冲压线机器人与压机动作协调方法

冲压线机器人与压机动作协调方法*周玉林张志强侯雨雷屈云涛（燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛066004）摘 要:对冲压生产线中机器人与压机的动作协调方法进行了研究，提出“时间等分-动作匹配”法，并阐述 了其基本原理，展示了该方法的应用过程。进而，基于此方法对某条生产线进行了运动仿真。结果 表明，该方法具有可行性，可提高生产效率，且可为机器人冲压生产线总体控制方案的制定提供参 考。关键词：冲压生产线 工业机器人 压机 动作协调中图分类号:TP278 文址标识码：AThe coordination method between the robot and the presssmovements in the robot automation press lineZHOU 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 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 method 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 lineKeywords: Press Line; Industrial Robot; Press; Coordination of Movements 78 78 竞争日益激烈的现代制造业对生产效率的要求越 来越高，促进了现代制造业的自动化发展，工业机器人 作为自动化生产线的重要装备也得到了快速发展。 自动化冲压生产线广泛应用于航空航天.汽车制造、电 子和家用电器等领域，而我国冲压生产线的自动化、机 械化程度与世界先进水平差距明显，自动化冲压生产 78 78 “高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项大型伺服闭式四点乐力机”子课題大型伺眼压力机冲压线自动化上下料技术研究”资 助（2010ZX04004-112-2）3结语现有中、小吨位合模压力机为长行程液压机，均由 主缸完成模具开闭与施加合模力，因为主缸体积大、不 适于大吨位合模压力机。所以本设备采用短行程液压 机方案，由位于压力机上方的长行程小吨位提升油缸 完成模具开闭，由位于下横梁内的短行程大吨位油缸 施加合模力,该装备结构比较复杂，但是能够迅速建立 大吨位合模力，且合模力可随内压变化进行控制，避免 了模具在内压较低时受到过大的合模力作用造成变形 和损坏。参考文献I宋楠.管材内高压成形技液斥控制系统的研穽：J机电工程技术. 2007,36（2）:21-232朱伟成徐戌林.内高用成形汽车饭件技术J汽车工艺与材料. 2004（1）：12-14.【3苑世剑王仲仁轻fit化结构内高压成形技术J 材料科学与工艺. 1999,7（增刊）:139-142.（编辑余捷）（收槁日期：2012-05-17）文章集号：130124如果您給发表对本文的看法，请将文章第号坍入读者竄见调査表中的相应位砸lTWJWT九 Design and Research 线在我国有着广阔的发展前景打。冲压线中机器人与压机的动作协调不仅是生产线 整线控制的基础,而且是开展机器人工作空间分析和 轨迹规划等工作的前提。并且工业机器人与成套装备 协调作业技术的研究也是我国工业机器人产业化进程 中需要攻克的难题，因此，研究机器人与压机的动 作协调方法具有实际意义。文献4基于机器人控制软件介绍了一种系统自 我调节节拍的柔性化设计，以避免相邻设备之间的干 涉，优化生产节拍。文献5定性地指出了机器人要 在压机滑块上升到一定高度时提前进模。文献6介 绍了机器人通过软件跟踪压机的运动和增加机器人第 七轴两种方法来加快生产节拍。文献7采用间歇同 步方式协调压机与机器人动作，其属于静态配合方式。目前，我国的机器人自动化冲压生产线中,机器人 与压机的运动协调关系多为静态配合方式。该配合方 式具有简单有效、安全性和可靠性高的优点。