電動汽車底盤件沖壓自動化的設(shè)計與應(yīng)用

詹俊勇

揚(yáng)力集團(tuán)股份有限公司 江蘇揚(yáng)州 225127

關(guān)鍵字:電動汽車；底盤件；沖壓自動化；機(jī)器人

汽車底盤沖壓件是指用于汽車底盤系統(tǒng)的各種金屬零件，包括發(fā)動機(jī)支架、變速器支架、懸掛支架等，這些沖壓件的質(zhì)量和性能對汽車的行駛穩(wěn)定性和安全性起著重要的作用。電動汽車底盤沖壓件通常由鋼板經(jīng)過剪切、沖孔、彎曲及成形等多種工藝加工而成。在電動汽車底盤沖壓件的設(shè)計和制造過程中，需要考慮多個因素，如材料的選用、尺寸的確定、形狀的精度要求等。

典型電動汽車的底盤有11個沖壓件，具體見表1。

表1 典型電動汽車的底盤零件

傳統(tǒng)汽車行業(yè)用于汽車底盤件生產(chǎn)工藝主要是單機(jī)多工位生產(chǎn)線模式，但是表1中汽車底盤件產(chǎn)品尺寸小，雖然適合單機(jī)多工位模式生產(chǎn)，但是其材料厚度較厚，拉伸深度較深，而且材料的屈服強(qiáng)度較高，這樣會導(dǎo)致多工位生產(chǎn)模式下較嚴(yán)重的壓力機(jī)偏載，從而影響制件精度與機(jī)床壽命，所以這種生產(chǎn)模式不太適合電動汽車底盤件的批量化生產(chǎn)。

產(chǎn)品分析

針對該典型的電動汽車底盤件的特點(diǎn)，充分考慮到項(xiàng)目實(shí)施的可行性與多品種適應(yīng)性，本文提出一種由閉式單點(diǎn)壓力機(jī)與六軸工業(yè)機(jī)器人組成的生產(chǎn)線的形式來完成該底盤件零件的產(chǎn)線的設(shè)計。分析典型電動汽車底盤沖壓件的工藝可以得知，所有零件都是在5序工序內(nèi)完成沖壓生產(chǎn)，產(chǎn)品尺寸較小，最大的模具長度都在2000mm以內(nèi)。針對該典型的電動汽車底盤件，提出一種由閉式單點(diǎn)壓力機(jī)與六軸機(jī)器人組成生產(chǎn)線的形式，來完成該典型電動汽車底盤沖壓零件的產(chǎn)線的設(shè)計。

產(chǎn)線設(shè)計

該典型電動汽車底盤件的自動化生產(chǎn)線設(shè)計為多機(jī)獨(dú)立式機(jī)械手自動化方案。

（1）機(jī)床 針對典型的電動汽車底盤件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用閉式單點(diǎn)壓力機(jī)，可以有效保證沖壓精度，同時具備可觀的經(jīng)濟(jì)性。針對零件的5序沖壓工序：第一序拉伸，選用1000t的閉式單點(diǎn)壓力機(jī)；第二序?yàn)檎芜x用800t閉式單點(diǎn)壓力機(jī)；第三、第四、第五序?yàn)榉厸_孔切邊等，壓力機(jī)選用3臺630t閉式單點(diǎn)壓力機(jī)。

（2）沖壓自動化生產(chǎn)線的組成 典型電動汽車底盤件生產(chǎn)線包括：2臺拆垛臺車、1套視覺對中上料單元、5臺閉式單點(diǎn)壓力機(jī)、7臺六軸工業(yè)機(jī)器人、1套成品出料單元及1套控制系統(tǒng)等。

