（微电子学与固体电子学专业论文）工业机器人在冲压自动线中的应用.pdf

表格清单 表3 1 生产节拍估算2 0 表4 1 机器人与压机通讯信号3 3 插图清单 图l l 自动化冲压连线9 图l 一2 大型多工位压机1 0 图2 1 机器人硬件结构1 3 图2 2 机器人本体结构1 3 图2 3 机器人运动范围1 4 图2 4 新型机器人控制系统结构1 6 图3 一l 冲压自动线工作流程1 7 图3 2 拆垛小车1 9 图3 3 磁性皮带机。1 9 图3 4 喷式涂油机2 0 图3 5 重力对中台2 1 图3 6 双料检测传感器2 1 图3 7 出料输送带2 2 图3 8 真空端拾器机构示意图2 2 图3 9 机器人冲压自动线总体布局。2 4 图4 1 机器人冲压自动线控制系统的构成2 8 图4 2 主站与从站的通讯2 9 图4 3 基于p r o f i b u s d p 总线的连线控制系统结构3 1 图4 4 工作单元划分3 2 图4 5 机器人示教盒( k c p ) 上的监控画面3 4 图4 6 急停按钮作用范围示意图3 5 图4 7 安全门作用范围示意图3 5 图4 8 监控系统硬件组态3 8 图4 9w i n c c 组态界面结构一3 9 图4 一l o 监控主界面4 0 图4 一l l 用户登录界面4 l 图4 一1 2 用户密码设定界面4 1 图4 1 3 程序号选择界面4 l 图4 一1 4 机器人运行速度设定界面4 l 图4 1 5 程序号编辑界面4 2 图4 1 6 故障信息界面4 2 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 撇嫁刎 撕飙廨6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金鳇王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 起王业盔堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：五矿7 匀 签字日期：1 嘶6 月印日 学位论文作者毕业后去向：i 电话： 邮编： 泰 鬣盼 名 期 签 日 师 字 导 签 工业机器人在冲压自动线中的应用 摘要 车身覆盖件冲压线是汽车生产过程中的关键设备，其生产质量 和效率直接影响到汽车的质量和生产效率。自动化输送系统的应用 是提升传统冲压线生产效率的主要手段。本文分析了目前广泛应用 的三种自动化输送系统，着重介绍了采用6 自由度工业机器人构成 自动化输送系统，并与压机连线一起来构成机器人冲压自动线的方 法i l 】1 2 1 。在此基础上，以某轿车车身覆盖件冲压线为例，进行总体布 局设计，提出了构建基于p r o f i b u s d p 现场总线的连线控制系统 的方法i 引，并采用工业组态软件w i n c c ，基于工业以太网构成监控 系统。最后，探讨了机器人冲压自动线安全防护的重要性，采用安 全总线构成安全防护系统。 关键词：冲压自动化；工业机器人；p r o f i b u s - - d p ；w i n c c ；安全总线 t h e a p p l i c a t i o no fi n d u s t r i a lr o b o t l na u t o m a t l o nr r e s sl l n e j1h f a b s t r a c t ： t h eb o d yp a n e lp r e s sl i n ei st h ek e yf a c i l i t yt ot h ep r o d u c t i o no f a u t o m o b i l e i t sp r o d u c t i v i t ya n dq u a l i t yh a sad i r e c te f f e c to nt h e p r o d u c t i v i t ya n dq u a l i t yo fp r o d u c t s t h ei n t e r p r e s sa u t o m a t i o ni st h e m a i nm e t h o dt oi m p r o v et h ep r o d u c t i v i t yo ft h et r a d i t i o n a ll i n e t h i s p a p e rc h o o s e s6d o f ( d e g r e e so ff r e e d o m 、) i n d u s t r i a lr o b o ta st h e s o l u t i o nf o ri n t e r p r e s sa u t o m a t i o n a n df o r mt h er o b o ta u t o m a t i o np r e s s l i n ew i t ht a n d e mp