發(fā)布時間：2022-01-11所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要院當(dāng)前隨著自動化技術(shù)發(fā)展速度的不斷加快，在生產(chǎn)活動中開始廣泛應(yīng)用工業(yè)機(jī)械，其中工業(yè)機(jī)器人屬于較為常用的生產(chǎn)設(shè)備，有效提升生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，改變傳統(tǒng)生產(chǎn)活動中存在的問題。基于此，本文對工業(yè)機(jī)器人以及工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，對兩種沖壓工藝生
摘要院當(dāng)前隨著自動化技術(shù)發(fā)展速度的不斷加快，在生產(chǎn)活動中開始廣泛應(yīng)用工業(yè)機(jī)械，其中工業(yè)機(jī)器人屬于較為常用的生產(chǎn)設(shè)備，有效提升生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，改變傳統(tǒng)生產(chǎn)活動中存在的問題。基于此，本文對工業(yè)機(jī)器人以及工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，對兩種沖壓工藝生產(chǎn)方式進(jìn)行了對比，并提出了工業(yè)機(jī)器人在沖壓自動化生產(chǎn)線中的具體應(yīng)用，以期可以為工業(yè)機(jī)器人的合理應(yīng)用提供有效參考。
關(guān)鍵詞院工業(yè)機(jī)器人;沖壓自動化;生產(chǎn)線;應(yīng)用
0 引言
當(dāng)前汽車市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，我國對于汽車的需求量有所增加，因此汽車生產(chǎn)質(zhì)量以及生產(chǎn)效率成為了人們所關(guān)注的重點(diǎn)問題。在汽車生產(chǎn)時車身鈑金件沖壓線屬于生產(chǎn)活動的關(guān)鍵設(shè)備之一，這一設(shè)備的應(yīng)用效果會直接影響到最終汽車產(chǎn)量以及品質(zhì)。通過對這一設(shè)備進(jìn)行自動化改造能夠明顯增加生產(chǎn)效率，解決當(dāng)前汽車生產(chǎn)過程中持續(xù)擴(kuò)大的產(chǎn)量需求問題，保證生產(chǎn)活動的有序推進(jìn)。當(dāng)前如何對沖壓行業(yè)進(jìn)行改進(jìn)，成為了汽車領(lǐng)域所研究的重點(diǎn)內(nèi)容，必須要積極融入自動化技術(shù)，促進(jìn)行業(yè)向著自動化生產(chǎn)的模式發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人則是在沖應(yīng)自動化生產(chǎn)線中廣泛應(yīng)用的設(shè)備類型之一，能夠改變傳統(tǒng)的工作模式，提升生產(chǎn)安全性和效益。
1 工業(yè)機(jī)器人
工業(yè)機(jī)器人是當(dāng)前在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域所擁有的一種機(jī)器，裝置擁有多關(guān)節(jié)機(jī)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(yè)機(jī)器人在電子領(lǐng)域、物流領(lǐng)域以及化工領(lǐng)域等中有著廣泛的應(yīng)用，和傳統(tǒng)類型的工業(yè)設(shè)備進(jìn)行比較優(yōu)勢較多，可以忽視外界因素給設(shè)備應(yīng)用帶來的影響。當(dāng)前隨著智能化技術(shù)水平的不斷提升，工業(yè)機(jī)器人智能化程度有所提高，能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行有效組裝，避免了工人在組裝過程中經(jīng)歷過多的環(huán)節(jié)。在進(jìn)行生產(chǎn)時可以避免出現(xiàn)安全隱患，減少了人為因素在生產(chǎn)活動中的影響，提升了生產(chǎn)安全性。工業(yè)機(jī)器人還可以做到 24 小時不間斷工作，能夠有效提升生產(chǎn)產(chǎn)量，可以避免人員在長期工作后出現(xiàn)疲勞問題，可以提升生產(chǎn)效益。
2 工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)
