工業機器人沖壓自動化聯線的技術集成與應用

丁剛強

（廣西汽車集團柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州545007）

0 前言

在全球競爭的新形勢下，為了改變制造業“大而不強”的現狀，我國提出了工業轉型升級的發展戰略。制造業智能化已經被國家列為未來行業發展的關鍵戰略。推廣應用工業機器人成為了提高企業產品質量、生產效率，降低生產成本，解決人力供求矛盾，提高核心競爭力的必由之路。以汽車產業為例，在焊接、涂裝、裝配、上下料、搬運等作業中，機器人都已逐步取代了人工作業。

汽車車身鈑金件沖壓領域，沖壓自動化系統集成及應用是沖壓生產線體現其生產能力的關鍵因素。與傳統手工沖壓相比，自動化沖壓具有安全、高效、節材等優點，是板材加工技術的發展方向[1]。六軸或七軸工業機器人將逐步成為當前汽車車身鈑金件沖壓自動化生產中絕對重要的組成部份，它的大規模生產應用，對于加速實現汽車零部件產業的自動化生產有非常明顯的推動作用。

1 總體思路

結合產品特點及柔性要求，采用“普通壓力機+機器人傳輸”形式[2]。利用六臺六軸或七軸工業機器人、智能視覺對中系統、自動模具更換系統、自動清洗涂油、自動更換端拾器系統等技術實現的自動化沖壓生產線項目建設。對沖壓線的總體設計、沖壓機器人協調作業、板料自動清洗涂油、沖壓機器人端拾器自動更換、沖壓模具自動更換等技術進行集成與應用，最終開發出了適合汽車零部件行業推廣的六軸或七軸工業機器人沖壓自動化聯線技術集成及應用系統。

2 主要特點

（1）采用沖壓專用的六軸或七軸工業機器人，結合壓力機的間距及產品柔性需求，實現了串聯式沖壓生產線自動生產方式，自動運行率從0提高到90%.

根據壓力機設備間距數值及產品柔性要求，結合機械手與機器人的優缺點，采用了ABB IRB6660-3.2/120沖壓專用的六軸或七軸工業機器人實現沖壓生產線的單機自動化聯線。并通過自動更換機器人的端拾器來吸取各種不同的沖壓件實現在制件傳輸的“拾取”和“擺放”。端拾器可通過快速更換系統在3 min內完成自動更換，實現柔性。

通過對六軸或七軸工業機器人自動板料拆垛、清洗涂油、光學對中系統、自動上件、自動傳送、自動下線、自動更換端拾器、自動換模、廢料自動收集等的集成，通過中央控制系統的統一協調等技術手段及措施，實現沖壓自動線較強的可靠性、穩定性，使自動運行率達到90%。

工業機器人在沖壓自動化生產線的應用主要遵循：堆垛拆垛→板料傳送→清洗涂油→板料對中→上料機器人送料→首臺壓力機沖壓→下料機器人取、送料→壓機沖壓→根據工序數量循環→下料機器人取、送料→末端壓機沖壓→線尾機器人取、放料→皮帶機輸送→人工碼垛的循環方式。

其中，板料光學對中系統可以實現板料在經過清洗、涂油后，通過視覺識別系統，對板料的位置、角度進行識別，按指定的板料抓取位置進行抓取，放置到壓力機生產線上的第一臺壓力機的模具上。該項目所集成和應用的板料光學對中系統，能夠可靠地將板料對中后放置到壓力機的沖壓模具上，提升板料抓取、輸送和放置的可靠性、維修維護的方便性。

（2）采用了智能視覺對中系統（見圖1），實現了對沖壓板料位置誤差的智能化識別及機器人自動更新抓取程序軌跡，解決了板料從料垛到首臺壓力機上料間板料傳輸的位置偏差，將生產線的生產節拍由手工的5 spm提高到10 spm。

圖1 視覺對中系統

主要影響生產線布局及輸出節拍的因素在于拆垛、對中以及壓機間搬運等環節[3]，本研究通過采用ABB公司的沖壓專用機器人IRB6660與Rockwell PLC控制系統結合，通過COGNEX康耐視IS5403-11工業相機實施拍攝板料的圖像，運用算法，對圖像進行處理，獲取板料工件位置數據，再通過與標準圖像進行位置比對，把位置變化量傳輸給機器人，機器人自動通過調整抓件姿態，實現自動抓取工件。實現沖壓自動線的可靠性、穩定性，使自動運行率達到90%。

