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轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 摘要 轿车车身冲压成形是广泛应用的工艺技术，在我国国民经济中占有极其重要 的地位和作用。随着经济全球化和信息化的深入，我国将成为世界性制造业基地， 如何利用现有的资源和技术，缩短与先进国家的总体水平差距，创建符合中国企 业自身需求的冲压系统，成为了本文的前进方向。 本文所研究设计的冲压线物流系统是上海大学机电工程设计院与重庆南方 金康汽车零部件有限公司合作的工程项目。要求根据生产工艺设计一套轿车车身 冲压线机器人物流机械系统，具体包括2 台拆垛小车，1 台上料磁性皮带机，辅 助的涂油机和清洗机，l 台精确定位的对中台，7 台k u k a 机器人，5 台济南二厂 提供的液压机及2 台尾线皮带机。 针对该系统所生产板料品种繁多复杂的特点，作者确定了柔性化的设计基本 思路，就该系统的总体布局和关键设备进行了研制。其中，拆垛小车为了适应不 同板料尺寸大小和垛料高度的变化，通过二关节手动机械臂的范围调整和高度调 节达到了柔性化的设计标准；对中台则通过不同板料不同对中位置点的选择和不 同程序的调用实现了柔性化；文章也对尾线皮带机和端拾器的柔性化设计做了简 单介绍。 同时文章还依据以往冲压线的生产经验，分析了该系统中的可靠性薄弱环 节，并利用现代可靠性设计方法学中的冗余设计法对其进行了可靠性设计，在介 绍了冗余系统的同时，对可靠性进行了计算验证。 最后作者通过对该系统现场调试问题的解决，优化了系统在设计初始阶段的 不足之处，并结合实际生产工艺，对如何提高冲压线的生产效率提出了自己的观 点。 综观全文，此次设计最终完成了轿车车身冲压线机器人物流机械系统，目前 整线运行稳定，实现了量产化。 关键词：冲压线机械系统柔性化可靠性现场调试 轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 a b s t r a c t t h ea u t o m o b i l ep r e s sf i n g u r a t i o nh a sb e e naw i i du s e dt e c h n i c s ，w h i c h h a st h ei m p o r t a n ts t a t u si no u rc o u n t r ye c o n o m y s i n c et h ed e e p e n i n go f g l o b l ea n di n f o r m a t i o n a l ，c h i n aw i l lb et h eb a s eo fw o r l dm a n u f a c t o r y h o w t ou s et h er e s o u r c ea n dt e c h n o l o g yi nb e i n g ，s h o r t e nt h eg a po fl e v e l a n dc r e a t et h ep r e s ss y s t e mw h i c hc h i n e s ec o m p a n yn e e d sg o tt ob et h e a i mo ft h i sa r t i c l e t h ep r e s ss y s t e mr e s e a r c h e di nt h i sa r t i c l ei sa p r o j e c ti t e mb e t w e e n m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n gi n s t i t u t eo fs h a n g h a iu n i v e r s i t ya n dc h o n g q i n g s o u t hj i n k a n ga u t o m o t i r ec o m p o n e n tl i m i t e dc o m p a n y i ti sr e q u i e dt o d e s i g na na u t o m o b il ep r e s ss y s t e md e p e n d so nt h ep r o d u c tt e c h n i c s ， i n c l u d i n gt w od o l1i e sf o rp a r tt r a n s p o r t a t i o n ， o n em a g n e tc o n v e y o r ， o n er e o i l e r c l e a n e r ， o n ec e n t e r i n gs t a t i o n ，7i n d u s t r i a lr o b o t sf r o m k u k a ，f i v ep r e s s i n gm a c h i n e sd e v e l o p e db yj i n a nn o 2 m a c h i n el i m i t e