r e s s e s t h e nt a k e sa c a rb o d yp a n e lp r e s sl i n ef o r e x a m p l e d e s i g n st h el a y o u ta n db u i l d sac o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h e p r o f i b u s d pf i e l db u s t h i sp a p e ra l s od e s c r i b e sam e t h o dt ob u i l da m o n i t o r i n gs y s t e mb ym e a n so fi n d u s t r i a lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew i n c c t h r o u g ht h ei n d u s t r i a le t h e r n e t t h ei m p o r t a n c eo fs a f e t yg u a r di nr o b o t a u t o m a t i o np r e s sl i n ea n dam e t h o dt ob u i l das a f e t yg u a r ds y s t e mw i t h s a f e t y b u spi sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：p r e s sa u t o m a t i o n ；i n d u s t r i a lr o b o t ；p r o f i b u s - - d p ；w i n c c ： s a f e t y b u s 2 致谢 本论文是在我的导师黄英副教授的悉心指导下完成的。在这近三年的 时间中，黄老师无论在理论学习还是实验操作上都对我进行了精心的指 导。从课题的选取到实验的开展直至论文的完成，无不凝聚着梁老师的心 血。梁老师细致严谨的治学态度、求真务实的工作作风、宽阔的胸襟、诲 人不卷的育人精神、严于律己、宽以待人的学者风范令我终身难忘。借此 机会再次的感谢黄老师对我的培养，谢谢您! 特别感谢巨一公司的王健强博士和张克林老师等人给予的大力帮助 和指导，感谢同实验室的张天华同学、仇旭升同学、马文明同学在学习及 论文完成过程中给予的帮助。 感谢我的父母及家人，感谢你们多年来对我的培养和对我在求学道路 上的支持。感谢在我学习和生活中给予帮助和支持的每一个人。 第一章绪论 汽车工业作为我国国民经济的支柱产业，在加入w t o 后，将面临激烈的 市场竞争。激烈的市场竞争加快了汽车产品的更新换代，各大汽车生产商不断 推出新的车型，以性能先进、外形新颖的新车型去开拓和占领市场。而汽车品 种的变化和更新换代，主要以汽车车身的改变最为突出。车身覆盖件是汽车车 身的改变或更新的主体，因而，其制造工艺及质量水平不仅直接影响到汽车的 制造质量和制造成本，还决定了汽车产品市场竞争力和市场寿命。 在汽车生产过程中，为了减轻车身重量及降低生产成本，车身4 0 - - 7 0 的构件采用薄钢板冲压件，因而冲压加工成为车身制造的主要加工方法。冲压 作为车身制造的第一道工艺，直接决定了车身的质量和生产效率。目前，大部 分汽车生产厂商均采取大、中型覆盖件自制，小型冲压件外协的生产方式，因 此，冲压线自动化的设计及设备选择引起了各汽车生产厂商极大的重视。 一直以来，冲压线自动化输送系统是体现冲压车间生产能力和效率的关键 因素。为了提高冲压生产的质量和效率，在对原有冲压线进行技术改造或建立 新的冲压线中，自动化输送系统逐渐被广泛地采用。 随着工业机器人在汽车工业中广泛应用，机器人替代了工人单调、重复的 体力劳动，极大的提高了生产效率和产品质量，已成为汽车制造业提高生产效 率、产品质量、经济效益的关键装备。在车身冲压生产中，采用工业机器人构 成冲压自动化输送系统极大的提高了车身覆盖件冲压生产的自动化水平、降低 了成本、提高生产效率。 目前，国内汽车行业冲压生产自动化水平较低，导致国内汽车行业冲压生 产效率及质量较低。针对这一情况，将工业机器人应用于冲压自动化中成为重 要的研究课题之一。 8 1 1 国内外冲压自动化技术发展状况 1 1 1 国外发展状况 国外车身覆盖件冲压技术的发展经历了以下几个阶段【4 】【5 】【6 】： 第一阶段：2 0 世纪5 0 年代以前，采用一台双动拉伸压机和数台单动压机 组成冲压连线，人工上、下料完成大型覆盖件的冲压生产。生产效率低，人身 安全环境差，冲压制件质量差。 第二阶段：2 0 世纪6 0 年代，仍采用一台双动拉伸压机和数台单动压机组 成冲压连线。但由于大批量、低成本生产的要求以及冲压生产过程中的恶劣工 作环境、噪声、工作单调乏味及人身安全方面的原因，开始采用各种机械化装 置来代替工人完成上下料和冲压件在压机之间的传递、翻转等工作，实现了冲 压生产过程的机械化，并以此为基础构成机械化冲压生产线。