沖壓自動化機器人運動效率提升方法研究

韋衍杰，鄒平，黎宏偉，董楷

（東風汽車公司技術(shù)中心，武漢 430058）

沖壓自動化機器人運動效率提升方法研究

韋衍杰，鄒平，黎宏偉，董楷

（東風汽車公司技術(shù)中心，武漢 430058）

近年來，隨著汽車市場競爭日趨激烈，降低整車制造成本，日漸成為提升產(chǎn)品競爭力的重要手段。同時，工業(yè)機器人在我國制造業(yè)中廣泛應(yīng)用，優(yōu)化工業(yè)機器人的工作效率逐漸成為提高生產(chǎn)效率的重要手段。本文通過對沖壓生產(chǎn)線上自動化機器人的運動特點和控制技術(shù)進行分解研究，提出了提升沖壓自動化機器人生產(chǎn)效率的具體方法，并在實際運用中取得了良好效果。

工業(yè)機器人；降成本；效率提升

韋衍杰

吉林大學材料成型及控制工程專業(yè)畢業(yè)?，F(xiàn)任東風汽車公司技術(shù)中心制造工程部責任工程師，主要研究方向為沖壓工藝設(shè)計。

1 前言

由工業(yè)機器人構(gòu)成的沖壓自動化生產(chǎn)線是多設(shè)備組成的復雜工控系統(tǒng)，機器人與壓機之間，上下料機器人之間，機器人與傳輸設(shè)備及其他周邊設(shè)備之間的運動協(xié)調(diào)關(guān)系復雜，聯(lián)鎖信號多，可靠性要求高。提升沖壓自動化機器人運動效率，進而提升沖壓生產(chǎn)線的效率，充分挖掘沖壓生產(chǎn)線的產(chǎn)能，降低沖壓件的制造成本，一直是沖壓行業(yè)努力的目標。

本文以某旋轉(zhuǎn)七軸機器人技術(shù)實現(xiàn)自動化連線生產(chǎn)的沖壓生產(chǎn)線為例，對沖壓自動化機器人的運動特點進行了分析，研究了提升機器人運動效率的方法，為同類生產(chǎn)線的效率優(yōu)化提供參考和借鑒。

2 沖壓自動化機器人的運動特點及控制技術(shù)

了解沖壓自動化機器人的運動特點，掌握其控制技術(shù)，是尋求沖壓自動化機器人運動效率提升方法的前提和基礎(chǔ)。

機器人最大的特點是柔性大，可多軸聯(lián)動完成各種復雜的空間運動，運動軌跡多樣，同樣兩點之間的運動，機器人不同的運動類型及運動中的姿態(tài)變化直接決定了運動的速度。

一般汽車大型沖壓件的生產(chǎn)，需要多臺壓機帶動模具按工序順序完成模具沖壓動作，而機器人則負責將前一工序的制件搬運至下一工序，依次串聯(lián)直至完成最終產(chǎn)品。如圖1所示，機器人自動化生產(chǎn)線的主要動作為壓機動作和機器人動作，即壓機滑塊的下壓及上升動作和機器人的搬運動作[1]。

如圖2所示，對于同一臺機器人而言，機器人在兩道工序之間的搬運動作由各軌跡點之間的運動連接而成，包括：機器人在下料等待點等待（WU）、機器人完成下料動作（WU-BP-P-APOU）、機器人運動至上料等待點（OU-WL）、完成上料動作（WL-BD-D-AD-OL）、機器人回到上料等待點（OL-WU），以上軌跡，組合為一個運動循環(huán)，稱為機器人運動循環(huán)。

對于同一工序的壓機而言，壓機動作及模具的沖壓作業(yè)完成后，機器人才能開始下料和上料動作。下料機器人完成下料動作，模具內(nèi)的制件被取走后，上料機器人才能開始上料動作，將上道工序的制件放入模具內(nèi)，依次循環(huán)。

機器人動作循環(huán)軌跡中，機器人在各軌跡點的空間位置、機器人的運動類型、運動姿態(tài)均可通過機器人示教器進行設(shè)置。

沖壓線中機器人與壓機的動作協(xié)調(diào)，是生產(chǎn)線連續(xù)自動化作業(yè)的基礎(chǔ)。機器人與壓機的動作協(xié)調(diào)，包括了機器人與壓機之間，上下料機器人之間動作的監(jiān)視、控制和管理。機器人與壓機的動作協(xié)調(diào)，由沖壓生產(chǎn)線配備的控制系統(tǒng)通過信號設(shè)置和協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)。一般情況下，控制系統(tǒng)以壓機動作的某個滑塊位置（即“壓機角度”）做為觸發(fā)信號，當壓機運動至該位置時，啟動等待點位置的機器人，使機器人開始動作；以機器人動作中的某個軌跡點位置做為觸發(fā)信號，當機器人運動至該軌跡點時，所處壓機滑塊在等待給出觸發(fā)信號，啟動上死點位置的壓機滑塊，使滑塊開始下壓[2]。