工業(yè)機(jī)器人在制作過程中包括不同的關(guān)鍵技術(shù)，通過落實關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，可以保證工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用質(zhì)量，其關(guān)鍵技術(shù)如圖 1 所示。第一，本體設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)。在進(jìn)行設(shè)計時，首先要針對傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，確定機(jī)器人具體結(jié)構(gòu)形式，利用三維建模的形式打造機(jī)器人模型。進(jìn)行設(shè)計時需要重視對減速器的類型進(jìn)行選擇，了解減速器的參數(shù)，并對其參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)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(jī)器人的運(yùn)行精度。完成減速器選擇后需要選擇合適的電機(jī)，針對電機(jī)扭矩、電機(jī)功率以及電機(jī)慣量實施參數(shù)分析。之后利用仿真分析技術(shù)對電機(jī)以及減速器進(jìn)行再次測試，對模型實施分析，得出固有的頻率。最后進(jìn)行可靠性設(shè)計，挑選合適的材料，按照指導(dǎo)文件進(jìn)行合理裝配，在完成裝配后對其進(jìn)行性能測試。第二，電機(jī)伺服關(guān)鍵技術(shù)。這一技術(shù)主要包括兩種，一種是電機(jī)，一種是伺服。在進(jìn)行電機(jī)選擇時，需要重視電機(jī)輕量化、高速、直驅(qū)、中控等性能進(jìn)行分析，伺服需要做到能夠在短時間內(nèi)進(jìn)行響應(yīng)和定位，利用無傳感器的方式達(dá)到彈性碰撞的目的，能夠保證機(jī)器人使用安全性。第三，控制關(guān)鍵技術(shù)。在控制關(guān)鍵技術(shù)方面需要結(jié)合機(jī)器人的使用需求對運(yùn)動路徑進(jìn)行規(guī)劃，構(gòu)建動力學(xué)模型對機(jī)器人實施動力學(xué)補(bǔ)償，主要針對摩擦、慣量以及重力等實施補(bǔ)償。在進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人裝配或者加工的過程中容易出現(xiàn)誤差問題，為了避免誤差出現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)對補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行分析。最后對工藝包進(jìn)行完善，將控制系統(tǒng)和具體的運(yùn)行情況進(jìn)行結(jié)合，保證可以充分發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人的功能和作用。
3 沖壓工藝生產(chǎn)方式對比
以往在沖壓工藝的生產(chǎn)過程中，主要是利用人工的方式進(jìn)行生產(chǎn)，現(xiàn)階段為了能夠提高生產(chǎn)效率，開始應(yīng)用自動化的生產(chǎn)模式，能夠有效減輕勞動人員的工作壓力，避免出現(xiàn)勞動強(qiáng)度過大的問題，同時還可以保證生產(chǎn)質(zhì)量，防止在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)質(zhì)量波動的現(xiàn)象。與此同時還可以有效提高生產(chǎn)的自動化水平和安全性能，基于自動化生產(chǎn)模式的各種優(yōu)勢，當(dāng)前在沖壓工藝生產(chǎn)過程中，開始廣泛應(yīng)用自動化技術(shù)[1]。通過對現(xiàn)有的沖壓自動化生產(chǎn)線進(jìn)行分析，可以將其分為三種不同類型的生產(chǎn)線，分別為機(jī)械手自動化、機(jī)器人自動化以及多工位壓力機(jī)生產(chǎn)線。在自動化生產(chǎn)過程中，機(jī)械手以及機(jī)器人兩種生產(chǎn)線的生產(chǎn)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(jī)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(chǎn)節(jié)拍屬于生產(chǎn)活動中的綜合指標(biāo)類型，不單單取決于單一的機(jī)械設(shè)備，同時也取決于其他設(shè)備之間的協(xié)調(diào)性，主要包括自動化設(shè)備、壓力機(jī)以及模具三種。