基于机器人的车用天窗导轨冲压生产系统设计.pdf

试验研究现代制造工程()年第 期基于机器人的车用天窗导轨冲压生产系统设计刘宝华孙珊赵保亚(北华航天工业学院廊坊)摘要:针对车用天窗导轨冲压生产过程中人工操作多、生产效率低和存在安全隐患等问题设计了由机器人实现导轨上下料与物料姿态转换并结合专用检测装置的天窗导轨自动冲压生产系统 根据天窗导轨生产工艺确定了系统的布局和工作流程系统采用 协议实现主控、机器人、冲压设备和检测设备的通信设计了检测装置来完成导轨毛坯料和冲压生产过程中的尺寸检测采用可变位抓取夹具实现工序转换过程中导轨的定位、搬运和翻转等作业功能经过在企业的实际生产应用该系统提升了产品的合格率单位产品耗电量降低.作业人员减少.设计方案可同时实现单独运行和连线自动生产功能通过合理的节拍设计可提高自动冲压生产的效率并稳定产品的质量关键词:工业机器人冲压加工自动送料末端执行器 协议中图分类号:文献标志码:文章编号:():./.():.:引言随着“工业.”时代的来临制造企业面临的挑战日趋严峻 随着产业转换升级和自动化水平的提高国内很多工厂已经开始采用无人车间实现无人化生产模式 使用工业机器人实现生产过程的自动上下料能够降低人工劳动强度、降低企业用工成本、提升生产效率并降低生产过程中的安全风险汽车零件生产过程中冲压工艺作为一种重要的生产手段被广泛应用天窗导轨是汽车天窗中的关键零件它的质量直接影响着汽车天窗工作的稳定性本文设计内容是在铝合金挤压毛坯件基础上进行冲压成型加工的某型号天窗导轨生产系统生产过程要求左、右 个产品成对进行加工原有生产过程为操作人员将铝料按工艺顺序依次放入不同工序的模腔进行冲压加工 这种人国家自然科学基金项目()年第 期现代制造工程()工生产方式容易出现产品毛坯摆放不到位的问题造成零件产品合格率低或模具损坏不同工序转换过程中易出现将成对产品混装、应检测的尺寸或冲压特征漏检、人工劳动强度大、生产效率低、产品质量不稳 定、单 件 产 品 成 本 高 和 产 生 工 伤 事 故 等问题本文采用工业机器人并设计相应工序的末端执行机构替代传统人工操作以实现成对导轨的上下料通过来料检测台和终检台实现产品尺寸及特征的检测 控制部分采用西门子 总线及工业以太网来实现可编程逻辑控制器()与检测装置、机器人及压力机间的数据交换从而实现多台设备间的相互协调工作以降低人工劳动强度确保生产安全并通过合理的节拍设计来提高产品生产效率保证产品质量降低企业成本 生产工艺流程设计.产品简介所加工产品为铝合金天窗导轨毛坯料为铝合金挤压件进行冲压成型加工前已通过锯床加工到指定长度冲压成型加工过程中需要配对加工根据模具型腔结构将导轨按照平行方式进行布局加工产品三维图如图 所示图 加工产品三维图.生产工艺分析加工过程分为 个工序对应冲压成型工艺表如表 所示 成型工艺用模具如图 所示共设计 套冲压模具(、)其中 为双工位模具其右侧为拉伸模左侧为弯曲模机器人需依次将零件送入该模具的左、右 个模腔进行冲压 零件进入模具 前需进行 水平翻转因此设计翻转工装 来实现翻转功能 工序 所用模具 加工前需要将零件进行 直立翻转翻转功能通过机器人 上的可变位末端执行机构 来实现表 冲压成型工艺表工序工序名称工序内容设备工艺装备下料下料锯床自动送料机来料定位检测长度、线性度检测来料检测台 仿形工装切边外轮廓落料压力机 模具 冲孔通孔落料压力机 模具 翻转翻转零件 翻转工装 翻转工装拉伸、弯曲拉伸凸台弯曲成型压力机 模具 冲侧孔侧孔冲切落料压力机 模具 成品终检成型特征检测终检台 探针终检台图 成型工艺用模具 系统总体布局与工作流程设计.