3 單次沖壓作業(yè)循環(huán)的時間構(gòu)成

如圖3所示，根據(jù)上文關(guān)于于機器人與壓機之間動作協(xié)調(diào)的分析，將機器人動作及壓機動作放在同一個時間軸內(nèi)，并將兩者的運動時間拆解，得出單次沖壓作業(yè)循環(huán)的時間構(gòu)成。

4 影響沖壓自動化機器人運動效率的主要因素

通過上文對沖壓作業(yè)循環(huán)的時間構(gòu)成圖的研究，影響單次沖壓作業(yè)循環(huán)時間的兩個最主要因素如下：

（1）機器人自身的運動速度

機器人自身的運動速度決定了動作循環(huán)中“下料”、“運動至上料等待點”、“上料”所用的時間。

（2）機器人及壓機的等待時間

機器人下料啟動時間以及壓機滑塊下壓的啟動時間，分別決定了動作循環(huán)中“下料等待”、“滑塊停留在上死點等待”所用的時間。

提高機器人自身運動速度、縮短機器人及壓機的等待時間，即可縮短單次沖壓作業(yè)循環(huán)的時間，提高沖壓自動化機器人的運動效率。

5 沖壓自動化機器人運動效率提升的具體方法

如表1所示，在實踐中，針對影響沖壓自動化機器人運動效率的主要因素，機器人的運動效率提升的具體方法可以總結(jié)為：

表1 機器人的運動效率提升方法

5.1 合理選擇機器人的運動類型

旋轉(zhuǎn)七軸機器人可完成的各種復雜的空間運動，都可總結(jié)為三類運動類型，包括：

Jiont關(guān)節(jié)運動——機器人在指定的兩個點之間任意運動；

Linear直線運動——機器人在指定的兩個點之間直線運動；

Circular圓弧運動——機器人在三個指定點之間圓弧運動[3]。

三種運動類型所耗費的時間關(guān)系為：

t（關(guān)節(jié)運動）

為縮短運動時間，應(yīng)盡可能選擇關(guān)節(jié)運動類型來實現(xiàn)機器人在每個軌跡點之間的動作。

5.2 合理示教機器人的運動姿態(tài)

機器人運動過程中，姿態(tài)變化越少則機器人運動速度越快。減少機器人姿態(tài)變化的具體方法如下：

（1）減少運動軌跡中的高度變化：如圖4所示，將單次機器人運動循環(huán)分為往返兩段軌跡，分別稱為第一段軌跡及第二段軌跡。在保證安全的前提下，將第一段軌跡與第二段軌跡設(shè)置為近似的平面運動（各段軌跡中各點坐標的Z數(shù)據(jù)大致相同），即可減少機器人運動過程中姿勢的變化[4]。

（2）減少軌跡點之間機器人的姿態(tài)變化：選擇一個合適的姿態(tài)作為示教運動軌跡的開始點，用一個和示教開始點近似的姿態(tài)示教運動軌跡的終點，觀察機器人運動過程的姿態(tài)變化，不斷調(diào)整。

5.3 合理設(shè)置動作的觸發(fā)信號

一般情況下，為保證設(shè)備絕對安全，一般設(shè)備廠家交付設(shè)備時，機器人及壓機動作的啟動觸發(fā)信號設(shè)置都十分保守。

圖5 中，A、B兩點表示動作啟動觸發(fā)信號的初始設(shè)置。如A點時間坐標所示，機器人的下料動作的啟動時間，設(shè)置在壓機滑塊上升動作完成，即壓機滑塊上升至上死點的時刻；如B點時間坐標所示，壓機滑塊下壓動作的啟動時間，設(shè)置在上料機器人（J1）完成上料動作并完全退出壓機的時刻。

當動作循環(huán)處于A、B兩個時刻，機器人與壓機的位置關(guān)系如圖6所示：

針對上文提到的動作啟動信號設(shè)置過于保守的問題，可以通過合理設(shè)置動作啟動的觸發(fā)信號，在滿足保證設(shè)備安全的前提下，提前啟動動作，令設(shè)備等待時間縮短，具體方法如下：