但是，在 此配合方式下,压机滑块必须在上死点静止时,机器人 才能进行上下料操作,导致生产效率低;压机必须等待 机器人，因而压机的运行时断时续，增加了压机的离合 器、抱闸的动作频率,降低了使用寿命。统计数据显示，在冲压生产中，仅有不足10%的 时间用于对工件进行冲压加工,其余时间均用于工件 搬运与等待搬运中。为克服静态配合的局限性，本 文提岀一种简便、快捷的新方法一“时间等分-动作 匹配”法,该方法充分利用了压机滑块在上下料干涉 高度（简称“干涉高度”）以上的运行时间，消除了压机 的等待时间，提高了生产效率。1 “时间等分动作匹配”法所谓“时间等分动作匹配”法，即首先按划分原 则将压机和机器人的动作分别划分成相等的份数，然 后按匹配原则将机器人动作与压机动作相匹配，以协 调生产线中机器人与压机的动作。11划分原则原则一:“木桶原则”。虽然每台压机的循环周期和每台机器人的循环周 期都是越小越好,但是决定冲压线生产节拍的关键设 备是“最慢压机”和“最慢机器人”。将两者中最慢 的周期作为整线压机与机器人的共同周期。该周期为 生产线所能达到的最快周期。原则二:将压机滑块在干涉高度以上的运行时间 作为压机动作划分的基准。该方法中貳动作匹配是基于整份动作而言的，按 时间均分压机动作时，压机滑块在干涉高度以上的运 行时间（/.）必须为一份时间（t = T/n,n为总份数）的整 数倍ggk为正整数）。如果A不能恰好取整数， 需将干涉高度上方附近某一髙度作为划分的界限，使 得A取整。原则三:将机器人上下料操作的时间作为机器人 动作划分的基准。机器人在压机内动作包括机器人在上位压机内的 取料动作（进模、吸料、出模动作）和在下位压机内的 放料动作（进模、放料、出模）。因该方法中的动作匹 配是基于整份动作而肓的,按时间均分机器人动作时. 机器人在压机内动作的时间（5）必须为一份时间0 = 77）的整数倍为正整数）。如果m不能恰 好取整数,需将压机与机器人干涉临界点以外某一接 近点作为划分的界限，使得皿为整数。机器人的取（放）料动作至少占一份，并且取料动 作与放料动作不能完全重合，因此，可以确定m的取 值范围为：2Wm2&。一般取料动作的路程略长于放 料动作，所以，取料动作所占份数不少于放料动作所占 份数。k、m的取值较小时，划分份数会减少，动作协调方 案也会相应地减少;仁m的取值较大时，划分份数会增 加，动作协调方案也会相应地增加。应根据实际生产 要求及工艺来确定恰当的取值。1.2动作匹配原则原则一:上、下位机器人取放料有序。对于同一台压机而言，在上位机器人放料之前，下 位机器人必须将上一工作循环中加工好的坯料取走, 防止相邻机器人之间干涉，并且要将相邻机器人的安 全距离考虑在内，相邻机器人的最小距离要大于安全 距离。原则二:压机滑块在干涉高度以上运行时允许机 器人进行上下料操作。由于机器人不能与压机发生干涉,所以机器人进 行上下料操作时压机滑块必须在干涉高度之上。原则三:“链轮链条”原则。机器人与压机的动作都是循环进行的，只要将机 器人的一个动作与压机的某个动作相匹配，其余动作 将按时间顺序依次匹配。该原则可以用链轮链条的运 动现象予以形象描述:压机的每份动作可以看作链轮 的一个“齿”：机器人的每份动作可以看作链条的一个 “链节”。当链轮的一个“齿”与链条的一个“链节”啮 合后，链轮琏条运动时，其余的“齿”与“链节”将自动 啮合。压机与机器人动作的匹配就像链轮与链条的啮 78 Design and Research设计与硏究-5000 0.6 102.03.04.1时间/s5.06.00000o 5oglw、 m1 500%J1 mTiv VjJ图3压机动作的划分1.02.03.04.05.06.04M/S图2滑块位曲线ft料F 一LI合,只是这种“啮合”是遵循匹配原则的“啮合” 02动作协调示例2.1前提条件分析将1台压机和2台机器人看作1个组成单元(参 见图1),生产线可以看作由若干单元叠加而成。为展 示“时间等分-动作匹配”法的运用过程，如图1所示 将对一个由2台IRB 6660机器人和1台2 500 (伺服 压机组成的单元进行动作协调。压机p图1机卷人与压机的位示童图伺服压机为四点闭式压力机，其运动周期为6 S, 升程为1 200 mmo在ADAMS中对其进行运动学仿 真,测出其滑块的位置曲线如图2所示，曲线零点为压 机下死点。