工業機器人在汽車零部件沖壓線的成功應用本質安全化

程黎

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司銷售公司，安徽 馬鞍山 243000）

馬鋼配套汽車主機廠的沖壓工藝為人工上下料的制造模式，用工人數多，勞動強度大，效率低，安全風險高，主要安全風險類型為機械傷害、因大量的傳統人工作業，主要有兩大安全風險：（1）沖壓設備壓傷員工手部所導致的機械傷害較為頻繁；（2）職業病對員工損害較大主要危險有害因素為噪音、腰肌勞損等。企業主要面對的問題，往往是因整體設備更換而帶來的巨額資金，會對生產經營造成較大影響。

1 應用背景及開發目的

傳統沖壓生產線要求繁重的體力作業及反復的上料對員工造成了較大的職業健康傷害，同時沖壓設備的噪聲均在80分貝作用，長期的噪聲作業對員工的聽力帶來的不可逆的損傷。 在此基礎上通過引進工業機器人等現代化自動控制系統實現規避員工高風險沖壓作業，從而解決一系列員工安全風險問題，我們將原有的生產制造工藝，通過技術革新轉型為智慧制造。改造當前自動沖壓生產線，在馬鋼（蕪湖）材

料技術有限公司4#沖壓生產線實現以工業機器人系統為主的自動化沖壓系統，該系統可自動完成沖壓生產線的搬運功能，實現減員增效，本質安全的目的。

2 系統組成

本系統由垛料輸送系統、磁性分離系統、板料涂油機、雙料檢測系統、視覺對中系統、拆垛機器人系統、沖壓機器人系統、線尾收集系統、安全系統以及周邊設備和控制軟件系統組成。

3 改造前后設備對比圖（圖1）

4 系統工作原理

該沖壓自動化生產線主要用于車身大型覆蓋件及其它薄板沖壓件的拉延、整型、沖孔、切邊等沖壓工序。由行車或叉車將垛料輸送到垛料臺車上，垛料臺車移到壓力機拆垛區域，拆剁機器人拾取板料后放置到涂油機(涂油頻率為每生產5～8件涂油1次），涂油后拾取板料放置至對中臺，板料經過視覺對中后，上料機器人重新拾取板料并送入第一臺壓力機；沖壓后工件通過傳送機器人從第一臺壓機中取出并直接放置于下一臺壓機的模具中，這一過程重復到最后一道工序。最后下料機器人在最后一臺沖壓機完成沖壓后取走工件放到下料皮帶機上，由人工檢驗和裝箱。

圖1

5 主要技術要求

（1）全線調試結束必須確保生產效率達到5～7次/分鐘節拍以上，具體次數以產品形狀及沖壓工藝確定。

（2）設有2個拆垛小車，小車上設有料架定位裝置，適合該生產線所有料垛的定位，小車由交流電機通過變頻器驅動在導軌上移動，每個小車都有一平導軌和一導向導軌，小車的位置由傳感器檢測。

（3）每個小車上有四組強磁性分張裝置以防止雙料產生，實現分離垛板料，每個磁性分層裝置能上下、左右、前后六個方向調節，并適用于在該線生產的所有不同尺寸零件的板料。每臺小車再配備2個手持式磁力分張器。

（4）雙料檢測器可檢測被提升起的板料厚度。如果發現雙料，拆垛機器人將重復拆垛動作兩次，如果雙料狀態仍未解決，拆垛機器人停止工作并發出聲光報警。

（5）上料臺車需布置末張料檢測開關。

（6）整線連線自動生產過程中換垛料（不換模具）時需保證不停機切換。

（7）小車的開進、開出分為自動和手動控制。

為研究不同溫度下甲烷水合物生成過程的熱力學特性和動力學行為，本次實驗進行了273.75 K、273.85 K和273.95 K 3種溫度下甲烷水合物生成實驗。并結合實驗過程中的溫度、壓力、氣體消耗量、反應速率等參數進行水合物的相平衡熱力學和生成動力學分析。

（8）磁性分張裝置：分張成功率要求99%。

（9）磁力分張系統安裝在雙列直線導軌塊上，沿直線導軌移動。

（10）5臺壓力機可進行整線連線自動生產，除人工上料至上料小車和人工在線尾檢件外，整線生產過程中板料的分張、拆垛、涂油、對中、上料、沖壓、送料、下料等過程均為自動化生產。

