工業機器人在沖壓自動化生產線中的應用分析

葉江林

摘要：當前隨著自動化技術發展速度的不斷加快，在生產活動中開始廣泛應用工業機械，其中工業機器人屬于較為常用的生產設備，有效提升生產效率和生產質量，改變傳統生產活動中存在的問題。基于此，本文對工業機器人以及工業機器人關鍵技術進行了分析，對兩種沖壓工藝生產方式進行了對比，并提出了工業機器人在沖壓自動化生產線中的具體應用，以期可以為工業機器人的合理應用提供有效參考。

Abstract： At present， with the continuous acceleration of the development of automation technology， industrial machinery has been widely used in production activities. Among them， industrial robots are more commonly used production equipment， effectively improving production efficiency and production quality， and changing the problems existing in traditional production activities. Based on this， this article analyzes the key technologies of industrial robots and industrial robots， compares the two stamping process production methods， and proposes the specific application of industrial robots in the stamping automation production line， in order to provide reasonable applications for industrial robots. Effective reference.

關鍵詞：工業機器人;沖壓自動化;生產線;應用

Key words： industrial robot;stamping automation;production line;application

中圖分類號：TP242.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0060-03

0 ?引言

當前汽車市場規模持續擴大，我國對于汽車的需求量有所增加，因此汽車生產質量以及生產效率成為了人們所關注的重點問題。在汽車生產時車身鈑金件沖壓線屬于生產活動的關鍵設備之一，這一設備的應用效果會直接影響到最終汽車產量以及品質。通過對這一設備進行自動化改造能夠明顯增加生產效率，解決當前汽車生產過程中持續擴大的產量需求問題，保證生產活動的有序推進。當前如何對沖壓行業進行改進，成為了汽車領域所研究的重點內容，必須要積極融入自動化技術，促進行業向著自動化生產的模式發展。工業機器人則是在沖應自動化生產線中廣泛應用的設備類型之一，能夠改變傳統的工作模式，提升生產安全性和效益。

1 ?工業機器人

工業機器人是當前在工業生產領域所擁有的一種機器，裝置擁有多關節機械手，自由度較高，自動化水平較高，可以利用動力能源以及控制能源完成加工制造活動。工業機器人在電子領域、物流領域以及化工領域等中有著廣泛的應用，和傳統類型的工業設備進行比較優勢較多，可以忽視外界因素給設備應用帶來的影響。當前隨著智能化技術水平的不斷提升，工業機器人智能化程度有所提高，能夠對產品進行有效組裝，避免了工人在組裝過程中經歷過多的環節。在進行生產時可以避免出現安全隱患，減少了人為因素在生產活動中的影響，提升了生產安全性。工業機器人還可以做到24小時不間斷工作，能夠有效提升生產產量，可以避免人員在長期工作后出現疲勞問題，可以提升生產效益。

2 ?工業機器人關鍵技術

工業機器人在制作過程中包括不同的關鍵技術，通過落實關鍵技術要點，可以保證工業機器人的應用質量，其關鍵技術如圖1所示。第一，本體設計關鍵技術。在進行設計時，首先要針對傳動結構進行設計，確定機器人具體結構形式，利用三維建模的形式打造機器人模型。進行設計時需要重視對減速器的類型進行選擇，了解減速器的參數，并對其參數進行校準和計算，對于選擇后的減速器實施測試和檢驗，觀察其是否會影響到機器人的運行精度。完成減速器選擇后需要選擇合適的電機，針對電機扭矩、電機功率以及電機慣量實施參數分析。之后利用仿真分析技術對電機以及減速器進行再次測試，對模型實施分析，得出固有的頻率。最后進行可靠性設計，挑選合適的材料，按照指導文件進行合理裝配，在完成裝配后對其進行性能測試。第二，電機伺服關鍵技術。這一技術主要包括兩種，一種是電機，一種是伺服。在進行電機選擇時，需要重視電機輕量化、高速、直驅、中控等性能進行分析，伺服需要做到能夠在短時間內進行響應和定位，利用無傳感器的方式達到彈性碰撞的目的，能夠保證機器人使用安全性。第三，控制關鍵技術。在控制關鍵技術方面需要結合機器人的使用需求對運動路徑進行規劃，構建動力學模型對機器人實施動力學補償，主要針對摩擦、慣量以及重力等實施補償。在進行工業機器人裝配或者加工的過程中容易出現誤差問題，為了避免誤差出現，應當對補償參數進行分析。最后對工藝包進行完善，將控制系統和具體的運行情況進行結合，保證可以充分發揮工業機器人的功能和作用。

