高速落料機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線運(yùn)行原理及特點(diǎn)

丁剛強(qiáng)

（廣西汽車集團(tuán)柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

汽車工業(yè)中的鈑金零部件（如車身頂蓋、側(cè)圍、大梁、前隔板、門柱、輪罩等）生產(chǎn)都要采用鈑金工藝，最重要的四個(gè)步驟就是開卷落料、沖壓、焊接、表面處理。其中開卷落料是第一道工序，就是將整卷的鋼板料制作成片狀的定尺料或異型料，用于后序的沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)。落料就是用沖模沿封閉曲線沖切，沖下部分是零件，用于制造各種形狀的平板零件[1]。如何設(shè)計(jì)與建造適合企業(yè)自身的生產(chǎn)設(shè)備，高效的生產(chǎn)出后序沖壓成型所需要的定尺料或異型料，并提高板材利用率，降低制造成本，提高外觀件表面質(zhì)量，是汽車鈑金件生產(chǎn)企業(yè)亟需解決的一個(gè)重要課題。讓機(jī)器人替代工人單調(diào)、重復(fù)的體力勞動(dòng)，可極大地提高生產(chǎn)效率可產(chǎn)品質(zhì)量[2]，為此，研究開發(fā)出了一款高速落料機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線，滿足了效率、成本的要求，同時(shí)也對(duì)采用多工位級(jí)進(jìn)沖壓模具的沖壓生產(chǎn)，也提供了借鑒。這種高速落料機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線使得沖壓成型技術(shù)轉(zhuǎn)向安全節(jié)約方向發(fā)展，同時(shí)具有高效率、高柔性的特點(diǎn)。

1 高速落料機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線運(yùn)行原理

高速?zèng)_壓落料自動(dòng)化生產(chǎn)線主要組成部分有：電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、上料小車、開卷機(jī)、校平機(jī)、夾送輥、擺橋（活套）、定尺送料、機(jī)械落料壓力機(jī)、成品收集、成品取料七軸工業(yè)機(jī)器人等。其運(yùn)行原理圖見圖1。

圖1 高速?zèng)_壓落料機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線運(yùn)行原理圖

該高速落料機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線最大的優(yōu)勢是采用了落料壓力機(jī)、落料模具、七軸工業(yè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了提高生產(chǎn)效率，減少用人數(shù)量，提高生產(chǎn)柔性的目的，并能改變落料模具、七軸機(jī)器人抓手的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)一模兩件及更多件生產(chǎn)。

在進(jìn)行生產(chǎn)汽車零件板材生產(chǎn)時(shí)，首先用行車將料卷吊裝到上料小車上，不同規(guī)格的料卷放置到上料小車的對(duì)應(yīng)位置，上料小車接到料卷后，移動(dòng)到開卷機(jī)正中位置，并有人工進(jìn)行微調(diào)，確保鋼卷對(duì)準(zhǔn)開卷機(jī)。同時(shí)，料卷漲緊機(jī)工作，由液壓漲縮卷筒自動(dòng)地壓緊鋼卷并轉(zhuǎn)動(dòng)，將板料進(jìn)行開卷，自動(dòng)送料，板料在引料裝置作用下進(jìn)入校平機(jī)，板料內(nèi)部的應(yīng)力，在經(jīng)過四重或六重多輥式平行輥列的校平機(jī)后，成為平整的板料，每卷料初始的20～30 cm的料頭由于不整齊被切頭剪自動(dòng)剪去，然后再沿著滾道前進(jìn)，此時(shí)活套已經(jīng)處于水平的導(dǎo)料狀態(tài)，板料一直前進(jìn)，經(jīng)過側(cè)導(dǎo)向的導(dǎo)向、定尺送料機(jī)構(gòu)、送料輪、滾道送料，到達(dá)落料壓力機(jī)的模腔中，覆蓋整個(gè)模腔，壓料輪、定尺送料輪下降，壓緊鋼板，同時(shí)活套下降，開卷機(jī)繼續(xù)送出的板料在重力作用下下降，下降到活套地坑的檢測機(jī)構(gòu)就，停止輸送。活套地坑是為了消除在正常運(yùn)行時(shí)由開卷校平部分的連續(xù)運(yùn)行與進(jìn)入落料壓力機(jī)中的沖壓落料的間歇?jiǎng)幼髦g的速度差造成的板料堆積。之后板料被落料一次，送料機(jī)構(gòu)前進(jìn)一次，直至卷料被使用完。在此過程中，成品板料由七軸工業(yè)機(jī)器人依次抓取放置到成品料架上或輸送皮帶上，再由人工放到料架上，邊角廢料被模具上的切斷刀切斷后進(jìn)度廢料收集器，落到位于地坑底部的廢料輸送機(jī)上，集中輸送到配料分選間。其生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)工藝流程圖

