工業(yè)機(jī)器人熱沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)研究

王鵬凱

(河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 張家口 075100)

在沖壓生產(chǎn)技術(shù)與設(shè)備逐漸走向高速化、柔性化、精密化的趨勢(shì)下，傳統(tǒng)機(jī)械沖壓早已不能滿足個(gè)性化生產(chǎn)要求，也無法適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要。而工業(yè)機(jī)器人以其自身獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在沖壓生產(chǎn)領(lǐng)域備受青睞，在此基礎(chǔ)上，基于工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成了全自動(dòng)熱沖壓生產(chǎn)體系。熱沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)體系可以編程方式切實(shí)改變工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡與具體作業(yè)，柔性較高，適用于小批量、多品種生產(chǎn)規(guī)模，是實(shí)現(xiàn)高速、高質(zhì)、高效生產(chǎn)的有效方式，同時(shí)也是現(xiàn)代化沖壓生產(chǎn)技術(shù)的主要發(fā)展方向[1]。據(jù)此，本文對(duì)工業(yè)機(jī)器人熱沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了深入探究。

1 熱沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)

1.1 拆 垛

基于拆垛系統(tǒng)，發(fā)揮磁性傳送帶、自動(dòng)化涂油設(shè)備、拆垛小車裝置等設(shè)施作用，促使不同狀態(tài)下的工業(yè)機(jī)器人可實(shí)時(shí)導(dǎo)入或?qū)С觯渲袑?dǎo)入可幫助工業(yè)機(jī)器人完成從拆垛機(jī)取料放置于涂油裝置，導(dǎo)出可轉(zhuǎn)移生產(chǎn)材料于指定的具體位置。為便于工業(yè)機(jī)器人順利操控，利用小車裝置涂油材料，以消除冷軋鋼板生產(chǎn)地滑移線，從而提高板件抗腐與潤(rùn)滑能力，強(qiáng)化板料定位、運(yùn)動(dòng)、牢固，進(jìn)而保障系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與可靠性。

1.2 視覺定位

視覺定位系統(tǒng)的任務(wù)是進(jìn)行加熱板料定位，給工業(yè)機(jī)器人輸出準(zhǔn)確的、具體的位置信息。由于定位對(duì)象屬于平面板料，只需2D視覺定位系統(tǒng)即可，其精確度為±0.5 mm，利用支架穩(wěn)固攝像頭，基于定位平臺(tái)安裝，同時(shí)對(duì)攝像頭進(jìn)行IP67等級(jí)全面防護(hù)，配置輔助性光源，以保障系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)加熱板料精確定位[2]。

1.3 控 制

工業(yè)機(jī)器人熱沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的控制體系選擇雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]，具體如圖1所示。雙層結(jié)構(gòu)可獨(dú)立分層、分段有效控制，并區(qū)分化管理相關(guān)功能。現(xiàn)場(chǎng)總線并未涵蓋壓機(jī)PLC站與人機(jī)界面控制，對(duì)此選擇DP-DP耦合器銜接壓機(jī)與生產(chǎn)系統(tǒng)控制PLC，且有效互鎖控制關(guān)聯(lián)信息。基于以太網(wǎng)劃分網(wǎng)絡(luò)控制層，即信息層與設(shè)備層。通過人機(jī)界面與所有PLC站端的實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備節(jié)點(diǎn)，從而提升控制系統(tǒng)柔性。

圖1 雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.3.1 設(shè)備層

設(shè)備層涉獵操作、輸出、開關(guān)、檢測(cè)、執(zhí)行等全部設(shè)備。基于主機(jī)總線輸送指令于PLC，通過其再次傳輸指令于所有設(shè)備，由設(shè)備執(zhí)行指令。其中，閥與傳感器之間的通信則以現(xiàn)場(chǎng)總線為載體加以實(shí)現(xiàn)。

1.3.2 控制層

控制層通過總線PLC操控設(shè)備，其具備連線與單獨(dú)控制兩項(xiàng)主要功能。在控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)控制的穩(wěn)定性、安全性、可靠性較高。其中設(shè)備與PLC通信、數(shù)據(jù)信息傳輸都是基于以太網(wǎng)操作。通過為壓力機(jī)控制系統(tǒng)配置Ethemet card，可有機(jī)連接壓力機(jī)各組成部分，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人主機(jī)與控制體系之間的實(shí)時(shí)通信。

