沖壓線機器人與壓機動作協(xié)調(diào)方法

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1、 沖壓線機器人與壓機動作協(xié)調(diào)方法* 周玉林張志強侯雨雷屈云濤 （燕山大學機械工程學院，河北秦皇島066004） 摘 要:對沖壓生產(chǎn)線中機器人與壓機的動作協(xié)調(diào)方法進行了研究，提出“時間等分-動作匹配”法，并闡述 了其基本原理，展示了該方法的應用過程。進而，基于此方法對某條生產(chǎn)線進行了運動仿真。結果 表明，該方法具有可行性，可提高生產(chǎn)效率，且可為機器人沖壓生產(chǎn)線總體控制方案的制定提供參 考。 關鍵詞：沖壓生產(chǎn)線 工業(yè)機器人 壓機 動作協(xié)調(diào) 中圖分類號:TP278 文址標識碼：A The coordination method between the robot and the pre

2、sss movements in the robot automation press line ZHOU Yulinf ZHANG Zhiqiang, HOU Yuleit QU Yuntao (College of Mechanical Engineering, Yanshan University f Qinhuangdao 0660041 CHN) Abstract: This paper describes a research on the method of the coordination of the robot and the presss movements in

3、 the robot automation press line? Based on the findings, the method of Mthe equal division of time & the matching of movements" is proposed by the author. Then the basic mechanism of this method and its application process are elaborated. To test its feasibility 9 a motion simulation using this meth

4、od was carried out to a production line. The results of the test show that this method is of high feasibility and can improve the production efficiency? This method can also provide reference for the design of overall control plans of the robot automation press line? Keywords: Press Line; Industria

5、l Robot; Press; Coordination of Movements ? 78 ? ? 78 ? 競爭日益激烈的現(xiàn)代制造業(yè)對生產(chǎn)效率的要求越 來越高，促進了現(xiàn)代制造業(yè)的自動化發(fā)展，工業(yè)機器人 作為自動化生產(chǎn)線的重要裝備?也得到了快速發(fā)展。 自動化沖壓生產(chǎn)線廣泛應用于航空航天.汽車制造、電 子和家用電器等領域，而我國沖壓生產(chǎn)線的自動化、機 械化程度與世界先進水平差距明顯，自動化沖壓生產(chǎn) ? 78 ? ? 78 ? “高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項"大型伺服閉式四點樂力機”子課題??大型伺眼壓力機沖壓線自動化

6、上下料技術研究”資 助（2010ZX04004-112-2） 3結語 現(xiàn)有中、小噸位合模壓力機為長行程液壓機，均由 主缸完成模具開閉與施加合模力，因為主缸體積大、不 適于大噸位合模壓力機。所以本設備采用短行程液壓 機方案，由位于壓力機上方的長行程小噸位提升油缸 完成模具開閉，由位于下橫梁內(nèi)的短行程大噸位油缸 施加合模力,該裝備結構比較復雜，但是能夠迅速建立 大噸位合模力，且合模力可隨內(nèi)壓變化進行控制，避免 了模具在內(nèi)壓較低時受到過大的合模力作用造成變形 和損壞。 參考文獻 〔I〕宋楠.管材內(nèi)高壓成形技液斥控制系統(tǒng)的研穽：J]?機電工程技術. 2007,36（2）:21-23? 〔

7、2〕朱偉成■徐戌林.內(nèi)高用成形汽車飯件技術[J]?汽車工藝與材料. 2004（1）：12-14. 【3]苑世劍?王仲仁?輕fit化結構內(nèi)高壓成形技術[J] ?材料科學與工藝. 1999,7（增刊）:139-142. （編輯余捷）（收槁日期：2012-05-17） 文章集號：130124 如果您給發(fā)表對本文的看法，請將文章第號坍入讀者竄見調(diào)査表中的相應位砸lTWJWT九 Design and Research 線在我國有著廣闊的發(fā)展前景⑴打。 沖壓線中機器人與壓機的動作協(xié)調(diào)不僅是生產(chǎn)線 整線控制的基礎,而且是開展機器人工作空間分析和 軌跡規(guī)劃等工作的前提。并且工業(yè)機器人與成套裝備 協(xié)

