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1　背景

近年來(lái)隨著我國(guó)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，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(dòng)化改造為例，淺談機(jī)器人在家電沖壓生產(chǎn)線(xiàn)的應(yīng)用。

在設(shè)計(jì)產(chǎn)線(xiàn)前首先要了解客戶(hù)產(chǎn)品、需求及客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)情況。

1.1 客戶(hù)產(chǎn)品

客戶(hù)產(chǎn)品總共有11款，每款形狀均有差異，通過(guò)觀(guān)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(hù)代表性產(chǎn)品

有部分是“門(mén)”字形，有部分是“回”字形，還有一款是“一”字形，其中“門(mén)”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(jì)時(shí)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(guān)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(pán)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(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)造成影響，最終選擇了用真空吸盤(pán)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(duì)于外觀(guān)的要求特別高。產(chǎn)品表面有塑料膜，在生產(chǎn)時(shí)會(huì)有細(xì)碎的薄膜脫落，如果落在沖壓模里沒(méi)有及時(shí)清理，會(huì)使產(chǎn)品產(chǎn)生凹痕，影響產(chǎn)品品質(zhì)，所以在自動(dòng)生產(chǎn)中必須增加吹氣裝置。

1.2 客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)情況（如圖2所示）

圖2 客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)示意圖

客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)地面是水泥地面，但是不夠平整，通過(guò)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(jì)時(shí)需要特別考慮加固措施。

1.3 客戶(hù)需求

客戶(hù)要求每15秒生產(chǎn)一個(gè)工件，生產(chǎn)工藝可初步定為：S1：從料車(chē)取料—S2：通過(guò)定位平臺(tái)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(hù)要求設(shè)計(jì)兩個(gè)放料小車(chē)，一個(gè)使用，一個(gè)備用。小車(chē)要求定位裝置，并且小車(chē)可以自由移動(dòng)，方便運(yùn)載工件。

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

2　技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

2.1　項(xiàng)目涉及的產(chǎn)品多，外形差異大

通過(guò)和客戶(hù)溝通，充分了解每一種工件、每一個(gè)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(guò)組合分析工件特征，對(duì)比得出機(jī)器人可以在工件的兩個(gè)大長(zhǎng)邊抓取比較合理，同時(shí)考慮穩(wěn)定性和兼容性，在同一個(gè)邊上設(shè)計(jì)不少于2個(gè)吸盤(pán)。

此項(xiàng)目客戶(hù)沖床的沖壓區(qū)域比較大，設(shè)計(jì)的手抓應(yīng)該足夠長(zhǎng)才能保證手抓抓放工件便捷可靠。首先確定每臺(tái)機(jī)器人能夠抓取的工件數(shù)量，因工件比較大，如果一臺(tái)機(jī)器人配備2個(gè)手抓，手抓需要占據(jù)很大的空間，結(jié)合客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，不能這樣設(shè)計(jì)；其次確定工件抓取位置，如前所述采用多排多個(gè)吸盤(pán)的方式來(lái)保證可靠性；再次是客戶(hù)要求在生產(chǎn)過(guò)程中，保證模具的清潔性，需要定時(shí)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(jì)夾具，夾具的重量應(yīng)該盡量輕便，同時(shí)也要兼顧整個(gè)夾具剛性。最終設(shè)計(jì)的夾具如圖3所示。

圖3 夾具設(shè)計(jì)圖

考慮到并不是每一臺(tái)機(jī)器人都必須配置有吹氣裝置，所以設(shè)計(jì)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(lái)構(gòu)成，氣嘴可以調(diào)整方向，方便按需要調(diào)整。同時(shí)設(shè)計(jì)的多排吸盤(pán)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(shí)美觀(guān)。設(shè)計(jì)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(guò)3D模擬抓取每種工件，可以達(dá)到運(yùn)行動(dòng)作要求，留有安全余量。