总体布局车用天窗导轨机器人自动冲压生产系统包括:来料检测台()、台六轴机器人(、)及末端执行机 构(、)、翻 转 工 装()、终 检 台()和 台 开式压力机(、)系统总体布局如图 所示系统按直线方式布局图 中箭头表示物料流转方向.工作流程系统工作流程如图 所示 首先人工将导轨毛坯件放置到的仿形工装上对毛坯件的长度和刘宝华等:基于机器人的车用天窗导轨冲压生产系统设计 年第 期图 系统总体布局侧边线性度进行合格性检测若合格则向 发出请求取件信号若不合格则发出报警信号由人工进行处理图 系统工作流程 年第 期现代制造工程()当 在 点(机器人示教初始点)并接到 请求取件指令后通过末端执行机构 抓取毛坯件并移动至送料等待点当检测到 发出的允许进料信号后 将毛坯件送入 中并退回等待点 启动完成外轮廓冲切后发出允许取出信号 从 中取出零件并回到等待点当检测到 发出的允许进料信号 将零件送入 后退回等待点 启动完成正面通孔冲切后发出允许取出信号 从 中取出零件移动到等待点当检测到 发出的允许进料信号后 将零件放入 然后回到 点等待 发出的下一次运行指令 夹紧零件并完成 翻转后向控制器发出允许 取件指令当 在 点并接到 发出的允许取件指令后通过末端执行机构 抓取 上的零件并移动至等待点此时 复位当检测到 发出允许进料信号后 将零件送入 右腔后退回等待点 启动完成拉伸加工后发出允许取出信号 从 右腔中取出零件后再送入 左腔然后返回 点等待 发出下一次运行指令 再次启动完成零件的弯曲加工后向 发出允许取件信号当 在 点并接到 发出的允许取件指令后通过末端执行机构 将 左腔中的零件取出 移至变位点 进行 变位当 检测到 发出的允许进料指令后将零件放入 后退回变位点等待 启动完成侧孔冲切落料加工后发出允许取出指令 从 中取出零件移动到变位点当检测到 发出的允许进料指令后 将零件放入 中进行检测根据 反馈的检测结果 将零件按合格品和废料进行放置最后 返回初始点并复位 等待下一轮运行指令 机械方案设计.工业机器人选型根据现场布局及仿真分析系统采用安川 六轴关节串联型机器人完成物料搬运该机器人主要由机械本体和控制柜两部分组成强化的手腕部容许力矩和容许惯性矩更适合于高速搬运工作其最大负载为 末端最大可达范围为 空间重复定位精度为.能够满足所设计系统的位置达成度和定位精度要求 运动参数如表 所示.来料检测台设计来料检测台负责对毛坯件几何尺寸进行检测定位和检测部件安装在快换工装板上通过仿形工装表 运动参数轴号工作范围/()最大速度/()容许惯性矩/()轴./轴./轴./轴.轴.轴.进行零件的粗定位与防错人工将毛坯件按照规定方向放好后按压双手启动按钮两侧的端面定位工装依靠气缸推出毛坯件右端面通过零点定位销定位激光位移传感器测量毛坯件左端面的距离并与标准距离比较判定长度尺寸是否符合公差要求 在毛坯件侧面分别布置 个气动测微仪测头通过气缸推出后与毛坯件侧边接触读取各测头数据并与标准样件数据比对判定毛坯件线性度合格与否 如果长度尺寸和线性度出现超差则系统通过检测结果指示灯进行提示同时松开检测台工装并禁止一号机器人进行取件动作 如果毛坯件尺寸符合公差要求则伺服推杆推动检测台面板进入冲压成型系统安全围栏并向系统发出请求取件指令 来料检测台结构如图 所示图 来料检测台结构.机架.双手启动按钮.激光位移传感器.检测结果指示灯.仿形工装.零点定位销.端面定位工装.气动测微仪.快换工装板.导轨.伺服推杆.