8、調(diào)作業(yè)技術的研究也是我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化進程 中需要攻克的難題⑴，因此，研究機器人與壓機的動 作協(xié)調(diào)方法具有實際意義。 文獻［4］基于機器人控制軟件介紹了一種系統(tǒng)自 我調(diào)節(jié)節(jié)拍的柔性化設計，以避免相鄰設備之間的干 涉，優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)拍。文獻［5］定性地指出了機器人要 在壓機滑塊上升到一定高度時提前進模。文獻［6］介 紹了機器人通過軟件跟蹤壓機的運動和增加機器人第 七軸兩種方法來加快生產(chǎn)節(jié)拍。文獻［7］采用間歇同 步方式協(xié)調(diào)壓機與機器人動作，其屬于靜態(tài)配合方式。 目前，我國的機器人自動化沖壓生產(chǎn)線中,機器人 與壓機的運動協(xié)調(diào)關系多為靜態(tài)配合方式。該配合方 式具有簡單有效、安全性和可靠性高的優(yōu)點。

9、但是，在 此配合方式下,壓機滑塊必須在上死點靜止時,機器人 才能進行上下料操作,導致生產(chǎn)效率低;壓機必須等待 機器人，因而壓機的運行時斷時續(xù)，增加了壓機的離合 器、抱閘的動作頻率,降低了使用壽命⑷。 統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在沖壓生產(chǎn)中，僅有不足10%的 時間用于對工件進行沖壓加工,其余時間均用于工件 搬運與等待搬運中⑻。為克服靜態(tài)配合的局限性，本 文提岀一種簡便、快捷的新方法一“時間等分-動作 匹配”法,該方法充分利用了壓機滑塊在上下料干涉 高度（簡稱“干涉高度”）以上的運行時間，消除了壓機 的等待時間，提高了生產(chǎn)效率。 1 “時間等分■動作匹配”法 所謂“時間等分■動作匹配”法，即首先按劃分原

10、 則將壓機和機器人的動作分別劃分成相等的份數(shù)，然 后按匹配原則將機器人動作與壓機動作相匹配，以協(xié) 調(diào)生產(chǎn)線中機器人與壓機的動作。 11劃分原則 原則一:“木桶原則”。 雖然每臺壓機的循環(huán)周期和每臺機器人的循環(huán)周 期都是越小越好,但是決定沖壓線生產(chǎn)節(jié)拍的關鍵設 備是“最慢壓機”和“最慢機器人”⑶。將兩者中最慢 的周期作為整線壓機與機器人的共同周期。該周期為 生產(chǎn)線所能達到的最快周期。 原則二:將壓機滑塊在干涉高度以上的運行時間 作為壓機動作劃分的基準。 該方法中貳動作匹配是基于整份動作而言的，按 時間均分壓機動作時，壓機滑塊在干涉高度以上的運 行時間（/.）必須為一份時間（t = T/

11、n,n為總份數(shù)）的整 數(shù)倍ggk為正整數(shù)）。如果A不能恰好取整數(shù)， 需將干涉高度上方附近某一髙度作為劃分的界限，使 得A取整。 原則三:將機器人上下料操作的時間作為機器人 動作劃分的基準。 機器人在壓機內(nèi)動作包括機器人在上位壓機內(nèi)的 取料動作（進模、吸料、出模動作）和在下位壓機內(nèi)的 放料動作（進模、放料、出模）。因該方法中的動作匹 配是基于整份動作而肓的,按時間均分機器人動作時. 機器人在壓機內(nèi)動作的時間（5）必須為一份時間0 = 77"）的整數(shù)倍為正整數(shù)）。如果m不能恰 好取整數(shù),需將壓機與機器人干涉臨界點以外某一接 近點作為劃分的界限，使得皿為整數(shù)。 機器人的?。ǚ牛┝蟿幼髦辽僬家环?/p>

