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1、汽車工業(yè)機(jī)器人 ■南京南汽模具裝備有限公司/曹濟(jì)黎 沖壓自動線中 壓機(jī)和機(jī)器人的動作協(xié)調(diào) 2010年第 2 3期 1994-20 L0 China Academic Junrihdl Electronic Publishing All rights rvscrvvd. htlpwwwl1i< 汽車工業(yè)機(jī)器人 2010年第 2 3期 1994-20 L0 China Academic Junrihdl Electronic Publishing All rights rvscrvvd. htlpwwwl1i< 汽車工業(yè)機(jī)器人 我公司新建

2、的沖壓自動線由五臺壓機(jī)和七臺機(jī)器人 組成。第一臺壓機(jī)為2000t八連桿閉式單動壓機(jī)，第二臺 壓機(jī)為1000t偏心式閉式單動壓機(jī)，第三、四、五臺壓 機(jī)均為800t偏心式閉式單動壓機(jī)，五臺壓機(jī)的中心間距 均為6.5m。機(jī)器人除拆垛、上料和最后下料三臺機(jī)器人 為六軸機(jī)器人外，壓機(jī)間搬運(yùn)產(chǎn)品的機(jī)器人均采用六軸 半機(jī)器人，端拾器在搬運(yùn)產(chǎn)品的過程中只需平移，不作 180的旋轉(zhuǎn)。由于拆垛、上料和最后下料機(jī)器人的動 作時間較短，不會影響自動線的節(jié)拍。 下面主要分析中間四臺壓機(jī)間的機(jī)器人的動作（以 最大的可能性考慮，假設(shè)模具寬度為2.4m，端拾器寬 1.6m，端拾器“進(jìn)、岀模腔”取、放件的運(yùn)動行程均為 2n）

3、。 一仆二主的機(jī)器人 壓機(jī)間的每臺機(jī)器人，都是先要等前面一臺壓機(jī)壓 完工件打開模腔后，才能進(jìn)入模腔從中取出工件并將之 搬運(yùn)至后一臺壓機(jī)前，等后面工序的模具中的工件被取 走后，才能將端拾器送入模腔放下工件，并迅速返回前 面壓機(jī)旁準(zhǔn)備下一個循環(huán)的動作。每臺機(jī)器人都要在前 后兩臺壓機(jī)間往復(fù)運(yùn)動搬運(yùn)工件，其動作必須和這兩臺 壓機(jī)協(xié)調(diào)配合。 以最普遍的情況來說，從第 k臺機(jī)器人（Rk）回 到第k臺壓機(jī)（Pk）旁準(zhǔn)備新的循環(huán)起動時刻為起點(diǎn)計(jì) 算，一個周期的動作順序?yàn)椋旱却?k臺壓機(jī)（Pk） 完成沖次停在上死點(diǎn)（t J，端拾器進(jìn)入模腔（t 2）， 吸起工件（t 3），退岀模腔（t 4）,往第（k

4、+ 1）壓機(jī) （Pk + 1）運(yùn)動（t4），等待模腔打開且其中的工件被后續(xù) 的機(jī)器人取走（t6）、端拾器進(jìn)入模腔（t7），放下工件 （t8），退岀模腔（t9 ），返回運(yùn)動到第k臺壓機(jī)（Pk ） 旁（t 10）。機(jī)器人民的一個運(yùn)動周期為TfRk=t 1 +t 2+t 3 + t 4+t 5 + t 6 + t 7+t 8 + t 9 + t 10。最理想的情況是機(jī)器人與壓 機(jī)、壓機(jī)與壓機(jī)間配合默契，所有的“等待”時間全部 為零：機(jī)器人Rk回到壓機(jī)Pk旁時壓機(jī)已停在上死點(diǎn)、無 需等待就可直接進(jìn)模取件（t 1 = 0）;機(jī)器人Rk取件后 趕到壓機(jī)Pk + 1時模腔已打開且上一個工件已被取走，機(jī) 器人