6 主要裝備

（1）本系統全線采用7臺ABB工業機器人（IRB6700-150/3.2）。

（2）拆垛臺車，要求具備一輛拆垛臺車上同時擺放兩垛料供機器人拆垛的功能。拆垛臺車可載重8t。小車由交流電機通過變頻器驅動在導軌上移動，拆垛小車具有平導軌及導向導軌，具有到位停止限位開關，防止到位時工作臺竄動。

（3）磁力分張器，磁力分張系統安裝在雙列直線導軌塊上，沿直線導軌移動。雙列直線導軌塊確保了系統良好的受力狀態，并使磁力分張系統擁有了足夠的強度和剛性基礎，為實現磁力分張系統快捷的定位板料提供可靠保障。

（4）涂油機，可參考板材參數；根據需要，涂油的形狀可以是整個面，獨立的條紋或特定的圖案。編程可以在觸摸屏上進行，無須特別的編程知識。

（6）端拾器，端拾器要求端拾器采用鋁合金主桿加鋁合金分支桿模式。

（7）視頻監控系統，系統組成：整線監控系統主要由60”彩色液晶工業監視器1臺，高清攝像機15臺，紅外高清攝像機1臺，硬盤記錄機1臺。

（8）PLC系 統，本 系統PLC為SIEMENSS7-1500安 全PLC系列（CPU 1515F-2 PN），采用標準機柜，完成系統通訊，邏輯控制，安全聯鎖與HMI構成全方位的監控系統。

7 安全防護

（1）安全圍欄的設計、制造及控制符合國家安全生產方面的相關法規、以確保生產過程上的安全。

（2）凡是可能發生人或機器損傷的地方均設置防護欄、圍欄、安全網等設施；并進行必要的聯鎖保護，圍欄高度2000mm。

（3）在防護欄的適當位置開設安全門，所有的安全門均安裝有安全鎖及按鈕盒(或操作站)，按鈕盒上設有申請進入、復位按鈕和急停等按鈕。

（4）安全門通過安全鎖與系統連鎖，當安全門被非正常打開時相應系統立即停止運行并報警。

（5）安全門用于隔離機器人作業區域，保證作業安全。當機器人運行中，安全護欄的門打開，機器人將立即停止，最大限度保證人員安全。安全護欄及立柱通體黃色。

8 自動化和軟件部分

（1）機器人控制柜和示教器，機器人控制柜包括電機驅動器、IO單元、通訊模塊。

（2）MOC操作站和機旁操作箱。在自動模式下，按下清線按鈕，線首單元的第一臺機器人取放完當前的一件零件后不再繼續取件而是直接返回事先定義的原點位置。后工序的機器人和壓力機繼續工作直到零件全部加工完成，工作完成后機器人直接返回事先定義的原點位置，清線完畢，機器人全部回到原位，皮帶機停止。

（3）自 動 化 控 制 系 統，自 動 化 系 統 采 用SIEMENSS7-1500系列安全型PLC（CPU 1515F-2 PN）。

（4）HMI和觸摸屏。沖壓線的主操作站設置1套工控機，屏幕為多功能型觸摸屏，觸摸屏尺寸15寸以上（SIEMENS）可完成上位機組態軟件編輯、對故障和停機的分類統計、歷史數據的管理與查詢：系統具有對告警數據、操作數據和監測數據的保存能力；可根據需要對一個月內存貯的各種歷史數據（含生產信息）進行方便、快捷地選擇或條件查詢；可對報表的樣式、報表的內容進行靈活自定義，進而生成用戶所關心的報表。

9 系統實現功能

（1）行車或叉車將垛料輸送到垛料臺車上。

（2）垛料臺車移到壓力機拆垛區域。

（3）拆垛機器人拾取板料后放置到涂油機；(涂油頻率為每生產5～8件涂油一次）。

（4）涂油后拆垛機器人拾取板料放置至對中臺。

（5）板料視覺對中。

（6）上料機器人從對中臺拾取板料并送入第一臺壓力機。

沖壓后工件通過傳送機器人從第一臺壓機中取出并直接放置于下一臺壓機的模具中，這一過程重復到最后一道工序；下料機器人在最后一臺沖壓機完成沖壓后取走工件放到下料皮帶機上；由人工檢驗和裝箱。

10 系統運行效果

（1）安全績效。截至2020年4月30日，改造圓滿完成，整線運行良好。實現了沖壓線高危作業活動的無人化，實現了本質安全以及沖壓線安全生產事故為零及職業病發生率為零的最終目標。

（2）生產績效。整線操作人員由改造前的11人減至3人，單位時間生產效率提升15%。