d c o m p a n ya n d2t a ilc o n v e y o r s a i m i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r e s s i n gp l a t e s ，a u t h o rm a d e af l e x i b l ed e s i g ni d e aa n du s e dt h ei d e at or e s e a r c ht h ep o s i t i o na n d t h ek e yf a c i l i y i e s t om e e tt h ed i f f e r e n c eo ft h ep l a t e s ，t h ed o l l yu s e s t h em a n u a lm e c h a n i c la r m st oa d j u s tt h er a n g e t h ec e n t e r i n gs t a t i o n c h o o s e st h ed i f f e r e n tc e n t e rp o s i t i o na n dd i f f e r e n tc o n t r o lp r o g r a mt o m a t c ht h ef l e x i b l ei d e a b e s i d e s ，t h ea r t i c l e m a d ea s i m p l ei n t r o d u c t i o n o ft h et o o li n g sa n dt h et a ilc o n v e y o r s i nt h es a m et i m e ，t h ea r t i c l eu s e dt h ee x p e r i e n c eo ft h eo l dp r e s s l i n e st of i n dt h ew e a k n e s so ft h es y s t e ma n du s e dt h er e d o n d e n c yd e s i g n t ob u i l d u pt h er e l l a b i l i t yo ft h es y s t e m a tl a s t ，a u t h o ro p t i m i z e dt h ew e a k n e s s e so ft h eb e g i n n i n gd e s i g n t h r o u g ht h er e s o l u t i o no fd e b u g g i n ga n dg a v es o m ea d v i c e so fe l e v a t i n g h 轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 t h ee f f i c i e n c y t h ef i n a lr e s u l t so ft h i st a s kh a v ea p p r o a c h e dt h er e q u i r e m e n t e s t a b l i s h e db e f o r e ，a n dt h ew h o l es y s t e mi sr e c e i v e dm u c hp r a i s ef r o m t h ee n t e r p r is e n o wt h isp r e s ss y s t e mh a sb e e np u ti n t op r o d u c ti o na n d r u nw e l l k e y w o r d s ：p r e s sl i n e ，m e c h a n i c a ls y s t e m ，f l e x i b l e ，r e l i a b i l i t y ，d e b u g i i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 运毒左 日期：丝：! ：! ：兰 轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海大学机电工程设计院的实际生产项目。 1 2 课题研究的目的和意义 随着汽车产业的不断发展，激烈的市场竞争迫使汽车生产厂家不断地研制开 发新产品，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，都是以汽车车身的改变最为突出。车身覆盖件是汽车车身内、外 表面的蒙皮零件，是汽车车身的改变或更新的主体，其制造工艺及质量水平将 直接影响到汽车的制造质量和制造成本。车身覆盖件冲压技术【u 已经成为衡量汽 车制造水平的关键技术，而覆盖件冲压生产线的选择【2 1 又直接关系到冲压工艺过 程的完成及产品质量、设备安全、生产效率、模具寿命、产品成本等一系列问题。 因此，冲压线布置及设备选择【3 】引起了各汽车厂家极大的重视。 