基于機器人沖壓線的壓力機間自動化仿真研究

文／馮國明，羅慶，趙曉龍·濟南二機床集團有限公司

大型機器人沖壓生產線由線首上料、線中壓力機間送料、線尾下料三個單元組成。對于沖壓線壓力機與機器人的動作調試及現有工況所能使用節拍的評估，通常采用經驗和嘗試的方式，缺乏對現場工況的充分考慮，導致調試周期延長、生產成本增加?；谝陨蠁栴}，本文對壓力機間的送料過程進行仿真研究，構建壓力機間自動化單元的三維仿真模型，搭建基于信號傳輸的仿真平臺，規劃機器人從下料到上料的運動軌跡，適應壓力機與機器人的動態配合，用于壓力機與機器人的干涉檢查分析與節拍評估，以滿足機器人沖壓線壓力機與機器人自動化工作需求。

目前，隨著汽車行業的迅速發展，對于沖壓生產線的自動化需求日益增多，由此造成競爭更加激烈。工業機器人作為現代制造業主要的自動化裝備，具有靈活、可靠、通用的優勢，可以長時間保持工作的穩定性與安全性，已經廣泛應用到汽車制造行業中。在傳統的沖壓生產線中往往存在缺乏對現場環境與設備的充分考慮導致整線停機，設計反復更改進而增加調試周期與生產成本。隨著計算機科學、數字孿生等技術的快速提升，采用信息化技術是現代制造業發展的必然趨勢，因此通過對汽車外覆蓋件沖壓生產線進行虛擬仿真已成為改進傳統技術、提高生產效率的重要手段。

本文針對沖壓生產線壓力機間自動化部分進行仿真研究，評估壓力機間自動化的生產節拍，分析壓力機與機器人的干涉空間，以達到縮短調試周期，降低生產成本的目的。

機器人沖壓線基本構成

對于汽車主機廠而言，機器人沖壓生產線一般可以分為線首、線中壓力機間單元、線尾單元，如圖1 所示。線首單元包括上料臺車、磁力分張、拆垛機器人、廢料收集、上料與過渡皮帶、清洗與涂油機、對中裝置、上料機器人等；線中壓力機間單元一般由四臺壓力機或五臺壓力機與相應的送料機器人設備等組成；線尾單元包括下料機器人、皮帶機、收料臺等。

圖1 機器人沖壓生產線

依據生產模式的不同，壓力機運動模式可以分為連續模式和斷續模式。連續模式是指壓力機滑塊由下死點開到上死點后不停留繼續向下死點開動，生產節拍較快；斷續模式是指壓力機滑動到上死點后停留一段時間，避免壓力機與送料機器人發生干涉情況，生產節拍較慢。

送料機器人一般為六軸機器人、直線七軸機器人和附加滑移軸機器人：對于配置較小噸位的沖壓生產線，一般采用六軸機器人，零件在傳送過程中需要旋轉180 度；對于配置中小型噸位的沖壓生產線，一般采用直線七軸機器人，零件在傳送過程中平行移動；而附加滑移軸的機器人適用于壓力機間距大，壓力機行程較小的沖壓生產線。

壓力機間自動化仿真模型構建

壓力機間的數模搭建

利用三維設計軟件構建壓力機PRESS 和模具OP 的三維模型，并保存為相應的格式文件，導入機器人仿真軟件，搭建機器人沖壓線壓力機間的仿真模型。以世界坐標系為參考坐標系，首先將壓力機PRESS1、PRESS2、 ……、PRESSn 和 模 具OP10、OP20、……、OPn 按照實際工況進行間距設定，然后依據所需的機器人型號及模型，按照整線布置圖將機器人ROBOT1，ROBOT2、……、ROBOTn 設置于相應的位置，并創建虛擬控制器，其仿真模型如圖2 所示。

圖2 機器人沖壓線壓力機間仿真模型

壓力機的運動定義

壓力機的運動定義，即壓力機滑塊的往復運動是由上死點到下死點再到上死點的過程。由于各序壓力機的行程不同，則需要根據壓力機行程曲線對各序壓力機分別進行運動定義。例如：第一序壓力機PRESS1 行程為1200mm，第二序壓力機PRESS2 行程為800mm，其行程分別設置為1200mm 和800mm，圖3 中壓力機滑塊行程為800mm。將工作臺與下模具設置為父鏈接，滑塊與上模具設置為子鏈接，按壓力機行程曲線對滑塊的運行姿態分別設置從而完成壓力機的機械運動裝置，其滑塊的運行姿態為：原點姿態、上死點姿態、下死點姿態、下料點姿態、上料點姿態。

圖3 滑塊行程曲線

機器人軌跡規劃

對于機器人沖壓線一般需要在機器人第六軸添加延長桿與端拾器裝置(圖4)進行取料和放料。機器人軌跡規劃一般可分為傳統斷續模式的八點法與連續模式的六點法，如圖5 所示。

圖4 帶有延長桿的端拾器

圖5 機器人軌跡規劃

圖6 壓力機與機器人間的信號傳輸

傳統斷續模式的八點法：從圖5 可以看到，傳統斷續控制模式下，常備HOME 點啟停工藝下使用，正常循環啟動時，機器人由HOME 點啟動到前一臺壓力機PRESS1 前安全位置點1，PRESS1 沖壓完成且打開至某一安全角度后，機器人經模具上方點2 至下料點3，下料后經模具上方點4 至后一臺壓力機PRESS2 前安全點5，待條件滿足后經模具上方點6 至上料點7，上料后經模具上方點8 回到PRESS1 前安全等待點1，循環往復。