但这种采用机械 装置构成的自动化冲压线结构复杂，并严格按照工件传送的运动规律设计，缺 乏柔性，只适合少品种、大批量的生产方式。 第三阶段：2 0 世纪7 0 年代，冲压生产技术开始向高速化、自动化、柔性 化、精密化的方向发展，传统的机械化冲压生产线已无法满足要求。随着工业 机器人技术的发展、成熟及在工业中广泛应用，工业机器人很快进入冲压行业， 取代了传统的机械化自动装置，进而出现了采用多台压机配备拆垛装置、上下 料机器人、压机中间翻转或穿梭传送装置等，再加上电控系统，组成的全自动 冲压生产线( 如图l 一1 所示) 。机器人冲压自动线可以方便地通过编程的方式 改变机器人运动轨迹和作业内容，具有较高的柔性，特别适合多品种、小批量 的现代化生产方式，从本质上改变了传统的机械化生产线，是进行高速、高效、 高质量冲压生产的一种有效方式，是现代冲压生产技术的重要发展方向，至今 仍在广泛应用。 l | 卜e 黪攀繁鬻潮隧澄謦鬻斡鼷祭镞翳卜 鬻鬻甏愁糍懑鍪荔墓i 翔甜甾凌蔷蔷篱缓! 瓣戮麓l 糍l 缀缀凌荔缫獭塑缓霪荔鑫豢 | l 荔| j 囊| ，； ，二 1 荔 鹫融 l置 i纛 霪 琵 | 薹 一 裂， ： 鍪 篆 羹 搿习一二 ，t 、 爱 | | | ；= 吲， 荔 羹 _ 溢碍一 一 心 静_ |，- i 二，甏 蒸 沪慕 ! ，、 秽 叫枣_ 啐。 芹一 图1 一l 自动化冲压连线 第四阶段：2 0 世纪8 0 年代，由于多工位压机的诞生，出现采用一台双动 拉伸压机和一台多工位压机组成冲压生产线。多工位压机的主夹板机械穿入双 动压机的模区，同时在双动压机与多工位压机之间配备有相应的翻转机械，以 9 完成工件的传递。 第五阶段：进入2 0 世纪9 0 年代，数控液压气垫出现，不再采用双动拉伸 压机作为冲压线的设备，而是将数控液压气垫装入大型多工位压机的第一工位， 用一台大型多工位压机就形成了柔性冲压生产单元( 如图1 2 所示) 。大型多 工位压机是汽车覆盖件的冲压成形发展方向，具有先进的技术水平，是当前世 界汽车覆盖件冲压技术的最高发展阶段。 图1 2 大型多工位压机 1 1 2 国内发展状况 目前，国内汽车行业冲压生产采用的冲压线，大部分一直采用人工操作方 式，只有少数冲压线实现了自动化。1 9 9 5 年济南第二机床厂与美国i s i 公司合 作的国内第一条用于汽车覆盖件冲压生产的大型自动化冲压生产线在重庆长安 汽车有限责任公司投入使用；1 9 9 6 年上海一大众汽车工业公司分别从德国舒勒 公司和美国i s i 公司引进了大型机器人冲压自动化生产线并投入使用，这些自 动化冲压生产线的使用产生了良好的效果，但造价十分昂贵。中国科学院沈阳 自动化研究所从1 9 9 5 年开始进行机器人柔性冲压自动化生产线系统技术的研 究，同时开展工程应用工作，1 9 9 7 年国内第一条自行设计制造的、具有自主知 识产权的柔性自动化冲压线在长春一汽一大众公司投入了生产使用1 7 j 。 l o 1 2 本课题主要研究内容和目标 本文基于工业机器人在汽车工业的广泛应用，以及对国外冲压自动线的分 析和研究，结合国内汽车产业冲压生产的具体情况，采用6 自由度工业机器人 构成冲压连线自动化输送系统，并设计和开发了基于p r o f i b u s d p 现场总线 的冲压自动化控制系统。 为了实现上述目标，本文拟进行的研究内容如下： ( 1 ) 机器人冲压自动线系统的总体设计 总结并借鉴国内外机器人冲压自动线设计的成功经验，以某轿车车身冲压 线为实例，根据实际生产要求，进行设备选型、配置，并合理设置各项参数， 完成机器人冲压自动线的总体布局设计。 ( 2 ) 基于p r o f i b u s d p 现场总线的控制系统的开发 开发基于p r o f i b u s d p 现场总线的连线控制系统，根据系统的功能，设 计控制电路，并在仔细分析系统功能的基础上，通过引入系统化、模块化等设 计理念，以结构简单、运行可靠，高效柔性为目标，开发系统控制程序。 ( 3 ) 机器人冲压自动线安全防护及监控技术的研究 根据冲压自动线安全级别的要求，选择合理的安全防护方式，确保生产过 程中人员及设备的安全：采用工业组态软件w i n c c 开发符合冲压生产工艺的人 机界面，以便于对生产过程的监控及对生产的管理。 1 3 本章小结 本章详细论述了冲压自动线在国内外的应用发展情况，分析冲压自动线应 用现状和所带来的经济效益和社会效益，最后说明了本课题的主要研究目标和 内容。 2 1 工业机器人的特点 第二章冲压机器人 工业机器人是典型的机电一体化高科技产品。机器人技术是综合了计算机 技术、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成 的高新技术，应用日益广泛。机器人的应用使现代制造产业发生巨大的变革， 对改变传统生产模式，全面提高企业的综合竞争力具有重大的作用。