5、可直接進(jìn)模放件（t6 = 0）。這樣，最小運(yùn)行周期 （TRk） min=t 2+t 3 +t 4+t 5+t 7+t 8+t 9+t 10。 其中進(jìn)模、出 模時間除與編程技巧有關(guān)外還與工件及模面形狀、模具 結(jié)構(gòu)（定位、導(dǎo)向裝置等）有關(guān)。壓機(jī)間運(yùn)動時間與工 件重量、端拾器及機(jī)器人加長臂的剛性、運(yùn)動穩(wěn)定性和 機(jī)器人本身的運(yùn)動特性有關(guān)。每臺機(jī)器人不停歇地來回 一周的（TRk） min均可在裝模、帶工件、按一定高度打 開壓機(jī)但不運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下測試獲得。要減小它，必須從 上述幾個方面入手。由于該周期為沒有互相牽扯、完全 理想、配合最佳狀態(tài)下每臺機(jī)器人的工作必需時間，整 個生產(chǎn)線的最小節(jié)拍時間不能小于各臺

6、機(jī)器人最短運(yùn)行 周期（TRk） m n中最大的一個（該機(jī)器人稱為“最慢機(jī) 器人”）：（ T自動線）mn鬥（TRk） mi n] max。這樣，自動 線想要追求更大Spm的努力將是徒勞的：（S pm） max1 < 6Cr /[ （TRk） min] max。 前后有“人”伺候的壓機(jī) 每臺壓機(jī)的動作都與其前、后兩臺機(jī)器人的動作相 關(guān)。 最普遍的情況，壓機(jī)完成一個沖次停在上死點(diǎn)后， 要等其后面的機(jī)器人來取走已完成本工序的工件、再由 前面的機(jī)器人將尚未加工的工件放入模腔、并待端拾器 完全退岀后才能起動下一個沖次。即壓機(jī)Pk為下料、上 料需要停機(jī)的時間為： Tpk （上下料）=[等待后一個機(jī)器

7、人Rk趕到壓機(jī)丨 邊（t 1）+端拾器進(jìn)模（t 2）+抓料（t 3）+岀模（t4）+ 2010年第 2 3期 1994-20 L0 China Academic Junrihdl Electronic Publishing All rights rvscrvvd. htlpwwwl1i< 汽車工業(yè)機(jī)器人 2010年第 2 3期 1994-20 L0 China Academic Junrihdl Electronic Publishing All rights rvscrvvd. htlpwwwl1i< 汽車工業(yè)機(jī)器人 M策劃 M C Plan

8、 MC IltfVRIX 2010 年第 2 3期 1^94-20 L0 China Academic Juirrtml Elec iron it Publishing All rights ivscrvvd. htl p j/? w w w - ufiki l1i v 汽車工業(yè)機(jī)器人 MC IltfVRIX 2010 年第 2 3期 1^94-20 L0 China Academic Juirrtml Elec iron it Publishing All rights ivscrvvd. htl p j/? w w w - ufiki l1i v

9、汽車工業(yè)機(jī)器人 等待前一個機(jī)器人Rk-1趕到（t5） +端拾器進(jìn)模（t6）+ 上料（t7）+完全岀模（t8）］。這樣，壓機(jī)R的一個動作 循環(huán)周期為 Tpk=Tpk）+Tpk （上下料） 式中Tpko――壓機(jī)一個沖次的周期，Tpko= 60r/min。 為了縮短周期，理想的情況是：當(dāng)壓機(jī) Pk的模具 從下死點(diǎn)開啟上升到高度Hk時［比上升到360。停機(jī)提前 了Tpk （提前）］機(jī)器人Rk已等在模具旁，無需等待（ti = 0） Rk就進(jìn)入模腔、抓料、岀模；（此時滑塊已停在 360上死點(diǎn)），在機(jī)器人Rk岀模的同時無需等待前面 的機(jī)器人Rk-i就進(jìn)入（t5 = 0），且由于下料端拾器岀和 上料

