一种柔性冲压自动化生产线系统的研制⒇邱继红　熊丽英　王玉山　刘　凯　史启礼　宋克威(中国科学院沈阳自动化研究所机器人工程部　110015)摘　要　本文介绍了一种用于大型汽车覆盖件冲压生产的柔性自动化生产线,系统由6台压机、12台上下料机械手、1台翻转传输装置、4台穿梭传输装置及1台磁力分层装置构成.给出了生产线的主要性能指标、机械手结构简图及单元控制系统框图,简要介绍了系统的工作原理.关键词　冲压线,上料机械手,下料机械手1　引言随着我国汽车工业发展规划的日益壮大,汽车覆盖件特别是大型覆盖件冲压生产的手工操作方式已经越来越不适应现代化大规模生产的要求,尤其是汽车的年产量超过15万辆时,这一矛盾更加突出,采用机器人完成压机的上下料工作,构成柔性冲压自动化生产线是解决这一矛盾的一种有效方法,也是现代汽车制造业的重要发展方向.机器人在冲压车间的应用,将冲压工人从单调、繁重而又危险的工作状态下解放出来,提高了生产的效率,同时也避免了大型覆盖件在生产传输过程中因划伤、碰撞、扭曲等带来的质量问题.我所机器人工程部为一汽-大众研制的“一汽捷达轿车冲压自动化生产线”正是针对这种情况而设计的,也是我国第一条自行研制、开发的用于大型覆盖件冲压生产的柔性自动化系统.经过一年的现场安装、调试及试运行,该系统已于1997年底通过国家机械部的验收鉴定.2　系统构成柔性冲压自动化生产线系统由6台压力机、12台上、下料机械手、1台翻转传输装置、4台穿梭传输装置及一台磁力分层装置构成.6台压力机(1台2000吨双动式、5台1000吨单动式,德国ERFU RT 公司生产)串联排列,原为手工生产线.此生产线主要为生产大型覆盖件使用,安装时各压机中心线间距离较长为9m .构成自动化生产线后上下料机械手分别安装于压1.磁力分层装置2.上料机械手3.下料机械手4.翻转传输车5.穿梭传输车图1　柔性冲压自动化生产线机前侧及后侧立柱间的横梁上,完成压机的上、下料任务,不占用地面空间.前后两台压机之间第20卷第6期1998年11月机器人　R OBOT V ol.20,No.6　N ov.,1998⒇1998-06-18收稿DOI:10.13973/ k i .rob ot.1998.06.004由穿梭传输装置完成工件的传送任务.由于第1台压力机为上传动双动式,拉伸后工件的上下方位置与后续的单动式压力机模具要求的位置正好相反,因此1、2台压力机间的传输车上另有一套同步翻转装置,按工艺要求,可以完成工件的180°翻转.3　生产线主要性能指标[1]配套压机:　2000吨双动机械式1台,1000吨单动机械式5台压机间距:　9000mm工件种类:　5种8件(系统可同时存储15种工件程序)同步方式:　压机单次行程,间歇同步生产节拍:　4～5件/分钟工作方式:　示教、手动、故障复位、单循环、联线机械手控制方式:　离线规划,在线示教,连续轨迹控制 重复定位精度:　±0.5mm自由度:　两自由度摇臂式负载能力:　60kg驱动系统:　交流伺服水平行程:　3000m m速度:　4000m m /s运动方式:　关节坐标,直角坐标穿梭传输装置控制方式:　离线编程工作方式:　手动、自动运行速度:　2200m /s 侧移距离:　±350mm 驱动系统:　交流伺服4　机械手结构及本地控制单元工作循环柔性冲压自动化生产线由7个就地控制单元及一个总控制台构成,就地控制单元包括一台压机、一台上料机械手、一台下料机械手及与下料机械手相连的传输装置,如图2所示.图2　机械手结构简图及单元工作情况上料机械手、压机、下料机械手及传输车之间构成循环启动方式,即上料机械手→压机→下料机械手→传输手↑ | 以第一单元为例,机械手运动轨迹及工作循环解释如下.4.1　上料机械手运动轨迹及工作循环S 2点:上料机械手接到启动指令后,首先由初始点运动到循环起始点S 2点,并准备好到磁力分层装置上抓取工件.417第20卷第6期邱继红等:　一种柔性冲压自动化生产线系统的研制418 机　器　人1998年11月S2→S1点:上料机械手接到磁力分层准备好信号以后,向下运动到抓料位置,真空吸盘吸气,机械手抓取一张料片.S1→S2点:上料机械手抓取料片后上升,同时传感器检测料片是否是一张.S2→S3点:上料机械手抓料前行向压机模具内送料,同时由软、硬件共同发出锁住压机滑块动作的安全信号,并检测下料机械手是否处在干涉位置,若条件不满足,上料机械手停止向前运动.S3→S4点:上料机械手下降,将料片放入压机模具中,料片入模位置的准确性一方面取决于机械手的定位精度,另一方面取决于模具的辅助定位装置.S4→S3:上料机械手上升.S3→S2:上料机械手退出模具,返回起始点.