因而，机 器人及其自动化成套设备的拥有量和水平也成为衡量一个国家工业自动化水平 的重要标志之一 8 1 。 工业机器人主要是用于模仿人上肢运动，代替人进行某些工业劳动的一种 自动机械，也称为机械手。机器人的外形结构可以有多种形式，通常是由关节 把连杆串联起来的开链机构。最常用的机器人有两种形式：旋转关节和移动关 节。每个旋转关节和移动关节都具有一个自由度，一个机器人的关节数等于它 的自由度数。根据结构的不同，可将工业机器人分为直角坐标机器人、圆柱坐 标机器人、球坐标机器人、s c a r a 机器人和关节式机器人【9 】【i o 】。 三维空间中要确定某一点的位置和姿态需要六个自由度，因而在三维空间 中要确定任意点的位姿并进行操作，机器人共需要六个自由度。如果少于六个 自由度，操作时还需用对象机器或外围设备的动作来弥补机器人功能的不足， 而6 自由度关节型机器人不需要对象机器或外围设备动作弥补就能确定自由空 间中任意点的位姿，因而成为工业研究和应用的主流。 在本文以下的论述中，若不加特殊说明，工业机器人( 简称为机器人) 或 冲压机器人即指6 自由度关节型机器人。 1 2 2 2 机器人结构及控制 现代机器人主要由机器人本体和控制系统两部分组成。机器人本体，具有 和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作，由机械结构、 驱动装置及传动装置组成；机器人控制系统是机器人的运动指挥系统，它实现 控制机器人按设定程序作业的控制机能。 2 2 1 机器人的硬件结构 机器人的硬件结构主要包括机器人本体及控制柜，如图2 一l 所示。 机器人本体由腰关节a 1 、大臂关节a 2 、小臂关节a 3 和腕关节a 4 ，a 5 ， a 6 六个旋转关节构成( 如图2 2 ) ，各关节均由伺服电机独立驱动。机器人每 个关节实现一个自由度，其中，腰关节a 1 、大臂关节a 2 、小臂关节a 3 确定 机器人的位置，三个腕关节a 4 ，a 5 ，a 6 确定机器人的姿态。受机械结构的限 制，机器人各旋转关节一般不能实现3 6 0 0 转动，而是有一定的运动范围，各关 节运动范围共同作用决定了机器人的运动范围【1 1 】( 如图2 3 所示) 。 机器人控制柜机器人本体 p c 圈劁 阱 机械机构 瞪鞣麟l i l 编码器 伺服驱 i o 伺服电机 动模块 图2 1 机器人硬件结构 图2 2 机器人本体结构 图2 3 机器人运动范围 机器人控制柜中主要有计算机控制系统、伺服驱动系统、i o 接口及示教 器等构成。计算机控制系统是机器人控制的核心，机器人在运动过程中，要求 计算机控制系统随时响应数据传输、方式切换等随机发生多种动作，因此，机 器人的计算机控制系统多采用具有实时中断控制与多任务处理功能的专用计算 机控制系统；伺服驱动系统在计算机控制系统的控制下，控制并驱动各关节伺 服电机，实现机器人的运动控制：i o 接口通过硬线连接或总线的方式实现与 外部控制系统或外部设备的通讯连接；示教器用于手动操作机器人动作，完成 示教工作和参数设置、程序存取等系统基本操作。 2 2 2 机器人运动控制 运动控制是机器人控制系统的主要任务【l2 1 。机器人虽然种类繁多、结构不 一，但其运动控制方式有限，主要有以下两种： ( 1 ) 点位控制( p o i n t t op o i n tc o n t r o l ，p t p 控制) 这种方式仅控制机器人目标点的位姿，而不控制起始点与目标点之间的运 动轨迹。该方式控制简单，运动速度较快，一般用于点焊、装卸、物料搬运等 作业。 ( 2 ) 连续轨迹控f l ；l j ( c o n t i n u o u sp a t hc o n t r o l ，c p 控制) 这种方式按照连续运动所经过的运动轨迹来控制，机器人按照规定的速度、 路径实现平稳而准确的运动。该方式能够保证所规划的路径上各点的位姿精度， 运动平稳，但控制相对复杂，需要通过各种插补运算，进行多轴脉冲的同时分 配，协调控制，大多用于喷漆、弧焊、切割等作业。 目前，大部分机器人均采用p t p + c p 的综合运动控制方式，并通过相应的 机器人语言对机器人动作进行描述和控制。 1 4 2 2 3 机器人控制系统 目前，机器人所采用的基本控制方式为t p ( t e a c h i n g p l a y b a c k ，示教再 现) 方式【1 3 】，其控制系统以“示教编程 与“自动翻译”为核心。 示教时，操作者通过示教器操作机器人本体，使其末端运动至所需的轨迹 点，记录该点时各关节伺服电机编码器信息，并通过命令的形式确定运动至该 点的插补方式、速度、精度等，然后由机器人控制器按照这些命令查找它相应 的功能代码并存放到某个指定的示教数据区去。这个过程称之为“示教编程 。 再现时，机器人控制器将自动逐条读取示教命令与其他相关数据，进行解 读、计算。作出判断后，将相应控制信号和数据送至各关节伺服系统，驱动机 器人精确地再现示教动作，这个过程称之为“自动翻译 。 