12、，并且取料動 作與放料動作不能完全重合，因此，可以確定m的取 值范圍為：2Wm<2&。一般取料動作的路程略長于放 料動作，所以，取料動作所占份數(shù)不少于放料動作所占 份數(shù)。 k、m的取值較小時，劃分份數(shù)會減少，動作協(xié)調(diào)方 案也會相應地減少;仁m的取值較大時，劃分份數(shù)會增 加，動作協(xié)調(diào)方案也會相應地增加。應根據(jù)實際生產(chǎn) 要求及工藝來確定恰當?shù)娜≈怠? 1.2動作匹配原則 原則一:上、下位機器人取放料有序。 對于同一臺壓機而言，在上位機器人放料之前，下 位機器人必須將上一工作循環(huán)中加工好的坯料取走, 防止相鄰機器人之間干涉，并且要將相鄰機器人的安 全距離考慮在內(nèi)，相鄰機器人的最小距離要大于安全

13、 距離。 原則二:壓機滑塊在干涉高度以上運行時允許機 器人進行上下料操作。 由于機器人不能與壓機發(fā)生干涉,所以機器人進 行上下料操作時壓機滑塊必須在干涉高度之上。 原則三:“鏈輪鏈條”原則。 機器人與壓機的動作都是循環(huán)進行的，只要將機 器人的一個動作與壓機的某個動作相匹配，其余動作 將按時間順序依次匹配。該原則可以用鏈輪鏈條的運 動現(xiàn)象予以形象描述:壓機的每份動作可以看作鏈輪 的一個“齒”：機器人的每份動作可以看作鏈條的一個 “鏈節(jié)”。當鏈輪的一個“齒”與鏈條的一個“鏈節(jié)”嚙 合后，鏈輪璉條運動時，其余的“齒”與“鏈節(jié)”將自動 嚙合。壓機與機器人動作的匹配就像鏈輪與鏈條的嚙 ? 78

14、 ? Design and Research 設計與硏究 -500 0 0.6 10 2.0 3.0 4.1 時間/s 5.0 6.0 0000 o 5 o glw、? m 1 500 % J 1 m T iv V j J 圖3壓機動作的劃分 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 ■4M/S 圖2滑塊位■曲線 ft 料 F 一 L I" 合,只是這種“嚙合”是遵循匹配原則的“嚙合” 0 2動作協(xié)調(diào)示例 2.1前提條件分析 將1臺壓機和2臺機器人看

15、作1個組成單元(參 見圖1),生產(chǎn)線可以看作由若干單元疊加而成。為展 示“時間等分-動作匹配”法的運用過程，如圖1所示 將對一個由2臺IRB 6660機器人和1臺2 500 (伺服 壓機組成的單元進行動作協(xié)調(diào)。 壓機p 圖1機卷人與壓機的位■示童圖 伺服壓機為四點閉式壓力機，其運動周期為6 S, 升程為1 200 mmo在ADAMS中對其進行運動學仿 真,測出其滑塊的位置曲線如圖2所示，曲線零點為壓 機下死點。 根據(jù)機器人自身結構尺寸，結合生產(chǎn)單元工況，設 定干涉高度為500 mm0由圖2可知，壓機滑塊在干涉 高度以上的運行時間(0-0.6 s和4. 1 ~6 s)為/嚴 2.

16、5 s,在干涉高度以下的運行時間(0.6-4. 1 s)為 3. 5 so 2.2動作的劃分 壓機的周期為6 s,而機器人的工作周期小于6 s。 根據(jù)劃分原則一,整線周期定為6 s。 根據(jù)劃分原則二，將壓機滑塊在干涉高度以上的 運動時間耳劃分為"5份海份時間為20. 5 s,則壓 機的整個工作循環(huán)被劃分為n=12份。壓機動作的劃 分參見圖 3： I (a6)；n(6e)；ni(cJ)；IV(Je)；V(e/-); VI Uk); VI (gA) ； (A ) ； IX ( y); X (A); XI ( W) ； xn (loa)o 根據(jù)劃分原則三,2Wm<2k,即2Wm<10,不妨將

17、 機器人的上下料動作劃分為m = 5份(如圖4所示:進 模BC、取料CD、出模DE、進模///、放料出模IJ)。 工作臺I / r k f作臺$ I L L L L 匚 1 It 圖4機器人動作的劃分 2.3動作匹配 根據(jù)匹配原則一，下位機器人(R2)的取料動作 (BC-CD-DE)必須在上位機器人(R.)的放料動作(H1 之前;不妨設HI為最小安全距離，在匹配動作時 上、下位機器人的末端的最小距離要大于Hlo 根據(jù)匹配原則二,R?的取料動作(BC-CD-DE)可 依次對應壓機 1X(0)、X(*)、XI(Q、“(“)、1(必) 中的3個動作。％的放料動作(〃/?〃)可