高自动化冲压生产线具有以下优点： 稳定和提高冲压件的质量 提高生产效率，减小相应的设备投资 改善工人工作环境，降低不安全因素 同时，由于冲压线向着高速化、高品质、自动化、柔性化方向的发展【5 】【6 】【7 】， 传统冲压生产过程中的手工操作、人工送料的生产方式【8 】已经无法满足该行业的 需要，所以在生产线中采用工业机器人( 机械手) 代替人工操作，构成自动化生 产单元或组成全自动生产线例【1 0 】，是进行高速、高效、高质量冲压生产的一种 有效方法，也是现代冲压生产技术的一种发展方向。 另外，早期的单机、单工位流水线生产方式已经远不能适应生产发展的需要 【1 1 】f l2 1 ，作为冲压生产线中的重要环节整个冲压线的物流系统，包括上、下 轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 料方式，拆垛方式及对中方式等多种多样，如何根据自身的生产需求选择合理的 物流系统设备及其布置，是生产者极为关心的问题。 所以，本课题力求结合国内外相关冲压生产线的实际经验，根据实际生产厂 家的具体要求，设计一套较高品质的轿车车身冲压线机器人物流机械系统，并对 其关键设备进行一定的研制。 1 3 课题国内外综述 作为冲压线最为关键的设备，目前世界上冲压成形的大型压机向两个方向发 展【1 3 】 1 4 1 ：一是大型多工位压力机，如美国、日本、德国的汽车公司多采用这一 类；二是侧重于柔性生产的大型压力机生产线( 配以自动化上下料机械手) ，其 关键冲压设备的特点是大吨位、大行程、大台面、高效率、高精度。由于国内自 身技术条件不够成熟，又无法全面进口大型多工位压力机，同时国内的旧冲压生 产线又无法完全舍弃，所以多以单机连线的压力机生产线为主。 站在历史的角度来看，国外在冲压线的探索上也是走过一段摸索与尝试的过 程的 1 5 1 。从最早的由一台双动压机和几台单动压机组成的冲压线开始，由工人 手工进行上下料和压机之间的传送。这样的冲压线生产效率低，工作环境恶劣。 出于对工作环境的考虑，人们开始着手研究由机械化装置来代替工人进行上下料 及配送工作。虽然这种革新在一定程度上改变了人们对于冲压线的观念，但是由 于必须根据不同的冲压生产线制造不同的机械装置，而且机械装置的结构过于复 杂，越来越不能满足多变、量化的冲压线要求，所以这种冲压线也很快被人们所 淘汰。进入2 0 世纪7 0 年代后，工业机器人技术进入了一个成熟期，被广泛应用 到工业领域的各个方面，而在冲压生产线中的复杂机械装置也被工业机械臂逐渐 所取代，进而出现了采用拆垛装置、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。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。然而，冲压生产线的发展却并未停止，数控液压 气垫的出现，使人们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 轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 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。这种大型多工位压机是目前最先进的冲压设备，国外大型生产厂家都 已经在其冲压线上配备了大型多工位压力机。 作为国内的汽车生产厂家，在无法引进大型多工位压力机的现状下，只有通 过自主配备高柔性的自动化生产线来解决。目前，国内汽车行业大部分仍然采用 人工操作配合部分自动化的冲压线，只有少数冲压线实现了自动化。据记载 1 6 1 ， 1 9 9 5 年济南第二机床厂与美国1 5 1 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1 5 1 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大众 公司投入了生产使用。 除了压机之外，整个冲压线还需要许多辅助设备来完善冲压流水线操作的过 程，其中包括送料机构，拆垛设备，对中设备，机械手臂等等。在冲压线的生产 过程中，它们控制着整个冲压件的进程，这里统称它们为物流系统。作为自动化 生产线的物流系统，也在不断进行着创新与变革。 首先对于送料机构 1 7 1 而言，普通压力机上的送料机构根据送料动力的不同 可分为机械、液压、气动三大类，在冲压加工中以机械与气动二类应用较多。目 前，国内汽车工业中生产轿车外覆盖件和大型内衬件的自动化冲压生产线，由于 还没有大型多工位压力机的投入，所以自动化生产主要还是以配备常规的机械手 加穿梭小车或机器人输送系统的串列式冲压线为主，它主要由c n c 上料、取料机 械手和穿梭小车组成。采用该系统的工件将通过机械手简单的“拾取”和“摆放 动作从前一台压力机输送到后一台压力机，其穿梭小车的主要功用就是通过它的 穿梭运动缩短取料和上料之间的输送行程，从而提高整线的生产节拍。但是在该 冲压线中由于存在工件换向和双动拉深的问题，因此，必须配有同步翻转装置， 而且设备的维修量很大。 而多工位送料系统则是一个类似移动臂的装置，主要作用是把冲压件从一个 工位移到另一个工位。