机器人的t p 控制以及其它功能的实现最终是通过机器人控制程序来实 现，机器人控制程序由以下几个主要功能模块组成： ( 1 ) 系统监控模块，用于监视软件系统的运行，分配任务，对机器人的外 部作业“环境 要求作出实时响应。 ( 2 ) 示教，该模块根据用户示教程序，进行用户程序编辑，即根据输入输 出装置给出的各种信息，参照各种表格，在数据区与用户程序区进行示教数据 的编辑。 ( 3 ) 再现，该模块的核心是对示教程序进行命令代码的解读并按照设定的 插补方式执行代码，进行实时高速脉冲分配计算，控制伺服驱动系统驱动伺服 电机实现机器人的运动控制。 ( 4 ) 其他辅助功能模块，如自诊断、异常检测、文件管理以及宏指令、显 示、报警、外部输入输出控制、轨迹修正等i l 引。 目前，大部分机器人控制器采用实时操作系统，实现机器人多任务实时控 制，但实时操作系统需要开发专用的人机界面，不便于示教等基本操作。鉴于 以上不足，国外各大机器人公司开发的新型机器人控制器中包含两套操作系统 ( 如图2 4 ) ：w i n d o w s 操作系统和实时操作系统。w i n d o w s 操作系统负责基 本系统的操作，如示教编程、文件管理等；实时操作系统是基本系统的运行基 础，在此基础上，基本系统执行程序，实现机器人的控制。这种控制器具有良 好的人机界面，操作简单【l 纠。 2 3 冲压机器人 图2 4 新型机器人控制系统结构 冲压机器人属于工业机器人，是工业机器人在冲压生产中的特殊应用。针 对机器人在冲压生产中的运用，国外各大机器人公司纷纷开发出了专用的冲压 机器人( 如k u k a 公司的k r p 系列机器人) ，冲压机器人与通用型机器人相 比，具有以下特点【16 1 。 2 3 1 控制系统特点 冲压机器人控制系统由基本控制系统和冲压控制系统组成。基本控制系统 用于实现机器人的基本运动控制，与通用型机器人控制系统功能相同；冲压控 制系统是针对机器人在冲压生产中的应用而开发的专用功能模块，用于实现冲 压生产中的特殊功能，如本地流程管理、自动工作节拍优化、过程数据获取与 处理、故障信息显示等。 2 4 本章小结 本章介绍了工业机器人的特点、软硬件构成及控制方式，概述了冲压机器 人的特点。采用齐次变换法对其运动学分析进行了分析，阐述了机器人运动控 制的基本原理。 1 6 第三章机器人冲压自动线总体布局设计 汽车车身覆盖件的冲压生产，一般需要在由多台大型压机组成的压机连线 上完成拉延成型、切除废边、冲孔、修边、卷边等一系列冲压工艺。冲压自动 线即在压机连线中采用自动化输送系统，实现冲压生产的自动化【1 7 】。 3 1 冲压自动线工作流程分析 以一条由5 台压机构成的冲压连线为例，根据冲压生产的工艺流程，其典 型的工作流程如图3 1 所示，人工将料垛放入拆垛小车，由1 # 机器人从拆垛 小车上取下板料，经过双料检测后送入涂油装置，完成后板料进入对中台，进 行对中定位，2 # 机器人抓取已定位的板料，送入第一台压机，随后板件在各台 压机上依次完成各道冲压工序，板件在压机之间的传递由3 # 6 # 机器人完 成，完成冲压后的板件由7 # 机器人取出，放在出料输送装置上，人工取下板 件并堆垛。整条冲压生产线基本实现了全自动化生产【l 引。 下料 ( 7 # 机器人) 。1 热，目一 双料检测b = = = 剖涂油b = = = 捌对中 ( # 机器人) lu 。丌 工件在压 机之间传递 ( 3 # 6 # 机器人) 图3 一l 冲压自动线工作流程 1 7 上料 ( 2 # 机器人) 3 2 机器人冲压自动线的构成 机器人冲压自动线由压机连线和自动化输送系统两大部分组成。自动化输 送系统又由冲压机器人和其他辅助设备等构成。辅助设备包括拆垛单元、出料 输送带、端拾器、真空系统等【19 1 。 3 2 1 压机 压机是完成冲压加工和生产的基本设备，压机类型繁多，结构不同，性能 各异。目前，各汽车生产厂家采用的冲压线一般有两种形式：一种是重视高生 产率的多工位压机冲压线，适应大批量生产，尽管大型多工位压机技术和制造 工艺日益成熟，并有取代部分中小型压机生产线的趋势，但是受模具工位间距、 压机吨位、造价等因素限制，大型冲压件的生产仍然需要在大型压机组成的冲 压生产线上进行生产；另一种是价格低廉，由压机连线配备冲压机器人构成的 冲压自动线，柔性较高，适用于多品种小批量的生产，与大型多工位压机相比， 大型机械式压机的制造技术和工艺水平要求相对较低，造价经济，因此在国内 外的冲压生产中仍在大量使用 2 0 1 2 1 】1 2 2 1 。 通过在冲压连线上配置冲压机器人等自动化辅助设备，改造并优化设计后 的冲压自动线，其生产的效率和水平可以达到或超过多工位压机的生产效率和 水平，并且价格相对经济。目前，这种生产方式在冲压生产中被广泛采用。 3 2 2 冲压机器人 在机器人冲压自动线中，作为自动化输送系统的主要部分，机器人主要完 成板料拆垛、各压机的自动上下料、板件传送翻转等工作，以取代繁重、危险 的人工操作。