工業(yè)機器人在沖壓應(yīng)用中的效率優(yōu)化

劉永安

（廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510530）

在沖壓領(lǐng)域，目前我國仍然是高密集的人力勞動，自動化程度低，工作環(huán)境惡劣。由于在沖壓生產(chǎn)中，高噪音的工作環(huán)境、高度重復(fù)單調(diào)的工序以及高節(jié)拍要求三個因素，易使工作人員疲勞進而經(jīng)常導(dǎo)致工傷事故發(fā)生。推進工業(yè)機器人在沖壓生產(chǎn)的應(yīng)用，不僅把勞動人員從危險惡劣、單調(diào)重復(fù)地工作環(huán)境中解放出來，同時大大提高沖壓產(chǎn)品的產(chǎn)量、穩(wěn)定性及一致性，進一步提高工業(yè)自動化水平的重要一環(huán)。目前，在沖壓應(yīng)用中對于大負載、拉深等應(yīng)用，對節(jié)拍要求不高的場合已大范圍應(yīng)用工業(yè)機器人實現(xiàn)機器換人。為了進一步攻克沖壓作業(yè)中節(jié)拍效率要求高的問題，更全面地把人從危險低附加值的工作中解放出來，從各環(huán)節(jié)提高工業(yè)機器人的作業(yè)效率，顯得異常重要。。

1 沖壓應(yīng)用中工業(yè)機器人的種類選擇對作業(yè)效率的影響

在整條沖壓自動化線中，沖壓各環(huán)節(jié)所使用的工業(yè)機器人，應(yīng)該有針對性地做出選擇，因為這將直接影響沖壓作業(yè)的效率，下面就幾種典型結(jié)構(gòu)的工業(yè)機器人在沖壓上的應(yīng)用作簡單的介紹。并聯(lián)機器人比較適合高精度、高剛度以及大的載荷同時要求的工作空間并不大的場合。在沖壓上應(yīng)用，可以使用在物料的分揀等來料上料環(huán)節(jié)。沖壓中一般有多工序組成，不同工序間壓力機緊密配合。在移載環(huán)節(jié)，可選擇的工業(yè)機器人包括6 軸關(guān)節(jié)式搬運機器人，4 軸關(guān)節(jié)式搬運機器人以及擺臂機械人。假如對自由度要求高，例如工序中有對工件作翻轉(zhuǎn)再進行作業(yè)的要求，或者當工件因為翻轉(zhuǎn)，相對地面需要傾斜，應(yīng)選擇6 軸關(guān)節(jié)式搬運機器人；而對剛性要求低、沖壓工件部署單調(diào)重復(fù)、不經(jīng)常更換工件的小件沖壓應(yīng)用，可以選擇低成本的擺臂機器人；目前在移載工序中，由于兼具高剛性、高速度以及關(guān)節(jié)又不失靈活的特點，應(yīng)用最多的是4 軸關(guān)節(jié)式搬運機器人。在沖壓自動線的末端，下料堆垛等可選擇使用碼垛機器人，效率高，成本又比多自由度的機器人較低。

下面就沖壓應(yīng)用中使用最廣的4 軸關(guān)節(jié)式機器人作較細化的介紹。機構(gòu)上，4 軸關(guān)節(jié)式機器人有與碼垛機器人相通之處，有兩副平行四桿機構(gòu)，用以保證機器人末端與地面水平，節(jié)省傳統(tǒng)機器人的兩個軸聯(lián)動才實現(xiàn)末端水平。這種機器人在設(shè)計之初，就為了大概率適應(yīng)沖壓應(yīng)用，故其1 軸旋轉(zhuǎn)速度與4 軸旋轉(zhuǎn)速度很高；同時，由于關(guān)節(jié)采用了RV 結(jié)構(gòu)減速機，保證了高剛性及易于裝配。在沖壓自動化生產(chǎn)線的各環(huán)節(jié)，選擇正確合適的工業(yè)機器人種類，將大大節(jié)省成本，提高沖壓作業(yè)效率。

2 沖壓應(yīng)用中工業(yè)機器人的方案布局對作業(yè)效率的影響

影響沖壓作業(yè)的效率的又一大因素，是工業(yè)機器人的方案布局。圖1 為典型的工業(yè)機器人沖壓應(yīng)用方案布局示意圖，方案中機器人作業(yè)區(qū)域有安全圍欄，使用多臺工業(yè)機器人協(xié)作完成沖壓自動化。在選擇正確的工業(yè)機器人種類后，接下來重要的就是如何布置工業(yè)機器人之間的相對位置。應(yīng)按以下原則來安排。