3 ?沖壓工藝生產方式對比

以往在沖壓工藝的生產過程中，主要是利用人工的方式進行生產，現階段為了能夠提高生產效率，開始應用自動化的生產模式，能夠有效減輕勞動人員的工作壓力，避免出現勞動強度過大的問題，同時還可以保證生產質量，防止在生產過程中出現質量波動的現象。與此同時還可以有效提高生產的自動化水平和安全性能，基于自動化生產模式的各種優勢，當前在沖壓工藝生產過程中，開始廣泛應用自動化技術[1]。通過對現有的沖壓自動化生產線進行分析，可以將其分為三種不同類型的生產線，分別為機械手自動化、機器人自動化以及多工位壓力機生產線。在自動化生產過程中，機械手以及機器人兩種生產線的生產方式存在較大的差異，具體差異如表1所示。由此可見，在安裝過程中機器手安裝更為簡便，使用起來更加偏向柔性化方向，并且不需要過多的資金投入。其中生產節拍屬于生產活動中的綜合指標類型，不單單取決于單一的機械設備，同時也取決于其他設備之間的協調性，主要包括自動化設備、壓力機以及模具三種。當三者形成協調匹配的模式，每分鐘的生產量在十件以上，則需要提高壓力機以及模具的質量，這在一定程度上會增加資金投入。因此通過對其特點進行分析，通過在沖壓工藝生產線中使用工業機器人能夠提升生產經濟性以及適用性，機械手自動化生產線可以使用在間隔距離較大的壓力機生產過程中，并且還可以針對目前已經產生的生產線實施改造，處理融入自動化技術。為了可以優化工業機器人的應用效果，可以對端拾器進行更換，能夠滿足不同車型的生產活動需求，柔性水平有所提升。

4 ?工業機器人在沖壓自動化生產線中的應用

工業機器人在生產線中的運行方式主要是先由機器人進行拆垛，之后對板料進行傳輸處理、涂油處理以及最終處理。在板料處理完畢后，由上料機器人進行送料，首臺壓機沖壓，在完成沖壓后，由下料機器人進行取料和送料，此時由壓機進行沖壓，根據具體的工序情況進行沖壓循環，在循環完畢后用下料機器人取料和送料。最后由末端壓機進行沖壓處理，末端沖壓之后由生產線尾端的工業機器人進行取料和放料，利用皮帶機進行材料的輸送，完成輸送后利用人工的方式碼垛。如圖2所示，為生產線作業的循環模式。本文選擇某類汽車等生產活動為例進行分析，探討工業機器人在沖壓自動化生產線中的布局以及電器控制情況。

4.1 系統組成

在生產系統中主要包括拆垛系統、涂油設備、中臺、壓力機兼上料下料系統以及線路尾端的輸送系統，通過一系列系統能夠完成自動化生產活動。

在拆垛系統中，可以選擇具有循環優勢的雙垛料臺，將導軌以平行的方式布置在壓力機的上方，使用行車的方式或者叉車對沖壓板料進行運輸，將其放在非工作作料的作業平臺上。按照所產生的信號觀察是否做到上料完畢，如果上料結束后將會自動進行剁料臺的轉換，能夠提高生產的連續性。在多料車的上方放置磁力分張器，可以利用磁力進行自動化拆垛，使其可以成為單張的狀態。在拆垛系統中工業機器人存在雙料檢測裝置以及處理裝置，能夠確保每次檢測和處理的屬于單張送料。工業機器人會將板料放在傳送帶上，傳送帶帶有磁性，并且傳送帶的長度可以進行調節，將板料送入到涂油機內，在編程系統中利用參數設定的方式明確是否需要涂油處理以及涂油的具體位置，在完成涂油處理之后將板料進行傳送，使其可以被送到對中臺之上。