机器人通过控制系统保持与压机的随动和连锁，完成机器人的运 动控制、气动与真空系统监控及安全防护等【2 引。 机器人的具体选型依据为：根据拾取板件及端拾器的重量确定机器人的负 载能力：根据压机之间的距离确定机器人工作范围，若机器人工作范围不能满 足使用要求，可以考虑使用机器人端部延长臂或增加机器人移动导轨，以扩展 机器人工作范围；最后，根据生产节拍等技术性能要求设定机器人运动参数。 在本文中，我们将选用k u k ak r1 2 0p 型冲压机器人作为研究对象。该 型号机器人工作半径可达3 5 米，负载1 2 0 k g ，其控制系统采用工业p c 的技术， 基于w i n d o w s 操作系统，人机接口界面友好，编程、操作、维护相当方便。并 通过安装s o f tp l c 软件，可直接控制外部设备，使自动控制更有效，无需增 加外部控制硬件，减少故障，降低支出，使系统编程、维护更容易。 1 8 3 2 3 拆垛单元 在自动化输送系统中，自动拆垛单元必不可少。拆垛单元主要包括拆垛小 车、磁性皮带机、自动涂油装置、对中台、双料检测等设备。 ( 1 ) 拆垛小车 拆垛小车用于在上料区上料后停放于固定位置，以便于机器人取料。为了 防止机器人一次抓取多张板料，采用磁力分张器将板料分张。磁力分张器的工 作原理为通过贴紧料堆放置的永磁体将板料磁化，则相邻板料因“同极相斥 而分开，因而该方法只对铁磁性材料有效，对于铁磁性较弱的材料，为了增强 分张的效果，需要增加吹气装置。 w暾 。 f 翥ii i i i iii iil * l r 交流电机 图3 2 拆垛小车 磁力分张器设计成可手动调整式的，以适应大小不同的板料，在装载托盘 的三边至少布置6 个磁力分张器，确保分张器分张的成功率。此外，在托盘上 装有检测传感器用于检测托盘上是否有板料。 为了确保连续生产，采用两台独立的拆垛小车，垂直布置或左右对称布置， 交替使用，小车通过交流电机变频调速驱动在轨道上行驶。小车的装载托盘必 须能满足板料的最大尺寸及重量。 ( 2 ) 磁性皮带机 磁性皮带机根据其位置的不同，分为导入式皮带机和导出式皮带机，导入式皮 带机用于将由拆垛机器人取出的板料送入涂油机，导出式皮带机则用于将板料 以一定的速度送入对中台，但两者结构及工作原理一样。其工作原理为由皮带 下方安装的磁铁，吸附以保持板件在皮带上的正确位置，使板件随皮带一 图3 3 磁性皮带机 起运动，皮带由变频电机驱动，速度根据生产节拍可调。 1 9 ( 3 ) 自动涂油机 若板件拉延率较大，则板料在进入拉延工序之前，需要安排涂油工序，即 在板料表面涂上均匀的拉延油，以消除冷轧钢板失效产生的滑移线和钢板剪切 生产的毛刺，保证钢板冲压成形的润滑性要求和板件表面质量，同时增强 板件的防锈性能。 图3 4 喷式涂油机 自动涂油机按其工作原理分为辊式涂油机，喷式涂油机和静电涂油机三种： 辊式涂油机通过挤压的方式完成涂油工作，省油，但成本高，而且维护不方便； 喷式涂油机由上下两排独立的喷嘴组成，油膜的厚度由喷嘴的流量决定，并可 以选择双面涂油或单面涂油，结构简单，使用方便，应用较为广泛；静电涂油 则是靠高压静电的作用，将拉延油均匀地喷涂在板料表面上，与传统的辊式涂 油机相比，静电涂油机具有涂油均匀，节约用油，工作可靠及不污染环境等优 点，但结构复杂，价格昂贵。 ( 4 ) 对中台 上料过程中，要求上料机器人准确的将板料放入压机模具中定位，因而在 上料之前必须采用对中台对板料进行预定位。 对中台根据其工作原理可分为重力对中台和自动对中台。重力对中台即依 靠板料自身的重量，在倾斜的工作台上实现定位，这种对中台结构简单，但对 不同大小的板料需要示教不同的机器人程序：自动对中台则通过步进电机驱动 分布在对中台四侧的挡块实现板件的精确定位，生产之前，对于不同大小的板 料进行人工示教，通过步进电机所带的编码器记录挡块的位置，生产过程中可 以通过调用不同的程序，自动实现对不同板料的定位，其结构和控制比重力对 中台复杂，但上料机器人只需一套程序即可。 图3 5 重力对中台 ( 5 ) 双料检测装置 为了防止机器人抓取双料，在拆垛机器人端拾器上安装双料检测传感器进 行双料检测。双料检测传感器结构如图3 6 所示，由连接部分、传感器、弹簧 及真空吸盘部分组成。机器人抓取工件后，在弹簧的调节作用下，真空吸盘紧 紧吸附在板料上，确保传感器垂直且贴紧板料。传感器采用超声波传感器，其 工作原理为通过超声波检测抓取板料的厚度，与预先设置的板料厚度相比，检 测是否为双料，并将判断结果送入机器人控制器。 3 2 4 出料输送带 当板件完成所有冲压工序后，下料机器人取出板件并放在出料输送带上， 人工取下板件并堆垛。输送带的长度根据板件的最大生产节拍以及输送带的运 行速度设计，确保有足够的缓冲区域让工人进行板件质量的确认和下料堆垛。 传送速度则根据输送带长度及生产线工作节拍设计，确保板件不会在输送带上 堆积。为了确保能输送大小不同的板件，采用双列式结构，并设计成距离可调 式的。 