10、端拾器進(jìn)可同時進(jìn)行，（t 4> 16）可只取其中較大 者，上料端拾器岀模后滑塊即再次起動下行（為確保 安全，暫假設(shè)壓機(jī)要等上料端拾器完全出模后才再次起 動）。 這樣，Tpk （上下料）二［下料端拾器進(jìn)模（t2）+ 抓料（t3）+出模/進(jìn)模（t4）+上料（t7）+完全出模 （t8）］壓機(jī)Pk為了上、下料真正需要停機(jī)的時間，實(shí)際 上要再減去下料機(jī)器人在滑塊尚未到達(dá)360。時就提前 入模的時間TPk （提前），因此每臺壓機(jī)一個周期所需 時間至少要 （Tpk） min=Tpk0 +Tpk （上下料）一Tpk （提前） 每臺壓機(jī)的最小工作周期（TPk） min可在裝模，壓機(jī) 開啟，前、后上下料機(jī)器

11、人與之作最佳配合的情況下測 得。由于每臺壓機(jī)和模具自身的工藝要求和情況不同， （Tpk） min （k = 1，2，3，4，5）都不同。 和機(jī)器人的情況一樣，全線的節(jié)拍取決于Tp［k） （m n］max （該壓機(jī)稱為“最慢壓機(jī)”），自動線的節(jié)拍周期不可 能小于［（TpQ min］ max， 因此：（spm） max2 < 60r/［ （Tpk） min］ max。和機(jī)器人的分析綜合，自動線的節(jié)拍周期必然大 于［（TRk ） min］max和［（TPk ） min］ max中的較大者，而自動線 全線的Spm的上限則必是（Spm） max1、（Spm） max2中的 較小者。 自動線的提速

12、 雖然每臺壓機(jī)的（Tpk ） min和每臺機(jī)器人的（TRk ） min （k = 1, 2, 3, 4, 5）都是越小越好，但真正決定全線 節(jié)拍的是［（Tpk） min］ max和［（TRk） min］ max，所以必須先找 岀影響全線節(jié)拍的關(guān)鍵設(shè)備（即“最慢機(jī)器人”和“最 慢壓機(jī)”），并設(shè)法將它的運(yùn)行周期減到最?。ㄆ渲?涉及前、后設(shè)備動作互相牽扯的問題可留在下一步處 理）。 （1） 減?。郏═rr ） M n］ max :使“最慢機(jī)器人”、端 拾器能快速入模、吸起產(chǎn)品并快速出模（可能涉及模 具導(dǎo)向、定位及模面設(shè)計(jì)等）；使“最慢機(jī)器人”、 端拾器能在兩臺壓機(jī)間快速運(yùn)動（增加端拾器的動態(tài)穩(wěn)

13、定性，改善行走路線，改進(jìn)編程等）；使“最慢機(jī)器 人”、端拾器在到達(dá)下一臺壓機(jī)時能準(zhǔn)確無誤地快速入 模、放下產(chǎn)品并快速出模并返回（進(jìn)出模腔速度可能涉 及模具導(dǎo)向、定位及模面設(shè)計(jì)等）。 （2） 減?。郏═pk ） m n］ max :使端拾器能在“最慢壓 機(jī)”上模開啟到一定高度時就盡早地提前進(jìn)入模腔、快 速吸起產(chǎn)品并快速岀模；使前面的上料機(jī)器人 Rk-1和端 拾器能在下料端拾器岀模的同時就快速進(jìn)入模腔并準(zhǔn) 確無誤地放下產(chǎn)品并岀模；使“最慢壓機(jī)”盡可能地縮 短停機(jī)時間：在前面的上料端拾器剛岀模、無危險的 前提下盡快起動下一個沖次。為提高安全系數(shù)，建議不 要在上料端拾器完全出模前就提前起動壓機(jī)。從壓

