FEEDERplusTM机械手在冲压自动化中的应用09-06-10.doc

本文由spiderhill贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 TM 机械手在冲压自动化中的研究与应用 中的研究与 FEEDERplus 机械手在冲压自动化中的研究与应用 TM 闫占海 薛盛智 廖鹏 芜湖） 奇瑞汽车股份有限公司 规划设计院（中国 摘要 本文介绍了一种新型机械手在冲压自动化生产线中的研究与应用，该机械 摘要 手借鉴了机器人定位灵活可靠的优点，是一种新型的多轴机械手。 关键词 关键词 新型机械手、定位灵活可靠、多轴机械手 TM TM Research and application of FEEDERplus in Press Automation Production Line Yan Zhanhai Xue Shengzhi Liao Peng Co.， Chery Automobile Co.，Ltd. (WUHU CHINA) Abstract Abstract This paper present a new type mechanical Feeder for Press Automation Production Line. It adopts the special characteristics of the Robot-Solution system on Press Line, constructing a new type Multiple-Axis drived Feeder. ords Key Words New-Type Feeder Orientation with great Agility and Reliability Multiple-Axis Feeder 一、引言 冲压是汽车整车生产的四大工艺之一，冲压工艺设备的好坏直接影响冲压生 产线效率及钣金件的品质，目前国内的主要汽车生产厂为提高冲压生产效率，提 升汽车车身质量，冲压生产线大多采用自动化上下料方式。 1、冲压自动化设备的几种型式： 机械手上下料 机械手上下料的自动化机构一般包含拆垛装置、对中装置、上料机械手、下 料机械手、穿梭小车等部分。其中上下料机械手和穿梭小车一般包含两到三个运 动轴，由伺服电机驱动。该系统可以实现 6-9 次/分钟的速度，结构相对简单，传 统的机械手虽然高速稳定，但是其定位灵活性差。 1 机器人上下料 机器人上下料机构一般包含拆垛机器人、对中装置、上下料机器人等部分。 使用通用的工业机器人进行上下料的操作，具有定位灵活可靠，安装调试周期短， 维护简单等优点，其稳定性与节拍一般低于机械手上下料方式。 快速上下料机构 快速上下料机构是由机械手发展而来的，特殊的机构专用于压力机间的板料 输送，速度更快，可以实现 8-15 或更高的传送速度，但是其成本高，设备复杂， 安装调试周期长且维护困难，相应的对压力机及自动化模具也提出更高的要求， 目前国内很少有汽车生产厂采用此种冲压自动化生产方式。 2、机械手冲压自动化的发展 针对机械手上下料生产方式的优缺点，目前国外的机械手自动化生产商在传 统的机械手的基础上研制出多轴机械手，并应用在冲压自动化生产中，其中主要 有以下几种机构形式： 扩展型机械手 FEEDERplus? FEEDERplus?机械手沿用了机械手的高速直线运动，结合机器人定位灵活可靠 的特点，将机器人定位的功能直接集成于机械手上，增加了转动轴以便板料在压 力机间传输过程中在各个方向定位，如图 1 所示。 图 1 扩展型机械手 FEEDERplus? 2 活转臂机械手 Articalated Arm Feeder 活转臂机械手在水平方向的运动是一种波性的运动曲线，如图 2 所示。 图 2 活转臂机械手 Articalated Arm Feeder 摆臂机械手 Swing Arm Feeder 摆臂机械手带有水平轴并带一垂直旋转的直线轴，如图 3 所示。 图 3 摆臂机械手 Swing Arm Feeder 四轴联杆机械手 4 Axes Arm Feeder 四轴联杆机械手带有一横梁式 Y 轴，上装有伸缩的臂，如图 4 所示。 