此外，在机器人的下料区安装对射式光电检测传感器，以防止机器人在输 送皮带上同一位置重复堆放，损坏板件。 r_ 酱野# 一 曩d h口qq埘 i ：i il i 。fi i ，幽： 凹 图3 7 出料输送带 3 2 5 端拾器及真空系统 端拾器是机器人的末端执行机构，用于抓取板件。由于板件为薄壁件，适 于采用真空吸附的工作原理抓取，真空吸盘布置在用高强度合金或碳纤维材料 制成的延长臂支架上，吸盘个数及其布置方式视具体的板件而定。吸盘上带有 真空度检测传感器，通过检测吸盘内真空度判断板件是否吸附到位、搬运过程 中板件是否掉落。端拾器的结构与板件外形有关，因而，不同的板件及不同的 工位需要配置不同的端拾器。 图3 8 真空端拾器机构示意图 为了防止由于真空系统失效而导致板件在高速搬运过程中掉落，考虑采用 两套独立工作的真空发生器构成冗余真空系统，并将两套真空系统的吸盘交错 布置，即使一套系统失效，机器人仍能抓牢板件，降低事故的发生几率2 3 1 2 4 l1 2 5 1 。 3 3 机器人冲压自动线的总体布局设计和节拍分析 机器人冲压自动线是一个由多种自动化设备、多环节组成的大型、复杂的 自动化系统。为了能充分发挥其最大的生产能力，设计过程中需要对该自动线 进行合理的规划和布局，主要包括各设备的设计，选型，布置、水电气配置等 【2 6 】 o 生产线的布局设计按如下步骤进行： ( 1 ) 根据生产线的工作流程、物流方向及现场实际情况，合理布置各设备。 步骤如下：根据压机的位置、间距及机器人工作范围确定机器人的位置；根据 模具高度确定机器人基座的高度；再依据生产要求、机器人的位置及可达性确 定拆垛小车、对中台等其它设备的位置：最后，进行干涉校验，防止机器人运 动过程中与其它设备发生干涉。操作面板等控制设备的设计和布置必须符合人 机工程学原理，方便操作。 ( 2 ) 按照各设备功率及控制要求确定配线规格、数量：根据各设备具体的 位置，规划配线路径，要求路径最短，便于接线，并尽量避开干扰源。 ( 3 ) 最后，根据各设备位置确定电、气接口位置，要求布置合理，连接简 单。 按如上步骤及要求进行布局设计，得到机器人冲压自动线布局如图3 9 所示。 。暝梏葚蹈螺幅皿出是、|r稚墨i匝 3 3 1 机器人冲压自动线的节拍分析嘲 生产节拍是衡量冲压线生产效率的标准。机器人冲压自动线的生产节拍主要涉及 到压机的生产节拍和机器人生产节拍。 ( 1 ) 压机工作节拍计算 目前，大型压机允许额定冲次已经达到8 1 5 次m i n ，但对于不同的工位，不同 的板件，各压机的工艺额定冲次不同。冲压生产率的高低受冲次利用率的影响较大， 除此之外冲压生产率还受到设备开动率、人员配置、模具结构等影响。在实际生产过 程中，由于存在着各种各样的影响因素，如生产周期的长短引起的换模频率、每次更 换模具的时间、板件的质量、板件的形状等等。因此冲压的额定冲次不可能在工作时 间内被完全利用，也就是说额定冲次不等于利用冲次。经大量数据分析，自动冲压线 的冲次利用率一般能达到4 0 5 5 。根据有关公式口7 】可以得到如下计算： h = h 。p ( 3 2 ) h e=hxn(3-3) 式中：h n 为额定冲次，单位：次m i r l g n 为设备开动率，； h 为无故障利用冲次，单位：次m i n ； p 为冲次利用率，； h e 为有效利用冲次，单位：次m i n 。 从上述公式中可以清楚地看出，影响有效利用冲次的主要因素是设备开动率，所 以设备开动率提高了，将大大地有利于班产量的增加，即生产率的提高。 ( 2 ) 机器人工作节拍计算 机器人工作节拍与板件搬运的路径、机器人运动速度及压机滑块的动作有关。以 两台压机之间的机器人为例，该机器人在一个工作循环中要完成前台压机的下料工作 和后台压机的上料工作，其工作过程和运动路径如图3 - - 9 所示。 假设压机的最大间距为8 0 0 0 m m ，压机工作台宽度尺寸最大2 5 0 0 m m ，机器人水 平移动速度为2 0 0 0 m m s ，则机器人在一个工作循环中各个阶段所需时间估算如表3 一l 所示，从而，可以得出机器人完成一次工作循环所需时间为： f = t l + t 2 + t 3 + t 4 + t 5 + t 6 + t 7 + f 8 ( 3 4 ) 工作节拍= 竺( 件分钟) ( 3 5 ) f 可以看出，机器人完成一次工作循环所需时间比压机长，因而不能简单的认为生 产线的工作节拍就等于压机的工作节拍，生产线的工作节拍计算应当综合考虑压机工 作节拍和机器人工作节拍。表3 一l 中的节拍计算只是粗略的估算，准确的计算应根 据现场实际情况而定 图 l 的b o y u p s t r e a m 4 机器人运动路径中的关键点 a机器人工作流程(具体定义参见表3一1) 器作循环示意图 程 5 间 e 机外等待 e 位压棚 建立真空， 件，上升 位压机 下位 等待点 弱磁粥渊磷潮 蜮 放下板件， 一 点 黼黼【， 位压机 e 位 黝 等待点 机 作 强翰掰糍黼鞘嘲 机作 一# # _ 月_ g b 目i m 目鞲嘲 1 生产节拍估算口口 3 4 本章小结 本章根据机器人冲压自动线的工艺流程进行设备配置及选型，并给出总体布局设 计的方法。