机器人柔性冲切线技术研讨

2017-01-20王宝海

中国设备工程 2017年5期

关键词：废料工装底座

王宝海

（天津信泰汽车零部件有限公司，天津 300450）

机器人柔性冲切线技术研讨

王宝海

（天津信泰汽车零部件有限公司，天津 300450）

伴随着工业4.0时代的来临及工厂自动化日益需求的不断增大，结合工厂生产现状，经对现有人工冲切饰条（汽车类）现状的评估与分析，探讨了机器人替代人工作业的优势，并且详细阐述了机器人柔性冲切线的技术要点。提出了以机器人为主体的柔性化生产模式。对其中所涉及的上件、夹取、快速换模、废料清除等模块的结构与功能进行了较深层面的探讨，并且在实际生产过程中得到了充分验证。在人工制造成本不断上涨的背景下，运用机器人自动化系统替代人工作业，可大大提升产品生产标时、提升良品率，较大幅度降低企业的制造成本。本文所阐述的机器人冲切系统为人工冲切生产线改造升级提供了参考。

机器人冲切；柔性生产线；快速换模；自动化

1 机器人生产线的特点

机器人与人工两种作业模式有着本质的区别，尤其是在大批量生产模式下，越发体现出机器人作业的优势。主要有以下几个方面：（1）产能标时平均提升20%～30%。（2）产品加工品质稳定。（3）设备、模具故障率降低。（4）提升企业竞争力。

2 机器人生产线主要部件

机器人自动冲切线包含相关的工装与设备，其运行稳定、功能完善是整个系统正常工作的保证。主要部件组成有：（1）上件工装。自动、连续输送待冲切半成品。（2）中转工装。各工位之间传递产品中转台。（3）夹取工装。夹紧、定位产品，进行冲切。（4）底座。设备、工装安装、稳固。（5）废料清除工装。冲切废料排出机构。（6）冲压设备。产品冲切压机。

2.1 上件工装

上件工装用于输送待冲切的产品，人工放置产品在上件工装上，自动、连续输送产品，且将产品进行精确定位，满足机器人夹取产品要求。上件工装主要结构及要求如下。

（1）链条。链条类型主要为输送类链条，单侧或双侧附带连接板，治具块。常用的链条的节距9.525mm、12.07mm、19.05mm。在链条选型时，需重点关注以下几点：①链条单侧或双侧连接板整体平面度。②链条连接板整体应平齐。（2）治具块。治具块需根据产品断面及放置姿态进行设计，其断面形状直接决定产品放置精度。设计时需满足以下几点要求：①便于放置产品。②产品定位精度高且稳定。③断面设计简单、容易加工。④相邻治具块进行颜色区分，便于目视辨别。上件工装中包含的治具块数量较多，需先制作首件，进行断面轮廓验证，确认无误后，方可批量投入生产，降低批量加工风险。（3）顶紧工装。人工放置产品具有不一致性，无法满足机器人夹取精度要求。因此，需要对产品进行二次精准定位。此工装根据需求主要分为两类：①气动型顶紧工装：此方式需对气缸顶紧力进行限制，防止顶紧力过大，导致产品变形，造成品质异常，成本较低。②伺服型顶紧工装：此方式精度高，且可对顶紧行程进行设定，易于控制，成本较高。（4）顶升模块。为满足输送部分“产品多，尺寸小”的要求，需将产品间距降低至最小。在此状态下，无法满足夹取工装夹取产品空间尺寸要求。为解决此问题，需要将待夹取的产品顶升至一定的高度，满足夹取工装自身的空间尺寸。顶升方案常用类型如下：①气动型顶升方式。②伺服型顶升方式。以上两种方式的特点可参考顶紧工装。（5）产品检测。产品检测信号用于工装停止即产品位置定位。当系统收到此信号，工装立即停止，此位置即为机器人夹取产品位置。因此，此位置必须精确，满足夹取要求。检测方式分为直接检测与间接检测两种方式。①直接检测：传感器直接检测产品，输出信号。②间接检测：检测其余部位，输出信号，如治具块等。以上两种方式均可满足产品定位要求。在实际运行过程中会出现产品位置超过定位传感器造成产品定位不准确现象。造成此问题的原因，主要是由于工装传输速度过快，当传感器检测到产品的瞬间，工装无法立即停止，冲过检测位置。解决此问题常用方法：一是降低工装输送速度，直至满足定位精准度要求。二是电机采用带抱闸形式，保证定位准确度；三是在此检测点之前，增加慢速检测点，配置相应传感器，自动进行快、慢速调整。（6）上料检测。当工装上的产品数量少于设定值时，系统发出报警进行提示，以便补充产品，避免待料停机。