图 4 四轴联杆机械手 4 Axes Arm Feeder 3 针对以上几种冲压自动化生产线的优缺点，奇瑞公司在目前的冲压自动化生 产线建设中根据自身冲压设备的具体情况引进了德国 STROTHMANN 公司开发研制的 扩展型机械手 FEEDERplus?系统。 二、项目介绍 1、工艺流程 由叉车/行车将垛料（含托盘）输送到拆垛小车上，拆垛小车定位后，拆垛机 械手通过吸力装置从垛料上吸取单个板料并把它输送到磁性皮带机上。通过磁性 皮带机将板料经过清洗和涂油送到对中台。经过对中定位后，上料机械手取料， 将板料送入第一台压力机第一道工序的双动拉深模具中。冲压后工件通过下料机 械手从压力机中取出经翻转台翻转，由下一台压力机的上料机械手将工件取走并 放入模具中进行单动冲压， 冲压完成后由压力机第二个间隙的 FEEDERplus?机械手 将工件从压力机模具中取出并定位直接放置于下一台压力机的模具中，这一过程 重复到最后一道工序。下料手在最后一台压力机完成冲压后取走工件放到传送带 上，由人工检查和装箱。 2、生产线的组成及功能 压力机及废料输送系统 该压力机生产线由一台 LD4-1250/750 双动拉伸压力机、三台 LS39-1000 单动 压力机、一台 LS39-800 吨单动压力机组成。其中 LD4-1250/750 双动拉伸压力机 主要负责汽车车身外覆盖件的薄板拉伸成型工艺，生产线其它压力机主要负责汽 车车身外覆盖件的落料、切边、冲孔、修边等工艺。压力机电气控制系统采用欧 姆龙 PLC，能存储并调用每个工件的参数如闭合高度、气垫压力、平衡缸压力等， 并通过中间继电器将压力机状态信号、模具状态信号传送给自动化系统。 生产线产生的废料将通过废料导槽滑落在废料输送线上，通过废料输送系统， 将废料输送到废料回收站。 .机械手自动化系统 4 a.线首单元（包括拆垛机械手、垛料小车、磁性皮带机、清洗机、涂油机、 对中台、第一台压力机上料机械手）：负责板料的拆垛、清洗、涂油、对中 及对双动压力机的上料。 在拆垛机械手上设置有双料检测及板料位置检测装置， 通过双料检测装置 对板料的检测防止拆垛手抓取双料，并判断垛料托盘上的最后一张板料，实 现自动换垛功能。板料位置检测装置可以实现机械手自动寻找板料位置，无 需人工示教编程。 在对中台上同样设置有双料检测装置， 其可以防止第一台压力机上料机械 手抓取双料送至压力机内。防止事故放生。 b.GAP1 单元（包括第一台压力机下料手、翻转台、第二台压力机上料手）： 负责从第一台压力机内抓取已经冲压成型的工序制件并放置在翻转台上，经 过翻转台翻转后，送进第二台压力机进行冲压。 c.GAP2 单元、GAP3 单元（FEEDERplus?机械手单元）：负责 GAP2 单元、GAP3 单元工件传输。 在工件的传输过程中，FEEDERplus?机械手通过其几个旋转轴的联合动作 保持工件的直线运动，并取得更快的运动速度。由于 FEEDERplus?机械手的定 位灵活可靠，即使在前后两台压力机内的模具中心不对中，FEEDERplus?机械 手通过其灵活的旋转轴同样可以实现快速的抓料、旋转传输及放料动作。 d.GAP4 单元 （包括 GAP4 单元 FEEDERplus 机械手、 线尾下料手、 线尾皮带机） ： 负责第四台压力机至第五台压力机工序制件传输及第五台压力机下料，并通 过皮带机输送至线尾检验装箱工位。 其生产线布置如下： 5 线首单元 GAP1 单元 GAP2 单元 GAP3 单元 GAP4 单元 图 5 生产线布置图 图 6 三维布局图 .电气控制系统 该生产线采用西门子公司最新的 SIMOTION 共计采用 5 个 SIMOTION D445 控制系统， 整线控制系统中 D445 控制，一个单独的西门子 S7-319F PLC 负责整线系 统安全控制。该系统与传统的冲压自动化系统主要采用 Profibus 通讯方式不同， 在系统中各个单元通过 Ethernet 与主控 PC、安全 PLC 319F 通信，各单元之间通 过 Profinet 通信，提高了响应速度，并减少和防止系统干扰产生。 如图 7 所示，其整线控制系统如下: 6 图 7 整线控制系统 整线图片如下： 图 8 整线图片 FEEDERplus?