汽車大型覆蓋件沖壓線上工件傳送方式合理性探討

劉 辰，范淑琴，趙升噸

（西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049）

汽車大型覆蓋件沖壓線上工件傳送方式合理性探討

劉 辰，范淑琴，趙升噸

（西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049）

介紹了汽車覆蓋件沖壓生產線的工藝流程及設備組成。對生產線上工件的不同傳送方式的基本原理、特點與合理性進行了探討。提出一種并聯機器人在該生產線上的新型應用方式，并對其中關鍵技術問題進行了論述。

機械制造；沖壓生產線；汽車覆蓋件；機器人；傳送方式

1 引言

在汽車生產過程中，為了減輕車身重量及降低生產成本，車身40%～70%的構件采用薄鋼板沖壓件，因而沖壓加工成為車身制造的主要加工方法。沖壓作為車身制造的第一道工藝，直接決定了車身的質量和生產效率。目前，大部分汽車生產廠商均采取大、中型覆蓋件自制，小型沖壓件外包的生產方式。因此，沖壓線自動化的設計及設備選擇受到各汽車生產廠商的極大重視。

隨著工業機器人在汽車工業中廣泛應用，機器人替代了工人單調、重復的體力勞動，大大提高了生產效率和產品質量，已成為汽車制造業提高生產效率、產品質量和經濟效益的關鍵裝備。在車身沖壓生產中，采用工業機器人構成沖壓自動化輸送系統極大地提高了車身覆蓋件沖壓生產的自動化水平，降低了成本，提高了生產效率。

2 機器人在覆蓋件沖壓線上的應用

目前廣泛應用的沖壓連線自動化輸送系統，根據其使用對象、抓取工件大小及結構的不同，通常可以分為以下的結構形式。

2.1 擺動橫桿式機械手

如圖1所示，這種結構類型的機械手運動形式簡單，因而運動控制算法也比較簡單，容易控制。設置在橫桿上的調節裝置可以通過多達5個自由度的調節，實現工件在兩個工位之間的任意“變位”。端拾器按照工件的形狀安裝在一根由兩側導軌導向的橫桿上，其有效作用區域可以覆蓋前后兩臺壓力機的整個工作臺面。安裝時，擺動橫桿式機械手采用在壓機上吊裝的方式，不占地面空間，負載能力較高。

2.2 平行四連桿結構擺臂式機械手

如圖2所示，平行四連桿結構擺臂式機械手是目前沖壓自動化生產線中應用比較廣泛的一種結構形式。根據擺臂結構形式的不同又可分為雙平行四連桿結構擺臂式機械手和單平行四連桿結構擺臂式機械手。擺臂式機械手采用在壓機上吊裝的方式，不占地面工作空間，負載能力較高，而且由于擺臂式機構具有行程放大的特點，因此運動速度高。

2.3 6自由度關節型機器人

隨著機器人技術的發展，6自由度關節型機器人運動控制技術及應用已經相當成熟，在沖壓自動化中廣泛應用，如圖3所示。6自由度機器人可以確定三維空間內任意點，因而姿態調整靈活，具有較高的柔性。但其末端的速度為各關節運動速度的合成，因此，運行速度要低于其他兩種機械手；另外，由于受到腕部機構的限制，負載能力也較小。機器人安裝簡單，采用地面安裝或在壓機上吊裝的方式，但由于其工作范圍較大，因而對相鄰壓機之間的距離的要求不高。

圖3 6自由度關節機器人

3 新型并聯機器人在沖壓線中的應用

串聯機器人由于自身結構原因，存在許多缺點。如較低的運動剛度，這將導致操縱的精度降低；以及較差的動力特性、較低的速度和加速度。而這些缺點正是并聯機器人的優點。如圖4、5所示。

圖4、5對比可發現，并聯機器人采用閉環機構形式，而串聯機器人采用開式傳動鏈機構。相對于串聯機器人，并聯機構具有以下優點：

（1）驅動關節安裝在靜平臺上，系統的運動部件慣性較小，與串聯機構的懸臂梁相比，其承載能力高，剛度大，而且結構穩定。

（2）串聯式末端執行器的誤差是各個關節誤差的積累和放大，因此誤差大而精度低。并聯機構沒有累積誤差和誤差放大效應，各個分支誤差相互平均，誤差小而精度高。

（3）串聯機器人的驅動電機及傳動系統都放在運動的大小臂上，增加了系統的運動慣性，惡化了系統的動力性能。而并聯機器人很容易將電機置于基座上，減少了運動負荷，極大提高了系統的動力學、運動學性能。

（4）并聯機器人具有對稱的結構，位置的反解求解容易。而串聯機器人位置求解上，正解容易而反解十分困難。因而在機器人的在線實時計算中，并聯機器人很容易實現而串聯機器人十分困難。

因此，可以將并聯機器人在覆蓋件沖壓生產線上使用，以發揮其優勢。如圖6、7所示的并聯機器人，具有快速和運動準確的特性，特別適合快速搬運場合的使用，該類型的機器人在食品包裝等行業已經有了成功應用。同樣的原理，我們可以使用并聯機器人代替串聯機器人在汽車覆蓋件生產線中的運輸作用。下面就對一條運用并聯機器人運輸的覆蓋件生產線做一些設計。