生產(chǎn)線工作過程及生產(chǎn)效率

1.工作過程

拆垛臺車開進(jìn)（拆垛臺車自動更換）→磁力分張→拆垛機(jī)器人R0取料→雙料檢測→視覺對中→上料機(jī)器人R1送料→1#壓機(jī)沖壓→壓機(jī)間機(jī)器人R2取料，旋轉(zhuǎn)180°送料→2#壓機(jī)沖壓→壓機(jī)間機(jī)器人R3取料，旋轉(zhuǎn)180°送料→3#壓機(jī)沖壓→壓機(jī)間機(jī)器人R4取料，旋轉(zhuǎn)180°送料→4#壓機(jī)沖壓→壓機(jī)間機(jī)器人R5取料，旋轉(zhuǎn)180°送料→5#壓機(jī)沖壓→壓機(jī)間機(jī)器人R6下料→線尾皮帶機(jī)傳送→人工裝箱。

2.生產(chǎn)節(jié)拍

1）生產(chǎn)線工作及生產(chǎn)效率為9次/min。

2）產(chǎn)線設(shè)計年產(chǎn)量為200萬件。

3）生產(chǎn)線最大長度約為55.2m，如圖1所示。

圖1 底盤件臂沖壓生產(chǎn)線布局

自動化生產(chǎn)線各功能模塊解析

1.線首拆垛系統(tǒng)

板料堆放在料架上由叉車或者吊車放到拆垛臺車（見圖2）上，通過拆垛臺車，板料被運(yùn)到拆垛區(qū)域。在準(zhǔn)備好各工序模具的情況下，由行車或叉車將帶料架的垛料放到拆垛臺車上，兩個拆垛臺車循環(huán)拆垛，滿足單雙件生產(chǎn)。

圖2 拆垛臺車示意

拆垛臺車由交流變頻電動機(jī)驅(qū)動在路軌上移動，臺車的位置由行程開關(guān)檢測，能實(shí)現(xiàn)在軌道上的定位。臺車上有多組磁力分張器以防止雙料的產(chǎn)生，分離垛料最上層板料，每個磁性分張器能上下、左右、前后6個方向可調(diào)節(jié)，并適用于在該線生產(chǎn)的所有不同尺寸、不同型面零件的板料。拆垛臺車上都配備末張板料檢測裝置，當(dāng)檢測到料架上最后一張板料時，有聲光警示裝置提醒操作者給固定臺上料。拆垛臺車開出升降門附近有單獨(dú)的移動指示燈和蜂鳴器，在臺車開進(jìn)開出有聲光報警。

2.視覺對中系統(tǒng)

視覺對中裝置主要有三個部分組成：上料皮帶機(jī)、視覺對中皮帶機(jī)和視覺對中系統(tǒng)。

上料皮帶機(jī)采用八組磁性皮帶，由一臺變頻減速電動機(jī)統(tǒng)一驅(qū)動，如圖3所示。在皮帶后部安裝有檢測開關(guān)，當(dāng)板料傳輸?shù)皆谄C(jī)前段時，檢測開關(guān)就會立即檢測到板料并同時發(fā)送減速停止信號控制系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)器人抓走板料后，上料皮帶機(jī)就可以再次起動傳送板料了。

圖3 上料皮帶機(jī)示意

從上料皮帶機(jī)輸送過來的板料，會經(jīng)過設(shè)有一套對射式I/O型雙料檢測系統(tǒng)，以確保沒有雙料進(jìn)入對中皮帶，對中皮帶同樣采用八組磁性皮帶，由一臺變頻減速電動機(jī)統(tǒng)一驅(qū)動，如圖4所示。視覺對中皮帶上配減速到位傳感器，當(dāng)板料輸送到位后，自動停止運(yùn)行，保證板料停止在視覺系統(tǒng)的拍照范圍內(nèi)，其上方為視覺系統(tǒng)（見圖5），包含支架、輔助LED光源、遮光板、視覺相機(jī)及其控制器等。采用專用于沖壓系統(tǒng)拾取場合設(shè)計的應(yīng)用軟件，可視化的用戶界面使新零件的編程更加快速、直觀。