對中臺在選擇過程中主要會使用機械對中臺，能夠提高移動的便利性，更加方便之后的固定。在對中臺設置過程中可以結合具體的工業機器人生產情況選擇不同的對中系統，例如重力對中系統、視覺對中系統，能夠提升板料位置確定的準確性，提升板料放置的牢固性。上料工業機器人結合零件具體的最終位置，調整自身運行的軌跡，可以讓板料處于正確的位置內，運輸到相應的壓力機內部。針對不同類型的沖壓制件實施機器人模擬，利用離線編程的模式滿足不同類型制件在同一生產線進行生產的需求。在生產線的尾端進行輸送時選擇皮帶機，并在末端區域設計皮帶機，可以讓工業機器人直接把零件放在皮帶運輸系統中，可以做到及時出件。

通過在這一系統中使用信息化軟件，可以讓工業機器人對沖壓機的運動情況進行跟蹤，讓壓機以及機器人可以做到同步，保證上料下料以及壓機運動過程中呈現為最大化的重合，提升切換的平穩程度，能夠以更加穩定的方式調整速度，避免生產節拍時間過長，還可以減少機械所承擔的負荷水平。在生產系統中放置外部軸可以將其當作工業機器人第7軸，可以利用其完成伺服控制工作，提升壓力機間隔距離布置時的自由化水平。與此同時，工業機器人可以在更大的范圍內進行傳送，搬運的速度也會有所增加，能夠有效加快生產節拍。

4.2 控制系統

4.2.1 總體控制計劃 ?本系統包括多個不同的系統類型，每個分支系統之間的電氣控制均需要進行集中化的監控，同時進行分散化的控制。在具體的控制系統中需要選擇設備層以及控制層這一控制體系，在不同層次中對網絡結構模式進行調整，優化軟件以及硬件的配置情況，以此來實現不同層次的功能。

4.2.2 控制層 ?在不同系統進行控制時選擇PLC控制模式，屬于現場總線的模式，能夠做到單獨進行控制，同時還可以利用連線的模式進行自動化控制。為了可以提升控制系統的應用穩定性，可以選擇西門子PLC，在不同控制系統中的PLC以及其和上位機進行信息的傳遞時需要選擇工業以太網，可以為之后監控系統和網絡連接進行使用。同時，還需要針對壓力機控制系統配備系統接口，保證能夠對機器人進行有效控制，和機器人之間進行信息交換以及信息對接[2]。

4.2.3 設備層 ?通過對控制系統進行整體分析，設備層處于底層位置是控制系統最為重要的環節之一，包括現場操作站、設備檢測、其他輸入設備、執行機構，其中設備檢測主要針對各類開關裝置進行檢測，執行機構主要包括電動機以及電磁閥等。各個不同的設備可以利用現場總線和控制層內的PLC進行有效的連接，可以向PLC提供輸入的信號，并將其所提出的輸出指令傳遞給現場的設備。傳感器的接線盒以及閥的接線盒會使用現場總線、控制單元實施通訊。

4.2.4 人機界面HMI ?在該系統之中，人機界面HMI所選擇的觸摸屏品牌為SIEM ENS，同時還需要給不同的控制單元均分配觸摸屏，使用總線進行控制單元之間的通訊。在每個單元的觸摸屏上方均設置了指示燈以及可以進行相關操作的按鈕，能夠及時針對錯誤問題進行報警，或者針對故障信息進行自行診斷，可以提高故障解決的及時性。本單元I/O信號會在人機界面上方顯示出來，并且還會利用不同的顏色對各種信號進行區分，當出現了故障節點之后，系統會出現持續報警的現象，給后臺以一定的警告。在人機界面上方則會利用畫面的方式展示故障所在位置，能夠為之后工作人員故障的查找提供重要便利。