圖1 典型工業(yè)機器人沖壓應(yīng)用布局方案

首先，在安裝固定機器人到地面時，設(shè)置機器人與地面的高度，應(yīng)結(jié)合工業(yè)機器人的工作范圍、臂展等考慮，在滿足工況的前提下，讓機器人在“舒服”的位置工作，減少不必要的考驗機器人串聯(lián)結(jié)構(gòu)剛性的機會，這也將大大地節(jié)能及增長機器人的使用壽命。其次，整個沖壓方案中，盡可能在各環(huán)節(jié)中，讓單臺工業(yè)機器人應(yīng)付多臺壓力機或多個工序操作。這樣的好處是，可以提高工業(yè)機器人的在線使用率，同時減少了不必要的機器人等待時間。然后，在多臺工業(yè)機器人協(xié)作的方案中，應(yīng)充分考慮合理布置機器人與機器人之間的間隙，或者機器人與壓力機之間的距離，以免增加機器人多余的避讓動作軌跡，以提高沖壓作業(yè)效率。最后，工業(yè)機器人的方案布局，針對壓力機要常更換模具的應(yīng)用場合，應(yīng)留夠更換操作空間或設(shè)置相應(yīng)的機器人移動機構(gòu)，減少更換模具時間以提高作業(yè)效率。

3 沖壓應(yīng)用中工業(yè)機器人的工裝夾具對作業(yè)效率的影響

和人類的手操作不同的是，聯(lián)系工業(yè)機器人與工件的橋梁，就是工裝夾具。在上料、移載、下料等環(huán)節(jié)，合理設(shè)計工裝夾具，將大大提高工業(yè)機器人的作業(yè)效率。沒有與工業(yè)機器人直連的有上料料盤、分揀輸運、工件翻轉(zhuǎn)、工件檢測等工裝。安裝在機器人末端的是夾具，在常用的沖壓應(yīng)用中，有吸盤類夾具以及抓手類夾具。由于兩者使用大量氣動元器件如真空發(fā)生器、氣缸等，工廠應(yīng)保證氣源供應(yīng)的穩(wěn)定。同時，應(yīng)根據(jù)工件及工序的特點設(shè)計合適的工裝，以避免發(fā)生低效率的機器人取放工件，導(dǎo)致節(jié)拍時間變長。再者，實現(xiàn)同樣功能的工裝夾具，應(yīng)優(yōu)化其機構(gòu)的設(shè)計，用優(yōu)化的機械結(jié)構(gòu)來達到減少執(zhí)行器氣缸個數(shù)，或氣缸動作的次數(shù)，這將節(jié)省時間和能源，提高沖壓的作業(yè)效率。對于不同工序間，有工件翻轉(zhuǎn)要求的場合，應(yīng)仿真衡量設(shè)置單獨的翻轉(zhuǎn)工裝，還是直接選用多軸機器人直接實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。以較經(jīng)濟的方式做設(shè)計，并以提高效率為目標。

4 沖壓應(yīng)用中工業(yè)機器人的電氣控制對作業(yè)效率的影響

工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)在整個沖壓應(yīng)用中尤為重要，它主導(dǎo)著工業(yè)機器人的任務(wù)分配和程序執(zhí)行，同時接收各環(huán)節(jié)各種傳感器反饋信號。關(guān)于電氣控制中需注意的事項有以下幾點。第一，選擇兼容的通訊方式，根據(jù)各類信號，設(shè)計以安全為前提的動作邏輯，盡量讓機器人不作多余的等待，可以顯著提高效率節(jié)拍。第二，根據(jù)工業(yè)機器人的工位以及取放點，應(yīng)設(shè)計優(yōu)化的工業(yè)機器人動作軌跡路線，避免多余的避障點或路線增加機器人的動作時間。第三，應(yīng)盡量選用有內(nèi)置PLC 功能的工業(yè)機器人供應(yīng)商，內(nèi)置PLC 功能將允許機器人多線程同步處理各類信號，無需增加與外置PLC 通訊的時間，大大提高程序執(zhí)行效率。第四，應(yīng)選用有友好人機界面的工業(yè)機器人供應(yīng)商，由于沖壓工人需經(jīng)過培訓(xùn)才能順利使用工業(yè)機器人進行示教應(yīng)用，所以越簡潔易操作的人機界面，設(shè)計出來的程序越能反映出沖壓工人優(yōu)化的工藝思想。第五，整個方案應(yīng)設(shè)置安全柵欄及應(yīng)急預(yù)案，以便在發(fā)生工業(yè)機器人故障時，維修人員操作的時間不影響正常的沖壓生產(chǎn)。

5 結(jié)語

本文從工業(yè)機器人種類選擇、方案布局、工裝夾具以及電氣控制多方面，闡述了沖壓應(yīng)用中，影響工業(yè)機器人效率及節(jié)拍的多種原因，并提出了眾多可操作或參考的技術(shù)細節(jié)。隨著工業(yè)機器人在沖壓領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入，將大大緩解沖壓生產(chǎn)中工傷的問題，加速工業(yè)自動化的進程。