基于工業機器人的汽車覆蓋件柔性沖孔系統

尹國濤 朱政赫 宮 虎 盧振豐 雍華山 劉 磊 何 偉

1.天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室,天津,300072 2.天津九鵬汽車裝備制造有限公司,天津,300399 3.四川華瑞汽車制造有限公司,綿陽,621000

0 引言

隨著家用汽車日益普及,消費者對“度身定制”屬于自己的汽車的個性化追求迅猛增長,這對大規模生產下“千篇一律”的產品市場產生了巨大的沖擊。消費者在廠家提供的車型基礎上,根據自己的需求和喜好,選擇顏色、內飾、天窗、音響等備選配置[1]。個性化定制的汽車產品內飾的安裝位置不同,意味著制孔的位置和種類是不斷變化的。規模生產使用的汽車覆蓋件整體沖孔模具是非常昂貴的,因此,整體模具沖孔并不適合個性化汽車產品。由此,對汽車覆蓋件制孔方法的效率、靈活性以及成本提出了更高要求。

為了解決此問題,汽車制造企業采用沖孔單元的模塊化組合式沖孔技術,即把多個沖孔單元通過組裝樣板定位到沖孔位置,組合在一起進行沖孔,通過更換不同型號沖孔單元,重新調整沖孔單元的位置,來適應不同的汽車覆蓋件,具有良好的通用性和適應性。但是沖孔單元的位置需要人工定位,導致位置精度不容易控制。此外,若沖孔排列緊密,則沖孔單元在安裝時會發生干涉現象。因此,組合沖模技術具有很大的局限性。

工業機器人具有良好的柔性和較低的成本,因此在汽車制造領域得到廣泛應用[2]。在飛機制造以及醫學領域,大多數機器人柔性制孔系統采用鉆孔的方式[3-5]。鉆孔容易在汽車覆蓋件孔的兩側產生毛刺和棱邊,不利于汽車內飾的安裝,影響裝配精度。汽車覆蓋件一般為0.5～1 mm的薄板,鉆孔系統中的壓腳單元以及鉆頭都會對其施加一定的壓力,導致覆蓋件易在鉆孔處產生彎曲變形,影響外觀。基于以上考慮,筆者設計出模具沖孔與工業機器人相結合的面向個性化定制的汽車覆蓋件沖孔系統。

1 系統組成

1.1 總體設計

基于ABB-IRB-6700工業機器人的汽車覆蓋件柔性沖孔系統,主要包括機器人系統、沖孔鉗、高精度回轉工作臺、安全保護裝置以及控制系統(PLC控制柜、操作按鈕盒以及觸摸屏)。系統工作站平面以及空間布局見圖1、圖2。沖孔過程中,將2個或4個工件(一般為家用轎車和SUV的汽車覆蓋件)安放在高精度回轉工作臺上,用氣動夾具定位,結合氣動位置鎖定銷,轉臺可以高精度(±0.02 mm)重復定位,然后工件轉動到機器人加工位,機器人按照事先規劃好的路徑將沖孔鉗移動到加工孔的位置,沖孔鉗進行沖孔加工。

1.機器人 2.沖孔鉗 3.工作臺 4.安全圍欄 5.操作工人 6.安全光柵 7.操作按鈕盒 8.觸摸屏操作盤 9.機器人控制柜 10.PLC控制柜 11.安全門圖1 柔性機器人沖孔工作站平面布局圖Fig.1 Plane layout of the flexible punching workstation based on industrial robot

圖2 柔性機器人沖孔工作站空間布局圖Fig.2 3D layout of the flexible punching workstation based on industrial robot

圖3為控制系統示意圖,PLC控制柜為整個系統控制中樞,與各設備用不同的方式相連,從而控制各設備的順序啟停。其中,沖孔鉗、工作臺、安全裝置以及按鈕操作箱與PLC通過數字IO模塊進行通信；顯示屏幕與PLC通過RS232串口方式通信,進行人機互動,可以方便地設置待加工工件類型、加工數量等加工參數,顯示系統運行狀態；機器人和PLC通過CC-LINK現場總線進行通信。

圖3 控制系統示意圖Fig.3 The diagram of control system

1.2 沖孔鉗設計

沖孔鉗是系統中最終執行沖孔動作的工具,其設計要求為：適合機器人安裝；具有良好的沖孔動力學性能。本文設計的沖孔鉗包含有4個主要部分：沖孔模具、動力源、導軌和支架。動力源帶動模具沿導軌方向往返運動。沖孔模具采用可更換設計來實現不同形狀和大小的沖孔加工。由于沖孔力與位置的關系比較復雜,不是簡單的線性關系,因此采用伺服電機并不合適。氣壓缸將壓縮空氣做動力源,容易獲取、成本低、無污染,但是體積大、壓力小,動作速度不容易控制,載荷變化較大時,容易產生爬行或自走現象。液壓缸的體積小、壓力大,動作速度容易控制,在恒速運動和變速運動之間的轉換更加方便[6],但安裝維護成本高,液壓油溫升高會引起密封圈的變形,導致液壓油的泄露。綜上,本文將融合氣壓缸和液壓缸二者優點的氣液增壓缸作為沖孔鉗動力源。