連續模式的六點法：在正常循環啟動時，機器人從HOME 點追蹤PRESS1 位置，待角度打開經點2到下料點3 取料，提升經點4 水平出PRESS1 追蹤PRESS2 位置，待角度打開經點6 到上料點7 放料，提升經點8 水平出PRESS2 追蹤PRESS1 位置，循環往復。

在機器人軌跡規劃中，不論是在斷續模式的八點法的運行工況下，還是在連續模式的六點法的運行工況下，機器人攜帶端拾器從點2 位置到點3 位置開始豎直向下的直線運動模式，其目的是為了更好使端拾器與板料進行貼合；機器人攜帶端拾器與板料從點3位置到點4 位置開始豎直向上直線運動模式，其目的是為了避免板料與模具下模發生干涉，后續軌跡與前述相似，不再贅述。

壓力機間的機器人自動化仿真

壓力機與機器人的動態配合

壓力機與機器人之間的動態配合需要基于事件發生類型的信號傳輸進行仿真，通過機器人仿真軟件首先對各序壓力機上死點、下死點、上料點、下料點、沖壓條件、上料條件、下料條件等設置信號的輸入與輸出，其次對各序機器人同樣設置輸入信號與輸出信號以滿足壓力機與機器人之間信號的傳入與接收，實現壓力機與機器人的動態配合過程，如6 所示。

壓力機進行沖壓工作時，需要先判斷壓力機模具內是否存在已沖壓完的零件，如果存在，上料機器人就不能再次進行放料，需要后一序機器人進行取料。對于壓力機間的自動化過程，壓力機PRESS1 打開至安全角度發送信號至機器人ROBOT2，經取料退出模區后發送信號給機器人ROBOT1，經退出模區后發送信號至壓力機PRESS1，經滑塊沖壓完成且打開至安全角度后發送信號至機器人ROBOT2，后面幾序壓力機與機器人的動態配合與前述相同。

壓力機間的節拍評估

本文以壓力機開斷續模式進行節拍分析，并依據壓力機與機器人合理的動態配合評估壓力機間的生產節拍。

壓力機滑塊由上死點至下死點，在沖壓完成后返回上死點，滑塊完成一周期運行，并設定壓力機滑塊在下死點位置時為原點。下料機器人退出模區時，已知拉深高度h1，端拾器加上延長桿的高度h2，氣墊頂起高度h3，則滑塊打開至h1+h2+h3，此時對應滑塊行程曲線的角度為a，上料機器人進入模區時，已知制動安全距離h4，則需要滑塊打開至h1+h2+h3+h4，此時所對應的滑塊行程曲線的角度為b，即：上料與下料總占用角度范圍為360-a+b，此段角度內機器人總運行時間為t。a 和b 的值如圖7所示，其中左側部分為滑塊行程曲線，右側部分為壓力機及上下料方向，紅線代表滑塊處于下死點位置，藍線代表拉深高度，綠線代表機器人進入模區的最小高度?；瑝K在綠線以上時，上料機器人與下料機器人需要完成相應的取放料動作。

圖7 壓力機間自動化節拍評估

依據機器人上述的動作模式，可得壓力機滑塊從下死點到下一刻下死點的循環周期：

通過仿真平臺，得到h1、h2、h3、h4 以及t 的值，進而可以實現生產節拍的預測評估。

壓力機間的干涉分析

結合壓力機與機器人的動態配合，本文進行了機器人第六軸上的延長桿、板料與模具的干涉分析，端拾器、板料與機器人底座的干涉分析，上料機器人攜帶板料與下料機器人攜帶板料的干涉分析，端拾器、板料與壓力機立柱的干涉分析。

⑴針對延長桿、板料與模具的干涉問題。機器人取料過程中，需要板料完全脫離模具下模的模區，以避免與下模發生干涉情況，并且需要延長桿與上模存在一定的安全距離，以避免與上模發生干涉情況。機器人放料過程中同樣需要保持合適的安全距離，避免發生干涉情況。當板料拉深量較大時，需要機器人攜帶板料在模區內增加過渡點，如傾斜合適角度后，與模具上下模不發生干涉問題時機器人進入或退出模區。

⑵針對端拾器、板料與機器人底座的干涉問題。六軸機器人向內旋轉180 度且板料尺寸較大時，端拾器和板料容易存在與機器人底座發生干涉情況，需要將端拾器和板料向下傾斜合適角度或者將機器人底座設計為鵝式凸頭結構，從而解決發生的干涉問題。

⑶針對上料機器人攜帶板料與下料機器人攜帶板料的干涉問題。板料尺寸較大時，下料機器人攜帶端拾器及板料可能需要完全退出模區時發送信號至上料機器人，從而避免上料機器人末端與下料機器人末端發生干涉問題。

⑷針對端拾器、板料與壓力機立柱的干涉問題。此種情況一般發生在六軸機器人向外旋轉180 度的送料時，需要機器人增加過渡點，并且將機器人第三軸向內收縮，以解決端拾器、板料與壓力機立柱發生的干涉問題。

本文通過仿真平臺分析了上述四種情況下的壓力機間干涉問題，并給出具體的解決方案，對現場調試具有指導意義。

結束語

本文借助三維設計軟件及機器人仿真軟件，進行基于機器人沖壓生產線的線中壓力機間自動化的仿真研究，通過仿真平臺能夠實現壓力機間的動態配合，進行壓力機與機器人動作發生時間的合理安排，得到生產節拍的預測評估，分析各種情況下壓力機間的干涉情況，提出解決措施，對縮短調試周期，避免設計反復更改，降低生產費用等具有指導意義。