圖4 視覺對中皮帶機(jī)示意

圖5 視覺對中系統(tǒng)

當(dāng)攝像機(jī)在接到控制系統(tǒng)命令后對板料進(jìn)行識別，分別進(jìn)行“X軸、Y軸、旋轉(zhuǎn)角度”三個方向位置分析，然后將板料位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)傳送給上料機(jī)器人。上料機(jī)器人在接到視覺系統(tǒng)發(fā)出的信號后，根據(jù)每個零件的位置，自動改變運(yùn)行的軌跡，將板料從視覺對中臺上取出并準(zhǔn)確的送入首臺壓機(jī)模具內(nèi)。

3.上料、傳輸、下料機(jī)器人系統(tǒng)

上料、 傳輸、 下料機(jī)器人采用A B B IRB6700/150/3.2。IRB 6700與其替代的之前版本相比，更為穩(wěn)健且維修簡化，是150～300kg負(fù)載等級中性能最好且總體擁有成本（TOC）最低的機(jī)器人，在汽車零部件自動化沖壓上有非常廣泛的應(yīng)用。

上料機(jī)器人的作用：將視覺對中皮帶機(jī)上的板料抓起，輸送到下一工序。

傳輸機(jī)器人的作用：用于壓機(jī)間板料的傳輸，從前一臺壓機(jī)傳輸?shù)较乱慌_壓機(jī)。

下料機(jī)器人的作用：用于將最后一臺壓機(jī)上的工件放到線尾皮帶機(jī)上。

機(jī)器人系統(tǒng)主要包括機(jī)器人底座、真空系統(tǒng)、端拾器等三個組成部分。

（1）機(jī)器人底座 固定底座有助于確保機(jī)器人的穩(wěn)定性，使其能夠準(zhǔn)確、精確地執(zhí)行任務(wù)。此外，如果工業(yè)機(jī)器人不穩(wěn)定，那么在執(zhí)行任務(wù)時它可能會移動或傾斜，從而可能導(dǎo)致機(jī)器人損壞或任務(wù)失敗。因此，固定底座是確保工業(yè)機(jī)器人能夠穩(wěn)定運(yùn)行并正常工作的關(guān)鍵步驟。如圖6所示，機(jī)器人底座本體是由鋼板卷圓之后加上下底板焊接而成，底板與生產(chǎn)線鋼梁焊接在一起，保證穩(wěn)固以經(jīng)受得住機(jī)器人手臂出來的反作用力，上板與機(jī)器人基座用高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接，機(jī)器人底座上還安裝有氣管與氣源處理裝置，以便于機(jī)器人接氣。

圖6 機(jī)器人底座

（2）機(jī)器人真空系統(tǒng) 通過真空發(fā)生器持續(xù)產(chǎn)生真空，通過產(chǎn)生的負(fù)壓值檢測板料的有無。當(dāng)有料檢查板料負(fù)壓值大于50時，機(jī)器人處于拾料狀態(tài)，當(dāng)負(fù)壓值小于50時，機(jī)器人處于無料狀態(tài)。經(jīng)過設(shè)定的延遲時間機(jī)器人判斷已經(jīng)抓好板料后機(jī)器人開始動作，將板料放入下一工序的壓機(jī)。如圖7所示，真空發(fā)生器固定安裝在機(jī)器人頂部的安裝支架上邊，其進(jìn)氣與出氣管路都有管線包的保護(hù)，機(jī)器人管線包是一種專為機(jī)器人設(shè)計的線纜保護(hù)套，可以有效地保護(hù)機(jī)器人的線纜，避免線纜在工作中被損壞或斷裂，從而保障機(jī)器人的正常運(yùn)行。

圖7 機(jī)器人真空系統(tǒng)