准备进入下一个工作循环,并向压机发出指令,滑块下行完成冲压作业.4.2　下料机械手运动轨迹及工作循环S′3:下料机械手接到启动信号后,首先由初始点运动到循环起始点S′3点,并准备好进入压机模具内取料.S′3→S′2:压机滑块完成冲压作业后由下死点返回上死点,升至干涉高度以上时由电子凸轮发出允许下料手进入信号,下料手前行进入模具内取料.S′2→S′1:下料手下降,真空吸盘接触工件.S′1→S′2:真空吸盘吸附牢固后机械手抓件上升.S′2→S′3:下料机械手抓件退出压机,同时发出信号允许上料机械手向模具内送下一张料.S′3→S′4:下料手下降至翻转传输车高度,翻转装置在左、右两侧夹住拉延成形的工件.S′4→S′5:下料手上升,避让工件的翻转空间,并发出启动翻转传输车运动信号,向下一工作单元传递工件.S′5→S′3:工件翻转完毕后,下料手返回循环起始点S′3点,准备进入下一工作循环.5　单元控制系统单元控制系统框图如图3所示.冲压车间环境恶劣、振动、干扰情况严重,因此要求控制系统稳定、可靠、抗干扰能力强.系统采用了德国SIEM EN S公司的中规模可编程控制器S5-115U接一扩展单元做为单元控制器.主机架配置为:电源模块、CPU模块、上下料机械手、传输车位控模块、电子凸轮模块、数字量输入模块等.扩展模块由8块数字量输入、输出模块组成.位控模块完成上、下料机械手及传输车的运动控制功能,采用码盘译码模块外接一绝对码盘作为电子凸轮来实时检测压机滑块的位置.各种传感器及按键信号由DI模块送入PLC中.各种指令信号,如压机滑块的启停控制、保护、工作状态显示等由DO模块输出.由SIEM ENS 公司的O P5操作员面板开发成的示教盒通过CPU模块的串口与PLC相联,可对生产线上的机械手进行示教,同时还可以对各单元的运动故障及部分系统故障进行诊断.PLC程序可用语句表(STL)、梯形图(LAD)或控制系统流程图(CSF)等形式编写.机械手及传输车的运动程序用机床数控标准代码编写,包括数学模型、运动规划、轨迹参数的生成等内容,由编程器下装至位控模块.机械手的示教数据存放在可编程控制器CPU模块的RAM内,工作时根据操作员选择的工件号自动地将对应的示教数据传入位控模块内.由于生产线生产工件种类多,更换模具时要相应更换机械手的端拾器,为防止出现端拾器装错等情况的出现,在每一个端拾器上均安装有编码装置,单元自动检测编码是否正确.图3　单元控制系统框图由于生产线针对大型冲压件设计,所以要求机械手能在重负载、大惯量下高速运行,并满足精度要求.系统采用了SIEM EN S 公司的交流伺服电机做为执行部件,其内置的测速电机及增量式码盘构成速度反馈及位置反馈,电机具有过载、过热保护功能.6　结束语柔性冲压自动化生产线是一个多环节、多设备组成的大系统,不同于一般的单个机器人工作站小系统.生产线中各种设备的设定、调整、联锁、保护等控制系统非常复杂,控制电缆和接线多.压机、模具、物料、机械手本身、传输装置、气动系统等有任何一个环节出现问题或不符合自动化生产的要求,都会直接影响到生产线的顺利运行.由于该冲压生产线原为针对手工操作而设计,因而有以下3个方面不满足自动化联线的要求,因此必须在联线前或在联线的过程中加以解决.1.人工操作压机工作时由操作人员按压机操作按钮控制压机的起停.而在柔性自动化生产线中压机的起、停由各本地控制单元给出,同时各就地控制单元需实时得到压机滑块的位置及上死点停车等情况.因此需设计各就地控制单元与压机控制器之间的接口电路.2.由于目前捷达车的模具是用于手工生产的模具,因此必须对其进行改造,以满足自动化联线生产的要求,改造工作包括:(1)废料应能自动、顺畅地排入废料槽内,而非滞留在模具地.(2)模具应安装辅助定位装置,保证机械手所持工件能正确入模.