沖壓自動線機器人與壓力機動作協(xié)調(diào)及其運動仿真

侯雨雷 張志強 譚候金 王建新 喻寶林 周玉林

1.燕山大學，秦皇島，066004 2.一重集團大連設(shè)計研究院有限公司，大連，116000

0 引言

近年來，我國汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，汽車更新?lián)Q代的速度日益加快，由此競爭更為激烈，這就要求汽車制造企業(yè)必須改進傳統(tǒng)技術(shù)、縮短研發(fā)周期、降低制造成本、提高生產(chǎn)效率。

采用信息技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。汽車車身沖壓自動化生產(chǎn)線(簡稱沖壓自動線)的運動仿真是在虛擬的環(huán)境中對生產(chǎn)線的主要元素進行三維建模，并裝配成線，然后驅(qū)動虛擬生產(chǎn)線，模擬真實生產(chǎn)線的運行情況［1］。通過對沖壓自動線進行運動仿真，可以實現(xiàn)生產(chǎn)線在虛擬環(huán)境中的安裝調(diào)試，形象地展示生產(chǎn)線的三維布局，演示生產(chǎn)線的預(yù)期動作，檢查各裝備的運行干涉情況。沖壓自動線的運動仿真能夠避免實際生產(chǎn)中的干涉碰撞事故［2］，縮短生產(chǎn)線的設(shè)計周期和降低現(xiàn)場安裝調(diào)試所造成的額外成本［3］，并可通過調(diào)整各裝備的動作實現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍的優(yōu)化，從而提高生產(chǎn)效率。

據(jù)統(tǒng)計，在沖壓生產(chǎn)中，僅有不足10%的時間用于工件的沖壓加工，其余時間均用于工件搬運與等待搬運［4］。目前，在我國機器人自動化沖壓生產(chǎn)線中，機器人與壓力機的運動協(xié)調(diào)關(guān)系多為靜態(tài)配合方式。在此配合方式下，壓力機滑塊必須在上死點靜止時，機器人才能進行上下料操作，因此導致生產(chǎn)效率低;且由于壓力機必須等待機器人，故壓力機的運行時斷時續(xù)，增加了壓力機離合器、抱閘的動作頻率，縮短了使用壽命［5］。

本文以汽車車身側(cè)圍板沖壓自動線為對象，設(shè)計了機器人與壓力機動態(tài)配合方式的動作協(xié)調(diào)方案，充分利用壓力機滑塊在上下料干涉高度以上的運行時間，消除了傳統(tǒng)靜態(tài)配合方式中壓力機的等待時間，可顯著提高生產(chǎn)效率，并結(jié)合不同運動方案，針對沖壓線整體運動予以仿真，為沖壓線機器人運料過程穩(wěn)定性的進一步改進提供依據(jù)。

1 沖壓自動線基本構(gòu)成與尺寸

本文研究對象為安徽江淮汽車車身的側(cè)圍板(圖1)等大型沖壓件，它由1臺2500t閉式四點伺服壓力機、3臺1000t曲柄壓力機、5臺 ABB IRB 6660機器人(配有柔性Crossbar)以及輔助裝備等組成。

圖1 汽車車身的側(cè)圍板

汽車車身側(cè)圍板的坯料尺寸為3110mm×1560mm×0.7mm，拉深深度為200mm，材料為非時效性深沖冷軋?zhí)间摫“濉８鲏毫C間距及壓力機外形尺寸如圖2所示。

圖2 各壓力機間距及壓力機外形尺寸

2 沖壓自動線機器人運動學分析與軌跡規(guī)劃

機器人的工作空間及其運動軌跡規(guī)劃是進行沖壓自動線運動仿真的前提。

2.1 ABB機器人運動學分析

采用 Denavit－Hartenberg 方法［6-7］可方便地建立ABB IRB 6660機器人的運動學方程，其連桿坐標系如圖3所示。

利用反正切表示的該機器人各關(guān)節(jié)運動學反解［8］如下:

圖3 ABB IRB 6660機器人連桿坐標系

需要說明的是，當θ5=0時，操作臂處于奇異狀態(tài)，此時關(guān)節(jié)軸4和6重合在同一直線上，θ4可任意取值。而當θ5≠0時，可以按式(3)求解θ4。

確定工作空間的方法通?？煞譃榻馕龇ê蛨D解法［9］兩類。圖4所示即為利用圖解法求出的ABB IRB 6660機器人工作空間與靈活工作空間。曲線C1之內(nèi)為機器人靈活工作空間，曲線C2為關(guān)節(jié)5可達空間的邊界，曲線C3為機器人末端可達空間的邊界。

工作對象不同，對機器人操作靈活性的要求也不一樣。就本文所研究生產(chǎn)線中的上下料機器人而言，對其末端姿態(tài)的要求并不非常嚴格，因此，機器人的軌跡可處于靈活性稍差的 C2范圍之內(nèi)。

2.2 ABB IRB 6660機器人軌跡規(guī)劃

根據(jù)沖壓生產(chǎn)線的實際工況，將機器人水平運料高度設(shè)定為1000mm。機器人的末端(未包括柔性 Crossbar)軌跡規(guī)劃如圖 5所示，其中WV=3300mm，h=2200mm，坯料提升高度為UV=200mm，圓弧ST、PQ的半徑均為50mm。由此亦可確定機器人在生產(chǎn)線中的安裝位置。