在工藝流程的控制上，高速落料機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線，其控制方式有手動(dòng)以及自動(dòng)兩種方式，當(dāng)使用手動(dòng)控制方式，需要依靠面板上的按鈕，來控制部分工藝流程，如果使用自動(dòng)控制方式，則整個(gè)生產(chǎn)線則按照提前設(shè)定好的程序進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)。

實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場如圖3所示：

圖3 實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場

2 高速落料沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線的性能特點(diǎn)

隨著我國汽車行業(yè)不斷的發(fā)展，汽車行業(yè)所涉及的工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)也逐漸規(guī)模化，汽車零件生產(chǎn)呈現(xiàn)出汽車個(gè)性化化特征，并且逐漸顯現(xiàn)車型共線生產(chǎn)、車型批量小以及車身覆蓋大型一體化趨勢。

（1）高速度校平機(jī)、高精度與自動(dòng)定位開卷機(jī)

鋼卷上料之后，與壓力機(jī)中的模具需要保持在同一中心線上，這樣有利于降低上料輔助時(shí)間和減少鋼板的扭曲變形。開卷機(jī)的伸縮對(duì)中裝置設(shè)置在鋼板的兩側(cè)，這種控制裝置的組成主要有三個(gè)部分，其一是液壓缸，主要用于驅(qū)動(dòng)伸縮擋板，其二是位移傳感器，主要用來檢測鋼卷端部的接近開關(guān)，以及液壓缸同步伸縮，其三是伸縮擋板。在進(jìn)行汽車零件生產(chǎn)當(dāng)中，需要對(duì)生產(chǎn)線設(shè)定參數(shù)，依據(jù)料卷規(guī)格進(jìn)行合理的設(shè)定，然后由PLC程序系統(tǒng)發(fā)出指令給側(cè)邊定位裝置，沿開卷機(jī)的主軸方向平移的伸縮擋板，移動(dòng)到指定的位置。同時(shí)，位移傳感器向PLC程序發(fā)出停止信號(hào)，需要通過液壓缸活塞桿伸縮計(jì)算。當(dāng)鋼卷運(yùn)行到接近開關(guān)的位置時(shí)，開關(guān)發(fā)出信號(hào)傳輸給PLC系統(tǒng)，這個(gè)時(shí)候上料小車就會(huì)停止運(yùn)行，并且鋼卷能夠準(zhǔn)確停止在設(shè)定好的位置上。

在進(jìn)行輸料工作過程當(dāng)中，為了保證汽車額零件加工質(zhì)量以及成型之后的質(zhì)量，提高整個(gè)高速落料沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線的速度，并結(jié)合多年加工設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用多輥（四重輥或六重輥）校平方式，來消除板料的內(nèi)應(yīng)力，保證板料的平整，在校平的過程中，其精度應(yīng)當(dāng)小于0.8 mm/m2，其速度應(yīng)當(dāng)為42 m/min。自動(dòng)定位開卷機(jī)如圖4所示。

圖4 自動(dòng)定位開卷機(jī)

（2）高速度、高精度的伺服送料

伺服送料控制系統(tǒng)，其控制需要通過編碼器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，達(dá)到送料的高速度、高精度。在送料過程中，送過、打滑不同程度的現(xiàn)象可能會(huì)出現(xiàn)，針對(duì)這類現(xiàn)象，除了數(shù)字式伺服電機(jī)做定尺驅(qū)動(dòng)之外，還應(yīng)當(dāng)采用編碼器加測量輥所形成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，以此來保證送料的高精度，確保送料的高速度，在送料當(dāng)中，其精度應(yīng)當(dāng)?shù)陀凇?.1 mm，送料的最大速度應(yīng)當(dāng)達(dá)到110 m/min，這樣一來，才能保證汽車零件成品的質(zhì)量以及零件加工生產(chǎn)過程中的質(zhì)量，保證42 m/min的整線線速度、7 m/s2加速度的高速度連續(xù)生產(chǎn)，這不僅保證了該生產(chǎn)線所加工的零件質(zhì)量，并且對(duì)整線生產(chǎn)來說，也大大提高了其生產(chǎn)效率。