1.3.3 人機(jī)操作界面

人機(jī)操作界面主要選用觸摸屏，利用Profibus總線有效連接控制體系單元設(shè)備與人機(jī)操作界面，可確保界面指令快速準(zhǔn)確傳輸于控制系統(tǒng)各部分，進(jìn)而順利開展操作。人機(jī)操作界面可切實(shí)展示控制體系單元運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，基于處理分析，進(jìn)一步了解工業(yè)機(jī)器人運(yùn)作狀態(tài)與注意事項(xiàng)，提示危險(xiǎn)信息。人機(jī)操作界面將運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)信息傳輸于主機(jī)控制平臺(tái)，其可全方位監(jiān)控所有單元。

1.4 感應(yīng)加熱爐

感應(yīng)加熱爐系統(tǒng)的作用是針對(duì)批量材料，完成拆垛、板料加熱、溫度控制、板料節(jié)拍性輸出等操作，安排專機(jī)廠家專門定制，且配置對(duì)應(yīng)的通信接口[4]。

1.5 安全性

工業(yè)機(jī)器人熱沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)可保障生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性，以保證工業(yè)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)真正意義上全自動(dòng)化生產(chǎn)操作。在熱沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)，上位機(jī)PLC可基于總線技術(shù)全面監(jiān)控機(jī)器人生產(chǎn)過程，一旦察覺問題便會(huì)快速發(fā)出告警，提示工人及時(shí)檢查排除故障。PLC系統(tǒng)利用Profibus總線全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控工業(yè)機(jī)器人運(yùn)作的安全區(qū)域，在日常檢修維護(hù)時(shí)，需實(shí)時(shí)更新排查，以保障各部件正常運(yùn)行，減少生產(chǎn)失誤。

1.6 仿真模擬

工業(yè)機(jī)器人為實(shí)現(xiàn)熱沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)，其運(yùn)行動(dòng)作與程序需類似于人工操作，所以增強(qiáng)自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)仿真模擬與校驗(yàn)勢(shì)在必行。在仿真校驗(yàn)時(shí)，工業(yè)級(jí)機(jī)器人可基于模擬真實(shí)環(huán)境檢驗(yàn)運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)性，一旦發(fā)現(xiàn)運(yùn)行漏洞，及時(shí)調(diào)整工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行節(jié)奏，以提升生產(chǎn)效率與水平，并在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)時(shí)分析相關(guān)數(shù)據(jù)信息，以離線調(diào)試，仿真模擬工業(yè)機(jī)器人動(dòng)作模式與運(yùn)行軌跡，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而縮減調(diào)試時(shí)間，減少失誤，進(jìn)而提高熱沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性，切實(shí)滿足工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)多元化需求[5]。

2 生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人熱沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)具體流程[6]如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)流程

3 效能計(jì)算分析

熱沖壓自動(dòng)化各個(gè)生產(chǎn)工序工時(shí)計(jì)算[7]具體如表1所示。

表1 各個(gè)工序工時(shí) s

根據(jù)數(shù)據(jù)信息與生產(chǎn)效能計(jì)算分析，獲得數(shù)據(jù)，即

單個(gè)零件總加工時(shí)間=

各工序時(shí)間的總和=410.2 s

生產(chǎn)線節(jié)拍時(shí)間=最長(zhǎng)工序時(shí)間=177.8 s

班制度工作時(shí)間是8 h，減去準(zhǔn)備時(shí)間0.5 h，實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)6S管理模式(6S即整理、整頓、清掃、清潔、素養(yǎng)、安全)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)管理的時(shí)間與工人休息時(shí)間0.5 h，以此單班可用于生產(chǎn)的時(shí)間是7 h。其中具體產(chǎn)能，即

根據(jù)每天開兩班，每個(gè)月有效作業(yè)時(shí)間為25天，計(jì)算可知：

月產(chǎn)能=單班產(chǎn)能×開班數(shù)×有效作業(yè)天數(shù)=142×2×25=7 100件

通過計(jì)算結(jié)果得知，熱沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)可滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，即月產(chǎn)能6 600件的具體要求。

4 系統(tǒng)仿真分析

針對(duì)熱沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)仿真模擬，可節(jié)約研發(fā)成本，基于虛擬環(huán)境可發(fā)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行問題，獲得良好生產(chǎn)效益，防止應(yīng)用程序失誤或其他系統(tǒng)干擾影響。以離線編程模擬工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行軌跡與運(yùn)轉(zhuǎn)路線，可有效節(jié)省調(diào)試時(shí)間。以工業(yè)機(jī)器人上下料環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真分析。