根据机器人自身结构尺寸，结合生产单元工况，设 定干涉高度为500 mm0由图2可知，压机滑块在干涉 高度以上的运行时间(0-0.6 s和4. 1 6 s)为/严 2.5 s,在干涉高度以下的运行时间(0.6-4. 1 s)为 3. 5 so2.2动作的划分压机的周期为6 s,而机器人的工作周期小于6 s。 根据划分原则一,整线周期定为6 s。根据划分原则二，将压机滑块在干涉高度以上的 运动时间耳划分为5份海份时间为20. 5 s,则压 机的整个工作循环被划分为n=12份。压机动作的划 分参见图 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根据划分原则三,2Wm2k,即2Wm10,不妨将 机器人的上下料动作划分为m = 5份(如图4所示:进 模BC、取料CD、出模DE、进模/、放料出模IJ)。工作台I/ r kf作台$IL L L L 匚1It图4机器人动作的划分2.3动作匹配根据匹配原则一，下位机器人(R2)的取料动作 (BC-CD-DE)必须在上位机器人(R.)的放料动作(H1之前;不妨设HI为最小安全距离，在匹配动作时 上、下位机器人的末端的最小距离要大于Hlo根据匹配原则二,R?的取料动作(BC-CD-DE)可 依次对应压机 1X(0)、X(*)、XI(Q、“(“)、1(必) 中的3个动作。的放料动作(/)可依次对应压 机IX、X、XI、XD、I中的2个动作。结合匹配原则一, R2的取料动作(BC-CD-DE)必须对应(IX、X、XI)或 (X、刃、XD),若 R2的动作(BC-CD-DE)对应(IX、X、 XI),则R.的放料动作(旳-)可对应后两个动作(XI、 口)或(XD、【)；若只2的动作(BC-CD-DE)对应(X、 Xi.XI),则R,的动作(旳-)必须对应(xn、I)o根据匹配原则三，两台机器人的其余动作可依次 与压机相应的动作配合,动作匹配方案参见表1。由于压机在干涉高度以上的运行时间较短，该时 间与机器人上下料的时间相等(A = m),所以动作匹配 方案只有3种,方案二、三中上位机器人的进模动作与 下位机器人的出模动作同时进行，考虑到实际生产中 的安全性，方案一优于后两个方案。如果则会产 79 设计与研究Design and Research*1压机与机器人的动作方案方案三方案二R. p方案一R. p R?时间/3丽flcCD一匹FFGG/;KK004 IX- X-XI-XI一 1一 D 皿 W V sll mFGGWwm%MCDDE 匹仞一匹厅兀劭/ M IX- x-xl-xl- 1一口皿 N V M w W FCGA/M 一灼 初BCCDgEF 匹QDE一FCG/KK0%4B KX-XI-XI一丄 U 皿 w V M WW EFFGGWwyK灼 初ficCDDE0-0.50.5*11 -1.51.5-22.5- 33-3.53.5- 44 -4.54.5-55-5.55.5-6设计与研究Design and Research注:加下划线的圧机动作表不压机滑块在干涉高度以上运动;加下划线的机器人动作表示机器人对乐机进行上下料操作。表中列出的为一个周期的动作后续动作按此表循环。设计与研究Design and Research生更多匹配方案。3 “时间等分-动作匹配”方法的应用某条冲压生产线由5台IRB 6660机器人(配有柔 性Crossbar)、1台2 500 (伺服压机和3台1 000 t常规 压机组成。机器人上下料操作时间为3 s。各台压机 的工作周期均为6 s。若采用静态配合方式，当机器人进行上下料操作 时,压机必须等待机器人，等待时间至少为3 s。不妨 以3 s计算，则生产线的周期为9 s。若采用“时间等 分-动作匹配”法协调该生产线中压机与机器人的动 作,机器人充分利用了压机在干涉高度以上的运行时 间，生产线的周期为6 s。基于ADAMS对其进行运动 仿真，仿真结果参见图5。图5冲压生产线的运动仿真仿真结果表明：“时间等分-动作匹配”法消除了 压机的等待时间，使生产线的周期由9 s减小到6 s,优 化了生产节拍，提高了生产效率。