（3）落料壓力機(jī)工作臺(tái)整體鎖緊、自動(dòng)升降功能

由于壓力機(jī)落料模具的規(guī)格不一樣，為了使得板料順利經(jīng)過傳輸帶，需要充分考慮到壓力機(jī)落料模具規(guī)格的不同，因此，工作臺(tái)上的輸送料機(jī)構(gòu)，需要集中在一起，利用蝸桿、渦輪自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)，對(duì)整個(gè)工作臺(tái)進(jìn)行高度調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)板料高效率的輸送。同時(shí)，為了保證工作臺(tái)的穩(wěn)定性，在工作狀態(tài)時(shí)，應(yīng)當(dāng)在工作臺(tái)與升降機(jī)構(gòu)之間設(shè)置鎖緊裝置，鎖緊裝置有利于調(diào)整工作臺(tái)的鎖緊或者是放松工作狀態(tài)，為了達(dá)到這一狀態(tài)目的，主要通過液壓缸，對(duì)一組碟簧進(jìn)行控制，從而達(dá)到理想化的工作狀態(tài)，不論是調(diào)整之前還是調(diào)整之后，以此來保證工作臺(tái)的穩(wěn)定性，對(duì)高度落料沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)來說，有利于提高該生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度。

（4）七軸工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化取件

在工業(yè)機(jī)器人的第六軸端部增加第七軸，擴(kuò)展機(jī)器人的臂展，達(dá)到較大的覆蓋范圍，能使用抓手順利地從壓力機(jī)模腔中取件及放件，第七軸與機(jī)器人插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，提高輸送速度。壓力機(jī)旁邊不再使用人工，安全性大大提高。機(jī)器人抓手還可以設(shè)計(jì)成快換形式，滿足更多規(guī)格的板料及一模多件的抓取。柔性大大提高。

圖5 七軸工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化取件示意圖

（5）落料模具可以進(jìn)行多種異型料的生產(chǎn)

傳統(tǒng)的開卷線使用直線切刀，只能切直線，生產(chǎn)出方料或梯形料，后序沖壓生產(chǎn)時(shí)邊角料較多，板材利用率低。而此線上使用了落料模具，可以根據(jù)模具進(jìn)行板料的優(yōu)化排版，提高板材利用率，降低材料成本。板料排版圖見圖6所示。

圖6 板料排版圖

3 同類生產(chǎn)線比較

汽車零件高速落料沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線，應(yīng)用范圍較為廣闊，有著良好的發(fā)展前景。相比于國內(nèi)外同類的產(chǎn)品，主要特點(diǎn)表現(xiàn)在：高精度、高速度、高度自動(dòng)化程度等，具體如表1所示。

表1 國內(nèi)外同類產(chǎn)品技術(shù)性能比較

某企業(yè)應(yīng)用后，相比傳統(tǒng)的開卷校平線，節(jié)拍提升由4 SPM提高為16 SPM，人工費(fèi)用可以減少：（60/4～60/16）×360×7.5小時(shí)/班 ×3班/天 ×21.75天/月 ×12月/年 ×0.002 8（每秒人均工資）＝6.6萬元/年；人員優(yōu)化：4.84萬元/年（人均成本）×2人/班（減員數(shù)）×3班/天 =29萬元/年；材料利用率提升：3.2萬噸/年 ×8.41%（材料利用率提升）×5000元/噸 =1345.6萬元/年；取消委外加工：3.2萬噸/年× 354 元/噸 ＝ 1132.8 萬元/年；材質(zhì)優(yōu)化：3.2 萬噸/年×461元/噸 ＝1475.2萬元/年。預(yù)期每年節(jié)約成本3989.2萬元，2017年7月至10月實(shí)際節(jié)約成本1138萬元。

4 結(jié)束語

近年來，隨著世界經(jīng)濟(jì)環(huán)境不斷變化，汽車產(chǎn)業(yè)面臨的狀況也發(fā)生了眾多變化[3]，生產(chǎn)形態(tài)由大規(guī)模大批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)為小批量定制化生產(chǎn)，本高速落料機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線的研制成功，就是適應(yīng)這一變化的具體行動(dòng)。適合于小批量、多品種的制造模式，且具有較大的柔性，有利于提高企業(yè)在市場中的競爭優(yōu)勢，為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益。