淺談沖壓自動線端拾器安裝調試效率提升方法

雷玉霞，廖 勇，韋旺華，賈庚鳳，姜慧麗，吳秀桃

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545000）

沖壓自動線以其特有的高效能、高安全性和穩定性[1-5]，成為沖壓行業的發展趨勢，國內越來越多的汽車生產廠家采用自動線以滿足高速的生產制造需求[6]。沖壓自動線生產零件尺寸精度及A面質量穩定可靠，且生產效率高。端拾器作為自動沖壓線體各工序之間工序件傳遞的主要載體，其安裝位置度和吸盤壓縮量的平衡性等問題對工序件的搬運過程以及放置情況均有不同程度的影響，從而影響零件的尺寸精度和A面質量[7、8]。然而，目前沖壓自動線用端拾器的組裝均與模具一次上線調試同時進行，占用大量的線體時間（約為2h），且安裝匆忙，造成如下不良：吸盤位置的隨意性，角度的隨意性，與設計圖紙不相符；各個吸盤壓縮量不同，單個吸盤周圈壓縮量不同，導致運輸過程的晃動和不平衡，從而影響零件的尺寸精度和A面質量。本文通過探討端拾器設計基本原則、吸盤安裝基本原則以及線外端拾器精確組裝等方面，得出用以指導沖壓自動線端拾器安裝調試效率提升的方法。

1 生產線體參數背景

本文研究對象示意圖見圖1，板料經上料工位，經清洗涂油機，進入4臺機械壓力機主線，傳輸為七軸ABB機器人（采用常規10點控制方式）。

圖1 自動沖壓線示意圖

2 端拾器安裝調試效率提升方法

2.1 端拾器設計基本原則

2.1.1 端拾器的設計需關聯模具圖和機器人姿態

傳統的端拾器圖紙設計方式，采用零件工法圖，按一個旋轉角度進行設計，即全序模具端拾器為一套圖紙。按設計出圖后，進行端拾器吸盤和橫桿的準備。此種設計方式存在諸多弊端，與實際線體安裝存在差異，致使端拾器安裝調試效率低，占用線上時間多，且容易出現端拾器零部件不符合實際使用要求的情況，或者與實際模具干涉的情況（圖3）。線上安裝端拾器時，需要根據機器人姿態，以及對應模具上零件的姿態，安裝各個吸盤和橫桿，可知，端拾器的組裝位置與機器人姿態和零件姿態存在密不可分的聯系。因此，端拾器設計時，應按對應的模具圖紙進行設計，考慮各類零件軌跡調試方式，參考典型機器人下料和上料的姿態，最終確定取料點機器人的姿態，以設計準確的端拾器。

圖2 端拾器與模具干涉

圖3 端拾器左右對稱設計案例

2.1.2 端拾器扁平化

線體調試時，在機器人取料需設置提前進入角度這一參數，用以在實際線體運行時，無需機臺走到上死點，提前啟動機器人取料。因此，為了減小機器人的提前進入角度，盡可能提前啟動機器人，端拾器整體高度盡量減小，即盡可能扁平化。這就要求我們在布置吸盤的時候，整體考慮吸盤所處的Z向高度，使各吸盤的Z向高度差盡可能的小。

2.1.3 吸盤對稱布置

端拾器左右吸盤設計不均時，會導致端拾器在吸料過程中存在料片塌陷、運輸過程晃動甚至掉料現象。主要原因（圖3）：吸起料片后，由于A端至B端中間前部懸空部分長，料片往下塌；吸起料片運輸至OP10時，由于左右端拾器受力不均，造成運輸過程晃動，影響定位精度；當視覺效果不佳、R2機器人識別有誤時，1號吸盤未吸到板料，造成A端僅有2號和3號吸盤吸料，運輸過程晃動，造成掉料。因此，在端拾器設計的時候需考慮吸盤布置的對稱性。

2.2 吸盤安裝基本原則

真空吸盤用于完成工件的搬運工具。吸盤搬運工件的過程中，并不是吸盤本身吸住了工件，而是吸盤內部抽真空，在大氣壓力作用下，氣壓將吸盤與工件壓到一起，從而實現搬運。由此可知，吸盤的壓縮量不影響吸力，吸盤的吸力與壓差和吸附面積成正比，壓力差越大或吸附面積（吸盤直徑）越大，吸力就越大，工件就越穩定。

2.2.1 合理計算理論吸力

當吸盤的吸力不能大于理論吸力時，可能會發生掉件、抖動等影響工件搬運的效率，故在設計端拾器時，需要考慮單個吸盤的吸力以及吸盤個數和分布等參數。理論吸力，可按照以下經驗公式進行計算：

理論吸力=M×（g + a）×S（1）其中：M為工件重量；g為重力加速度；a為系統加速度；S為安全系數（建議安全系數大于2.0）。

2.2.2 吸盤Z向正面布置

當吸盤Z向布置時，吸盤產生的吸力僅需要克服工件重力即可，當吸盤非Z向布置時，則吸盤吸力產生的Z向摩擦力需要克服工件的重力，此時吸力則較前種情況增大。因此，在設計前期，盡可能的使吸盤Z向正面布置。工件的理論吸力在工件水平放置情況下要遠小于豎直放置情況下所需吸力，因此，當吸盤與工件成一定角度時，會對吸力的大小產生影響。

