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1　背景

近年來隨著我國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級，機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，一方面節(jié)省人工，提高生產(chǎn)效率，另一方面提高產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到質(zhì)與量的雙重提升。

本文以廣州數(shù)控設(shè)備有限公司為佛山一家家電制造企業(yè)的自動化改造為例，淺談機(jī)器人在家電沖壓生產(chǎn)線的應(yīng)用。

在設(shè)計產(chǎn)線前首先要了解客戶產(chǎn)品、需求及客戶現(xiàn)場情況。

1.1 客戶產(chǎn)品

客戶產(chǎn)品總共有11款，每款形狀均有差異，通過觀察并分析其形狀的共性部分，比較有代表性的形狀如圖1所示。

圖1 客戶代表性產(chǎn)品

有部分是“門”字形，有部分是“回”字形，還有一款是“一”字形，其中“門”字形工件三條邊沿需要折彎，“回”字形工件外4條邊需要折彎，內(nèi)4邊有些要折彎，“一”字形工件只需要折彎一條邊。所有工件都有小凸起，在設(shè)計時需要注意避讓。

工件尺寸最小為630mm×84mm×0.4mm，最大為790mm×410mm×0.4mm，觀察所有工件形狀，可知有足夠大的平面方便抓取。工件是不銹鋼材質(zhì)，可以選擇真空吸盤或電磁鐵抓取。但考慮到工件厚度不足，且電磁鐵抓取容易粘附碎屑，對產(chǎn)品生產(chǎn)造成影響，最終選擇了用真空吸盤的抓取方式。

產(chǎn)品重量最小0.35kg，最大1.2kg。

因本產(chǎn)品是家電產(chǎn)品最外的裝配殼，所以對于外觀的要求特別高。產(chǎn)品表面有塑料膜，在生產(chǎn)時會有細(xì)碎的薄膜脫落，如果落在沖壓模里沒有及時清理，會使產(chǎn)品產(chǎn)生凹痕，影響產(chǎn)品品質(zhì)，所以在自動生產(chǎn)中必須增加吹氣裝置。

1.2 客戶現(xiàn)場情況（如圖2所示）

圖2 客戶現(xiàn)場示意圖

客戶現(xiàn)場地面是水泥地面，但是不夠平整，通過打孔取樣發(fā)現(xiàn)水泥厚度不足，只有約12cm。機(jī)器人安裝要求20cm以上，所以在設(shè)計時需要特別考慮加固措施。

1.3 客戶需求

客戶要求每15秒生產(chǎn)一個工件，生產(chǎn)工藝可初步定為：S1：從料車取料—S2：通過定位平臺定位—S3：機(jī)器人抓取工件放入沖床完成工序1成型—S4：機(jī)器人抓取工件放入工序2成型—S5：抓取工件放入輸送帶到工人工作側(cè)。

客戶要求設(shè)計兩個放料小車，一個使用，一個備用。小車要求定位裝置，并且小車可以自由移動，方便運載工件。

客戶要求整套系統(tǒng)必須配置透明PC防護(hù)圍欄，安全門必須配置防護(hù)鎖，送料車入口必須配置安全光柵。

2　技術(shù)難點及解決方案

2.1　項目涉及的產(chǎn)品多，外形差異大

通過和客戶溝通，充分了解每一種工件、每一個工藝步驟的工作姿態(tài)、正反面情況后，把所有的工件組合到一起。

通過組合分析工件特征，對比得出機(jī)器人可以在工件的兩個大長邊抓取比較合理，同時考慮穩(wěn)定性和兼容性，在同一個邊上設(shè)計不少于2個吸盤。

此項目客戶沖床的沖壓區(qū)域比較大，設(shè)計的手抓應(yīng)該足夠長才能保證手抓抓放工件便捷可靠。首先確定每臺機(jī)器人能夠抓取的工件數(shù)量，因工件比較大，如果一臺機(jī)器人配備2個手抓，手抓需要占據(jù)很大的空間，結(jié)合客戶現(xiàn)場實際情況，不能這樣設(shè)計；其次確定工件抓取位置，如前所述采用多排多個吸盤的方式來保證可靠性；再次是客戶要求在生產(chǎn)過程中，保證模具的清潔性，需要定時吹氣，因工件多樣，可以考慮用編程的方法增加吹氣的適應(yīng)性，可以考慮在機(jī)器人夾具增加氣嘴。綜合考慮設(shè)計夾具，夾具的重量應(yīng)該盡量輕便，同時也要兼顧整個夾具剛性。最終設(shè)計的夾具如圖3所示。

圖3 夾具設(shè)計圖

考慮到并不是每一臺機(jī)器人都必須配置有吹氣裝置，所以設(shè)計兩種夾具。吹氣裝置可以用大的電磁閥+可調(diào)方向氣嘴噴頭來構(gòu)成，氣嘴可以調(diào)整方向，方便按需要調(diào)整。同時設(shè)計的多排吸盤用鋁合金和鈑金折彎件作為框架連接，既保證夾具的剛性，也盡量減少夾具重量，結(jié)實美觀。設(shè)計好后夾具加最大工件的重量約8.6kg，重心離安裝面的距離約800mm。結(jié)合夾具負(fù)載情況選用廣州數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的RB20機(jī)器人，其負(fù)載為20kg，速度快，工作穩(wěn)定。通過3D模擬抓取每種工件，可以達(dá)到運行動作要求，留有安全余量。