18、依次對應壓 機IX、X、XI、XD、I中的2個動作。結合匹配原則一, R2的取料動作(BC-CD-DE)必須對應(IX、X、XI)或 (X、刃、XD),若 R2的動作(BC-CD-DE)對應(IX、X、 XI),則R.的放料動作(旳-〃)可對應后兩個動作(XI、 口)或(XD、【)；若只2的動作(BC-CD-DE)對應(X、 Xi.XI),則R,的動作(旳-〃)必須對應(xn、I)o 根據(jù)匹配原則三，兩臺機器人的其余動作可依次 與壓機相應的動作配合,動作匹配方案參見表1。 由于壓機在干涉高度以上的運行時間較短，該時 間與機器人上下料的時間相等(A = m),所以動作匹配 方案只有3種,方案

19、二、三中上位機器人的進模動作與 下位機器人的出模動作同時進行，考慮到實際生產(chǎn)中 的安全性，方案一優(yōu)于后兩個方案。如果則會產(chǎn) ? 79 ? 設計與研究 Design and Research *1壓機與機器人的動作方案 方案三 方案二 R. p 方案一 R. p R? 時間/3 麗flcCD一匹FFGG/////〃;KK004 IX- X-XI-XI一 1一 D 皿 W V s\l\l mFGGWw""m%^MCDDE 匹仞一匹廳兀劭///〃 〃 " ％ M IX- x-xl-xl- 1一口皿 N V M w W FCGA/M 一""灼％ 初BCCDgEF 匹QDE

20、一"FCG/////〃/KK0%4B KX-XI-X]I一丄 U 皿 w V M WW EFFGGWw"yK灼％ 初ficCDDE 0-0.5 0.5*1 1 -1.5 1.5-2 2.5- 3 3-3.5 3.5- 4 4 -4.5 4.5-5 5-5.5 5.5-6 設計與研究 Design and Research 注:加下劃線的圧機動作表不壓機滑塊在干涉高度以上運動;加下劃線的機器人動作表示機器人對樂機進行上下料 操作。表中列出的為一個周期的動作?后續(xù)動作按此表循環(huán)。 設計與研究 Design and Research 生更多匹配

21、方案。 3 “時間等分-動作匹配”方法的應用 某條沖壓生產(chǎn)線由5臺IRB 6660機器人(配有柔 性Crossbar)、1臺2 500 (伺服壓機和3臺1 000 t常規(guī) 壓機組成。機器人上下料操作時間為3 s。各臺壓機 的工作周期均為6 s。 若采用靜態(tài)配合方式，當機器人進行上下料操作 時,壓機必須等待機器人，等待時間至少為3 s。不妨 以3 s計算，則生產(chǎn)線的周期為9 s。若采用“時間等 分-動作匹配”法協(xié)調(diào)該生產(chǎn)線中壓機與機器人的動 作,機器人充分利用了壓機在干涉高度以上的運行時 間，生產(chǎn)線的周期為6 s?；贏DAMS對其進行運動 仿真，仿真結果參見圖5。 圖5沖壓生產(chǎn)

22、線的運動仿真 仿真結果表明：“時間等分-動作匹配”法消除了 壓機的等待時間，使生產(chǎn)線的周期由9 s減小到6 s,優(yōu) 化了生產(chǎn)節(jié)拍，提高了生產(chǎn)效率。 動化生產(chǎn)線中壓機與機器人的動作協(xié)調(diào)，生產(chǎn)線運動 仿真驗證了方法的可行性和有效性，該方法降低了壓 機制動次數(shù)，且消除了沖壓生產(chǎn)線的等待時間，提高了 生產(chǎn)效率，為沖壓線生產(chǎn)節(jié)拍的進一步優(yōu)化提供參考。 參琴文獻 [I]黃才元?我國沖壓設備的現(xiàn)狀與發(fā)展[J] ?機械工人:熱加工.2007 (4) ：23-25. 〔2]劉川■宋四全■李勇.國內(nèi)沖斥自動化線成套技術及裝備供應能力研 究〔J]?機器人技術與應用.2004(3) ：8-12. [3]

