機器人柔性沖切線技術研討

王寶海

（天津信泰汽車零部件有限公司，天津 300450）

機器人柔性沖切線技術研討

王寶海

（天津信泰汽車零部件有限公司，天津 300450）

伴隨著工業4.0時代的來臨及工廠自動化日益需求的不斷增大，結合工廠生產現狀，經對現有人工沖切飾條（汽車類）現狀的評估與分析，探討了機器人替代人工作業的優勢，并且詳細闡述了機器人柔性沖切線的技術要點。提出了以機器人為主體的柔性化生產模式。對其中所涉及的上件、夾取、快速換模、廢料清除等模塊的結構與功能進行了較深層面的探討，并且在實際生產過程中得到了充分驗證。在人工制造成本不斷上漲的背景下，運用機器人自動化系統替代人工作業，可大大提升產品生產標時、提升良品率，較大幅度降低企業的制造成本。本文所闡述的機器人沖切系統為人工沖切生產線改造升級提供了參考。

機器人沖切；柔性生產線；快速換模；自動化

1 機器人生產線的特點

機器人與人工兩種作業模式有著本質的區別，尤其是在大批量生產模式下，越發體現出機器人作業的優勢。主要有以下幾個方面：（1）產能標時平均提升20%～30%。（2）產品加工品質穩定。（3）設備、模具故障率降低。（4）提升企業競爭力。

2 機器人生產線主要部件

機器人自動沖切線包含相關的工裝與設備，其運行穩定、功能完善是整個系統正常工作的保證。主要部件組成有：（1）上件工裝。自動、連續輸送待沖切半成品。（2）中轉工裝。各工位之間傳遞產品中轉臺。（3）夾取工裝。夾緊、定位產品，進行沖切。（4）底座。設備、工裝安裝、穩固。（5）廢料清除工裝。沖切廢料排出機構。（6）沖壓設備。產品沖切壓機。

2.1 上件工裝

上件工裝用于輸送待沖切的產品，人工放置產品在上件工裝上，自動、連續輸送產品，且將產品進行精確定位，滿足機器人夾取產品要求。上件工裝主要結構及要求如下。

（1）鏈條。鏈條類型主要為輸送類鏈條，單側或雙側附帶連接板，治具塊。常用的鏈條的節距9.525mm、12.07mm、19.05mm。在鏈條選型時，需重點關注以下幾點：①鏈條單側或雙側連接板整體平面度。②鏈條連接板整體應平齊。（2）治具塊。治具塊需根據產品斷面及放置姿態進行設計，其斷面形狀直接決定產品放置精度。設計時需滿足以下幾點要求：①便于放置產品。②產品定位精度高且穩定。③斷面設計簡單、容易加工。④相鄰治具塊進行顏色區分，便于目視辨別。上件工裝中包含的治具塊數量較多，需先制作首件，進行斷面輪廓驗證，確認無誤后，方可批量投入生產，降低批量加工風險。（3）頂緊工裝。人工放置產品具有不一致性，無法滿足機器人夾取精度要求。因此，需要對產品進行二次精準定位。此工裝根據需求主要分為兩類：①氣動型頂緊工裝：此方式需對氣缸頂緊力進行限制，防止頂緊力過大，導致產品變形，造成品質異常，成本較低。②伺服型頂緊工裝：此方式精度高，且可對頂緊行程進行設定，易于控制，成本較高。（4）頂升模塊。為滿足輸送部分“產品多，尺寸小”的要求，需將產品間距降低至最小。在此狀態下，無法滿足夾取工裝夾取產品空間尺寸要求。為解決此問題，需要將待夾取的產品頂升至一定的高度，滿足夾取工裝自身的空間尺寸。頂升方案常用類型如下：①氣動型頂升方式。②伺服型頂升方式。以上兩種方式的特點可參考頂緊工裝。（5）產品檢測。產品檢測信號用于工裝停止即產品位置定位。當系統收到此信號，工裝立即停止，此位置即為機器人夾取產品位置。因此，此位置必須精確，滿足夾取要求。檢測方式分為直接檢測與間接檢測兩種方式。①直接檢測：傳感器直接檢測產品，輸出信號。②間接檢測：檢測其余部位，輸出信號，如治具塊等。以上兩種方式均可滿足產品定位要求。在實際運行過程中會出現產品位置超過定位傳感器造成產品定位不準確現象。造成此問題的原因，主要是由于工裝傳輸速度過快，當傳感器檢測到產品的瞬間，工裝無法立即停止，沖過檢測位置。解決此問題常用方法：一是降低工裝輸送速度，直至滿足定位精準度要求。二是電機采用帶抱閘形式，保證定位準確度；三是在此檢測點之前，增加慢速檢測點，配置相應傳感器，自動進行快、慢速調整。（6）上料檢測。當工裝上的產品數量少于設定值時，系統發出報警進行提示，以便補充產品，避免待料停機。