一组模具内的每一副模具的冲压工作都在同一台压力机内 轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 完成。多工位送料移动杆沿着模区移动，它们是主要结构件，移动冲压件的端拾 器就安装在这些结构件上。在汽车车身冲压厂，根据送料的传动方式，多工位送 料系统主要有：机械送料、电子送料和组合式送料。 为了能在柔性较好的冲压线和高效的摆杆式多工位压力机之间找到一个既 兼顾两者的优点，又可以在常规串列式冲压线上实施的自动化方案，从而获得一 条既有较好的产品柔性，又具有较高的生产效率的自动冲压生产线，并能尽量降 低设备的投入和生产成本，米勒万家顿公司 1 8 】研制开发了专门用于自动冲压线 的快速横杆式输送系统。该系统和现有的机械臂式的送料系统相比具有以下几个 主要优点：1 稳固的横杆式机械结构使输送机构的运动更加平稳可靠，从而输送 速度得以加快，冲压整线生产效率有了很大的提高。2 减少了整线设备的占地面 积，并缩短了压力机地基的长度，从而降低了整个工厂的土建投资。3 提高了与 欧美国家的多工位压力机生产模具的匹配能力，从而实现了模具和端拾器在多工 位压力机和串列式冲压线两种设备之间的互换，为国内的冲压生产与欧美汽车工 业接轨奠定了基础。 对于整个物流系统来说，工业机械手臂的应用【1 9 】1 2 0 1 也是至关重要。由于目 前国内的工业机械手臂技术还不够成熟，所以大多采用国外进口的机械臂，主要 的生产厂家有：k u k a 、川i 崎、a b b 、c o m a n 等等。以上这些机械臂生产厂家都针 对冲压生产线推出了自己的冲压机械臂，其主要特点是：在机体结构上基本与一 般的工业机械臂相似，区别在于机械臂的运动范围更大，能适应冲压线上不同压 机间不同距离的调整；在控制上除了实现一般运动的基本控制系统外，还专门针 对冲压线配备了控制模块，用于实现冲压生产中的特殊功能，例如：自动工作节 拍优化，过程数据获得与处理，故障信息显示等等，方便使用者操作。 1 4 课题主要研究的内容及初步方案 本课题的研究内容，应着重于整个冲压线物流机械系统的布置，关键设备的 研制，以及机械臂与压机之间的联系。大致可分为以下几个方面： 1 机械臂的选择及其分布形式 轿车车身冲k 线机g 钫流机械系统及关键世备的研制 2 关键设备的选择和研制 3 总体物流系统的现场调试 首先作为整个冲压线物流系统中最主要的设备，机械臂的选择及布置不仅关 系到整条冲压线的生产效率，还会影响到其他相关设备和压机等的选择和布置问 题。所以机械臂的问题必须先行确定，才能进行下一步的研究。 目前在冲压线上广泛应用的两种自动化形式”为机械手形式和机器人形 式，用户可根据具体情况选择如生产状况是产量大、品种多则必须考虑生产效率。 为此将两种形式作一比较( 图1 1 ) ： 一目机械手机嚣人 擅骨 生产效率 运行呜定性 曩幢 矗 矗 薯定 不好 羲 低 ：r = t 定 好 优势i 土辑 捆嚣人 札械手 机手 机嚣人 图1 1 自动化形式比较 对于现有国内的生产厂家来说，机械臂的优势不仅在于上表所示的生产效率 和性能稳定，同时由于机械臂在国内供应商所提供的售后服务对于目前技术还不 够成熟的国内厂家来说，具有很高的长远价值。所以，机械臂还是比较适合国内 厂家的选择。 作为自动化冲压线总体布局的重点，机械臂的布局方式m ”会影响到整条 冲压线的布局，包括占地面积，形状大小，其他相关设备的布局等，所以必须先 确定机械臂的布局。作为单机联线自动化冲压线，其相关设备”4 “2 ”基本上都配 备有拆垛，上下料机械手，翻转装各( 根据不同模具要求) ，对中设备和码垛装 置。其生产节拍为68 件每分钟，是高生产节拍可达1 21 8 件每分钟。而自动化 生产线机器人布置有三种形式，分别为内置式，外置式和整体驱动梁式。前两种 形式中机器人均独立处于冲压工位即压机之间，这种布置方式的优点在于机械臂 都置上的柔性化，可以根据不同的冲压线进行调整。而后者则是整体驱动粱式， 轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 即以一根整体梁作为机械臂运动的导向装置，在定型产品长期生产的情况下或工 位数较多或工位间距较大时应采用整体驱动梁式，这种方式送料更有利，设备投 资也会减少，最大的缺点则在于缺乏柔性( 如图1 2 ) 。 县口8 口县 中簿正传台 r l 中鳃i 作台驱动装置 b ) 外鼍式独立骣动戡器入自动缆 ( c 熬体驱动瓣藏机器人冲匿自动线 图1 2 自动线布置形式比较 作为本次课题的研究对象，该冲压生产线属于短周期，高柔性化的生产线， 所以首先排除整体梁式的布置方式。其次，由于整条冲压线的压机和模具都是外 购产品，不宜在压机内部进行重新的规划和机构调整，所以从目前条件来看，将 会采取外置式独立驱动机器人自动线的布局。 在选择好机械臂的布局后，就可以根据所加工的产品和压机的总体规划等来 确定所需要的机械臂类型，这里不再赘述了。 接着根据所选择的机械臂及其布局和所加工产品的尺寸大小及加工要求来 确定其它的关键设备。 从总体物流机械系统上来看，该冲压生产线属于柔性化生产线，需要所有机 械设备间具有相关柔性连接；从被加工板材的加工要求来看，无须双向拉伸，也 就是说无须翻转机构；从安全角度来看，整个冲压生产线必须被包围在安全护栏 之内。