自動化沖壓線視覺對中系統的組成自動化沖壓線的起始工位為沖壓板料拆垛區域，拆垛區的拆垛速度決定了整條沖壓線生產節拍的快慢。該區域內集中了眾多的工藝設備，線首單元具體包括拆垛、輸送、清洗、涂油、對中、上料模塊，傳送單元包括傳送模塊，線尾單元包括下料、檢驗、裝框模塊。工藝設備布局分布如圖2所示。

圖2 工藝設備分布圖

通過板料自動拆垛系統、自動輸送系統、自動清洗涂油系統等技術措施，實現沖壓自動線較高的生產節拍，實現生產節拍7～10次/min。

其中，板料自動拆垛系統，實現在人工將沖壓板料以垛料形式放置到垛料臺車上之后的板料自動磁性分張（防多張技術應用）、ABB工業機器人抓取板料拆垛、自動放料到皮帶輸送機上（進入到清洗機及涂油機），解決了人機交互的安全問題，并降低人力成本。

自動清洗機、涂油機系統包括清洗和涂油，清洗機適合汽車外觀件的生產，板料經過清洗、去除表面的雜質顆粒，避免沖壓過程中損傷板料表面。涂油機可根據板料的形狀，進行編程，需要涂油的部位進行涂油，不需要涂油的部分不涂油，最大限度地節省防銹拉伸油。通過對清洗機及涂油機的集成與應用，達到考慮沖壓件表面質量的同時兼顧經濟型。

對于質量要求比較高的汽車外板件，需要使用清洗機。對于質量要求不高的汽車內板件，則可以不使用清洗機，對其安裝位置進行預留。

（3）采用碳纖維材料做端拾器主桿，降低端拾器重量10 kg，從而降低機器人負載，提高機器人運行的可靠性。

板料在壓力機之間傳輸，因機器人的速度快、板料重，導致慣性大，機器人負載重，影響其可靠性，采用碳纖維材料，重量減輕，提高可靠性。

碳纖維（carbon fiber，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內剛”，質量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。見圖3。

圖3 端拾器碳纖維主桿

（4）采用了自動模具夾緊器，實現快速自動換摸。將換摸時間從手工生產線的30～50 min，縮短到10 min內完成，大幅提升自動線柔性及生產效率。

該項目所集成和應用的自動換模系統，實現模具的自動松模、自動移出、自動夾模，將換摸時間從手工生產線的30～50 min，縮短到10 min內完成，大大提升自動線柔性及生產效率，如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 沖壓自動線方案整體模型圖1

圖6 沖壓自動線方案整體模型圖2

圖7 沖壓自動線方案局部模型圖

沖壓自動線柔性好，端拾器可在10 min內快速、靈活更換，自動換摸系統也可以實現模具在10 min內自動、快速更換。

其中，在端拾器快速更換系統方面，端拾器是具有柔性的工裝夾具，是沖壓自動化線必不可少的組成部分。在沖壓生產中，機器人通過更換端拾器來吸取各種不同的沖壓件，利用端拾器實現在制件傳輸的“拾取”和“擺放”。隨著汽車生產線的柔性要求的提高，六軸或七軸工業機器人的端拾器要經常進行切換，以適應不同的板料及產品。該項目所集成與應用的端拾器快速更換系統，將實現端拾器的自動更換，并在3 min內完成，大大提升自動線柔性及生產效率。為適應更多的產品共線生產，也需要實現端拾器的自主集成和掌握編程技術，提高沖壓自動化生產線的多品種的適應性。

在自動換摸系統方面，自動換摸系統可以實現模具的自動更換，具備自動松模、自動移出、新模具自動夾模等功能。該項目所集成與應用和應用的自動換模系統，將使換摸時間從手工生產線的30～50 min，縮短到10 min內完成，大大提升自動線柔性及生產效率。

該項技術集成與應用，相比傳統手工生產線，產生的生產優勢如表1所示。

表1 自動線與手工線對比

3 結束語

機器人自動化沖壓線技術，將提高企業產品質量、生產效率，提高企業核心競爭力。與傳統手工生產線相比，六軸或七軸工業機器人自動化沖壓線的應用，將生產線節拍提升至7～10次/min，從而使公司在沖壓產品方面的生產效率大幅提升。通過機器生產代替手工操作，提高產品的制造精度，從而提升沖壓產品的質量，且六軸或七軸工業機器人沖壓自動線作為一種靈活、可靠、通用的加工單元完全可以長時間保持工作的穩定性和安全性，通過更換端拾器和機器人程序簡單的調整就可以應用在不同的沖壓產品生產上。由于生產效率、產能和產品質量的提升，為公司的核心競爭力提升提供了有力支持，核心競爭力的提升在市場競爭激烈的汽車零部件行業中尤為重要。