工業(yè)機器人熱沖壓自動化生產系統(tǒng)研究

王鵬凱

(河北工業(yè)職業(yè)技術學院，河北 張家口 075100)

在沖壓生產技術與設備逐漸走向高速化、柔性化、精密化的趨勢下，傳統(tǒng)機械沖壓早已不能滿足個性化生產要求，也無法適應社會發(fā)展需要。而工業(yè)機器人以其自身獨特優(yōu)勢，在沖壓生產領域備受青睞，在此基礎上，基于工業(yè)機器人構成了全自動熱沖壓生產體系。熱沖壓自動化生產體系可以編程方式切實改變工業(yè)機器人運動軌跡與具體作業(yè)，柔性較高，適用于小批量、多品種生產規(guī)模，是實現(xiàn)高速、高質、高效生產的有效方式，同時也是現(xiàn)代化沖壓生產技術的主要發(fā)展方向[1]。據(jù)此，本文對工業(yè)機器人熱沖壓自動化生產系統(tǒng)進行了深入探究。

1 熱沖壓自動化生產系統(tǒng)

1.1 拆 垛

基于拆垛系統(tǒng)，發(fā)揮磁性傳送帶、自動化涂油設備、拆垛小車裝置等設施作用，促使不同狀態(tài)下的工業(yè)機器人可實時導入或導出，其中導入可幫助工業(yè)機器人完成從拆垛機取料放置于涂油裝置，導出可轉移生產材料于指定的具體位置。為便于工業(yè)機器人順利操控，利用小車裝置涂油材料，以消除冷軋鋼板生產地滑移線，從而提高板件抗腐與潤滑能力，強化板料定位、運動、牢固，進而保障系統(tǒng)運行結構穩(wěn)定性與可靠性。

1.2 視覺定位

視覺定位系統(tǒng)的任務是進行加熱板料定位，給工業(yè)機器人輸出準確的、具體的位置信息。由于定位對象屬于平面板料，只需2D視覺定位系統(tǒng)即可，其精確度為±0.5 mm，利用支架穩(wěn)固攝像頭，基于定位平臺安裝，同時對攝像頭進行IP67等級全面防護，配置輔助性光源，以保障系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，實現(xiàn)加熱板料精確定位[2]。

1.3 控 制

工業(yè)機器人熱沖壓自動化生產系統(tǒng)的控制體系選擇雙層網(wǎng)絡結構[3]，具體如圖1所示。雙層結構可獨立分層、分段有效控制，并區(qū)分化管理相關功能?，F(xiàn)場總線并未涵蓋壓機PLC站與人機界面控制，對此選擇DP-DP耦合器銜接壓機與生產系統(tǒng)控制PLC，且有效互鎖控制關聯(lián)信息?；谝蕴W(wǎng)劃分網(wǎng)絡控制層，即信息層與設備層。通過人機界面與所有PLC站端的實現(xiàn)，實時監(jiān)控設備節(jié)點，從而提升控制系統(tǒng)柔性。

圖1 雙層網(wǎng)絡結構

1.3.1 設備層

設備層涉獵操作、輸出、開關、檢測、執(zhí)行等全部設備?；谥鳈C總線輸送指令于PLC，通過其再次傳輸指令于所有設備，由設備執(zhí)行指令。其中，閥與傳感器之間的通信則以現(xiàn)場總線為載體加以實現(xiàn)。

1.3.2 控制層

控制層通過總線PLC操控設備，其具備連線與單獨控制兩項主要功能。在控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)控制的穩(wěn)定性、安全性、可靠性較高。其中設備與PLC通信、數(shù)據(jù)信息傳輸都是基于以太網(wǎng)操作。通過為壓力機控制系統(tǒng)配置Ethemet card，可有機連接壓力機各組成部分，從而實現(xiàn)工業(yè)機器人主機與控制體系之間的實時通信。