介绍 三、扩展型机械手 FEEDERplus?介绍 7 1、FEEDERplus?机械手的工作原理 FEEDERplus?机械手在传统的单臂机械手只有 X1 轴及 Z 轴的基础上，增加了 A1 轴、X2 轴、A2 轴及 B 轴。FEEDERplus?机械手对各轴命名如图 9 所示。 轴 1轴 轴 轴 2轴 轴 图 9 FEEDERplus?机械手轴图示 图 10 FEEDERplus?机械手 FEEDERplus?机械手在运动顺序大体上可分为： 取料(X1+Z+B 动作)、 旋转 (盘 形凸轮驱动)、放料 (X1+Z+B 动作)。对于实际的取料、放料主要是 X1 轴、Z 轴、 B 轴动作，而板料在压力机间的传输主要是盘形凸轮驱动。 盘形凸轮驱动：当开始旋转时，间隙内行程是通过两个线形轴 X1 和 X2 同 时动作完成的，两个轴是几乎是连续动作，同时两个旋转轴 A1 和 A2 向相反方向 旋转以确保板料在旋转过程中保持相同方向。在旋转过程中两个线性轴 X1、X2 和 两个旋转轴 A1、 相互协调运动的， A2 系统设置一个主轴来定义所有四个轴 （副轴） 的运动。副轴的运动顺序是跟主轴相互同步的。一个完整的循环相对应有 720 (360 向前和 360向后)。 图 11 为 FEEDERplus?机械手在压力机间工作循环： 8 第一步： 压力机外等待取料 第二步： 压力机内取料 第三步： 旋转（盘形凸轮控制） 第四步： 压力机外等待放料 第五步： 压力机内放料 第六步： 压力机外等待取料 图 11 FEEDERplus?机械手在压力机间工作循环 2、FEEDERplusTM 机械手单元的电气控制 每个 FEEDERplusTM 机械手单元都是由一个西门子 SIMOTION D445 控制，下图 所示为 FEEDERplusTM 机械手单元的电气控制系统： 9 图 12 FEEDERplusTM 机械手单元电气控制系统 在 FEEDERplusTM 机械手单元的电气控制系统中， SIMOTION D445 通过 Profi Bus 与 IM151-7F、Linear Encoder 通讯，来采集自动化系统中各部分状态信号，并与 压力机控制系统进行数据交换，获得压力机及模具状态信号，来控制 FEEDERplus 机械手动作，保证设备安全。 通过 Profinet 与 Mobil Panel、 ET200S 进行数据交换， 操作者可以通过 Mobil Panel 来对 FEEDERplus 机械手进行示教编程，使 FEEDERplus 机械手按照规定的 运动轨迹动作。 四、FEEDERplus?机械手的优势 FEEDERplus?机械手的优势 1、与传统的机械手上下料方式比较 传统的机械手冲压自动化采用两台机械手和一台带有定位功能的过渡台，只 有 X 轴和 Z 轴两个运动轴，而 FEEDERplus? 机械手在传统机械手基础上增加了旋 转轴，使 FEEDERplus?机械手在模具内的定位功能更加灵活可靠。FEEDERplus?机 械手采用线性的运动轨迹，压力机间隙内采用一个机械手并在板料传输过程中自 动定位，将板料准确的放在下台压力机的模具中，这种工作方式使压力机间的传 TM TM TM 10 输装置由原来的 3 套（下料机械手、翻转台、上料机械手）简化为只有一个 FEEDERplus?机械手，使设备结构简单化，并可节约大量的端拾器制作成本。 2、与机器人上下料比较 目前随着压力机技术的提高，液压制动离合器等新技术在压力机中的使用， 使压力机的行程次数得到进一步提高，这就要求冲压自动化生产线具有更快的生 产节拍，FEEDERplus?机械手沿用了传统机械手的高速直线运动，可以实现 12 次/ 分钟的生产节拍，生产效率高于机器人冲压生产线。而且 FEEDERplus?机械手与通 用的工业机器人比较整体结构相对简单，故障排除更加容易。 3、与快速上下料机构比较 快速上下料机构虽然可以实现更高的传送速度，但成本高，设备复杂，不易 维护，而且相应的对压力机及自动化模具提出更高的要求，使其在目前的国内自 动化冲压生产线中很少应用。 4、与其它几种多轴机械手比较 FEEDERplus?