當(dāng)三者形成協(xié)調(diào)匹配的模式，每分鐘的生產(chǎn)量在十件以上，則需要提高壓力機(jī)以及模具的質(zhì)量，這在一定程度上會增加資金投入。因此通過對其特點(diǎn)進(jìn)行分析，通過在沖壓工藝生產(chǎn)線中使用工業(yè)機(jī)器人能夠提升生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性以及適用性，機(jī)械手自動化生產(chǎn)線可以使用在間隔距離較大的壓力機(jī)生產(chǎn)過程中，并且還可以針對目前已經(jīng)產(chǎn)生的生產(chǎn)線實施改造，處理融入自動化技術(shù)。為了可以優(yōu)化工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用效果，可以對端拾器進(jìn)行更換，能夠滿足不同車型的生產(chǎn)活動需求，柔性水平有所提升。
4 工業(yè)機(jī)器人在沖壓自動化生產(chǎn)線中的應(yīng)用
工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)線中的運(yùn)行方式主要是先由機(jī)器人進(jìn)行拆垛，之后對板料進(jìn)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(jī)器人進(jìn)行送料，首臺壓機(jī)沖壓，在完成沖壓后，由下料機(jī)器人進(jìn)行取料和送料，此時由壓機(jī)進(jìn)行沖壓，根據(jù)具體的工序情況進(jìn)行沖壓循環(huán)，在循環(huán)完畢后用下料機(jī)器人取料和送料。最后由末端壓機(jī)進(jìn)行沖壓處理，末端沖壓之后由生產(chǎn)線尾端的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行取料和放料，利用皮帶機(jī)進(jìn)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(chǎn)線作業(yè)的循環(huán)模式。本文選擇某類汽車等生產(chǎn)活動為例進(jìn)行分析，探討工業(yè)機(jī)器人在沖壓自動化生產(chǎn)線中的布局以及電器控制情況。
4.1 系統(tǒng)組成
在生產(chǎn)系統(tǒng)中主要包括拆垛系統(tǒng)、涂油設(shè)備、中臺、壓力機(jī)兼上料下料系統(tǒng)以及線路尾端的輸送系統(tǒng)，通過一系列系統(tǒng)能夠完成自動化生產(chǎn)活動。
在拆垛系統(tǒng)中，可以選擇具有循環(huán)優(yōu)勢的雙垛料臺，將導(dǎo)軌以平行的方式布置在壓力機(jī)的上方，使用行車的方式或者叉車對沖壓板料進(jìn)行運(yùn)輸，將其放在非工作作料的作業(yè)平臺上。按照所產(chǎn)生的信號觀察是否做到上料完畢，如果上料結(jié)束后將會自動進(jìn)行剁料臺的轉(zhuǎn)換，能夠提高生產(chǎn)的連續(xù)性。在多料車的上方放置磁力分張器，可以利用磁力進(jìn)行自動化拆垛，使其可以成為單張的狀態(tài)。在拆垛系統(tǒng)中工業(yè)機(jī)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(yè)機(jī)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(jìn)行調(diào)節(jié)，將板料送入到涂油機(jī)內(nèi)，在編程系統(tǒng)中利用參數(shù)設(shè)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(jìn)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(jī)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(shè)置過程中可以結(jié)合具體的工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)情況選擇不同的對中系統(tǒng)，例如重力對中系統(tǒng)、視覺對中系統(tǒng)，能夠提升板料位置確定的準(zhǔn)確性，提升板料放置的牢固性。上料工業(yè)機(jī)器人結(jié)合零件具體的最終位置，調(diào)整自身運(yùn)行的軌跡，可以讓板料處于正確的位置內(nèi)，運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)的壓力機(jī)內(nèi)部。針對不同類型的沖壓制件實施機(jī)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(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)的需求。在生產(chǎn)線的尾端進(jìn)行輸送時選擇皮帶機(jī)，并在末端區(qū)域設(shè)計皮帶機(jī)，可以讓工業(yè)機(jī)器人直接把零件放在皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)中，可以做到及時出件。