所以，大致先确定下所需要的关键设备如下：拆垛装置，上料机构，涂油 机，对中台，下料机构和安全护栏，以下是对设备的初步确定。 轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 拆垛装置其实可以分为两个部分，首先是堆垛装置。一般来说为了满足拆垛 的连续性，堆垛装置会同时进行上料和拆垛，这就要求同时有几个工位。目前来 说，有旋转式和双向式两种方案。旋转式装置顾名思义就是在同一轴平面上装有 几个不同的工位，在其中一个工位进行上料的同时，另外的工位可以进行拆垛的 工作，在拆垛完成后将空位旋转致上料工位，同时上料完毕的工位旋转致拆垛位 进行拆垛。这样的装置比较适合小型工件及上料拆垛较快的工件。另一种就是双 向工位，即一向上料一向拆垛，较常用的有堆垛小车等。其次是拆垛装置，现有 的拆垛装置主要分为磁性和非磁性两种。对于磁性工件来说，在堆垛的同时对工 件进行一定的磁化，利用同性相斥的原理进行拆垛，对于非磁性工件而言则需要 吹气装置来进行拆垛。由于本生产线工件的尺寸较大且是可以被磁化的钢板，所 以初步确定为双向进出的堆垛小车配备磁性分张器来进行拆垛的工作。具体设计 方案会根据工件和厂家要求确定。 接着是上下料机构的选择，由于在上料机构的选择上，考虑到对涂油机的导 向作用，采用较常规的磁性皮带机作为上料机构，具体的原理就不在这里做介绍 了。而下料机构则采用普通皮带机的下料方式，在具体尺寸和布置上会根据厂家 具体的要求和工件的尺寸进行设计布局。 最后是对中台的设计，它是整套物流机械系统中变化最多，最可以灵活调整 的关键设备。从它的工作目的来看，板材从涂油机出来后速度较快，且可能与安 放的位置有所出入，导致来取料放入压机的机械臂找不到板材或无法准确与端拾 器结合，如果这样的话可能导致系统报错，无法正常运行，更有可能出现安全事 故，所以在放入压机之前有必要将板材放在对中台上进行对中。从工作原理上看， 可以分成利用重力进行对中的方式和利用步进电机驱动进行对中的方式。前者虽 然在结构上比较简单，但是对于不同的工件必须由不同的机器人进行操作，不适 合加工周期短的工件。后者利用步进电机控制的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。所以在这里初步选择后者作为应用对象。 对于具体的设计方案，这里只针对对中台做初步的介绍。对中台的设计可以 轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 说需要考虑的方面很多，合理地安排对中定位装置的位置和动作顺序及良好的机 构设计和保证系统可靠性是设计成功的关键，必须综合考虑系统的抗疲劳性能及 运行可靠性、工件对中过程中摩擦力和系统自身的阻力等因素。 普通的对中台基本上结构较简单，框架上大都采用方管钢支撑，传递上则采 用单向排轮的结构。在框架和排轮的装配上利用轻微倾斜角引导板材的滑向。这 里也是希望得到改进的地方，由于排轮的单向引导性，在侧向对中时容易引起板 材与排轮间的滑动摩擦，造成板材的滑伤及磨损，故提议改为球型滚珠式导向， 减少不必要的磨损。在倾斜角度方面，由于板材在被涂油机导出时速度很高，加 上板材本身的重力因素，在经由滑轮导向会造成板材在下滑过程中继续提高速 度，虽然有弹性缓冲器作为缓冲，但仍会造成不必要的撞击磨损，也容易撞飞弹 出板材，造成伤害事故。所以提议在导向轮的安置上倾斜角度应趋于平缓，适当 降低板材的下滑速度，但决不允许下方导向角度小于上方导向角度，如果以上条 件成立会造成板材在下滑过程中撞击导向装置，造成损伤。 在对中原理方面，大都采用汽缸拍打式的方式，包括前后拍打装置和侧向拍 打装置。下料位置的拍打块( 带弹性缓冲器) 始终处于伸出状态推动止挡块挡住 下滑板料。在这些止挡块前部都装有接近开关，当板材靠到止挡块时，接近开关 发信启动其他对中装置，包括前后对中和侧向的对中。 侧向的对中是该设备在原有基础上改动较大的部分，由于如今冲压板材尺寸 的多样化，对中台必须适合所有尺寸大小的板材，而且出于设计方便和经济效率 的双重考虑，现今的汽车覆盖件会有孪生件，这就要求对中台能够同时对两块板 材进行分别对中。所以，有必要在对中台的中间设立四套拍打装置，其中的两套 拍打装置是针对所有板材的对中，所以在设计上应该考虑到既能适应最大板材也 可以适合最小板材的对中。而另外的的两套拍打设备是在检测到有板材双进时配 合原有的两套对中设备分别对两块板材进行分别对中，在没有双进检测信号时它 们是位于导向轮面下方的。同时，考虑到双进的情况，所以中间对中的两套装置 在前后方向上必须尽量的靠近。 在对中定位方面，采用丝杆和编码器的搭配，在调试时记录下所有板材的对 中位置，在实际操作时只需根据不同板材的编号进行不同程序的调用即可。 其他的设备包括涂油机，端拾器，双料检测单元和安全护栏等的选择和设计 轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 也是整个物流机械系统的成败关键，必须根据板材的加工要求进行相应布置，在 这里就不赘述了。 最后是整条冲压线的总体物流系统控制，作为一套完整的物流系统，所有的 设备都将通过程序控制来达到流水线的目的。