机械手吸取了机器人定位灵活可靠的特点，增加了旋转轴，几个 轴能够联动，使机械手能够实现抓件、放件位置的灵活可靠。从运动轨迹方面， FEEDERplus?机械手利用两个旋转轴的协调动作，实现两台压力机间工件的直线传 输，能够在前后工位模具中心不对中的情况下轻松实现工件定位，使机械手运行 更加稳定可靠。 五、结束语 目前，奇瑞公司该条 FEEDERplusTM 机械手冲压自动化生产线已经顺利投产， 并运行稳定可靠。在压力机行程次数为 14 次/分钟的情况下，实现自动化 8 次/分 钟的生产节拍，提高了整线的生产效率及冲压件质量，降低了工人的劳动强度。 为目前国内机械手冲压自动化生产线提供了一种新的成功模式。 参考文献： 11 1Derek Clark STROTHMANN 论文集 2008 第七期 德国 STROTHMANN 公司 2西门子产品手册 作者信息： 闫占海：男，奇瑞汽车股份有限公司规划设计院，设备规划师，安徽省芜湖 市长春路 8 号，主要负责汽车车身覆盖件大型冲压自动化生产线的规划、研究与 应用。 薛盛智：男，奇瑞汽车股份有限公司规划设计院，主管工程师，冲压设备规 划科科长，安徽省芜湖市长春路 8 号，主要负责冲压设备的规划、研究与应用。 廖 鹏：男，奇瑞汽车股份有限公司规划设计院，设备规划员，安徽省芜湖 市长春路 8 号，主要负责汽车车身覆盖件大型冲压自动化生产线的规划、研究与 应用。 12 1本文由spiderhill贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 TM 机械手在冲压自动化中的研究与应用 中的研究与 FEEDERplus 机械手在冲压自动化中的研究与应用 TM 闫占海 薛盛智 廖鹏 芜湖） 奇瑞汽车股份有限公司 规划设计院（中国 摘要 本文介绍了一种新型机械手在冲压自动化生产线中的研究与应用，该机械 摘要 手借鉴了机器人定位灵活可靠的优点，是一种新型的多轴机械手。 关键词 关键词 新型机械手、定位灵活可靠、多轴机械手 TM TM Research and application of FEEDERplus in Press Automation Production Line Yan Zhanhai Xue Shengzhi Liao Peng Co.， Chery Automobile Co.，Ltd. (WUHU CHINA) Abstract Abstract This paper present a new type mechanical Feeder for Press Automation Production Line. It adopts the special characteristics of the Robot-Solution system on Press Line, constructing a new type Multiple-Axis drived Feeder. ords Key Words New-Type Feeder Orientation with great Agility and Reliability Multiple-Axis Feeder 一、引言 冲压是汽车整车生产的四大工艺之一，冲压工艺设备的好坏直接影响冲压生 产线效率及钣金件的品质，目前国内的主要汽车生产厂为提高冲压生产效率，提 升汽车车身质量，冲压生产线大多采用自动化上下料方式。 1、冲压自动化设备的几种型式： 机械手上下料 机械手上下料的自动化机构一般包含拆垛装置、对中装置、上料机械手、下 料机械手、穿梭小车等部分。其中上下料机械手和穿梭小车一般包含两到三个运 动轴，由伺服电机驱动。该系统可以实现 6-9 次/分钟的速度，结构相对简单，传 统的机械手虽然高速稳定，但是其定位灵活性差。 1 机器人上下料 机器人上下料机构一般包含拆垛机器人、对中装置、上下料机器人等部分。 使用通用的工业机器人进行上下料的操作，具有定位灵活可靠，安装调试周期短， 维护简单等优点，其稳定性与节拍一般低于机械手上下料方式。 