动化生产线中压机与机器人的动作协调，生产线运动 仿真验证了方法的可行性和有效性，该方法降低了压 机制动次数，且消除了冲压生产线的等待时间，提高了 生产效率，为冲压线生产节拍的进一步优化提供参考。参琴文献I黄才元我国冲压设备的现状与发展J 机械工人:热加工.2007(4) ：23-25.2刘川宋四全李勇.国内冲斥自动化线成套技术及装备供应能力研 究J机器人技术与应用.2004(3) ：8-12.3 李瑞峰中何工业机器人产业化发展战略J航空制造技术.2010 (9):32-37.4 王明黄英，王长润机器人冲乐自动线的生产节拍优化J).仪器仪 表用户,20C ,77(6) ,75-77.5 首济黎冲乐自动线中圧机和机器人的动作协调J现代零部件. 2010(2):33-35.6 陈立新工业机器人在冲压自动化生产线中的应用J 机械设计与 制 ig.2010( 10)：94-96 7邱堆红李伟成.冲斥自动化机器人成套设备J锻压技术.2001 (2)：44-46、8 Stone R S, Brett P N t Evans B S. An automated handling system for soft compact shaped non-rigid productsJ Mechatronics. 1998.8(2) ：85 -102.第一作者：周玉林，男,1961年生，工学博士，教 授，主要从事机器人理论及应用技术和重型机械装备 技术等领域的研究。(编辑余捷)(收修改稿日期：2012-06-29)文章编号J3O125如果您想发表对衣文的看法，请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位设计与研究Design and Research设计与研究Design and Research4结语本文所提岀的“时间等分-动作匹配”法适用于自设计与研究Design and Research设计与研究Design and Research冲压线机器人与压机动作协调方法作者：周玉林，张志强，侯雨雷，屈云涛，ZHOU Yulin, ZHANG Zhiqiang, HOU Yulei, QU Yuntao作者单位：燕山大学机械工程学院河北秦皇岛,066004刊名：制造技术与机床|ISTI口而T英文干刊名：Manufacturing Technology & Machine Tool年，卷(勒：2013(1)被引用次数：4次参考文献(8条)1. 黄才元我国冲压设备的现状与发展期刊论文-机械工人(热加工)2007(4)2. 刘川,宋四全，李勇国内冲压自动化线成套技术及装备供应能力研究期刊论文-机器人技术与应用2004(3)3. 李瑞峰 中国工业机器人产业化发展战略期刊论文-航空制造技术2010(9)4. 王明,黄英,王长润机器人冲压自动线的生产节拍优化期刊论文-仪器仪表用户2008(6)5. 曹济黎 冲压自动线中压机和机器人的动作协调2010(02)6. 陈立新 工业机器人在冲压自动化生产线的应用期刊论文-机械设计与制造2010(10)7. 邱继红，李伟成 冲压自动化机器人成套设备期刊论文-锻压技术2001(2)8. Stone R S;Brett P N;Evans B S An automated handling system for soft compact shaped non-rigid products1998(02)引证文献(4条)1. 陈冠宇 自动化冲压线机器人轨迹规划研究期刊论文-科技创新与应用2015(26)2. 杨德君 工业机器人在冲压自动化生产线中的应用期刊论文-科技创新与应用2014(19)3. 周玉林，张志强,侯雨雷，王建新,喻宝林面向大型机器人冲压线的动作方案评价指标期刊论文-中国机械工程2014(14)4. 侯雨雷王嫦美，杜建革,李建喻宝林,周玉林汽车冲压线上下料机器人选型原则与方法期刊论文-制造技术与机床2014(11)引用本文格式：周玉林.张志强.侯雨雷.屈云涛.ZHOU Yulin. ZHANG Zhiqiang. HOU Yulei. QU Yuntao冲压线机器人与压机动作协调方法期刊论文-制造技术与机床2013(1)