4.3 安全系統

在自動化生產過程中，安全性能是極其突出的，而安全性也是生產活動最大的特點之一，在本系統中選擇德國所提出的safety bus保護系統，同時在系統中配備合適的安全裝置，可以針對相關區域的安全狀況進行展示和監控，結合具體的安全情況進行報警，或者如果故障問題較大，則可以對設備進行自行停機處理，并利用總線和主系統實施通訊。在安全系統中，聲光報警單元屬于重要的輔助工具類型，能夠對設備開啟、設備關閉、設備故障問題進行更加有效的監控，提高安全監控質量，避免異常情況影響到生產的安全性，讓相關人員可以及時了解到安全隱患問題，及時進行有效處理。

在拆做系統之前會放置升降門，升降門屬于卷簾門，升降門的打開、關閉和不同垛料臺之間的轉化情況互相鎖定，當其中垛料臺內沒有材料的時候，其他垛料臺在進入之前升降門則會開啟，在當垛料臺進入之后升降門則會下降關閉。升降門是利用電動的方式進行管理，操作人員未通過操作臺完成電動升降控制，在將升降門關閉之后會對行程開關進行分別檢測，在打開行程開關之后，則會使用傳感裝置進行檢測。在確保工作單元處于安全的狀態下，光幕單元會允許垛料臺車進去后出來，這也是常說的沖壓線自動生產運行。剁料臺車所處階段不是過渡階段時，如果在光幕面前存在人或者異物，只是光幕單元斷開會讓沖壓線機器人的動力來源被切斷，同時拆垛單元控制回路的電源也會出現斷開的現象。如果說動力沒有被切斷，很有可能這一個工業機器人屬于編程模式。控制系統的緊急停止數據以及安全連鎖數據都會被接入到安全PLC系統之中，利用相關程序完成互鎖控制[3]。

4.4 仿真系統

仿真系統是指在虛擬的環境下對仿真沖壓線進行模擬運行，能夠有效觀察出沖壓線在生產過程中存在的問題，可以防止在生產現場出現干涉或者節拍不合適的問題。利用離線編程能夠模仿機器人運動過程中的軌跡水平以及運動路線，可以避免在現場出現調試時間過長的問題，不利于提高機器人運行的精準度，對于后續工業機器人的使用有著重要的意義和作用。

5 ?結束語

工業機器人擁有多個不同的子系統，可以及時感知在生產過程中所產生的各類數據，并且還能夠和人以及環境進行有效交互，從中取得了較好的效果。工業機器人使用方便，智能化水平較高，通過沖壓加工自動化技術的使用對汽車生產過程中的勞動條件進行了有效改善，避免工人在生產活動中出現勞動強度過大的問題，提升了生產安全性。與此同時，工業機器人還能夠減少能源消耗，避免原材料出現浪費的現象，縮短了輔助加工過程中所需要的時間，同時也減少了產品生產的成本投入。工業機器人在未來沖壓自動化生產線中將會有更加廣泛的應用，并且會被各個汽車生產廠商所接受，成為未來的發展趨勢。

參考文獻：

[1]孫小兵，韓帥，田博.ABB工業機器人在沖壓自動生產線的應用[J].制造業自動化，2020，42（06）：128-132.

[2]李光，侯麗.基于工業機器人的沖壓自動化生產線系統的實現[J].現代制造技術與裝備，2020（05）：185，188.

[3]耿永秀，陳哲，曹祖鳴，等.機器人自動化生產線過程的仿真與實現[J].鍛壓裝備與制造技術，2020，55（04）：41-43.