2.2　客戶要求的工作節(jié)拍

初步布局如圖4所示：

圖4 初步布局示意圖

通過模擬仿真分析，發(fā)現(xiàn)單靠兩臺RB20機(jī)器人工作節(jié)拍達(dá)不到客戶需求，并且因沖床比較大，兩側(cè)有支撐墻等場地限制問題，存在機(jī)器人夠不著所有位置，機(jī)器人運行時會與支撐墻發(fā)生結(jié)構(gòu)干涉。因此必須增加機(jī)器人用于工件中轉(zhuǎn)，因客戶現(xiàn)場空間限制，如果采用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人，機(jī)器人之間會互相干擾，影響生產(chǎn)穩(wěn)定性，必須設(shè)計一臺非標(biāo)的專用機(jī)器人以滿足空間節(jié)拍使用要求。本項目特別開發(fā)了專用機(jī)器人以滿足狹小空間范圍內(nèi)的使用要求。

該非標(biāo)機(jī)器人由4個軸組成，一軸能夠上下運動，由伺服電機(jī)+絲桿和直線導(dǎo)軌組成，運動范圍能夠覆蓋所有模具的高度變化；二、三、四軸是旋轉(zhuǎn)軸，其中二軸采用伺服電機(jī)+RV減速機(jī)結(jié)構(gòu)，三軸和四軸采用伺服電機(jī)+諧波結(jié)構(gòu)，同時考慮走線和在運動時不干涉沖床和其它機(jī)器人。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡潔可靠，運行良好。結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 非標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

2.3　送料小車銜接

送料小車承擔(dān)著銜接上道工序，并且為本工序提供原料的任務(wù)，因客戶工件產(chǎn)品種類比較多，大小形狀差異大，小車設(shè)計除常用的定位裝置外，還需要設(shè)計可以方便調(diào)整定位的裝置；小車整個也需要定位，方便機(jī)器人抓取原料，設(shè)計的小車及定位裝置如圖6所示。

圖6 小車及定位裝置設(shè)計圖

小車底部設(shè)計有4個腳輪，其中有兩個是萬向輪。小車放料板兩側(cè)設(shè)計有可以調(diào)整的梯形絲桿，通過旋轉(zhuǎn)的方式推動定位柱定位不同工件，使工件都往一個方向靠齊。設(shè)計有定位框，小車推入定位時，底部有氣缸拉緊小車。在定位框上同時設(shè)計了磁性雙張分離裝置，以防止夾具取料時會同時抓取兩張板，同時為進(jìn)一步提高可靠性，還配置有雙張檢測開關(guān)。

2.4 最終現(xiàn)場布局

圖7 最終現(xiàn)場布局圖

由兩臺RB20機(jī)器人和兩臺特別設(shè)計的專用機(jī)器人組成，安裝在鐵板上，鐵板再用地腳螺釘固定在水泥地面上。配備兩臺上料小車，小車有磁性分張裝置和雙張檢測裝置，保證每次機(jī)器人只能取一張原料板。共有4臺機(jī)器人和4套手抓，每套手抓上都配有至少3組真空發(fā)生器和真空吸盤，并配置有負(fù)壓檢測開關(guān)，防止運行過程中工件掉落。

圖8 項目現(xiàn)場

2.5 電氣控制系統(tǒng)

本項目采用S7-1200西門子PLC，通過Modbus/TCP IP協(xié)議與機(jī)器人系統(tǒng)連接通訊。電氣控制系統(tǒng)的核心部分除西門子PLC外，還包括檢測元件（行程開關(guān)、磁感應(yīng)開關(guān)）、操作面板（觸摸屏、按鈕開關(guān)、指示燈）、控制元件（接觸器、電磁閥）以及執(zhí)行元件（機(jī)器人、繼電器）等。

電氣控制系統(tǒng)外圍的輔助元器件包括負(fù)荷開關(guān)、總斷路器、電機(jī)保護(hù)斷路器、中間繼電器、變壓器、直流電源、接線盒、接線端子以及其它輔件。

操作面板作為操作人員與設(shè)備之間的交互界面，接收來自操作人員的操作指令并指示設(shè)備的運行狀態(tài)，檢測機(jī)器人的位置狀態(tài)以及機(jī)械各部機(jī)的動作狀態(tài)。PLC程序自動循環(huán)掃描各個輸入輸出點的當(dāng)前狀態(tài)，并根據(jù)程序所確定的邏輯關(guān)系刷新輸出點的狀態(tài)，連接機(jī)器人及外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)從而完成整個流程的自動控制。

操作面板如圖9所示。

圖9 操作面板

觸摸屏上設(shè)置有每個設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控信息，方便問題查找。配置各種操作按鈕，方便進(jìn)一步操作設(shè)備，吹氣的時間和頻率也在觸摸屏上設(shè)置。

不同產(chǎn)品的生產(chǎn)程序。通過操作機(jī)器人示教盒選擇實現(xiàn)。

3　效益分析

3.1　應(yīng)用效果及收益

（1）提升產(chǎn)量：每班產(chǎn)量從1200件提升到2000件；

（2）減少人員：從原先的3人減少到1人，達(dá)到省人增效的目的；

（3）生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，受人為因素影響很少。

3.2　應(yīng)用擴(kuò)展

作為機(jī)器人在沖壓行業(yè)的典型應(yīng)用，這個案例告訴我們，在實際應(yīng)用中經(jīng)常會受到客戶生產(chǎn)要求和現(xiàn)場空間條件限制，應(yīng)結(jié)合公司的實際情況，打破固有產(chǎn)品限制，按需要設(shè)計專用智能化設(shè)備以滿足客戶需求。

作者簡介：

江文明（1984-），男，江西撫州人，中級經(jīng)濟(jì)師，碩士，現(xiàn)就職于廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，從事工業(yè)機(jī)器人研制及產(chǎn)業(yè)化推廣。

李業(yè)銀（1984-），男，助理工程師，本科，現(xiàn)就職于廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，從事機(jī)械設(shè)計及自動化。

摘自《自動化博覽》2021年9月刊