工业机器人冲压自动化联线的技术集成与应用

0 前言

在全球竞争的新形势下，为了改变制造业“大而不强”的现状，我国提出了工业转型升级的发展战略。制造业智能化已经被国家列为未来行业发展的关键战略。推广应用工业机器人成为了提高企业产品质量、生产效率，降低生产成本，解决人力供求矛盾，提高核心竞争力的必由之路。以汽车产业为例，在焊接、涂装、装配、上下料、搬运等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。

汽车车身钣金件冲压领域，冲压自动化系统集成及应用是冲压生产线体现其生产能力的关键因素。与传统手工冲压相比，自动化冲压具有安全、高效、节材等优点，是板材加工技术的发展方向[1]。六轴或七轴工业机器人将逐步成为当前汽车车身钣金件冲压自动化生产中绝对重要的组成部份，它的大规模生产应用，对于加速实现汽车零部件产业的自动化生产有非常明显的推动作用。

1 总体思路

结合产品特点及柔性要求，采用“普通压力机+机器人传输”形式[2]。利用六台六轴或七轴工业机器人、智能视觉对中系统、自动模具更换系统、自动清洗涂油、自动更换端拾器系统等技术实现的自动化冲压生产线项目建设。对冲压线的总体设计、冲压机器人协调作业、板料自动清洗涂油、冲压机器人端拾器自动更换、冲压模具自动更换等技术进行集成与应用，最终开发出了适合汽车零部件行业推广的六轴或七轴工业机器人冲压自动化联线技术集成及应用系统。

2 主要特点

（1）采用冲压专用的六轴或七轴工业机器人，结合压力机的间距及产品柔性需求，实现了串联式冲压生产线自动生产方式，自动运行率从0提高到90%.

根据压力机设备间距数值及产品柔性要求，结合机械手与机器人的优缺点，采用了ABB IRB6660-3.2/120冲压专用的六轴或七轴工业机器人实现冲压生产线的单机自动化联线。并通过自动更换机器人的端拾器来吸取各种不同的冲压件实现在制件传输的“拾取”和“摆放”。端拾器可通过快速更换系统在3 min内完成自动更换，实现柔性。

通过对六轴或七轴工业机器人自动板料拆垛、清洗涂油、光学对中系统、自动上件、自动传送、自动下线、自动更换端拾器、自动换模、废料自动收集等的集成，通过中央控制系统的统一协调等技术手段及措施，实现冲压自动线较强的可靠性、稳定性，使自动运行率达到90%。

工业机器人在冲压自动化生产线的应用主要遵循：堆垛拆垛→板料传送→清洗涂油→板料对中→上料机器人送料→首台压力机冲压→下料机器人取、送料→压机冲压→根据工序数量循环→下料机器人取、送料→末端压机冲压→线尾机器人取、放料→皮带机输送→人工码垛的循环方式。

其中，板料光学对中系统可以实现板料在经过清洗、涂油后，通过视觉识别系统，对板料的位置、角度进行识别，按指定的板料抓取位置进行抓取，放置到压力机生产线上的第一台压力机的模具上。该项目所集成和应用的板料光学对中系统，能够可靠地将板料对中后放置到压力机的冲压模具上，提升板料抓取、输送和放置的可靠性、维修维护的方便性。

（2）采用了智能视觉对中系统（见图1），实现了对冲压板料位置误差的智能化识别及机器人自动更新抓取程序轨迹，解决了板料从料垛到首台压力机上料间板料传输的位置偏差，将生产线的生产节拍由手工的5 spm提高到10 spm。

图1 视觉对中系统

主要影响生产线布局及输出节拍的因素在于拆垛、对中以及压机间搬运等环节[3]，本研究通过采用ABB公司的冲压专用机器人IRB6660与Rockwell PLC控制系统结合，通过COGNEX康耐视IS5403-11工业相机实施拍摄板料的图像，运用算法，对图像进行处理，获取板料工件位置数据，再通过与标准图像进行位置比对，把位置变化量传输给机器人，机器人自动通过调整抓件姿态，实现自动抓取工件。实现冲压自动线的可靠性、稳定性，使自动运行率达到90%。

自动化冲压线视觉对中系统的组成自动化冲压线的起始工位为冲压板料拆垛区域，拆垛区的拆垛速度决定了整条冲压线生产节拍的快慢。该区域内集中了众多的工艺设备，线首单元具体包括拆垛、输送、清洗、涂油、对中、上料模块，传送单元包括传送模块，线尾单元包括下料、检验、装框模块。工艺设备布局分布如图2所示。

图2 工艺设备分布图

通过板料自动拆垛系统、自动输送系统、自动清洗涂油系统等技术措施，实现冲压自动线较高的生产节拍，实现生产节拍7～10次/min。

其中，板料自动拆垛系统，实现在人工将冲压板料以垛料形式放置到垛料台车上之后的板料自动磁性分张（防多张技术应用）、ABB工业机器人抓取板料拆垛、自动放料到皮带输送机上（进入到清洗机及涂油机），解决了人机交互的安全问题，并降低人力成本。

自动清洗机、涂油机系统包括清洗和涂油，清洗机适合汽车外观件的生产，板料经过清洗、去除表面的杂质颗粒，避免冲压过程中损伤板料表面。涂油机可根据板料的形状，进行编程，需要涂油的部位进行涂油，不需要涂油的部分不涂油，最大限度地节省防锈拉伸油。通过对清洗机及涂油机的集成与应用，达到考虑冲压件表面质量的同时兼顾经济型。

对于质量要求比较高的汽车外板件，需要使用清洗机。对于质量要求不高的汽车内板件，则可以不使用清洗机，对其安装位置进行预留。

（3）采用碳纤维材料做端拾器主杆，降低端拾器重量10 kg，从而降低机器人负载，提高机器人运行的可靠性。

板料在压力机之间传输，因机器人的速度快、板料重，导致惯性大，机器人负载重，影响其可靠性，采用碳纤维材料，重量减轻，提高可靠性。

碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。见图3。

图3 端拾器碳纤维主杆

（4）采用了自动模具夹紧器，实现快速自动换摸。将换摸时间从手工生产线的30～50 min，缩短到10 min内完成，大幅提升自动线柔性及生产效率。

该项目所集成和应用的自动换模系统，实现模具的自动松模、自动移出、自动夹模，将换摸时间从手工生产线的30～50 min，缩短到10 min内完成，大大提升自动线柔性及生产效率，如图5、图6和图7所示。

图5 冲压自动线方案整体模型图1

图6 冲压自动线方案整体模型图2

图7 冲压自动线方案局部模型图

冲压自动线柔性好，端拾器可在10 min内快速、灵活更换，自动换摸系统也可以实现模具在10 min内自动、快速更换。

其中，在端拾器快速更换系统方面，端拾器是具有柔性的工装夹具，是冲压自动化线必不可少的组成部分。在冲压生产中，机器人通过更换端拾器来吸取各种不同的冲压件，利用端拾器实现在制件传输的“拾取”和“摆放”。随着汽车生产线的柔性要求的提高，六轴或七轴工业机器人的端拾器要经常进行切换，以适应不同的板料及产品。该项目所集成与应用的端拾器快速更换系统，将实现端拾器的自动更换，并在3 min内完成，大大提升自动线柔性及生产效率。为适应更多的产品共线生产，也需要实现端拾器的自主集成和掌握编程技术，提高冲压自动化生产线的多品种的适应性。

在自动换摸系统方面，自动换摸系统可以实现模具的自动更换，具备自动松模、自动移出、新模具自动夹模等功能。该项目所集成与应用和应用的自动换模系统，将使换摸时间从手工生产线的30～50 min，缩短到10 min内完成，大大提升自动线柔性及生产效率。

该项技术集成与应用，相比传统手工生产线，产生的生产优势如表1所示。

表1 自动线与手工线对比

3 结束语

机器人自动化冲压线技术，将提高企业产品质量、生产效率，提高企业核心竞争力。与传统手工生产线相比，六轴或七轴工业机器人自动化冲压线的应用，将生产线节拍提升至7～10次/min，从而使公司在冲压产品方面的生产效率大幅提升。通过机器生产代替手工操作，提高产品的制造精度，从而提升冲压产品的质量，且六轴或七轴工业机器人冲压自动线作为一种灵活、可靠、通用的加工单元完全可以长时间保持工作的稳定性和安全性，通过更换端拾器和机器人程序简单的调整就可以应用在不同的冲压产品生产上。由于生产效率、产能和产品质量的提升，为公司的核心竞争力提升提供了有力支持，核心竞争力的提升在市场竞争激烈的汽车零部件行业中尤为重要。