2.2　客戶(hù)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(guò)模擬仿真分析，發(fā)現(xiàn)單靠?jī)膳_(tái)RB20機(jī)器人工作節(jié)拍達(dá)不到客戶(hù)需求，并且因沖床比較大，兩側(cè)有支撐墻等場(chǎng)地限制問(wèn)題，存在機(jī)器人夠不著所有位置，機(jī)器人運(yùn)行時(shí)會(huì)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(hù)現(xiàn)場(chǎng)空間限制，如果采用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人，機(jī)器人之間會(huì)互相干擾，影響生產(chǎn)穩(wěn)定性，必須設(shè)計(jì)一臺(tái)非標(biāo)的專(zhuān)用機(jī)器人以滿(mǎn)足空間節(jié)拍使用要求。本項(xiàng)目特別開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用機(jī)器人以滿(mǎn)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(gè)軸組成，一軸能夠上下運(yùn)動(dòng)，由伺服電機(jī)+絲桿和直線(xiàn)導(dǎo)軌組成，運(yùn)動(dòng)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(shí)考慮走線(xiàn)和在運(yùn)動(dòng)時(shí)不干涉沖床和其它機(jī)器人。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔可靠，運(yùn)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(chē)銜接

送料小車(chē)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(hù)工件產(chǎn)品種類(lèi)比較多，大小形狀差異大，小車(chē)設(shè)計(jì)除常用的定位裝置外，還需要設(shè)計(jì)可以方便調(diào)整定位的裝置；小車(chē)整個(gè)也需要定位，方便機(jī)器人抓取原料，設(shè)計(jì)的小車(chē)及定位裝置如圖6所示。

圖6 小車(chē)及定位裝置設(shè)計(jì)圖

小車(chē)底部設(shè)計(jì)有4個(gè)腳輪，其中有兩個(gè)是萬(wàn)向輪。小車(chē)放料板兩側(cè)設(shè)計(jì)有可以調(diào)整的梯形絲桿，通過(guò)旋轉(zhuǎn)的方式推動(dòng)定位柱定位不同工件，使工件都往一個(gè)方向靠齊。設(shè)計(jì)有定位框，小車(chē)推入定位時(shí)，底部有氣缸拉緊小車(chē)。在定位框上同時(shí)設(shè)計(jì)了磁性雙張分離裝置，以防止夾具取料時(shí)會(huì)同時(shí)抓取兩張板，同時(shí)為進(jìn)一步提高可靠性，還配置有雙張檢測(cè)開(kāi)關(guān)。

2.4 最終現(xiàn)場(chǎng)布局

圖7 最終現(xiàn)場(chǎng)布局圖

由兩臺(tái)RB20機(jī)器人和兩臺(tái)特別設(shè)計(jì)的專(zhuān)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(tái)上料小車(chē)，小車(chē)有磁性分張裝置和雙張檢測(cè)裝置，保證每次機(jī)器人只能取一張?jiān)习濉９灿?臺(tái)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(pán)，并配置有負(fù)壓檢測(cè)開(kāi)關(guān)，防止運(yùn)行過(guò)程中工件掉落。

圖8 項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)

2.5 電氣控制系統(tǒng)

本項(xiàng)目采用S7-1200西門(mén)子PLC，通過(guò)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(mén)子PLC外，還包括檢測(cè)元件（行程開(kāi)關(guān)、磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)）、操作面板（觸摸屏、按鈕開(kāi)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(kāi)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(xiàn)盒、接線(xiàn)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(lái)自操作人員的操作指令并指示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，檢測(cè)機(jī)器人的位置狀態(tài)以及機(jī)械各部機(jī)的動(dòng)作狀態(tài)。PLC程序自動(dòng)循環(huán)掃描各個(gè)輸入輸出點(diǎn)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(diǎn)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(gè)流程的自動(dòng)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(gè)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控信息，方便問(wèn)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(shí)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(guò)操作機(jī)器人示教盒選擇實(shí)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(gè)案例告訴我們，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)受到客戶(hù)生產(chǎn)要求和現(xiàn)場(chǎng)空間條件限制，應(yīng)結(jié)合公司的實(shí)際情況，打破固有產(chǎn)品限制，按需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用智能化設(shè)備以滿(mǎn)足客戶(hù)需求。

作者簡(jiǎn)介：

江文明（1984-），男，江西撫州人，中級(jí)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(jì)及自動(dòng)化。

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年9月刊