圖4 ABB IRB 6660機器人靈活工作空間

圖5 機器人末端軌跡

機器人末端軌跡的俯視圖參見圖6(線段WV)?？梢姡瑱C器人末端軌跡位于其靈活工作空間中。

圖6 機器人末端軌跡的俯視圖

在機器人搬運工件過程中，工件的姿態(tài)保持不變，則在所規(guī)劃軌跡上按一定間隔取點，由運動學反解，即可求出各點所對應(yīng)的機器人各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量。

3 沖壓自動線動作方案的設(shè)計

結(jié)合重大專項任務(wù)要求，沖壓自動線的生產(chǎn)節(jié)拍定為每分鐘10件，伺服壓力機與曲柄壓力機的運動周期均為6s，其升程分別為1200mm和1100mm。假設(shè)每臺壓力機的偏心主盤均為勻速轉(zhuǎn)動，生產(chǎn)線的上下料干涉高度為500mm。不妨將壓力機的動作按時間等分為12份，則伺服壓力機與曲柄壓力機的滑塊運動曲線分別如圖7和圖8所示。

圖7 2500t伺服壓力機動作劃分

圖8 1000t壓力機動作劃分

與壓力機動作相對應(yīng)，如圖9所示，機器人的動作也按時間等分為 12份，即 RL、LK、KP、PK、KL、LR、RM、MN、NU、UN、NM、MR。其中，動作KP、PK 為機器人送料動作，MN、NU、UN、NM 為機器人取料動作。

圖9 機器人動作劃分節(jié)點示意圖

壓力機與機器人動作劃分完成之后，即可制訂整條沖壓線的動作方案(方案1)，參見表1。

結(jié)合圖7～圖9，可見表1所示動作方案中機器人送料動作較快(僅占用1s)，運料速度起伏較大，后4臺機器人還有改善的余地，由此可將放料動作由兩份(KP、PK)改為4份(占用2s):LK、KP、PK和KL。改進后的動作方案(方案2)見表2。

表1 沖壓線動作方案1

表2 沖壓線動作方案2

4 沖壓自動線運動仿真

首先，提煉生產(chǎn)線中各設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，利用Solidworks建立其簡化三維模型，并根據(jù)軌跡規(guī)劃中所確定的機器人位置和沖壓線布局進行整線裝配，進而建立沖壓自動線模型，如圖10所示。

圖10 沖壓自動線三維模型

其次，根據(jù)先前所設(shè)計動作方案，確定生產(chǎn)線中各個設(shè)備的初始位置，并在Solidworks中進行調(diào)整。

再次，將三維模型導入ADAMS中，添加約束和驅(qū)動。

而后，編制驅(qū)動函數(shù)，調(diào)試虛擬樣機。機器人各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動函數(shù)均采用AKISPL函數(shù)。其中，被引用的樣條線性數(shù)據(jù)均為兩列，第一列為時間，第二列為與時間對應(yīng)的 θi(i=1，2，…，6)。驅(qū)動函數(shù)設(shè)置完成之后，調(diào)試生產(chǎn)線虛擬樣機，使其按預(yù)定的動作運行。由于設(shè)備多，調(diào)試較困難，可將所有可能發(fā)生互鎖的驅(qū)動賦值為0，然后逐個設(shè)備調(diào)試，依次排除設(shè)備的互鎖，進而完成整線調(diào)試。

最后，驅(qū)動該沖壓線進行運動仿真。分別對動作方案1、方案2進行了仿真，實現(xiàn)了機器人與壓力機的動態(tài)配合。圖11所示為生產(chǎn)線中某臺機器人工作時的末端軌跡。

圖11 機器人末端軌跡仿真圖

利用ADAMS可方便地獲得沖壓線運行過程中各機器人末端位移與速度變化情況。圖12所示即為對應(yīng)動作方案1和方案2的沖壓線后4臺機器人末端運動曲線。

由圖12a、圖12b可見，動作方案2改善了機器人水平方向的運動，減緩了末端運動曲線的突變;由圖12c、圖12d可見，動作方案2使得機器人末端的最高速度由6161mm/s降低至4804mm/s。

綜合比較對應(yīng)兩個動作方案的沖壓線仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，動作方案2充分利用了后3臺壓力機滑塊在干涉高度之上的運行時間，使得工件的搬運過程更加平穩(wěn)。

5 結(jié)束語

本文所提出的沖壓自動線機器人與壓力機動作協(xié)調(diào)方案消除了傳統(tǒng)靜態(tài)配合方式的等待時間，可加快生產(chǎn)節(jié)拍;仿真結(jié)果驗證了所提出的機器人與壓力機動態(tài)配合方式的可行性，也為機器人運料過程中運動性能的改善提供了改進依據(jù)。

針對大型沖壓自動線中機器人與壓力機的動作協(xié)調(diào)及其運動仿真所進行的研究，不僅形象地展示了生產(chǎn)線的總體布局，還大為縮短了生產(chǎn)線的設(shè)計周期和現(xiàn)場安裝調(diào)試周期，還為類似系統(tǒng)的運動仿真提供了參考。

圖12 沖壓線后4臺機器人末端運動曲線

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