23、 李瑞峰?中何工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J]?航空制造技術.2010 (9):32-37. [4] 王明■黃英，王長潤?機器人沖樂自動線的生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化[J).儀器儀 表用戶,20C ,77(6) ,75-77. [5] 首濟黎?沖樂自動線中圧機和機器人的動作協(xié)調(diào)〔J]?現(xiàn)代零部件. 2010(2):33-35. [6] 陳立新?工業(yè)機器人在沖壓自動化生產(chǎn)線中的應用〔J] ?機械設計與 制 ig.2010( 10)：94-96 ? [7〕邱堆紅■李偉成.沖斥自動化機器人成套設備[J]?鍛壓技術.2001 (2)：44-46? 、8 ] Stone R S, Brett P N t Ev

24、ans B S. An automated handling system for soft compact shaped non-rigid products[J]? Mechatronics. 1998.8(2) ：85 -102. 第一作者：周玉林，男,1961年生，工學博士，教 授，主要從事機器人理論及應用技術和重型機械裝備 技術等領域的研究。 (編輯余捷) (收修改稿日期：2012-06-29) 文章編號J3O125 如果您想發(fā)表對衣文的看法，請將文章編號填入讀者意見調(diào)查表中的相應位 設計與研究 Design and Research 設計與研究

25、Design and Research 4結語 本文所提岀的“時間等分-動作匹配”法適用于自 設計與研究 Design and Research 設計與研究 Design and Research 沖壓線機器人與壓機動作協(xié)調(diào)方法 作者： 周玉林，張志強，侯雨雷，屈云濤，ZHOU Yulin, ZHANG Zhiqiang, HOU Yulei, QU Yuntao 作者單位： 燕山大學機械工程學院河北秦皇島,066004 刊名： 制造技術與機床|ISTI口而T 英文干刊名： Manufacturing Technolo

26、gy & Machine Tool 年，卷(勒： 2013(1) 被引用次數(shù)： 4次 參考文獻(8條) 1. 黃才元我國沖壓設備的現(xiàn)狀與發(fā)展［期刊論文］-機械工人(熱加工)2007(4) 2. 劉川,宋四全，李勇 國內(nèi)沖壓自動化線成套技術及裝備供應能力研究 ［期刊論文］-機器人技術與應用2004(3) 3. 李瑞峰 中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略［期刊論文］-航空制造技術2010(9) 4. 王明,黃英,王長潤 機器人沖壓自動線的生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化［期刊論文］-儀器儀表用戶2008(6) 5. 曹濟黎 沖壓自動線中壓機和機器人的動作協(xié)調(diào) 2010(02) 6. 陳立新 工業(yè)機器人在沖

27、壓自動化生產(chǎn)線的應用［期刊論文］-機械設計與制造2010(10) 7. 邱繼紅，李偉成 沖壓自動化機器人成套設備［期刊論文］-鍛壓技術2001(2) 8. Stone R S;Brett P N;Evans B S An automated handling system for soft compact shaped non-rigid products 1998(02) 引證文獻(4條) 1. 陳冠宇 自動化沖壓線機器人軌跡規(guī)劃研究［期刊論文］-科技創(chuàng)新與應用2015(26) 2. 楊德君 工業(yè)機器人在沖壓自動化生產(chǎn)線中的應用［期刊論文］-科技創(chuàng)新與應用2014(19) 3. 周玉林，張志強,侯雨雷，王建新,喻寶林 面向大型機器人沖壓線的動作方案評價指標［期刊論文］-中國機械工程2014(14) 4. 侯雨雷王嫦美，杜建革,李建喻寶林,周玉林 汽車沖壓線上下料機器人選型原則與方法［期刊論文］-制造技術與機床2014(11) 引用本文格式：周玉林.張志強.侯雨雷.屈云濤.ZHOU Yulin. ZHANG Zhiqiang. HOU Yulei. QU Yuntao沖壓線機器人與壓機動作協(xié)調(diào)方 法［期刊論文］-制造技術與機床2013(1)