2.2.3 端拾器運輸過程抖動的防止

端拾器抖動主要原因：吸盤布置不合理，端拾器需要盡可能對稱布置，使工件中心兩端，端拾器受到的載荷均勻布置；端拾器主桿的剛度不足，使其兩端產生撓度彈性變形；機器人運行軌跡不平順，有卡頓，此時端拾器會在慣性作用下產生“抖動”。

2.2.4 吸盤壓縮量均勻

吸盤在非壓縮狀態下，隨機器人的移動，到取料點進行取料，此時如果單個吸盤和各個吸盤之間的壓縮量不均勻，則會出來某些部分或者某個吸盤先接觸板料的情況，容易造成板件過壓而出現面品問題。因此，端拾器上單個吸盤周圈的壓縮量，盡可能均勻，避免造成局部接觸，對工件產生過壓；端拾器上各個吸盤的壓縮量盡可能均勻，避免吸料時因個別吸盤先接觸料片而產生過壓。

2.3 線外端拾器精確組裝驗證

近年來，線外組織端拾器成為一大熱門技術[9-10]。現已有多種線外端拾器預組裝裝備，線外大致確定端拾器各分支之間的位置以及吸盤的大概位置和安裝方向，但此類裝備僅做預安裝使用，上線使用后各吸盤甚至吸盤連桿的調節量仍然很大。主要原因是：裝備僅與零件發生關系，與模具無關；設計裝置未考慮零件在各工序的轉動角度問題；未考慮機器人或者機械手抓取零件時所對應的零件位置問題；缺少端拾器的功能性驗證。

每個零件結構都有其特有的特征，而模具制造的工法設計與零件結構息息相關。零件結構決定著各工序的沖壓方向，沖壓方向則決定各工序零件的X、Y、Z方向的旋轉角度。因此，每個零件甚至每個工序件的端拾器都具有獨立性和特殊性，每個工序件需要配備相應專用的端拾器。因此，線外端拾器精確組裝驗證機（圖4）可從以下幾個方面考慮，以達到精確組裝和驗證其功能性的目的：

圖4 線外端拾器調整機示意圖

（1）定位策略基準從模具出發，建立實際狀態下零件和端拾器調整機之間的聯系。

線外端拾器精確組裝驗證機通過固定機構與模具對應位置產生定位作用，建立模具和端拾器調整機之間的聯系，從模具引出基準，通過模具建立實際擺放狀態下零件和線外端拾器的聯系。通過上述機構確定X向和Y向端拾器調整機的位置。

（2）Z向可調，適應650 mm至900 mm送料高度的所有模具。

可通過調節機構，達到Z向連續性調整的目的，適應不同零件模具不同送料高度要求，達到650 mm至900 mm的調節量。

（3）增加旋轉角度θ自由度控制，以使端拾器適應零件旋轉角度，增加端拾器裝配狀態種類。

在安裝端拾器的接頭處，增加一個旋轉機構，控制端拾器的旋轉角度θ，以適應零件各序之間不同的旋轉角度。端拾器設計前期需要考慮零件旋轉角度和機器人運動軌跡等多種因素，通過θ自由度的控制，可增加端拾器的裝配狀態種類，增加端拾器狀態和機器人運動軌跡之間的組合形式，從而提供多種選擇，則其優而選之。

（4）配備真空發生器，線外可直接完成端拾器吸附狀態的驗證。

配備真空發生器，在端拾器裝配完成后，通過氣管連接真空發生器和吸盤，通電通氣即可通過控制真空發生器以控制吸盤，達到端拾器吸附零件和放件的驗證。同時可調節調整機Z向高度，模擬線上端拾器Z向運輸零件，觀察運輸過程端拾器吸附零件的平衡性和穩定性。也可觀察和調整各個吸盤的壓縮量和單個吸盤周圈壓縮量的均衡情況。

3 效果驗證

圖5 所示為優化前后端拾器安裝調試時間情況統計，其中車型1-3是優化前情況，4-7是優化后的情況。由圖可知，優化前發罩外板使用時間約為87 min，優化后減少至1 min；側圍外板則由123 min降低至13.5 min；前門外板由92 min降低至1.3 min；后門外板由116 min降低至14.5 min；翼子板由112 min降低至13.7 min；頂蓋外板由84 min降低至2.5 min；后背門外板由116 min降低至18 min。優化前，單個零件安裝調試需要85～120 min左右；優化后，單個零件安裝調試需要0～15 min左右，其中，發罩外板、前門外板和頂蓋外板上線后基本無需調整，大大提升了端拾器安裝調試效率。

圖5 優化前后端拾器安裝調試時間統計圖

4 結束語

本文通過深度剖析沖壓自動線端拾器安裝調試工作內容、影響因素，總結歸納其效率提升方式，具體結論如下：

（1）端拾器設計需關聯模具圖和機器人姿態；端拾器扁平化；吸盤對稱布置。

（2）吸盤安裝基本原則為：合理計算理論吸力；吸盤Z向正面布置；端拾器負載均勻，主桿強度充足；吸盤壓縮量均勻。

（3）采用線外組裝和調整端拾器，可減少端拾器調整占用線體時間；保證X、Y、Z、θ多維度精度保證，并配備真空發生器，線外可直接完成端拾器吸附狀態的驗證。

通過上述方式，可將單個零件端拾器調試時間由85～120 min縮短至0～15 min左右，其中，發罩外板、前門外板和頂蓋外板上線后基本無需調整。