電動汽車底盤件沖壓自動化的設計與應用

詹俊勇

揚力集團股份有限公司 江蘇揚州 225127

關鍵字:電動汽車；底盤件；沖壓自動化；機器人

汽車底盤沖壓件是指用于汽車底盤系統的各種金屬零件，包括發動機支架、變速器支架、懸掛支架等，這些沖壓件的質量和性能對汽車的行駛穩定性和安全性起著重要的作用。電動汽車底盤沖壓件通常由鋼板經過剪切、沖孔、彎曲及成形等多種工藝加工而成。在電動汽車底盤沖壓件的設計和制造過程中，需要考慮多個因素，如材料的選用、尺寸的確定、形狀的精度要求等。

典型電動汽車的底盤有11個沖壓件，具體見表1。

表1 典型電動汽車的底盤零件

傳統汽車行業用于汽車底盤件生產工藝主要是單機多工位生產線模式，但是表1中汽車底盤件產品尺寸小，雖然適合單機多工位模式生產，但是其材料厚度較厚，拉伸深度較深，而且材料的屈服強度較高，這樣會導致多工位生產模式下較嚴重的壓力機偏載，從而影響制件精度與機床壽命，所以這種生產模式不太適合電動汽車底盤件的批量化生產。

產品分析

針對該典型的電動汽車底盤件的特點，充分考慮到項目實施的可行性與多品種適應性，本文提出一種由閉式單點壓力機與六軸工業機器人組成的生產線的形式來完成該底盤件零件的產線的設計。分析典型電動汽車底盤沖壓件的工藝可以得知，所有零件都是在5序工序內完成沖壓生產，產品尺寸較小，最大的模具長度都在2000mm以內。針對該典型的電動汽車底盤件，提出一種由閉式單點壓力機與六軸機器人組成生產線的形式，來完成該典型電動汽車底盤沖壓零件的產線的設計。

產線設計

該典型電動汽車底盤件的自動化生產線設計為多機獨立式機械手自動化方案。

（1）機床 針對典型的電動汽車底盤件的結構特點，選用閉式單點壓力機，可以有效保證沖壓精度，同時具備可觀的經濟性。針對零件的5序沖壓工序：第一序拉伸，選用1000t的閉式單點壓力機；第二序為整形選用800t閉式單點壓力機；第三、第四、第五序為翻邊沖孔切邊等，壓力機選用3臺630t閉式單點壓力機。

（2）沖壓自動化生產線的組成 典型電動汽車底盤件生產線包括：2臺拆垛臺車、1套視覺對中上料單元、5臺閉式單點壓力機、7臺六軸工業機器人、1套成品出料單元及1套控制系統等。

生產線工作過程及生產效率

1.工作過程

拆垛臺車開進（拆垛臺車自動更換）→磁力分張→拆垛機器人R0取料→雙料檢測→視覺對中→上料機器人R1送料→1#壓機沖壓→壓機間機器人R2取料，旋轉180°送料→2#壓機沖壓→壓機間機器人R3取料，旋轉180°送料→3#壓機沖壓→壓機間機器人R4取料，旋轉180°送料→4#壓機沖壓→壓機間機器人R5取料，旋轉180°送料→5#壓機沖壓→壓機間機器人R6下料→線尾皮帶機傳送→人工裝箱。

2.生產節拍

1）生產線工作及生產效率為9次/min。

2）產線設計年產量為200萬件。

3）生產線最大長度約為55.2m，如圖1所示。

圖1 底盤件臂沖壓生產線布局

自動化生產線各功能模塊解析

1.線首拆垛系統

板料堆放在料架上由叉車或者吊車放到拆垛臺車（見圖2）上，通過拆垛臺車，板料被運到拆垛區域。在準備好各工序模具的情況下，由行車或叉車將帶料架的垛料放到拆垛臺車上，兩個拆垛臺車循環拆垛，滿足單雙件生產。

圖2 拆垛臺車示意

拆垛臺車由交流變頻電動機驅動在路軌上移動，臺車的位置由行程開關檢測，能實現在軌道上的定位。臺車上有多組磁力分張器以防止雙料的產生，分離垛料最上層板料，每個磁性分張器能上下、左右、前后6個方向可調節，并適用于在該線生產的所有不同尺寸、不同型面零件的板料。拆垛臺車上都配備末張板料檢測裝置，當檢測到料架上最后一張板料時，有聲光警示裝置提醒操作者給固定臺上料。拆垛臺車開出升降門附近有單獨的移動指示燈和蜂鳴器，在臺車開進開出有聲光報警。

2.視覺對中系統

視覺對中裝置主要有三個部分組成：上料皮帶機、視覺對中皮帶機和視覺對中系統。

上料皮帶機采用八組磁性皮帶，由一臺變頻減速電動機統一驅動，如圖3所示。在皮帶后部安裝有檢測開關，當板料傳輸到在皮帶機前段時，檢測開關就會立即檢測到板料并同時發送減速停止信號控制系統。當機器人抓走板料后，上料皮帶機就可以再次起動傳送板料了。

圖3 上料皮帶機示意

從上料皮帶機輸送過來的板料，會經過設有一套對射式I/O型雙料檢測系統，以確保沒有雙料進入對中皮帶，對中皮帶同樣采用八組磁性皮帶，由一臺變頻減速電動機統一驅動，如圖4所示。視覺對中皮帶上配減速到位傳感器，當板料輸送到位后，自動停止運行，保證板料停止在視覺系統的拍照范圍內，其上方為視覺系統（見圖5），包含支架、輔助LED光源、遮光板、視覺相機及其控制器等。采用專用于沖壓系統拾取場合設計的應用軟件，可視化的用戶界面使新零件的編程更加快速、直觀。