2.2 中轉臺

中轉臺作為沖切過程中放置產品的平臺，起到各個工序銜接的作用，對其定位精確度及產品放置姿態的穩定性都有較高的要求。中轉臺包括產品定位型塊、頂緊機構、檢測機構三個部分，三者缺一不可。（1）產品定位型塊。產品與之直接接觸，起到支撐產品與控制產品姿態的作用。因此，斷面形狀設計尤為重要，遵循兩個原則：①簡單設計原則。識別產品斷面圖重要定位點（線型區間），設計最簡單的斷面。②便于加工原則；所設計的斷面可以采用最簡單的加工方式進行加工，如線切割一次切割完成、數控銑床一次加工完成等；通常，同一生產線會生產多種不同的產品，其解決共用性的辦法，主要有以下幾種：一是設計1種共用的型塊斷面；二是在一種治具塊上，預留多個工位；三是治具塊實現快速更換。（2）頂緊機構。產品在中轉臺放置時，由于受到沖切震動（主要因素）等外界不穩定因素影響，會出現產品抖動、移位等現象，導致產品尺寸波動較大，甚至超出公差，造成不良。因此，需增加頂緊機構消除此類不良影響。（3）檢測機構。此模塊為中轉臺信息反饋部分。檢測產品有無輸出信號與控制系統進行通訊。其傳感器類型需根據產品材料進行選擇。

2.3 夾取工裝

夾取工裝用于夾取產品，進行產品加工（沖切、組立等）。為實現同一生產線加工不同產品，需要切換相應的工裝零件。目前，切換工裝塊的方式主要有以下三種。（1）電、氣直接快換方式（整體更換）。此方式可整體切換工裝，包含氣路、電路及相關機械件。可實現復雜工裝切換，其成本較高。（2）機械快換方式（局部更換）。采用機械定位、鎖緊方式，進行快速換模，如采用氣動件與定位銷組合方式等。（3）電磁快換方式（局部更換）。①電磁方式：電磁方式在工作過程中，需持續通電，消耗電能。連續工作一個生產班次，時間約為8～10小時，其自身會產生熱量，表面溫度約40～50℃。②電永磁方式：電永磁方式較為“安全、節能”，僅在充磁和消磁時通電消耗電能，工作過程中不使用電能，且自身無發熱狀況，較電磁方式節能95%，但是此方式費用高。

2.4 底座

生產線中重要部件需配置專用底座（如機器人、油壓機等），才能保證整個系統運行具有較高的精度。同時，也有利于裝配、調試工作。常用底座主要分為兩種類型如下。（1）整體型。生產線中所有部件均安裝在同一底座上，此類底座具有如下優點：①便于布局調整。②線路、管路均可置于底座內部。同時，此類底座也具有一些弊端。一是底座體積較大，需考慮空間尺寸（搬運過程中、現場布局）；二是加工難度大，需進行整體銑削；三是，成本較高。（2）分離型。生產線部件均配置單獨底座，如機器人底座、油壓機底座等。此類底座具有如下優點：底座體積小，便于搬運與布局；易于加工；成本較低。同時，此類底座也具有一些弊端，一是不便于布局調整；二是線路、管路均為外置。

2.5 廢料清除工裝

目前，汽車飾條類產品的材料主要分為兩大類型，其分類如下：①非金屬材料。主要為PVC、PE等。②金屬材料。主要為不銹鋼等，其厚度在0.2mm-0.3mm。飾條類產品沖切后，廢料會堆積在模具底部，如不及時清理，會造成模具落料口堵料，產品無法正常入模，出現產品品質異常，造成系統故障。經統計測算，產品殘余廢料重量基本小于0.1kg，重量較輕，可采取多種方式進行清除，以下介紹了兩種主要的清除廢料方式。（1）直接落料型。在模具底板、沖切設備底板（油壓機底板、沖床底板等）開落料孔，產品沖切完成后，廢料通過落料孔直接掉落在下方廢料箱里。此方式簡單、有效，但是會降低模具及沖壓設備整體強度，需進行校驗計算。（2）氣體排出型。由于廢料重量較輕，可采用壓縮氣體進行吹除。目前，工廠壓縮空氣的壓力一般為0.4～0.6MPa，利用此壓力可將廢料排出。為提升排廢料效果，需在以下幾個方面做出改善：①由主管路單獨引出，不與其他管路相連。②此管路需串聯氣罐，作為壓力緩沖，提升氣體流量。③氣罐吹氣端部采用扁口型式，增加吹氣角度與面積。

2.6 產品沖壓設備

飾條類產品沖壓，一般為小型沖壓設備，主要分為以下幾類：①機械式沖床：此類設備為機械式沖壓設備，工作時噪音較大。②液壓機：此類設備壓力大，對環境污染較大。③氣液增壓機：此類設備潔凈度高，易受氣壓波動影響。④伺服壓機：此類設備精度高，潔凈度高，參數可設定，成本較高。

3 結語

現今，隨著企業生產制造成本的不斷增加，機器人柔性線的優勢日益顯現出來，已經廣泛應用至企業中，其一定會取代傳統生產模式，必將給現在的工業生產帶來巨大的變革。機器人技術正向高精度、高柔性化方向快速發展，加之其與主流自動化技術相融合，將給生產帶來很大改變。

TP274

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1671-0711（2017）03（上）-0102-02