机器人末端执行机构设计机器人末端执行机构是工业机器人实现生产自动化的重要组件通过合理的末端执行机构设计可以大幅度减少机器人姿态调整时间性能优异的末端执刘宝华等:基于机器人的车用天窗导轨冲压生产系统设计 年第 期行机构可以大幅度提高生产效率 常用的搬运末端执行机构形式主要有气吸式、磁吸式及机械夹持式等 本文设计共采用 组末端执行机构其中、主要用于完成零件的定位抓取工作结构较为简单 末端执行机构根据模具型腔位置设计相应的定位装置位置并通过真空吸盘或平开气动手爪完成零件的抓取工作 组末端执行机构上均设有反射开关通过读取开关状态可判定是否正确稳定地抓到零件也可以通过控制开关的输出量值来避免机器人在抓取过程中与工装设备发生碰撞 末端执行机构、结构分别如图、图 所示图 末端执行机构 结构.连接法兰.角座.基板.定位柱.真空吸盘.导轨毛坯件图 末端执行机构 结构.连接法兰.底板.吸盘座.反射开关.平开气动手爪.真空吸盘.天窗导轨为实现工序工序 的导轨姿态变换本文设计了一种由伺服电机驱动、具有 翻转功能的可变位机器人末端执行机构 其结构如图 所示该末端执行机构通过伺服电机驱动滚珠丝杠将旋转运动转换成滑台的直线运动滑台通过球头铰链连接 个摆动座采用伺服电机中的编码器控制滑台的位移通过改变伺服电机的旋转角度来改变末端执行机构的翻转角度 调整螺栓可改变 组球头铰链的中心距离进而实现摆动座的角度同步 末端执行机构的抓取采用真空吸盘与平开气动手爪双重抓取方式确保抓取过程的稳定性 通过合理的计算得到末端执行机构中各连杆的长度满足导轨姿态变换过程中的位置参数图 末端执行机构 结构.连接法兰.底板.直线导轨.行程开关.反射开关.摆动座.平开气动手爪.真空吸盘.天窗导轨.球头铰链.调整螺栓.滑台.滚珠丝杠螺母.滚珠丝杠座.伺服电机 控制系统设计.控制方式传统的控制系统是由 引出线缆将控制信号输出到各被控装置 这种控制方式一方面对主控 具有较强的依赖性另一方面由于系统信号线缆过多会造成系统故障点增加、维护困难且可靠性低 本文控制系统采用分布式/控制系统通过现场总线实现主控单元与从站间的通信可以实现就近配线、远程点对点控制及诊断等功能 这种控制方式能够提高系统的可靠性和可维护性尤其是从站控制器具有 功能可将从站控制逻辑在本地解决大幅度降低主控 的处理负担减少网络数据传输量使整个系统控制更为简单高效.控制系统组成本文基于 通信协议构建分布式控制系统主控 采用 系列 /主控 通过交换机用以太网与多个 从站及机器人进行通信根据从站不同控制要求配置从站的/模块类型和数量实现对被控对象的控制从站选用/作为控制器安川机器人为实现 通信需增加 模块 主控 负责实时下发工艺参数、协调从站间的动作、读取从 年第 期现代制造工程()站信息以及下发机器人的启停信号 末端执行机构的动作由机器人自带的/板卡控制控制逻辑可在机器人示教过程中确定 从站接收主站发送的控制信息按照控制逻辑输出控制信号并将相应从站传感器等信息反馈给主站 从站分配及功能如表 所示表 从站分配及功能序号从站名称单元组成主要执行任务检测从站读取位移传感器信号判别毛坯件几何尺寸是否超差并给出判定结果为 提供启动信号输出定位工装控制信号实现工装的夹紧与释放一号从站读取 中传感器信号判断产品是否按要求放入模具型腔反馈 位置信号为 提供运行信号输出 运行控制信号读取 中传感器信号判断产品是否按要求放入模具型腔反馈 位置信号为 提供运行信号输出 运行控制信号输出工装控制信号实现工装的夹紧、释放、翻转和复位为 和 提供运行信号二号从站读取 中传感器信号判断产品是否按要求放入模具型腔反馈 位置信号为 提供运行信号输出 运行控制信号三号从站读取 中传感器信号判断产品是否按要求放入模具型腔反馈 位置信号为 提供运行信号输出 运行控制信号读取终检台上各区域探针信号判断产品合格性为 提供运行信号一号机器人接收主控指令启动示教运行在不同示教点输出机器人位置信号控制 上的部件动作完成零件的抓取与释放二号机器人接收主控指令启动示教运行在不同示教点输出机器人位置信号控制 上的部件动作完成零件的抓取与释放三号机器人接收主控指令启动示教运行在不同示教点输出机器人位置信号控制 上的部件动作完成零件的抓取与释放.