2.2 中转台

中转台作为冲切过程中放置产品的平台，起到各个工序衔接的作用，对其定位精确度及产品放置姿态的稳定性都有较高的要求。中转台包括产品定位型块、顶紧机构、检测机构三个部分，三者缺一不可。（1）产品定位型块。产品与之直接接触，起到支撑产品与控制产品姿态的作用。因此，断面形状设计尤为重要，遵循两个原则：①简单设计原则。识别产品断面图重要定位点（线型区间），设计最简单的断面。②便于加工原则；所设计的断面可以采用最简单的加工方式进行加工，如线切割一次切割完成、数控铣床一次加工完成等；通常，同一生产线会生产多种不同的产品，其解决共用性的办法，主要有以下几种：一是设计1种共用的型块断面；二是在一种治具块上，预留多个工位；三是治具块实现快速更换。（2）顶紧机构。产品在中转台放置时，由于受到冲切震动（主要因素）等外界不稳定因素影响，会出现产品抖动、移位等现象，导致产品尺寸波动较大，甚至超出公差，造成不良。因此，需增加顶紧机构消除此类不良影响。（3）检测机构。此模块为中转台信息反馈部分。检测产品有无输出信号与控制系统进行通讯。其传感器类型需根据产品材料进行选择。

2.3 夹取工装

夹取工装用于夹取产品，进行产品加工（冲切、组立等）。为实现同一生产线加工不同产品，需要切换相应的工装零件。目前，切换工装块的方式主要有以下三种。（1）电、气直接快换方式（整体更换）。此方式可整体切换工装，包含气路、电路及相关机械件。可实现复杂工装切换，其成本较高。（2）机械快换方式（局部更换）。采用机械定位、锁紧方式，进行快速换模，如采用气动件与定位销组合方式等。（3）电磁快换方式（局部更换）。①电磁方式：电磁方式在工作过程中，需持续通电，消耗电能。连续工作一个生产班次，时间约为8～10小时，其自身会产生热量，表面温度约40～50℃。②电永磁方式：电永磁方式较为“安全、节能”，仅在充磁和消磁时通电消耗电能，工作过程中不使用电能，且自身无发热状况，较电磁方式节能95%，但是此方式费用高。

2.4 底座

生产线中重要部件需配置专用底座（如机器人、油压机等），才能保证整个系统运行具有较高的精度。同时，也有利于装配、调试工作。常用底座主要分为两种类型如下。（1）整体型。生产线中所有部件均安装在同一底座上，此类底座具有如下优点：①便于布局调整。②线路、管路均可置于底座内部。同时，此类底座也具有一些弊端。一是底座体积较大，需考虑空间尺寸（搬运过程中、现场布局）；二是加工难度大，需进行整体铣削；三是，成本较高。（2）分离型。生产线部件均配置单独底座，如机器人底座、油压机底座等。此类底座具有如下优点：底座体积小，便于搬运与布局；易于加工；成本较低。同时，此类底座也具有一些弊端，一是不便于布局调整；二是线路、管路均为外置。

2.5 废料清除工装

目前，汽车饰条类产品的材料主要分为两大类型，其分类如下：①非金属材料。主要为PVC、PE等。②金属材料。主要为不锈钢等，其厚度在0.2mm-0.3mm。饰条类产品冲切后，废料会堆积在模具底部，如不及时清理，会造成模具落料口堵料，产品无法正常入模，出现产品品质异常，造成系统故障。经统计测算，产品残余废料重量基本小于0.1kg，重量较轻，可采取多种方式进行清除，以下介绍了两种主要的清除废料方式。（1）直接落料型。在模具底板、冲切设备底板（油压机底板、冲床底板等）开落料孔，产品冲切完成后，废料通过落料孔直接掉落在下方废料箱里。此方式简单、有效，但是会降低模具及冲压设备整体强度，需进行校验计算。（2）气体排出型。由于废料重量较轻，可采用压缩气体进行吹除。目前，工厂压缩空气的压力一般为0.4～0.6MPa，利用此压力可将废料排出。为提升排废料效果，需在以下几个方面做出改善：①由主管路单独引出，不与其他管路相连。②此管路需串联气罐，作为压力缓冲，提升气体流量。③气罐吹气端部采用扁口型式，增加吹气角度与面积。

2.6 产品冲压设备

饰条类产品冲压，一般为小型冲压设备，主要分为以下几类：①机械式冲床：此类设备为机械式冲压设备，工作时噪音较大。②液压机：此类设备压力大，对环境污染较大。③气液增压机：此类设备洁净度高，易受气压波动影响。④伺服压机：此类设备精度高，洁净度高，参数可设定，成本较高。