通過在這一系統(tǒng)中使用信息化軟件，可以讓工業(yè)機(jī)器人對沖壓機(jī)的運(yùn)動情況進(jìn)行跟蹤，讓壓機(jī)以及機(jī)器人可以做到同步，保證上料下料以及壓機(jī)運(yùn)動過程中呈現(xiàn)為最大化的重合，提升切換的平穩(wěn)程度，能夠以更加穩(wěn)定的方式調(diào)整速度，避免生產(chǎn)節(jié)拍時間過長，還可以減少機(jī)械所承擔(dān)的負(fù)荷水平。在生產(chǎn)系統(tǒng)中放置外部軸可以將其當(dāng)作工業(yè)機(jī)器人第 7 軸，可以利用其完成伺服控制工作，提升壓力機(jī)間隔距離布置時的自由化水平。與此同時，工業(yè)機(jī)器人可以在更大的范圍內(nèi)進(jìn)行傳送，搬運(yùn)的速度也會有所增加，能夠有效加快生產(chǎn)節(jié)拍。
4.2 控制系統(tǒng)
4.2.1 總體控制計劃 本系統(tǒng)包括多個不同的系統(tǒng)類型，每個分支系統(tǒng)之間的電氣控制均需要進(jìn)行集中化的監(jiān)控，同時進(jìn)行分散化的控制。在具體的控制系統(tǒng)中需要選擇設(shè)備層以及控制層這一控制體系，在不同層次中對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化軟件以及硬件的配置情況，以此來實現(xiàn)不同層次的功能。
4.2.2 控制層 在不同系統(tǒng)進(jìn)行控制時選擇 PLC 控制模式，屬于現(xiàn)場總線的模式，能夠做到單獨(dú)進(jìn)行控制，同時還可以利用連線的模式進(jìn)行自動化控制。為了可以提升控制系統(tǒng)的應(yīng)用穩(wěn)定性，可以選擇西門子 PLC，在不同控制系統(tǒng)中的 PLC 以及其和上位機(jī)進(jìn)行信息的傳遞時需要選擇工業(yè)以太網(wǎng)，可以為之后監(jiān)控系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行使用。同時，還需要針對壓力機(jī)控制系統(tǒng)配備系統(tǒng)接口，保證能夠?qū)C(jī)器人進(jìn)行有效控制，和機(jī)器人之間進(jìn)行信息交換以及信息對接[2]。
4.2.3 設(shè)備層 通過對控制系統(tǒng)進(jìn)行整體分析，設(shè)備層處于底層位置是控制系統(tǒng)最為重要的環(huán)節(jié)之一，包括現(xiàn)場操作站、設(shè)備檢測、其他輸入設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中設(shè)備檢測主要針對各類開關(guān)裝置進(jìn)行檢測，執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括電動機(jī)以及電磁閥等。各個不同的設(shè)備可以利用現(xiàn)場總線和控制層內(nèi)的 PLC 進(jìn)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(xiàn)場的設(shè)備。傳感器的接線盒以及閥的接線盒會使用現(xiàn)場總線、控制單元實施通訊。
4.2.4 人機(jī)界面 HMI 在該系統(tǒng)之中，人機(jī)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(jìn)行控制單元之間的通訊。在每個單元的觸摸屏上方均設(shè)置了指示燈以及可以進(jìn)行相關(guān)操作的按鈕，能夠及時針對錯誤問題進(jìn)行報警，或者針對故障信息進(jìn)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(jī)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(jìn)行區(qū)分，當(dāng)出現(xiàn)了故障節(jié)點(diǎn)之后，系統(tǒng)會出現(xiàn)持續(xù)報警的現(xiàn)象，給后臺以一定的警告。在人機(jī)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(tǒng)