快速上下料机构 快速上下料机构是由机械手发展而来的，特殊的机构专用于压力机间的板料 输送，速度更快，可以实现 8-15 或更高的传送速度，但是其成本高，设备复杂， 安装调试周期长且维护困难，相应的对压力机及自动化模具也提出更高的要求， 目前国内很少有汽车生产厂采用此种冲压自动化生产方式。 2、机械手冲压自动化的发展 针对机械手上下料生产方式的优缺点，目前国外的机械手自动化生产商在传 统的机械手的基础上研制出多轴机械手，并应用在冲压自动化生产中，其中主要 有以下几种机构形式： 扩展型机械手 FEEDERplus? FEEDERplus?机械手沿用了机械手的高速直线运动，结合机器人定位灵活可靠 的特点，将机器人定位的功能直接集成于机械手上，增加了转动轴以便板料在压 力机间传输过程中在各个方向定位，如图 1 所示。 图 1 扩展型机械手 FEEDERplus? 2 活转臂机械手 Articalated Arm Feeder 活转臂机械手在水平方向的运动是一种波性的运动曲线，如图 2 所示。 图 2 活转臂机械手 Articalated Arm Feeder 摆臂机械手 Swing Arm Feeder 摆臂机械手带有水平轴并带一垂直旋转的直线轴，如图 3 所示。 图 3 摆臂机械手 Swing Arm Feeder 四轴联杆机械手 4 Axes Arm Feeder 四轴联杆机械手带有一横梁式 Y 轴，上装有伸缩的臂，如图 4 所示。 图 4 四轴联杆机械手 4 Axes Arm Feeder 3 针对以上几种冲压自动化生产线的优缺点，奇瑞公司在目前的冲压自动化生 产线建设中根据自身冲压设备的具体情况引进了德国 STROTHMANN 公司开发研制的 扩展型机械手 FEEDERplus?系统。 二、项目介绍 1、工艺流程 由叉车/行车将垛料（含托盘）输送到拆垛小车上，拆垛小车定位后，拆垛机 械手通过吸力装置从垛料上吸取单个板料并把它输送到磁性皮带机上。通过磁性 皮带机将板料经过清洗和涂油送到对中台。经过对中定位后，上料机械手取料， 将板料送入第一台压力机第一道工序的双动拉深模具中。冲压后工件通过下料机 械手从压力机中取出经翻转台翻转，由下一台压力机的上料机械手将工件取走并 放入模具中进行单动冲压， 冲压完成后由压力机第二个间隙的 FEEDERplus?机械手 将工件从压力机模具中取出并定位直接放置于下一台压力机的模具中，这一过程 重复到最后一道工序。下料手在最后一台压力机完成冲压后取走工件放到传送带 上，由人工检查和装箱。 2、生产线的组成及功能 压力机及废料输送系统 该压力机生产线由一台 LD4-1250/750 双动拉伸压力机、三台 LS39-1000 单动 压力机、一台 LS39-800 吨单动压力机组成。其中 LD4-1250/750 双动拉伸压力机 主要负责汽车车身外覆盖件的薄板拉伸成型工艺，生产线其它压力机主要负责汽 车车身外覆盖件的落料、切边、冲孔、修边等工艺。压力机电气控制系统采用欧 姆龙 PLC，能存储并调用每个工件的参数如闭合高度、气垫压力、平衡缸压力等， 并通过中间继电器将压力机状态信号、模具状态信号传送给自动化系统。 生产线产生的废料将通过废料导槽滑落在废料输送线上，通过废料输送系统， 将废料输送到废料回收站。 .机械手自动化系统 4 a.线首单元（包括拆垛机械手、垛料小车、磁性皮带机、清洗机、涂油机、 对中台、第一台压力机上料机械手）：负责板料的拆垛、清洗、涂油、对中 及对双动压力机的上料。 在拆垛机械手上设置有双料检测及板料位置检测装置， 通过双料检测装置 对板料的检测防止拆垛手抓取双料，并判断垛料托盘上的最后一张板料，实 现自动换垛功能。板料位置检测装置可以实现机械手自动寻找板料位置，无 需人工示教编程。 在对中台上同样设置有双料检测装置， 其可以防止第一台压力机上料机械 手抓取双料送至压力机内。防止事故放生。 b.GAP1 单元（包括第一台压力机下料手、翻转台、第二台压力机上料手）： 负责从第一台压力机内抓取已经冲压成型的工序制件并放置在翻转台上，经 过翻转台翻转后，送进第二台压力机进行冲压。 c.GAP2 单元、GAP3 单元（FEEDERplus?机械手单元）：负责 GAP2 单元、GAP3 单元工件传输。 在工件的传输过程中，FEEDERplus?