14、機(jī)滑 塊的運(yùn)動曲線來看，對于后面幾臺偏心式壓機(jī)來說， 為了縮短節(jié)拍時間寧可使壓機(jī)在上個沖程完成后停在 過了 360、滑塊已開始下降、但仍可確保有足夠開啟 高度（如停在60 /開啟高度820mr或停在75 /開啟高 度700mn前）的某個位置上，這個過頂下行的過程與 上、下料動作同時進(jìn)行，卻可縮短下次起動下行的時間 （60起動可節(jié)減0.71s、75起動節(jié)減0.89s ）。而對于 第一臺2000t壓機(jī)來說，360位置已是過頂下行45、 開啟高度只有820mm再延后的意義就不太大了。在有 利于整線提速和工藝允許的前提下，也可依需要適當(dāng)提 高某些壓機(jī)的效率。 除了單臺壓機(jī)和單臺機(jī)器人本身的動作周

15、期以外， 全線壓機(jī)之間動作的協(xié)調(diào)（或稱“相位配合”）是提高 生產(chǎn)線節(jié)拍的另一個關(guān)鍵因素。每臺壓機(jī)是否應(yīng)“同步 起動”，應(yīng)視“同步起動”是否會造成額外的機(jī)器人等 壓機(jī)或壓機(jī)等機(jī)器人的情況，特別是在“最慢機(jī)器人” 或“最慢壓機(jī)”身上岀現(xiàn)。這是在壓機(jī)沖次不變的前提 下影響全線節(jié)拍的主要因素。假設(shè)各壓機(jī)同步起動， 2000t、1000t壓機(jī)取14次/min，每沖次周期為4.29s ;全 線節(jié)拍為8spnf寸，節(jié)拍時間為7.5s。假設(shè)從2000t壓機(jī)滑 塊開啟至500m高度（A1點(diǎn)）時機(jī)器人&提前1.27s進(jìn)入 模腔抓料、岀模、向1000t壓機(jī)運(yùn)動、進(jìn)模、放下產(chǎn)品 再岀模。如果2000t壓機(jī)所需的進(jìn)岀料

16、時間為4.48s , 扣去提前進(jìn)模1.27s，需停機(jī)3.21s。如1000t壓機(jī)要 和2000t壓機(jī)同步起動，留給機(jī)器人R完成上述幾個 動作的時間就只有4.48s。在這4.48s內(nèi)機(jī)器人R1如能 將工件放入1000t壓機(jī)的模腔內(nèi)并安全撤岀，則生產(chǎn) 節(jié)拍可以不受影響；但如機(jī)器人這時還沒能岀模， 1000t壓機(jī)就無法起動，必需等待。如要堅(jiān)持全線壓 機(jī)“同步起動”原則，則全線的節(jié)拍時間就拉長了。 為了防止岀現(xiàn)這種情況，應(yīng)該放棄“同步起動”的原 則，在確?！白盥龎簷C(jī)”(一般應(yīng)是第一臺拉延壓 機(jī))的動作不受影響的前提下調(diào)整后續(xù)壓機(jī)的運(yùn)動相 位(即起動時刻)，先保證與“最慢壓機(jī)”相關(guān)的機(jī) 器人運(yùn)動的各個環(huán)

17、節(jié)能與其作最佳配合，使之不受影 響、順利地運(yùn)動，[Tpk) min] max不被突破。第二臺壓 機(jī)的相位確定后，第三、四、五臺壓機(jī)的起動時刻也 都可如此依次調(diào)整、確定，從前向后推定，盡量保證 不使后面壓機(jī)的動作相位影響和延長前面壓機(jī)的動作 周期，避免相互牽扯、延長節(jié)拍。如果“最慢壓機(jī)” “最慢機(jī)器人”在線的中間，則從中間向兩頭調(diào)整、 推定。當(dāng)然，如對全線節(jié)拍的提速沒有積極的影響， 則有些調(diào)整也可放棄。 三個原則 (1)分析問題的“分離原則” 沖壓自動線中 每臺壓機(jī)都和前、后兩臺機(jī)器人相關(guān)，而每臺機(jī)器人 又都和它的前、后兩臺壓機(jī)的動作密不可分，因此全 線設(shè)備互相牽扯，看似“牽一發(fā)而動全身