最后，定义了机器人冲压自动线的性能指标，并在此基础上对该冲压自动 线进行了产能分析和工作节拍分析。 2 7 第四章机器人冲压自动线控制系统 控制系统是机器人冲压自动线的核心，它控制着生产线各组成部分的协调 工作。控制系统的技术先进性、完善性和可靠性，控制方法的灵活性和有效性 直接决定了生产线的自动化程度和生产效率。 机器人冲压自动线控制系统由连线控制系统、监控系统和安全防护系统三 大部分组成( 如图4 1 ) 。连线控制系统用于整条自动生产线流程的控制，采 用p r o f i b u s d p 现场总线构成分层控制架构【2 8 】：监控系统采用w i n c c 工业 组态软件，基于工业以太网构成客户机服务器( c l i e n t s e r v e r ) 模式，用于整个冲 压生产流程的监控；安全防护系统则相对独立于连线控制系统和监控系统，用 于整条生产线的安全控制2 9 】【3 0 】【2 7 】”。本章将详细介绍连线控制系统和监控系 统，安全防护系统将在第五章中作详细的介绍。 厂一厂一厂一厂一i 一一厂一i 一一i 一 一一i 一- t 一 一t 一寻。拳 n lr 2 ilr ? i r 4 r ! lr lir ii ： 图4 一l 机器人冲压自动线控制系统的构成 4 1 连线控制系统总体结构 机器人冲压自动线连线控制系统的控制对象，主要由三大部分组成：压机、 机器人及辅助设备。连线控制系统主要负责协调这三大部分各设备动作，设定 工艺参数及进行调整，使整条冲压自动线维持正常的生产运行。 由于整条生产线占地面积广，各设备之间距离大，且设备众多，控制复杂， 因而，传统的2 4 v 或4 一- 2 0m a 的i o 通讯方式显然不能满足控制需求。现场 总线的应用则使这一切变得简单而高效 4 1 1p r o f i b u s - - d p 现场总线概述 现场总线控制系统f f c s ) 的本质是信息处理现场化，具有开放性、互操作性、 互换性、可集成性，可靠性高、易维护和管理，降低投资，减小运行费用，增 强了现场级信息集成能力。它克服了传统工业过程控制系统的投资高，传输精 度和抗干扰性能低，系统不开放、可集成性差，不易安装、维护和管理的缺点。 p r o f i b u s 总线是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总 线标准。p r o f i b u s 由3 个兼容部分组成：p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ) 、p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 和p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) 。其中，p r o f i b u s d p 是一种经过优化的高速和 廉价的通信连接，是专门为自动控制系统与分散的i o 设备之间进行通信而设 计的，以数字信号代替了传统的2 4 v 或4 2 0m a 的并行信号传输，具有数据 传输可靠、响应快、抗干扰能力强、能够自动诊断并显示故障等优点。 p r o f i b u s 主从站之间通过专用通讯线连接。这种主从方式的数据链路协 议符合h d l c ( h i g hl e v e ld a t al i n kc o n t r o l ，高级数据链路控制) 中的非平衡响 应模式( n r m ) ，其工作特点是：总线上一个主站控制着多个从站，主站与每一 船舶 d b h rw 一rw - 4rw 田 团一 l m a s t e rs l a v e ls l a v e 2 s l a v e n 图4 2 主站与从站的通讯 个从站建立一条逻辑链路，主站发出命令，从站给出响应，从站可以连续 发送多个帧，直到无信息发送或被主站停止为止。 主从方式通讯具体过程如图4 2 所示，每个从站均分配一定字节的读写存 2 9 储区，用于存放与主站通讯的数据，主站则分配读写存储区分别与每一个从站 分配的存储区对应。通讯过程中，主站周期地读取从站的输入信息并周期地向 从站发送控制信息。 4 1 2 基于p r o f i b u s - - d p 的连线控制系统结构 通过对机器人冲压自动线的结构及关键技术的研究和分析，连线控制系统 采用基于p r o f i b u s d p 现场总线的分层控制架构( 如图4 3 ) ，构成两层主 从式结构。在第一层主从结构中，以线尾机器人( r 7 ) 的s o f l p l c 作为主站， 用于实现整条生产线的生产流程控制，其余6 台机器人的s o f t p l c 作为从站， 主从站之间通过各机器人控制器中的p r o f i b u s 通讯卡来通信。在第二层主从 结构中，以各