氣液增壓缸可以將較小的輸入氣壓轉換為較大的輸出油壓。氣液增壓缸的AMESim軟件仿真結果表明,氣液壓力缸的運動速度和輸出壓力可以滿足沖孔鉗的要求[7]。

沖孔鉗增加了快進行程以及氣液轉換功能,采用三行程(快進行程、力行程、返回行程)沖壓輪回,如圖4所示,具體工作原理如下：

圖4 氣液增壓缸工作原理示意圖Fig.4 The working principle of gas-liquid actuator

(1)快進行程。主控閥打開,轉換閥關閉,壓縮氣體通過進氣口P2進入到B腔,推動液壓油流向C腔,C腔下面的壓縮氣體由排氣孔P1排除,活塞桿2利用氣壓驅動模具快速運動,直至在某一位置碰到工件。

(2)力行程。上模具接觸工件后,接觸阻力將自動打開轉換閥,外部壓縮空氣從進氣口P4進入A腔,A腔中原有的空氣從排氣口P3排出,從而帶動活塞1向下運動,直到活塞桿2封閉油腔(圖4b中腔體C區域)。活塞桿1繼續向下運動,會讓液壓油油壓快速上升,系統將氣壓切換為液壓動力,進入力行程,全力驅動上模具實施沖壓加工。

(3)返回行程。完成沖壓加工后,壓縮空氣通過進氣口P1和P3分別進入腔體C和A,同時,原腔體內的壓縮空氣分別從P4和P2排出,系統轉換為氣壓驅動模具返回至初始狀態,為下一個工作循環準備。

通過增加快進行程以及氣液轉換功能,實現了“軟到位”和“增力自適應”沖壓。“軟到位”使得上模具快速接近工件,但接觸力極小,最大值約為額定沖壓力的1%～5%,沖孔過程具有無沖擊振動和噪聲小的優點,一方面提高了沖孔加工質量,另一方面保護了沖孔模具,降低了沖孔模具的設計制造難度,延長了模具的壽命。“增力自適應”技術的特點是,沖孔上模具在空行程某一位置遇到工件時,氣液增力缸受到的外部阻力會自動將動力系統由氣壓驅動轉換為液壓驅動,進行全力沖孔加工。這一技術解決了傳統二行程模具沖孔設備盲目施加沖壓力帶來的廢品率過高、振動大等弊端。

1.3 軌跡規劃

在沖孔加工前,需要生成無干涉的沖孔鉗運動軌跡。手動試教方法的效率太低,故本文重點研究了沖孔鉗運動軌跡的離線編程方法。對于傳統的銑削或鉆削的刀具軌跡生成來說,由于刀具可以看作是回轉曲面,所以刀具上端面上一固定點的位置和刀具的方向足以代表該刀具的位置和姿態[8-10]。但是由于沖孔鉗具有復雜的外形,不能被看作是一個回轉曲面,所以很難自動生成一條無干涉的沖孔鉗運動軌跡。根據沖孔鉗的外部形狀特征,本文在UG NX 10.0的平臺上設計了一種交互式的沖孔鉗軌跡生成方法,其原理見圖5、圖6。

圖5 機器人沖孔軌跡規劃Fig.5 Tool path generation for punching a hole

為了簡化計算,定義一個通過待沖孔軸線的工作平面。該工作平面與沖孔鉗自身的對稱平面平行。讓沖孔鉗在該工作平面內移動,從而得到運動軌跡。顯然,按照此方法就可以把三維空間內的軌跡規劃簡化為二維平面內的軌跡規劃。此時,干涉檢查仍在三維空間內進行,如果發生干涉,可以重新定義工作平面,重新計算。沖孔鉗移動軌跡計算見圖6。

圖6 沖孔鉗移動軌跡計算Fig.6 The calculation of the tool path

2 應用

圖7 機器人沖孔系統作業現場Fig.7 The punching plier is punching

機器人柔性沖孔系統在四川華瑞制造有限公司進行了加工驗證,系統作業現場見圖7。表1展示了不同的沖孔工藝方法在重新調整工件上所占用的時間以及花費的成本,可以看出大型沖床的調整時間最長且成本最高(主要是沖孔模具成本),采用基于UG 二次開發的離線編程軟件的機器人沖孔的調整時間最短且幾乎沒有調整成本。所以采用離線編程軟件的機器人柔性沖孔系統能有效減少新工件的調整時間，降低調整成本。

表1 不同沖孔工藝在調整時間與成本上對比

綜上所述,該系統能夠在沖孔效率及沖孔質量方面很好地滿足企業需求。同時,相比于傳統模具沖孔裝置僅適用于單一車型固定位置的沖孔,該系統通過簡單地編程和設備升級,能夠方便地適應不同車型不同位置的沖孔。

3 結論

針對個性化定制生產的汽車產品,本文提出并實現了一種基于六軸工業機器人的汽車覆蓋件機器人柔性沖孔系統,設計了適用于工業機械臂的沖孔鉗,其采用的“軟到位”和“增力自適應”沖壓技術具有沖孔質量高、高效節能、控制簡單可靠、自動化程度高、安裝簡單方便的優點。相對于傳統模具沖孔設備,該系統大幅度提高了系統的柔性和靈活性。