18、”。但對這 樣的系統(tǒng)，如果我們先將它分割開來分析，談某臺壓 機(jī)時只看直接與之相關(guān)的前、后兩臺機(jī)器人；談某臺 機(jī)器人時也只看直接與之相關(guān)的前、后兩臺壓機(jī)；都 先按沒有相互牽扯的最理想的狀態(tài)進(jìn)行分析，再綜 合起來談如何解除互相的影響、實(shí)現(xiàn)最佳的配合， 這樣就使復(fù)雜的問題簡單化了。如在分析壓機(jī)一個循 環(huán)的最短周期時間時，我們只計(jì)算下料機(jī)器人進(jìn)模、 取料、岀模和上料機(jī)器人進(jìn)模、送料、岀模的時間而 不問取料機(jī)器人在往下一站送料后能否及時趕回來的 問題，因?yàn)槟鞘菭可鎺着_壓機(jī)間“相關(guān)聯(lián)”的事。同 時，在分析每臺壓機(jī)或機(jī)器人的動作周期時，也是先 按最理想的情況考慮，每一步都是必需的，每一秒都 是不能省的，因此

19、由此得到的周期應(yīng)該可以肯定就 是將來復(fù)雜條件下實(shí)際情況的“極限”。要想“超 越”這個極限，先得想法把它改寫。如何改，影響 的因素也就簡單明白了。 (2) 實(shí)施過程的“量化原則” 分解開以后 的每個“單元”都只包含三臺設(shè)備，最佳化的條 件也很簡單明了。對壓機(jī)而言測量每臺壓機(jī)的 (Tpk ) min：起動單個沖次、滑塊下行、上升，當(dāng) 模腔打開到一定高度后，后面的下料機(jī)器人進(jìn)模抓 料、岀模的同時前面的上料機(jī)器人進(jìn)模送件、岀 模，并再次起動壓機(jī)；對機(jī)器人而言測量每臺機(jī)器 人的(TRk ) min :在壓機(jī)靜止、模腔打開到一定高 度的情況下，讓機(jī)器人進(jìn)如前面的模腔中抓件、岀 模、快速運(yùn)動到后面的模

20、腔里放料、出模并再趕回 到前面的模腔邊。由于涉及面小，可操作性強(qiáng)，有 較強(qiáng)的可重復(fù)性，也方便測量。有了具體的科學(xué)數(shù) 據(jù)，心里就有底了，知道哪兒是薄弱環(huán)節(jié)，該在哪 兒動腦筋想辦法；知道哪兒是“極限”目標(biāo)，工藝 標(biāo)準(zhǔn)好定了，調(diào)試目標(biāo)也就明確了。 (3) 協(xié)調(diào)過程的“保慢原則” “一個木桶 裝水的最大容量取決于最矮的木板”，一個系統(tǒng)的 能力，取決于最薄弱的環(huán)節(jié)。與鐵路調(diào)度“停慢 車、保快車；?？燔嚒⒈Ｌ乜臁钡脑瓌t完全不同， 自動線要提速，必須先找出最薄弱的環(huán)節(jié)，即“最 差的”、“最慢的”那個，在想盡辦法幫它提速的 情況下，前、后、左、右相關(guān)設(shè)備都要為它“讓 路”，調(diào)整各自的相位來配合它的動作，

21、一切“保 慢”，目的是不能再耽誤這位“最慢先生”的行 程。全線的節(jié)拍周期的最短極限也就是這位“最慢 先生”的周期。只有保證了它的周期，加上其他設(shè) 備配合得當(dāng)，全線才有可能而且也應(yīng)該能夠爭取達(dá) 到最佳效果。 全線spm《60/{[ (TRk) min] max和[(Tpk ) min] max中 的較大者} ( k = 1、2、3、4、5)。這就是以“保 慢”求“最快”的辯證關(guān)系。 查詢編號201002006 關(guān)鍵詞：沖壓自動線 機(jī)器人 20091204 MC IltfVRIX 2010 年第 2 3期 1^94-20 L0 China Academic Juirrtml Elec iron it Publishing All rights ivscrvvd. htl p j/? w w w - ufiki l1i v