圖4 視覺對中皮帶機示意

圖5 視覺對中系統

當攝像機在接到控制系統命令后對板料進行識別，分別進行“X軸、Y軸、旋轉角度”三個方向位置分析，然后將板料位置和姿態數據傳送給上料機器人。上料機器人在接到視覺系統發出的信號后，根據每個零件的位置，自動改變運行的軌跡，將板料從視覺對中臺上取出并準確的送入首臺壓機模具內。

3.上料、傳輸、下料機器人系統

上料、 傳輸、 下料機器人采用A B B IRB6700/150/3.2。IRB 6700與其替代的之前版本相比，更為穩健且維修簡化，是150～300kg負載等級中性能最好且總體擁有成本（TOC）最低的機器人，在汽車零部件自動化沖壓上有非常廣泛的應用。

上料機器人的作用：將視覺對中皮帶機上的板料抓起，輸送到下一工序。

傳輸機器人的作用：用于壓機間板料的傳輸，從前一臺壓機傳輸到下一臺壓機。

下料機器人的作用：用于將最后一臺壓機上的工件放到線尾皮帶機上。

機器人系統主要包括機器人底座、真空系統、端拾器等三個組成部分。

（1）機器人底座 固定底座有助于確保機器人的穩定性，使其能夠準確、精確地執行任務。此外，如果工業機器人不穩定，那么在執行任務時它可能會移動或傾斜，從而可能導致機器人損壞或任務失敗。因此，固定底座是確保工業機器人能夠穩定運行并正常工作的關鍵步驟。如圖6所示，機器人底座本體是由鋼板卷圓之后加上下底板焊接而成，底板與生產線鋼梁焊接在一起，保證穩固以經受得住機器人手臂出來的反作用力，上板與機器人基座用高強度螺栓聯接，機器人底座上還安裝有氣管與氣源處理裝置，以便于機器人接氣。

圖6 機器人底座

（2）機器人真空系統 通過真空發生器持續產生真空，通過產生的負壓值檢測板料的有無。當有料檢查板料負壓值大于50時，機器人處于拾料狀態，當負壓值小于50時，機器人處于無料狀態。經過設定的延遲時間機器人判斷已經抓好板料后機器人開始動作，將板料放入下一工序的壓機。如圖7所示，真空發生器固定安裝在機器人頂部的安裝支架上邊，其進氣與出氣管路都有管線包的保護，機器人管線包是一種專為機器人設計的線纜保護套，可以有效地保護機器人的線纜，避免線纜在工作中被損壞或斷裂，從而保障機器人的正常運行。

圖7 機器人真空系統

（3）端拾器 端拾器是根據不同工序，不同板料類型，配合機器人完成拆垛、上料、傳送及下料等。拆垛上料機器人配備1套拆垛上料通用端拾器（見圖8），能適應所有的板料。通過總線式閥島控制每個吸盤真空的通斷，以適應不同的板料，吸盤的通斷作為零件的參數與模具號相配合，可以方便地調用。端拾器上配置1套接觸式雙料檢測探頭，以滿足雙料抓取的工況。合理布置真空吸盤組件的分布，使得端拾器穩定抓牢料片。

圖8 拆垛端拾器

如圖9所示，上下料端拾器采用高強度鋁合金主桿+高強度鋁合金輔桿的結構形式。在鋁合金主桿的執行端配有快插鎖緊裝置，快插鎖緊裝置母端通過支架固定安裝在主桿上邊，公端則與輔桿連接成一體，通過插拔的方式可以迅速完成端拾器的換型。合理布置真空吸盤組件的分布，并根據制件成型調整好吸盤的角度，使得端拾器穩定抓牢料片。

圖9 上下料端拾器

4.線尾出料系統

線尾出料系統主要包括出料皮帶機與線尾照明裝置（見圖10）。

圖10 線尾出料系統

（1）線尾皮帶機 所有被沖壓完成的工件，由機器人從壓機取出放置在出料皮帶機上，皮帶機將零件輸送至安全圍欄外。零件由皮帶機傳送，檢驗完成后由操作者將零件搬運到轉運架上。輸送帶為聚氨脂材質，表面覆有耐切割層并具備耐油特性，輸送帶由交流變頻電動機驅動，皮帶機設有張緊機構及安全起重裝置。

（2）線尾照明裝置 主要由照明支架與LED燈組件組成。線尾照明支架采用斜拉式鋼絲繩懸吊結構，安裝在線尾皮帶機及檢驗臺上側，用于拾取、檢驗零件照明。

5.控制系統

自動化沖壓線的連線控制及安全P L C采用的是西門子C P U-1515F，整線主控觸控屏采用西門子TP1500Comfort系列作為人機交互界面。自動化主控PLC與P1～P5壓力機PLC之間的普通信號交互采用Profinet的通信方式進行數據交換，而所有的安全信號則采用Profisafe故障安全通信進行安全信號的交互和冗余。自動化主控PLC與機器人控制系統之間采用Profinet總線進行數據交換，安全連鎖信號通過硬接線連接，同時機器人控制系統配置標準的以太網接口供編程用。

自動化連線PLC與觸摸屏、工控機、各種智能傳感器和閥均通過Profinet總線通信，包括現場操作站（遠程IO分站）、現場設備檢測單元（接近開關、光電開關、羅蘭檢測器等）、現場其他輸入設備、現場執行機構（如變頻器、電磁閥等）及編碼器等。

結語

分析了典型電動汽車汽車底盤件零件的材料與工藝特點，發現傳統適用于小型汽車零部件的單機多工位生產模式不適合此類零件的生產。提出了一種新型生產模式用于底盤件零件的生產，并針對典型零件進行設計，包括上料、搬運、沖壓及控制等方面，目前該生產線已經完成交付使用，產線與性能與各技術指標均達到了技術要求。