（3）端拾器 端拾器是根據(jù)不同工序，不同板料類型，配合機(jī)器人完成拆垛、上料、傳送及下料等。拆垛上料機(jī)器人配備1套拆垛上料通用端拾器（見圖8），能適應(yīng)所有的板料。通過總線式閥島控制每個吸盤真空的通斷，以適應(yīng)不同的板料，吸盤的通斷作為零件的參數(shù)與模具號相配合，可以方便地調(diào)用。端拾器上配置1套接觸式雙料檢測探頭，以滿足雙料抓取的工況。合理布置真空吸盤組件的分布，使得端拾器穩(wěn)定抓牢料片。

圖8 拆垛端拾器

如圖9所示，上下料端拾器采用高強(qiáng)度鋁合金主桿+高強(qiáng)度鋁合金輔桿的結(jié)構(gòu)形式。在鋁合金主桿的執(zhí)行端配有快插鎖緊裝置，快插鎖緊裝置母端通過支架固定安裝在主桿上邊，公端則與輔桿連接成一體，通過插拔的方式可以迅速完成端拾器的換型。合理布置真空吸盤組件的分布，并根據(jù)制件成型調(diào)整好吸盤的角度，使得端拾器穩(wěn)定抓牢料片。

圖9 上下料端拾器

4.線尾出料系統(tǒng)

線尾出料系統(tǒng)主要包括出料皮帶機(jī)與線尾照明裝置（見圖10）。

圖10 線尾出料系統(tǒng)

（1）線尾皮帶機(jī) 所有被沖壓完成的工件，由機(jī)器人從壓機(jī)取出放置在出料皮帶機(jī)上，皮帶機(jī)將零件輸送至安全圍欄外。零件由皮帶機(jī)傳送，檢驗(yàn)完成后由操作者將零件搬運(yùn)到轉(zhuǎn)運(yùn)架上。輸送帶為聚氨脂材質(zhì)，表面覆有耐切割層并具備耐油特性，輸送帶由交流變頻電動機(jī)驅(qū)動，皮帶機(jī)設(shè)有張緊機(jī)構(gòu)及安全起重裝置。

（2）線尾照明裝置 主要由照明支架與LED燈組件組成。線尾照明支架采用斜拉式鋼絲繩懸吊結(jié)構(gòu)，安裝在線尾皮帶機(jī)及檢驗(yàn)臺上側(cè)，用于拾取、檢驗(yàn)零件照明。

5.控制系統(tǒng)

自動化沖壓線的連線控制及安全P L C采用的是西門子C P U-1515F，整線主控觸控屏采用西門子TP1500Comfort系列作為人機(jī)交互界面。自動化主控PLC與P1～P5壓力機(jī)PLC之間的普通信號交互采用Profinet的通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而所有的安全信號則采用Profisafe故障安全通信進(jìn)行安全信號的交互和冗余。自動化主控PLC與機(jī)器人控制系統(tǒng)之間采用Profinet總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，安全連鎖信號通過硬接線連接，同時機(jī)器人控制系統(tǒng)配置標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口供編程用。

自動化連線PLC與觸摸屏、工控機(jī)、各種智能傳感器和閥均通過Profinet總線通信，包括現(xiàn)場操作站（遠(yuǎn)程IO分站）、現(xiàn)場設(shè)備檢測單元（接近開關(guān)、光電開關(guān)、羅蘭檢測器等）、現(xiàn)場其他輸入設(shè)備、現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如變頻器、電磁閥等）及編碼器等。

結(jié)語

分析了典型電動汽車汽車底盤件零件的材料與工藝特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)適用于小型汽車零部件的單機(jī)多工位生產(chǎn)模式不適合此類零件的生產(chǎn)。提出了一種新型生產(chǎn)模式用于底盤件零件的生產(chǎn)，并針對典型零件進(jìn)行設(shè)計，包括上料、搬運(yùn)、沖壓及控制等方面，目前該生產(chǎn)線已經(jīng)完成交付使用，產(chǎn)線與性能與各技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了技術(shù)要求。