1.3.3 人機操作界面

人機操作界面主要選用觸摸屏，利用Profibus總線有效連接控制體系單元設備與人機操作界面，可確保界面指令快速準確傳輸于控制系統(tǒng)各部分，進而順利開展操作。人機操作界面可切實展示控制體系單元運行數(shù)據(jù)信息，基于處理分析，進一步了解工業(yè)機器人運作狀態(tài)與注意事項，提示危險信息。人機操作界面將運轉數(shù)據(jù)信息傳輸于主機控制平臺，其可全方位監(jiān)控所有單元。

1.4 感應加熱爐

感應加熱爐系統(tǒng)的作用是針對批量材料，完成拆垛、板料加熱、溫度控制、板料節(jié)拍性輸出等操作，安排專機廠家專門定制，且配置對應的通信接口[4]。

1.5 安全性

工業(yè)機器人熱沖壓自動化生產系統(tǒng)可保障生產運行穩(wěn)定性與安全性，以保證工業(yè)機器人可實現(xiàn)真正意義上全自動化生產操作。在熱沖壓自動化生產系統(tǒng)，上位機PLC可基于總線技術全面監(jiān)控機器人生產過程，一旦察覺問題便會快速發(fā)出告警，提示工人及時檢查排除故障。PLC系統(tǒng)利用Profibus總線全方位實時監(jiān)控工業(yè)機器人運作的安全區(qū)域，在日常檢修維護時，需實時更新排查，以保障各部件正常運行，減少生產失誤。

1.6 仿真模擬

工業(yè)機器人為實現(xiàn)熱沖壓自動化生產，其運行動作與程序需類似于人工操作，所以增強自動化生產系統(tǒng)仿真模擬與校驗勢在必行。在仿真校驗時，工業(yè)級機器人可基于模擬真實環(huán)境檢驗運作標準性，一旦發(fā)現(xiàn)運行漏洞，及時調整工業(yè)機器人運行節(jié)奏，以提升生產效率與水平，并在實際運轉時實時分析相關數(shù)據(jù)信息，以離線調試，仿真模擬工業(yè)機器人動作模式與運行軌跡，實現(xiàn)實時調節(jié)，從而縮減調試時間，減少失誤，進而提高熱沖壓自動化生產系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性，切實滿足工業(yè)自動化生產多元化需求[5]。

2 生產流程設計

工業(yè)機器人熱沖壓自動化生產系統(tǒng)具體流程[6]如圖2所示。

圖2 生產流程

3 效能計算分析

熱沖壓自動化各個生產工序工時計算[7]具體如表1所示。

表1 各個工序工時 s

根據(jù)數(shù)據(jù)信息與生產效能計算分析，獲得數(shù)據(jù)，即

單個零件總加工時間=

各工序時間的總和=410.2 s

生產線節(jié)拍時間=最長工序時間=177.8 s

班制度工作時間是8 h，減去準備時間0.5 h，實施現(xiàn)場6S管理模式(6S即整理、整頓、清掃、清潔、素養(yǎng)、安全)進行現(xiàn)場管理的時間與工人休息時間0.5 h，以此單班可用于生產的時間是7 h。其中具體產能，即

根據(jù)每天開兩班，每個月有效作業(yè)時間為25天，計算可知：

月產能=單班產能×開班數(shù)×有效作業(yè)天數(shù)=142×2×25=7 100件

通過計算結果得知，熱沖壓自動化生產系統(tǒng)可滿足規(guī)范標準，即月產能6 600件的具體要求。

4 系統(tǒng)仿真分析

針對熱沖壓自動化生產系統(tǒng)仿真模擬，可節(jié)約研發(fā)成本，基于虛擬環(huán)境可發(fā)現(xiàn)工業(yè)機器人運行問題，獲得良好生產效益，防止應用程序失誤或其他系統(tǒng)干擾影響。以離線編程模擬工業(yè)機器人運行軌跡與運轉路線，可有效節(jié)省調試時間。以工業(yè)機器人上下料環(huán)節(jié)進行仿真分析。