4.1 仿真模擬過程

選用Robot Studio為仿真軟件，轉(zhuǎn)換基于端拾器三維模型與Solid Work軟件的上下料平臺(tái)格式，以SAT格式導(dǎo)入于仿真軟件，同時(shí)添加工業(yè)機(jī)器人實(shí)體模型，就具體應(yīng)用需要進(jìn)行平臺(tái)安裝。其中上料平臺(tái)需轉(zhuǎn)換兩個(gè)機(jī)械視覺功能，工業(yè)機(jī)器人末端軌跡規(guī)劃需與平臺(tái)攝像頭支架相互避開，所以，端拾器安裝過程中，應(yīng)保障位置與姿勢(shì)始終如一，并且短邊尺寸與支架相對(duì)。

假設(shè)工業(yè)機(jī)器人上下料核心點(diǎn)位置是P3與P4，運(yùn)行工業(yè)機(jī)器人手腕向下旋轉(zhuǎn)90°，吸盤底層接觸平面與法蘭盤機(jī)中心線相互交錯(cuò)，交錯(cuò)位置設(shè)定為P1，端拾器底層核心點(diǎn)為Q，工業(yè)機(jī)器人待命，可以實(shí)時(shí)運(yùn)行抓取板料。具備強(qiáng)有力功能的末端執(zhí)行器，可以幫助機(jī)器人增加1～2個(gè)自由度，強(qiáng)化搬運(yùn)柔性。

其一，抓取板料，機(jī)器人核心點(diǎn)Q運(yùn)轉(zhuǎn)于上料平臺(tái)核心點(diǎn)上方位置P2，開始下降于上料平臺(tái)核心點(diǎn)P3，進(jìn)行板料抓取操作，然后回升于P2；其二，下放板料，機(jī)器人核心點(diǎn)Q基于P2運(yùn)轉(zhuǎn)于下料平臺(tái)核心點(diǎn)上方位置P5，工業(yè)機(jī)器人以直線運(yùn)動(dòng)軌跡，在P5下降于下料平臺(tái)核心點(diǎn)P4，進(jìn)行板料下放操作，然后回升于P5。

為順利準(zhǔn)確規(guī)劃工業(yè)機(jī)器人上下料軌跡，持續(xù)循環(huán)板料抓取、運(yùn)輸、下放操作過程，大約10次后，為防止端拾器與下料平臺(tái)轉(zhuǎn)回原點(diǎn)時(shí)發(fā)生碰撞，機(jī)器人核心點(diǎn)Q需先從P4上升于P6，隨后各軸轉(zhuǎn)回零位，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡精確規(guī)劃。

運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃后，離線仿真板料運(yùn)輸，設(shè)置6個(gè)工業(yè)機(jī)器人位置姿勢(shì)點(diǎn)。通過工業(yè)機(jī)器人抓取板料與下放板料仿真模擬，可知板料抓取與下放過程基于規(guī)劃軌跡非常精確，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用效果良好。

4.2 實(shí)踐成效分析

在工業(yè)機(jī)器人熱沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)投入生產(chǎn)使用之后，設(shè)備運(yùn)行順利穩(wěn)定，可根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行熱沖壓動(dòng)作。系統(tǒng)運(yùn)行表明在很大程度上實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能目標(biāo)，與設(shè)計(jì)要求相符。首先直接提高了生產(chǎn)效率，相比既有電阻爐加熱與人工上下料，熱沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)每件節(jié)約時(shí)間大約3 min，生產(chǎn)效率提高了近400%。其次有效改善了運(yùn)行環(huán)境，縮減了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。基于熱沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)，板料上料、運(yùn)輸、下放等都通過工業(yè)機(jī)器人操作，無須人工完成。再次可精確化控制溫度，提升定位精準(zhǔn)性與成型效率質(zhì)量。熱沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)板料溫度控制精確度為±3℃，定位誤差控制于1 mm以內(nèi)，切實(shí)避免了成型一致性較低，以及擠料和壓裂等不良現(xiàn)象[8]。

5 結(jié) 論

綜上所述，在現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)快速更新進(jìn)步下，工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)與設(shè)備都愈發(fā)科學(xué)化、新穎化，沖壓技術(shù)也實(shí)現(xiàn)優(yōu)化發(fā)展。而工業(yè)機(jī)器人的衍生，及其在熱沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線中的應(yīng)用可有效提高自動(dòng)化生產(chǎn)水平，并合理控制工業(yè)生產(chǎn)成本，因此備受工業(yè)領(lǐng)域積極關(guān)注。本文通過設(shè)計(jì)仿真工業(yè)機(jī)器人熱沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)，結(jié)果表明，工業(yè)機(jī)器人以其靈活性、可靠性，通過替代人工勞動(dòng)，減輕了操作人員工作強(qiáng)度，提升了沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)效率與水平，節(jié)約了生產(chǎn)成本，且能夠避免誤差，實(shí)現(xiàn)零誤差操作，從而在保障產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，帶來良好經(jīng)濟(jì)效益。