(3)模具内安装传感器,以检测工件是否正确入模,或废料是否已顺畅排走,以防工件或419第20卷第6期邱继红等:　一种柔性冲压自动化生产线系统的研制420 机　器　人1998年11月模具损坏.(4)每道工序冲压完毕后,工件应能完全脱模,由于机械手不具备视觉、触觉等传感器同时受自由度的限制,因此不能象人一样实现各种复杂的取件动作,所以要求工件在冲压后不能卡在模具内.以便机械手能顺畅地从模具内取出冲压完毕的工件.3.实现自动化联线后,生产线的运行管理生产调度安排就适合自动化生产的特点,适应多品种、中小批量生产的要求.国外由于汽车工业发展较早,早在19世纪60年代中期,就开始有机器人用于汽车冲压件上下料的应用实例[3],由于受技术条件的限制,80年代以前的自动冲压线一般只能生产一种或二、三种零件,柔性差,机械手多为气动或液压驱动,笨重且精度低[3],更改程序困难.80年代以后随着机器人技术,模具结构设计和输送料装置的改进,自动冲压线的柔性有了很大的改善,一条自动生产线可以生产多种冲压件,进入90代后,一条自动冲压线可以生产十几种或种类更多的冲压件[2],而且随着现代科技水平的飞速发展,越来越多的高、新技术出现在柔性自动化冲压生产线中,如无刷直流伺服电机、交流伺服电机的采用、高速、可靠的计算机通信网络、现场总线技术的应用等等.这些高新技术的采用进一步提高了生产线的可靠性,缩短了生产的安装、调试周期,极大地提高了生产效率.柔性冲压自动化生产线在我国汽车行业的采用,提高了汽车的年产量,降低了成本,节约了投资,使我国的汽车工业更具竞争力和生命力.因此,在冲压生产中采用机器人完成压机的上下料工作,构成柔性冲压自动化生产线,必将成为我国现代汽车制造业的一个重要发展方向.参　考　文　献1　一汽-大众捷达轿车冲压自动化生产线技术说明.内部资料,中国科学院沈阳自动化所,19972　周晓平.板冲压力机及其自动冲压线.一重技术,1994,(3)3　Rich ard K M iller.Ind ustrial Robot Handbook.The Fairmon t Pres s,INC,1987RESEARCH AND DEVELOPMEN T OF A FLEXIBLEAUTOMATIC PRESS LINE SYSTEMQIU J iho ng　XION G Liying　W ANG Yusha n　LIU Kai　SHI Qili　SON G Kew ei (Shenyan g Institute of Automation,the Chines e Academy of S ciences,110015)　Abstract　T his pa pe r pr ese nts a flexible automa tic pr oduction line for the productio n of la rg e-sca le automo-bile cap pieces,which is co mposed o f6pr esses,12feeding a nd unloading manipulato rs,1tur ning transmis-sio n dev ice,4shuttle tra nsmissio n devices and1mag netic decker.M ain per for mance index o f the productio n line,st ructure dra wing s o f the manipula tor s,a nd blo ck diag rams o f the unit co nt ro l sy stem a re pr esented. Also,the system o perating principle is intr oduced.　Key words　Press line,feeding ma nipula to r,unlo ading ma nipula to r作者简介　邱继红:男,32岁,博士研究生.研究领域:机器人控制、机器人柔性自动化生产线.　熊丽英:女,高级工程师.研究领域:机器人控制、机器人柔性自动化生产线.。