4.1 仿真模擬過程

選用Robot Studio為仿真軟件，轉換基于端拾器三維模型與Solid Work軟件的上下料平臺格式，以SAT格式導入于仿真軟件，同時添加工業(yè)機器人實體模型，就具體應用需要進行平臺安裝。其中上料平臺需轉換兩個機械視覺功能，工業(yè)機器人末端軌跡規(guī)劃需與平臺攝像頭支架相互避開，所以，端拾器安裝過程中，應保障位置與姿勢始終如一，并且短邊尺寸與支架相對。

假設工業(yè)機器人上下料核心點位置是P3與P4，運行工業(yè)機器人手腕向下旋轉90°，吸盤底層接觸平面與法蘭盤機中心線相互交錯，交錯位置設定為P1，端拾器底層核心點為Q，工業(yè)機器人待命，可以實時運行抓取板料。具備強有力功能的末端執(zhí)行器，可以幫助機器人增加1～2個自由度，強化搬運柔性。

其一，抓取板料，機器人核心點Q運轉于上料平臺核心點上方位置P2，開始下降于上料平臺核心點P3，進行板料抓取操作，然后回升于P2；其二，下放板料，機器人核心點Q基于P2運轉于下料平臺核心點上方位置P5，工業(yè)機器人以直線運動軌跡，在P5下降于下料平臺核心點P4，進行板料下放操作，然后回升于P5。

為順利準確規(guī)劃工業(yè)機器人上下料軌跡，持續(xù)循環(huán)板料抓取、運輸、下放操作過程，大約10次后，為防止端拾器與下料平臺轉回原點時發(fā)生碰撞，機器人核心點Q需先從P4上升于P6，隨后各軸轉回零位，以實現(xiàn)運動軌跡精確規(guī)劃。

運動軌跡規(guī)劃后，離線仿真板料運輸，設置6個工業(yè)機器人位置姿勢點。通過工業(yè)機器人抓取板料與下放板料仿真模擬，可知板料抓取與下放過程基于規(guī)劃軌跡非常精確，工業(yè)機器人應用效果良好。

4.2 實踐成效分析

在工業(yè)機器人熱沖壓自動化生產系統(tǒng)投入生產使用之后，設備運行順利穩(wěn)定，可根據(jù)設計標準，進行熱沖壓動作。系統(tǒng)運行表明在很大程度上實現(xiàn)了預期功能目標，與設計要求相符。首先直接提高了生產效率，相比既有電阻爐加熱與人工上下料，熱沖壓自動化生產每件節(jié)約時間大約3 min，生產效率提高了近400%。其次有效改善了運行環(huán)境，縮減了工人勞動強度。基于熱沖壓自動化生產，板料上料、運輸、下放等都通過工業(yè)機器人操作，無須人工完成。再次可精確化控制溫度，提升定位精準性與成型效率質量。熱沖壓自動化生產板料溫度控制精確度為±3℃，定位誤差控制于1 mm以內，切實避免了成型一致性較低，以及擠料和壓裂等不良現(xiàn)象[8]。

5 結 論

綜上所述，在現(xiàn)代化科學技術快速更新進步下，工業(yè)生產技術與設備都愈發(fā)科學化、新穎化，沖壓技術也實現(xiàn)優(yōu)化發(fā)展。而工業(yè)機器人的衍生，及其在熱沖壓自動化生產線中的應用可有效提高自動化生產水平，并合理控制工業(yè)生產成本，因此備受工業(yè)領域積極關注。本文通過設計仿真工業(yè)機器人熱沖壓自動化生產系統(tǒng)，結果表明，工業(yè)機器人以其靈活性、可靠性，通過替代人工勞動，減輕了操作人員工作強度，提升了沖壓自動化生產效率與水平，節(jié)約了生產成本，且能夠避免誤差，實現(xiàn)零誤差操作，從而在保障產品質量穩(wěn)定性的基礎上，帶來良好經濟效益。