机械手通过其几个旋转轴的联合动作 保持工件的直线运动，并取得更快的运动速度。由于 FEEDERplus?机械手的定 位灵活可靠，即使在前后两台压力机内的模具中心不对中，FEEDERplus?机械 手通过其灵活的旋转轴同样可以实现快速的抓料、旋转传输及放料动作。 d.GAP4 单元 （包括 GAP4 单元 FEEDERplus 机械手、 线尾下料手、 线尾皮带机） ： 负责第四台压力机至第五台压力机工序制件传输及第五台压力机下料，并通 过皮带机输送至线尾检验装箱工位。 其生产线布置如下： 5 线首单元 GAP1 单元 GAP2 单元 GAP3 单元 GAP4 单元 图 5 生产线布置图 图 6 三维布局图 .电气控制系统 该生产线采用西门子公司最新的 SIMOTION 共计采用 5 个 SIMOTION D445 控制系统， 整线控制系统中 D445 控制，一个单独的西门子 S7-319F PLC 负责整线系 统安全控制。该系统与传统的冲压自动化系统主要采用 Profibus 通讯方式不同， 在系统中各个单元通过 Ethernet 与主控 PC、安全 PLC 319F 通信，各单元之间通 过 Profinet 通信，提高了响应速度，并减少和防止系统干扰产生。 如图 7 所示，其整线控制系统如下: 6 图 7 整线控制系统 整线图片如下： 图 8 整线图片 FEEDERplus?介绍 三、扩展型机械手 FEEDERplus?介绍 7 1、FEEDERplus?机械手的工作原理 FEEDERplus?机械手在传统的单臂机械手只有 X1 轴及 Z 轴的基础上，增加了 A1 轴、X2 轴、A2 轴及 B 轴。FEEDERplus?机械手对各轴命名如图 9 所示。 轴 1轴 轴 轴 2轴 轴 图 9 FEEDERplus?机械手轴图示 图 10 FEEDERplus?机械手 FEEDERplus?机械手在运动顺序大体上可分为： 取料(X1+Z+B 动作)、 旋转 (盘 形凸轮驱动)、放料 (X1+Z+B 动作)。对于实际的取料、放料主要是 X1 轴、Z 轴、 B 轴动作，而板料在压力机间的传输主要是盘形凸轮驱动。 盘形凸轮驱动：当开始旋转时，间隙内行程是通过两个线形轴 X1 和 X2 同 时动作完成的，两个轴是几乎是连续动作，同时两个旋转轴 A1 和 A2 向相反方向 旋转以确保板料在旋转过程中保持相同方向。在旋转过程中两个线性轴 X1、X2 和 两个旋转轴 A1、 相互协调运动的， A2 系统设置一个主轴来定义所有四个轴 （副轴） 的运动。副轴的运动顺序是跟主轴相互同步的。一个完整的循环相对应有 720 (360 向前和 360向后)。 图 11 为 FEEDERplus?机械手在压力机间工作循环： 8 第一步： 压力机外等待取料 第二步： 压力机内取料 第三步： 旋转（盘形凸轮控制） 第四步： 压力机外等待放料 第五步： 压力机内放料 第六步： 压力机外等待取料 图 11 FEEDERplus?机械手在压力机间工作循环 2、FEEDERplusTM 机械手单元的电气控制 每个 FEEDERplusTM 机械手单元都是由一个西门子 SIMOTION D445 控制，下图 所示为 FEEDERplusTM 机械手单元的电气控制系统： 9 图 12 FEEDERplusTM 机械手单元电气控制系统 在 FEEDERplusTM 机械手单元的电气控制系统中， SIMOTION D445 通过 Profi Bus 与 IM151-7F、Linear Encoder 通讯，来采集自动化系统中各部分状态信号，并与 压力机控制系统进行数据交换，获得压力机及模具状态信号，来控制 FEEDERplus 机械手动作，保证设备安全。 通过 Profinet 与 Mobil Panel、 ET200S 进行数据交换， 操作者可以通过 Mobil Panel 来对 FEEDERplus 机械手进行示教编程，使 FEEDERplus 机械手按照规定的 运动轨迹动作。 四、FEEDERplus?机械手的优势 FEEDERplus?机械手的优势 1、与传统的机械手上下料方式比较 传统的机械手冲压自动化采用两台机械手和一台带有定位功能的过渡台，只 有 X 轴和