圖6 Delta并聯機器人

圖7 Delta機器人在食品包裝工業應用

圖8所示為實際運行的沖壓線。這樣一條機器人自動化沖壓線，一般的整線運行循環方式為：垛料拆垛(機器人拆垛)—板料傳輸—板料涂油—板料對中—上料機器人送料—(首臺壓機沖壓)一下料機器人取料、送料—(壓機沖壓)—(根據工序數量循環)—下料機器人取料、送料—(末端壓機沖壓)—線尾機器人取料、放料—皮帶機輸送—人工碼垛。因此，所有設備串聯完成整條線的正常工作。

圖9 安裝移動導軌的并聯機器人

圖8 沖壓線上的串聯機器人

3.1 系統組成

本系統包括拆垛系統、涂油機、對中臺、運輸機器人、線尾輸送系統。拆垛系統采用可循環式雙垛料臺，導軌布置平行于壓力機，沖壓板料用行車或叉車放置在非工作垛料臺上，然后通過有效信號確認上料完畢，系統將在一臺拆垛完成后自動轉換垛料臺，以保證連續生產；在垛料車上配備磁力分張器，通過磁力將垛料自動拆垛成單張。為保證每次送料為單張，在拆垛機器人上有雙料檢測及雙料處理裝置。拆垛機器人將板料放置在長度可調的磁性傳送帶上，板料送至涂油機。板料是否涂油及涂油位置可通過編程自行設定。板料涂油后，傳送到對中臺。

對中臺采用機械對中臺，可方便移動和固定，同時使用重力對中或視覺對中系統，保證板料重復定位的快捷、準確。上料機器人根據每個零件的對中位置進行調整，將板料準確搬運到壓力機內；線尾輸送采用皮帶機，在生產線的末端放置皮帶機，保證最后一臺壓力機的機器人直接將零件放置到皮帶機上，達到出件效果。

通過軟件實現機器人跟蹤壓機的運動，實現壓機與機器人同步功能，可以最大化上下料與壓機運動之間的重合度。由于使用了并聯機器人，因此可以完成零件的空間平動，不用像串聯機器人那樣需多個串聯的轉動來完成運動。這樣，可以更精確、更快速地完成工件的空間移動。

為了擴展并聯機器人的活動空間，讓并聯機器人執行機構能夠到達壓力機的模具位置拾取零件，在并聯機器人的機架上安裝導軌（圖 9）,這使得并聯機器人更加適應現場工況。實際使用中，將導軌兩端架設在兩臺壓力機之間。工作時，機器人先通過滑軌移至壓力機前，運動平臺拾取工件，取出工件后機器人運動平臺回歸中位，導軌移動至下一臺壓力機。機器人將工件放入模具，工作臺移出，導軌與機器人工作臺再回歸中位等待下一次工作。

3.2 控制系統

本系統包括的各個系統間的電氣控制按照集中監控、分散控制的原則。將每個子系統看成一個站。在各控制部分控制系統中，每個部分有著自己獨立的控制器，同時與前后站和總控制器進行通訊。

每一站的工作流程都應遵循如下流程（圖10）。

圖10 分系統工作流程

此流程中所指的緩沖模式是與前后站都不發生干涉的位置，對機器人來說就是將零件運輸在兩個壓力機之間的位置。等待后站準備完畢，將零件傳送到下一站。對于壓力機來說，接收到前站的完成指令后還要等到后站的預備指令，之后進行沖壓，以防止沖壓損壞機器人。

從上面的工作流程可以看出，生產線的控制要嚴格按照固定的邏輯執行。為滿足要求，可以選用PLC進行控制，現場總線采用Profibus等工業總線及工業以太網控制系統。每個控制部分的PLC之間以及各PLC與上位機之間的數據交換采用工業以太網方式，供監控系統聯網使用。壓力機控制系統需配備Ethernet card，與機器人控制系統接口，控制系統與機器人系統間通過Profibus—DP現場總線形式實現信息交換和連鎖對接。如圖11所示。

圖11 控制網絡結構

在生產線的設計過程中，還要充分考慮到工作空間與各種應急裝置，將工作空間隔離開，防止工作人員誤入。只在生產線的首尾設置人工活動區，用來送料和取料，以保證工作人員安全。設置在線監測系統，了解整個生產線中每部分的工作狀況。在出現故障時，維修人員可以通過監測系統快速找出故障并維修。

4 結論

工業機器人在汽車覆蓋件沖壓線中的應用，改善了沖壓生產環境，大幅提高了生產效率。尤其是并聯機器人，其具有的高速、高精等特點非常適合于沖壓生產線。因此，并聯機器人的應用將會成為沖壓生產線發展的一個方向。

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Rationality discussion of transfer method in punching line for auto's big panel

LIU Chen,FAN Shuqin,ZHAO Shengdun
（School of Mechanical Engineering,Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049,Shanxi China）

The technical process and equipments of punching line for auto panel have been introduced.The basic principle,features,and rationality of different transfer modes for work pieces in the line have been discussed.A new application of parallel robots into punching line has been put forward and the key technical issues have been expounded.

Punching line;Automobile panel;Robot;Transfer mode

TG385.9

B

國家自然科學基金資助項目（50975222）

2011-12-26

劉 辰（1988-），男，碩士在讀，主攻自動化伺服控制設計研究

1672－0121（2012）02－0021－04