控制系统实现.控制系统组态完成控制硬件选型在 博途 软件中对控制系统进行组态并编写主控系统和远程系统的控制逻辑和程序实现车用天窗导轨冲压生产系统各设备的工作 控制系统组态如图 所示图 控制系统组态.程序设计从站被控对象主要是压力机与各类工装设备以一号从站为例进行说明被控对象主要包括:压力机启动信号、压力机位置信号、模具内部检测信号以及翻转工装压紧气缸与翻转气缸控制信号 主控 通过地址映射读取从站状态和发送控制指令 该从站共需要 组数字输入量、组数字输出量需在/基础上扩展一个八位数字输入模块 和一个 位数字输出模块 图 所示为一号从站/端刘宝华等:基于机器人的车用天窗导轨冲压生产系统设计 年第 期口分配表图 一号从站/端口分配表一号从站/模块硬件接线如图 所示图 所示为一号从站部分控制程序图 一号从站/模块硬件接线图 一号从站部分控制程序 实际生产应用与结果分析将本文设计方案应用于某汽车配件厂天窗导轨自动生产实际生产应用现场如图 所示 自动线于 年 月开始使用截至 年 月进行生产数据统计同时对未改造前共计 个月的生产数据进行统计自动线投产前后生产数据统计对比如表 所示 年第 期现代制造工程()图 实际生产应用现场表 自动线投产前后生产数据统计对比对比项作业模式用人数量(三班)生产节拍/(秒对)工作时长/(时天)日生产总量/对单位耗电量/(千瓦对)投产前人工操作.投产后机器人.经表 分析升级为自动线后取得如下良好效益:)生产线改变了传统人工离散式生产模式人工只需完成毛坯件和成品的物流周转工作排除了冲压生产工程中的工伤风险降低了人工作业强度减少了用工数量实现了天窗导轨的自动生产、检测提高了关键设备的使用效率)实现了天窗导轨冲压加工和成品检测过程自动化生产效率提升约 倍)单位产品耗电量降低.作业人员减少.结语本文针对汽车天窗导轨特点与生产工艺分析了导轨传统生产过程中的问题提出了使用六轴机器人和相应的末端执行机构实现导轨冲压过程的自动化采用来料检测装置和产线末端的终检装置对所生产的产品质量进行管控 采用分布式控制方法实现检测装置、加工设备及机器人的数据通信协调各设备的动作及工艺流程有效地提升了生产效率降低了生产成本同时也降低了用人数量和人工劳动强度取得了良好的应用效果 该方法可在其他冲压企业进行推广后续可结合大数据和 系统实现生产过程与管理系统的结合并可将人工智能、数字孪生及视觉检测等先进技术增加到系统中增强产线的信息交互与自我决策能力提升产线的网络化与智能化水平为构建汽车配件制造过程智能化提供借鉴参 考 文 献:李珊王磊吴明兄等.采用智能机器人代替人工作业的 加工岛设计.机床与液压():.王祺翔陈伟徐申申.智能移动机器人多机台上下料系统研究.制造业自动化():.翟云飞.系统路径规划及调度的研究与实现.天津:河北工业大学.张志强.大型机器人冲压线上下料技术研究.秦皇岛:燕山大学.韦文静.网络控制技术在冲压生产线上的应用.锻压装备与制造技术():.作者简介:刘宝华硕士副教授硕士生导师主要从事计算机集成制造技术、工业机器人、人工智能技术方向的研究赵保亚通信作者博士副教授硕士生导师主要从事精密测试技术及仪器方向研究:.收稿日期: