一種通用型拆垛端拾器的設計與應用

文/李爽，李鳳華·一汽解放汽車有限公司卡車廠

一種通用型拆垛端拾器的設計與應用

文/李爽，李鳳華·一汽解放汽車有限公司卡車廠

本文通過對本廠現有自動化沖壓生產線中拆垛端拾器的結構和在換裝過程中更換端拾器的工藝流程及存在問題的分析，提出了一種通用型拆垛端拾器的結構設計并加以應用，介紹了應用效果及下一步改善計劃。

李爽，一汽解放汽車有限公司卡車廠工藝室工藝員，工程師，主要從事卡車車身沖壓工藝管理、工藝改進、工藝規劃等工作。

隨著自動化技術的發展，汽車沖壓車間越來越多地應用自動化設備以降低人工成本和規避產品質量控制等方面的不利因素。高度自動化的沖壓設備的應用極大地提高了沖壓件的生產效率和產品質量，同時也帶來新的課題。一條大型自動化沖壓生產線的投資均達到億元以上，因此，降低停機時間，充分發揮全局設備效益是目前沖壓工藝面臨的新課題。

在各項停機損失中，更換生產品種時換裝調試損失是不可避免的時間損失。從工藝角度看，提高設備自動化水平以降低換裝時間是提高設備可動率的有效途徑。本文通過對自動化沖壓生產線換裝工作中拆垛端拾器更換工序的研究，提出了一種通用型拆垛端拾器的設計方案，同時對其應用情況進行分析并初步確定了改進計劃。

沖壓自動化生產線線首組成及工藝流程

圖1 某沖壓自動線線首結構

如圖1所示為某沖壓自動線線首結構，由拆垛系統（垛料小車、拆垛機械手），清洗涂油機，輸送帶，對中系統等單元組成。

拆垛機為龍門式固定橫梁式設計，上面安裝拆垛機械手，拆垛機械手可以在橫梁上移動，形成X軸。拆垛機械手末端裝有拆垛端拾器，上面裝有真空發生器、吸盤及雙料檢測器等零部件，機械手上下移動，形成Z軸。X軸和Z軸均通過變頻器驅動電機旋轉，通過齒形帶形成直線運動，并附有編碼器以檢測位移。當拆垛機械手準備第一次取料前，由垛料小車上的高度檢測器檢測料垛高度，將數值發送給機械手行程編碼器計算其位移，然后由機械手取件送至輸送帶。整個拆垛過程以高速運行，節拍在每分鐘8～12件，控制程序通過Z軸位移和板料厚度（板料厚度由工藝程序輸入）快速定位下一塊板料高度以便機械手不間斷的往復運行，同時高度檢測器將按設定周期檢測料垛高度以修正Z軸位移數據。板料沿Y軸方向依次通過輸送帶、清洗涂油機、光學掃描儀和對中臺到達預定位置并做好沖壓前的上料準備工作。當更換生產品種時，由于板料尺寸規格和形狀不同，需要更換拆垛端拾器及相應附件，更換和調整時間較長，影響設備可動率。

拆垛端拾器結構及存在的問題

端拾器是指安裝連接在工業機器人或機械手等自動化傳輸裝置上，利用真空吸盤、磁性吸盤或夾鉗等與被拾取物接觸，并將其從一個位置搬運至指定位置的器具的通稱。如圖2所示，拆垛機械手端拾器由支架組、吸盤、雙料檢測器以及氣路管件等組成。

圖2 拆垛機械手端拾器

根據生產中使用板料的形狀，分別搭建X軸方向左右兩側的端拾器，再將端拾器通過連接機構與拆垛機械手連接基座相連，同時完成氣路連接，即可完成拆垛機械手的生產準備工作。每次換裝時隨生產品種的更換都要搭建和更換端拾器，通過一段時間的應用總結，這種結構和工藝流程在生產過程中存在以下幾點不足：

⑴根據產品品種搭建多套端拾器，需要使用多套支架組、吸盤和氣路管件，每次換品種時更換端拾器占用時間較長，同時多套端拾器的存放也會占用生產車間有限的廠房面積。

⑵雙料檢測器成本較高（約人民幣2萬元/套），1套端拾器需使用2套雙料檢測器，在應用過程中不可能每套端拾器均配備單獨的雙料檢測器，在換裝過程中雙料檢測器也要在不同端拾器上進行拆裝才能完成生產準備。雙料檢測器的頻繁拆裝產生了換裝過程時間長、電子（氣路）零件易損耗、人力資源浪費等現象。

⑶換裝過程中，拆垛機械手更換端拾器位置不理想，人力搬運端拾器以及拆卸雙料檢測器造成吸盤位置變換易造成拆垛機系統運行中板料掉落等停機故障的產生。

綜上，由于頻繁更換端拾器，一方面增加了整線換品種時間，同時也由于每次更換的一致性不好導致調試時間長，甚至影響生產節拍，最終影響了整線的可動率和生產效率。

一種通用型拆垛機械手端拾器的設計

應用計算機輔助設計軟件將自動化沖壓線生產產品板料規格圖重疊“堆放”在一起（圖3），分析找出可以布置吸盤的“同位點”，這是搭建通用型拆垛機械手端拾器的前提條件。

然后，在支架組中應用直線軸承搭建“井”字形端拾器，即沿X軸、Y軸方向分別布置兩根平行導軌，沿X軸的導軌通過直線軸承搭載在沿Y軸方向的導軌上并達到可以沿Y軸方向運動的自由度，沿X軸方向導軌上布置雙料檢測器和若干吸盤均可沿X軸方向運動。這樣，“井”字形端拾器上的吸盤均可沿X軸和Y軸方向在適當范圍內運動，達到適應不同產品毛坯板料形狀的生產需求。應用CAE等計算機輔助設計軟件可模擬驗證所搭建的通用型拆垛端拾器的適用性（圖4）。

圖3 產品板料規格“堆放”圖

圖4 通用型拆垛機械手端拾器模擬驗證

效果及改善計劃

通過搭建“井”字形通用拆垛端拾器（圖5）并投入實際生產應用，比照原工藝流程可以總結出以下優點：通用型拆垛端拾器不需更換，不占用生產車間廠房存放面積；生產換裝時由原來更換拆垛端拾器的2人10～15分鐘降至調整通用型拆垛端拾器的1人5分鐘；調整端拾器時只針對X軸和Y軸方向調整吸盤位置，吸盤在Z軸方向無變化，端拾器不需搬運、無變形，在生產過程中避免了因端拾器變形或吸盤位置、角度變化造成的生產停歇。

圖5 “井”字形通用端拾器

避免人為因素造成設備停歇，實現完全自動化是目前沖壓工藝自動化生產的趨勢。此次“井”字形通用型拆垛端拾器的設計應用雖然降低了人員勞動強度，提高了設備開動率，但是還存在因操作人員更換、吸盤位置調整不準確等原因造成的生產停歇。下一步，將在已有基礎上，增加變頻器驅動電機、編碼器等電氣元件并利用原總線PLC控制單元，達到完全自動調整吸盤位置的目的。屆時，沖壓生產過程中換裝時，拆垛單元將達到完全自動化水平。同時，此項技術完全可以應用到上料機械手端拾器的設計使用上，若在支架組上再增加旋轉變頻器驅動器也可以應用到穿梭機械手端拾器上。

結束語

自動化裝備的應用成為汽車制造行業的普遍趨勢，沖壓工藝在自動化應用上具有特殊意義，不僅能夠提高沖壓生產效率，也大大避免了勞動傷害的發生。同時，通過精細化的工藝設計，提高生產過程的可靠性和產品質量的可靠性也是目前汽車行業生產組織追求的目標。

通過對拆垛端拾器的改造，大大提高了自動化沖壓生產線在換裝過程中的自動化水平，經實踐證明，此優化設計在調整過程中簡單方便，使自動生產線運行更加可靠，生產組織工作也得到了良好的保障，整體獲得了良好的效果。