（1）合理設(shè)置機器人下料動作的啟動觸發(fā)信號

找到安全距離h值，將機器人下料動作啟動觸發(fā)時間提前，使壓機滑塊未上升到上死點時，取件機器人（J2）即開始進入壓機取件，減少機器人等待時間，如圖7所示：

根據(jù)安全距離h值，找到對應(yīng)壓機角度，壓機滑塊在上升過程中，到達該對應(yīng)壓機轉(zhuǎn)角即發(fā)送信號，此時取料機器人接收指令，從取料等待點開始取件動作。

（2）合理設(shè)置壓機滑塊下壓動作的啟動觸發(fā)信號

找到安全距離L1值，將壓機滑塊下壓動作的啟動觸發(fā)信號提前，使上料機器人（J1）未完全退出壓機時，壓機即開始啟動下壓，減少壓機等待時間，如圖8所示：

沖壓自動生產(chǎn)線的連鎖電路里對運動邏輯有個保護：壓機滑塊下壓至一個壓機角度，如果機器人沒有離開軌跡特定的檢測點，連鎖邏輯上會使壓機緊急停止，防止模具與機器人發(fā)生碰撞，這時壓機滑塊位置對應(yīng)的壓機角度，稱為模具保護角度。

合理設(shè)置模具保護角度，保證壓機滑塊下壓時間提前的情況下，設(shè)備依然安全，壓機動作依然連貫。模具保護角度的設(shè)置方法見表2。

表2 模具保護角度設(shè)置方法表

采取以上兩種方法，重新設(shè)置動作啟動觸發(fā)點后，減少了壓機和機器人的等待時間，壓機與機器人的動作更為緊密，優(yōu)化后的結(jié)果如圖9所示。

另外，對于同一臺壓機而言，在上料機器人放料之前，下料機器人必須將上一循環(huán)中加工好的坯料取走，并且要將相鄰機器人的安全距離考慮在內(nèi)，相鄰機器人的最小距離要大于安全距離，保證沖壓制件、端拾器以及機器人之間不會發(fā)生碰撞。

6 結(jié)束語

本文從沖壓自動化機器人的運動特點及控制技術(shù)出發(fā)，通過對沖壓作業(yè)循環(huán)的研究及分析，介紹了影響沖壓自動化機器人運動效率兩個主要因素：機器人自身的運動速度，機器人及壓機的等待時間。闡明了提高沖壓自動化機器人運動效率的方法：合理選擇機器人運動類型，示教機器人的運動姿態(tài)，提高機器人自身運動速度；合理設(shè)置動作的觸發(fā)信號，使機器人及壓機動作提前啟動，減少機器人及壓機的等待時間。

對于沖壓自動化生產(chǎn)線，提升機器人的運動效率是提高生產(chǎn)效率、降低制造成本的最直接最有效的手段，隨著工業(yè)機器人在沖壓領(lǐng)域的應(yīng)用日益普遍，本文的研究將具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。

[1] 付豪.楊繼東.沖壓自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的研究與開發(fā).機械電子工程2012(05).

[2] 周玉林.張志強.侯雨雷.屈云濤. 沖壓線機器人與壓機動作協(xié)調(diào)方法[J].制造技術(shù)與機床. 2013(01).

[3] 王嫦美.柔性沖壓線機器人選型與上下料系統(tǒng)構(gòu)建及其實驗研究[D]. 燕山大學 2013.

[4] 侯雨雷,王嫦美,楊彥東,段艷賓,杜建革,周玉林.基于ABB機器人的沖壓線上下料系統(tǒng)構(gòu)建及其實驗[J]. 制造技術(shù)與機床. 2014(09) .

專家推薦

周志雄：

論文對工業(yè)機器人用于沖壓生產(chǎn)線以提高生產(chǎn)效率進行了研究，對提高生產(chǎn)效率及自動化水平有一定的參考價值。

The Research on the Improvement of Operating Efficiency of Automatic Stamping Robot

WEI Yan-jie, ZOU Ping, LI Hong-wei, DONG Kai
( Dongfeng Motor Corporation Technical Cente, Wuhan 430058, China )

In recent years, with the increasingly fierce competition in automobile market, reducing the overall cost has become an important means to enhance the competitiveness of products. Meanwhile, as industrial robots are widely applied in the manufacturing industry in our country, to improve the work efficiency of industrial robot becomes one of the main solutions to improve production efficiency. Based on the dissectional study on kinematic characteristics and control technique of automatic robot on stamping production line, the thesis puts forward the practical methods on how to improve the work efficiency of industrial robot on stamping production line, which already showed a very favorable result in the practical application.

Industrial robot; Cost reduction; Efficiency improvement.

TH17

A

1005-2550（2016）01-0068-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.014

2015-05-19