冲压生产线在效率控制方面将根据 工件的生产节拍调整机械臂和压机的工作周期，力求达到最佳的生产效率；在每 两个设备的连接部分也会通过互锁来衔接，保证通畅；在护栏方面，通过对光电 开关的应用及程序的互锁，保证整条生产线的安全性。 1 5 研究过程中可能遇到的困难和问题以及解决的措施 在研究过程中可能遇到的困难是无法完全估计的，站在现有的角度，初步能 估计到的问题有以下几点： 关键设备的设计和布局 机械手臂与压机的联系( 从物流、效率等角度) 作为一个机械设计人员，应该根据产品作出有利于生产厂家也有利于商家的 设计方案。对于生产厂家而言，加工的零件最好能够符合以往的加工要求，不希 望增加新的技术成本。而对于商家来说同样希望能和原有的设备尽可能地相似， 避免为新技术而投入的人员培训，以上这些都导致设备的机械设计在原有的基础 上无法有新的突破。但是作为研究创新来说，总是希望能有所不同，在这套冲压 线物流机械系统中，大多数的机械设备在技术上都已经趋于成熟，想要在机械设 计方面有所创新实属不易。希望能够结合国内外比较先进的设备设计理念和上海 大学机电工程设计院丰富的设计机电工程设备的相关经验，在原有的基础上有所 突破。 同样的，对于没有经历过大型项目洗礼的我而言，对整套设备系统总体性的 拿捏还是很不到位的，所以对于冲压线的总体布局方面也是一个不小的挑战。希 望可以通过对物流方面书籍的阅读，了解尽可能多的设备布局方面的知识，同时 通过对现场的熟悉，揣摩厂家对于设备布局的构思，尽可能作到既能使整条生产 线安排合理，又能使生产厂家得到满意。 轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 最后能想到的问题是关于控制方面的，对于目前生产厂家越来越高的效率要 求，如何在保证安全的条件下加快冲压的生产节拍，提高生产效率，是关系到整 条生产线联动布局的问题，希望能够通过控制方面的加强得到实现。 轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 第二章轿车车身冲压线机器人物流机械系 统总体布局设计 轿车车身冲压线机器人物流机械系统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 要通过各种技术性能指标的分析，对该生产线进行合理的规划和布局，主要包括 冲压工艺，生产节拍，工作流程，各设备的设计，选型，布置、电气配置等。 2 1 轿车车身冲压技术性能指标与工作流程 2 1 1 轿车车身冲压线技术性能指标分析 轿车车身冲压线机器人物流机械系统的技术性能指标是衡量和评价生产线 各组成部分及总体性能的标准，也是进行系统设计的依据和标准。因此明确各项 性能指标的定义及含义，对冲压自动线的设计、制造以及性能、先进性的正确评 估或同类产品的比较，具有重要的意义。 轿车车身冲压线机器人物流机械系统技术性能指标主要有总体技术性能指 标和生产线各组成设备单项技术性能指标两大类，定义【9 】如下： 总体技术性能指标 生产节拍：指生产线在纯生产时间内的单位时间板件成品的最大产量，单 位：件分钟。 生产辅助时间：生产线用于换料、更换模具、更换机器人端拾器及必要的 设备调整时间总称为生产辅助时间，单位：分钟。 生产线平均生产节拍：包括生产时间、辅助时间、故障时间等在内的单位 时间里生产线板件成品的最大产量，单位：件分钟。 单项技术性能指标 压机中心距：相邻两台压机中心线之间的距离，该参数与生产节拍有关。 压机运行节拍：滑块每分钟从上死点运动到下死点，然后再回到上死点往 轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 复的次数，即压机的冲次，单位：次分钟。 上料干涉高度：压机滑块从下死点上升至允许上料机器人进入模具内送料 操作的最小距离，单位：毫米。 下料干涉高度：压机滑块从下死点上升至允许下料机器人进入模具内取料 操作的最小距离，单位：毫米。 机器人工作范围：机器人末端所能达到的空间范围。 机器人运行速度：机器人在上料、下料过程中的运行速度。 机器人负载能力：机器人末端能承受的最大的负载重量，包括端拾器和板 件。机器人工作节拍：机器人在单位时间内完成上料、下料操作的次数即传递 板件的件数，单位：件秒。 产能分析 轿车车身冲压线机器人物流系统不同于其它生产线，具有以下特点：多种产 品共线生产；不同产品间切换时间较长( 主要表现为模具及端拾器的更换) 。根 据该物流系统的特点，其产能主要由以下几方面决定： a 生产可用时间( 工时基数) ，工时基数= 工作天数班次每班工作时 间； b 生产利用效率，生产中由于设备故障及正常生产维护等因素影响，将 导致部分生产时间浪费； c 用于产品切换的时间，主要以更换模具为主，故又称为换模时间( 换 模工时) ，换模工时= 换模次数换模时间； 卜实际冲压生产所用的时间，由压机完成冲压生产所需时间及机器人上 下料所需时间构成( 生产工时) ，生产工时= 产量生产节拍。 以上各方面之间的关系可以表示为：a b = c + d 从上式可以看出，当a 、b 、c 确定后，d 为定值，提高生产节拍将提高产量。 