在自動化生產(chǎn)過程中，安全性能是極其突出的，而安全性也是生產(chǎn)活動最大的特點(diǎn)之一，在本系統(tǒng)中選擇德國所提出的 safety bus 保護(hù)系統(tǒng)，同時在系統(tǒng)中配備合適的安全裝置，可以針對相關(guān)區(qū)域的安全狀況進(jìn)行展示和監(jiān)控，結(jié)合具體的安全情況進(jìn)行報警，或者如果故障問題較大，則可以對設(shè)備進(jìn)行自行停機(jī)處理，并利用總線和主系統(tǒng)實施通訊。在安全系統(tǒng)中，聲光報警單元屬于重要的輔助工具類型，能夠?qū)υO(shè)備開啟、設(shè)備關(guān)閉、設(shè)備故障問題進(jìn)行更加有效的監(jiān)控，提高安全監(jiān)控質(zhì)量，避免異常情況影響到生產(chǎn)的安全性，讓相關(guān)人員可以及時了解到安全隱患問題，及時進(jìn)行有效處理。
在拆做系統(tǒng)之前會放置升降門，升降門屬于卷簾門，升降門的打開、關(guān)閉和不同垛料臺之間的轉(zhuǎn)化情況互相鎖定，當(dāng)其中垛料臺內(nèi)沒有材料的時候，其他垛料臺在進(jìn)入之前升降門則會開啟，在當(dāng)垛料臺進(jìn)入之后升降門則會下降關(guān)閉。升降門是利用電動的方式進(jìn)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(guān)閉之后會對行程開關(guān)進(jìn)行分別檢測，在打開行程開關(guān)之后，則會使用傳感裝置進(jìn)行檢測。在確保工作單元處于安全的狀態(tài)下，光幕單元會允許垛料臺車進(jìn)去后出來，這也是常說的沖壓線自動生產(chǎn)運(yùn)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(jī)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(xiàn)斷開的現(xiàn)象。如果說動力沒有被切斷，很有可能這一個工業(yè)機(jī)器人屬于編程模式。控制系統(tǒng)的緊急停止數(shù)據(jù)以及安全連鎖數(shù)據(jù)都會被接入到安全 PLC 系統(tǒng)之中，利用相關(guān)程序完成互鎖控制[3]。
4.4 仿真系統(tǒng)
仿真系統(tǒng)是指在虛擬的環(huán)境下對仿真沖壓線進(jìn)行模擬運(yùn)行，能夠有效觀察出沖壓線在生產(chǎn)過程中存在的問題，可以防止在生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)干涉或者節(jié)拍不合適的問題。利用離線編程能夠模仿機(jī)器人運(yùn)動過程中的軌跡水平以及運(yùn)動路線，可以避免在現(xiàn)場出現(xiàn)調(diào)試時間過長的問題，不利于提高機(jī)器人運(yùn)行的精準(zhǔn)度，對于后續(xù)工業(yè)機(jī)器人的使用有著重要的意義和作用。
5 結(jié)束語
工業(yè)機(jī)器人擁有多個不同的子系統(tǒng)，可以及時感知在生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，并且還能夠和人以及環(huán)境進(jìn)行有效交互，從中取得了較好的效果。工業(yè)機(jī)器人使用方便，智能化水平較高，通過沖壓加工自動化技術(shù)的使用對汽車生產(chǎn)過程中的勞動條件進(jìn)行了有效改善，避免工人在生產(chǎn)活動中出現(xiàn)勞動強(qiáng)度過大的問題，提升了生產(chǎn)安全性。與此同時，工業(yè)機(jī)器人還能夠減少能源消耗，避免原材料出現(xiàn)浪費(fèi)的現(xiàn)象，縮短了輔助加工過程中所需要的時間，同時也減少了產(chǎn)品生產(chǎn)的成本投入。工業(yè)機(jī)器人在未來沖壓自動化生產(chǎn)線中將會有更加廣泛的應(yīng)用，并且會被各個汽車生產(chǎn)廠商所接受，成為未來的發(fā)展趨勢。——論文作者：葉江林 YE Jiang-lin
參考文獻(xiàn)院
[1]孫小兵，韓帥，田博.ABB 工業(yè)機(jī)器人在沖壓自動生產(chǎn)線的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動化，2020，42(06)：128-132.
[2]李光，侯麗.基于工業(yè)機(jī)器人的沖壓自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2020(05)：185，188.
[3]耿永秀，陳哲，曹祖鳴，等.機(jī)器人自動化生產(chǎn)線過程的仿真與實現(xiàn)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2020，55(04)：41-43.
