(jiān)控點報警等異常狀況發(fā)生時及時通知操作人員處理。在拆垛系統(tǒng)前設有一升降門, 該門為卷簾門。升降門的開閉與兩個垛料臺的轉換互鎖, 當一個垛料臺無料時, 另一個垛料臺進入前, 升降門打開, 垛料臺開進; 當前一個垛料臺開出后, 升降門落下。升降門是電動升降, 并且由操作員從相應的操作臺控制, 在關閉時它們檢測 2 個行程開關, 打開時用一個傳感器檢測。在保證工作單元安全的情況下, 一個光幕單元(?發(fā)射器/ 接收器) 允許相關的垛料臺車的進出, 也就是說沖壓線自動運行。如果相關的垛料臺車不是處于過渡階段, 而是人或者異物阻擋光幕, 這個光幕單元的斷開將導致整個沖壓線機器人動力的切斷(?除了處于編程模式的機器人) , 并且拆垛單元的控制回路電源斷開。整個控制系統(tǒng)的所有緊急停止信號以及壓機和機器人之間的安全連鎖信號都連入安全 PLC 系統(tǒng), 通過PLC 程序進行互鎖控制。

2. 4 仿真模擬

在虛擬環(huán)境中仿真沖壓線的運行情況, 避免到生產(chǎn)現(xiàn)場才發(fā)現(xiàn)諸如干涉、節(jié)拍不合理等錯誤; 通過機器人離線編程, 對機器人的運動軌跡和路線進行模擬,以縮短現(xiàn)場的調(diào)試周期。機器人運行軌跡如圖 4 所示。

3.結語

機器人沖壓加工自動化的應用, 既改善了勞動條件, 減輕了工人勞動強度, 又可確保生產(chǎn)安全, 提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量, 還能降低能源及原材料消耗,節(jié)省輔助加工時間, 降低產(chǎn)品成本。隨著生產(chǎn)線的制作、調(diào)試周期逐步縮短, 機器人自動化生產(chǎn)線越來越為汽車主機廠所接受, 成為沖壓自動化生產(chǎn)線的主流。