2 1 2 系统工作流程分析 在明确了几个主要工位的生产要求后，可以初步确定该机器人物流系统的工 作流程( 图2 1 ) ： 轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 取料 拆垛目 双料检测 = = 刮豢油 = 刮一对中i h d j 【l 再桃孽令叫 i 工件在压 l下料 轴击o 角雎：丛 | 乙一 上瓣 ? ：一y 琊。zb l 信逝 ( 7 # 机器人) r 2 # 机器人) l ( 3 # 6 菇机器人) 图2 1 轿车车身冲压线机器人物流机械系统工作流程 根据冲压生产的工艺流程，人工( 叉车) 将料垛放入堆垛小车，由磁性分张 器进行分张；1 # 机器人从拆垛小车上取下板料，经过初步双料检测后送入上料皮 带机；经过涂油装置( 清洗装置) ，完成后板料进入对中台，进行二次双料检测 并对中定位；2 # 机器人抓取己定位的板料，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2 # 6 # 机器人完成； 完成冲压后的板件由7 # 机器人取出，放在下料输送装置上，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。 2 2冲压线机器人物流机械系统布局方案 2 2 1 轿车车身冲压线机器人物流系统各工位方案分析 对于一套大型的自动化系统而言，为了根据生产需要和场地实际情况，合理 规划生产线的布局，应该在分析技术性能指标的基础上，根据生产实际需要，合 理安排生产线的工作流程。根据轿车车身机器人物流机械系统的生产要求，首先 确定了各个工位的工作要求与初步方案： 拆垛小车 垛料工位有两台独立的拆垛小车，可替换使用以保证连续生产，拆垛小车可 以在铺设的导轨上进行移动。当小车需要装载板料时，移出工作区域，板料装载 完毕后，移进工作区域，并且在工作区域内设有位置检测开关，保证了重复定位 轿车车身冲线机器人物流机械系统及关键设* 的研制 的精度。位置检测信号同时和拆垛机器人联锁小车不在工作位置时，机器人不 会在该垛料台上进行操作。 图22 拆垛小车设计方案 小车的装料区域和工作区域用电动门进行隔离，电动门信号与操作安全信号 连锁，保证了系统的安全性。在拆垛的时候，小车上的垛料是不动的，出拆垛机器 人自动适应所来垛料的高度( h 5 0 0 哪，不舍托盘高度) 开始拆垛，并能够自动适 应垛料高度的变化。系统用机器人将垛料自动拆成单张( 要求使用磁力分张器， 分张成功率 9 95 ) 并有双料检测装置( 测量范围具有可扩展性，能够满足板厚 d 2 5m m 的板料的检测，可预先设置要检测板料厚度) 。 上料皮带机 对中工位分为上料皮带机( 粗对中) 、涂油机( 涂油) 和对中台( 精确对中) 3 个子工位。上料皮带机判断涂油机以及对中台的状态，并把板料送入涂油机，经过 涂油处理的板件直接被传送到对中台上。 在方案设计上选用多条窄形皮带共同传送的方法，根据涂油机的工作高度确 定板料传送的高度。在每条皮带的下方都装有固定磁盒，保证板料在传送过程中 不出现偏移和滑落，同时也确保了板料可以顺利进入涂油机。 轿车车身冲压线机罄人物魂机械系统艘关键设蔷的研制 图23 上料皮带机设计方案 对中台 对中台上面经过定位后的夹持机构在检测到工件信号后，对板件进行对中 方案确定对中方式采用汽缸拍打的方式进行对中方案如图24 。 图2 4 对中台的设计方案 在控制上对中台对于每个工件的尺寸都有记忆功能。通过安装在驱动定位挡 轿车车身冲线机器人物流机械系统及关键蹬备的研制 块的电机上的编码器，对于每一个工件，只需要在第一次进行编程的时候，手动 调节好板件的定位位置，并用编码器记下板件的实际位置就可以了。以后只需要 根据工件的编号，并根据以前记忆的数据，便可以轻易找回以前的位置。当板件 通过涂油机或者皮带机传送到对中台上后，安放在前固定挡块上的传感器只要一 检测到工件，便会对工件进行定位，定好位后会发送给下一台机器人定位完成信 号，以执行以后的操作。 尾线皮带机 尾线传输由两条独立的皮带机组成( 图25 ) ，皮带机间距可调。对于小的 工件，只需要放在一条皮带机上；对于较大的工件或者是双片工件，可以通过调 节两个皮带机之问的间距来满足要求。皮带机在机器人的放料位置装有光电检测 开关，皮带上有工件时，机器人在放料位的上方等待直到皮带上的工件送走。 图2 5 尾线皮带机设计方案 压机 该轿车车身冲压线机器人物流机械系统采用的是济南二厂生产的 l s 4 1 6 0 0 f - 4 6 0 0 2 5 0 0 型液压机床。 轿车车身冲k 线机器人物流机摊系统关键设备的研制 图2 6 机床现场照片 该液压机床是四柱液压机只能在冲压机前后两个方向进行上下料工作，而 液压机的左右两侧用于换模时模具的放置。 在冲压工作过程中，凹模静止不动，拉伸液压缸带动凸模冲压钢板成形。在 上料的过程中可以利用的空间高度为凹模上平面到凸模下平面的一段距离。在冲 压工作完成后，顶起装置顶起时，进行下料工作。 冲压机器人 冲压机器人主要是用于模仿人上肢运动，代替人进行板料搬运劳动的一种自 动机械，也称为冲压机械手。冲压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机构。 冲压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。 轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 本课题选用k u k a 冲压专用机器人k r l 2 0 p 2 0 0 0 来完成拆垛以及各压机之间 板料的传递工作。根据表格所示其性能参数，该型号机器人完全可满足冲压线垛 料和搬运的各种要求。 负载( 指第6 轴最前端p 点负 载)1 2 0 公斤 、。 、i + “。j 。1 ： 一 ”| 锈 ； 附加负载5 0 公斤j 总负载1 7 0 公斤 1 ： 运动轴数 6 ：； 法兰盘( 安装在第6 轴上) d i ni s o9 4 0 9 l - a 1 6 0 j ； 安装位置 地面墙壁j v 重复精度 + - 0 2 m m 控制器 k r c 2 ： 一 “一r 一遵 自重1 5 0 0 公斤 i 7 作业空间范围1 4 5 立方米j 每个轴的运动参数 运动范围运动速度： 一口 轴1+ - 1 8 5 。 9 0 。s 轴2 + 7 0 。- 1 2 0 。8 4 。s ； + 1 5 5 。 轴3 一1 1 9 。8 3 。s 轴4+ - 3 5 0 。 1 2 14 s 轴5+ - 1 2 5 。1 2 4 。s 轴6+ - 3 5 0 。1 8 4 0 s ： 表2 1机器人参数表 2 2 2 轿车车身冲压线机器人物流系统布局方案 冲压加工自动化系统包括材料的输送，冲压工艺过程及检测，冲压模具的更 换和安装，废料的处理等各个环节。 轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 以上这些构成了冲压线机器人物流机械系统的整个系统。根据生产厂家的场 地状况和生产的实际需求，做出以下布局规划( 图2 7 ) 图27 总体布局 轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 2 3 本章小结 本章就汽车车身冲压线机器人物流机械系统的总体布局进行了分析，从轿车 车身冲压技术性能指标入手，确定了整个系统的工作流程，并对每个工位的初步 设计方案进行了简单介绍。通过对生产场地，生产技术要求等实际因素的分析后， 规划了总体的布局。 轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 第三章系统的柔性化设计 对于轿车车身冲压线机器人物流机械系统来说产品种类的多样化是其最主 要的特点，也是该系统设计上的难点。在采用了柔性生产线布局的基础上，针对 每个工位的具体操作，如何体现相对应于不同产品的柔性化是能否实现多样化生 产的关键。本章将在柔性化系统设计理论的基础上结合实际生产对关键设备进行 研制。 3 1 柔性化介绍 柔性就是可变通性、易适应性。企业制造系统的柔性，简单的说，包括两方 面的内容【2 6 】：第一，是系统的加工范围。如果一个生产系统能呈现范围更宽的 加工状态和行为( 如生产的产品品种数，加工的零部件数) ，则其具有较大的柔 性。第二，系统从一种加工状态转换到另一种加工状态的难易程度，可以转换与 调整所需要的时间和成本来度量。因此，高的柔性意味着企业的制造系统有着对 多样化不确定需求高的适应性，由此将表现出高的设备利用率、高的生产水平和 更低的成本，因而使企业有更强的竞争力。 在不同的时间范围上，制造柔性的作用不同 2 7 1 。在短时间范围上，产品组 合与加工工艺不变，产品的需求稳定，产品设计的变化很少。短期柔性的作用在 于应对设备故障、小的设计变动、原材料供应不确定和需求的变化性，以维持生 产系统的正常生产。在中期时间范围上，产品设计和产量发生变化而制造系统的 结构基本不变。中期柔性的作用是在新的产品和不同的需求结构下有效利用现有 设备和能力进行生产，在长期时间范围上，制造系统本身也变化了，长期柔性的 作用在于改变生产规模而增加的投资较少。 在不同的层次范围上，各种制造柔性的作用也不同。元件级柔性可以提高自 动化水平，有利于提高产品质量、降低劳动强度、改善生产环境；系统级柔性可 以提高机床利用率，缩减辅助时间，降低生产成本，适应市场需求，利于多品种、 中小批量生产；综合级柔性可以缩短生产周期。减少库存量，增强系统运行的可 靠性，提高生产率等。 轿车车身冲压线机器人物流机械系统及关键设备的研制 3 2 课题柔性化设计的必要性 柔性化制造系统可以快速地、低成本地从一种产品切换到另一种产品的生 产。如果一个企业能够用同一套设备生产多种不同的产品，且设备能够随着市场 需求的变化适用于新产品( 型号) 的生产，那么该企业就具备了动态地适应多样 化需求的能力。企业设备动态适应的产品的范围越大，导致新企业进入其市场的 障碍也越大，企业的竞争优势也越大。 因此，生产厂家在满足生产工艺的前提下，尽可能地利用同一套设备加工生 产多型号的产品，降低企业成本。该系统所生产的产品共涉及7 个类别1 1 个品 种，具体见表3 1 。 零件代号零件名称 工序数坯料尺寸m m重量k g 8 4 0 2 1 0 i u 7 1 5 0发动机盖外板50 8 1 5 3 5 i7 0 0 8 4 0 2 2 0 1 u 7 1 5 0发动机盖内板40 8 1 4 8 0 1 7 7 0 5 7 0 0 1 1 1 u 7 1 5