冲压自动线中压机和机器人的动作协调

汽车工业机器人南京南汽模具装备有限公司/曹济黎冲压自动线中压机和机器人的动作协调2010年第 2 3期 1994-20 L0 China Academic Junrihdl Electronic PublishingAll rights rvscrvvd. htlpwwwl1i汽车工业机器人2010年第 2 3期 1994-20 L0 China Academic Junrihdl Electronic PublishingAll rights rvscrvvd. htlpwwwl1i汽车工业机器人我公司新建的冲压自动线由五台压机和七台机器人 组成。第一台压机为2000t八连杆闭式单动压机，第二台 压机为1000t偏心式闭式单动压机，第三、四、五台压 机均为800t偏心式闭式单动压机，五台压机的中心间距 均为6.5m。机器人除拆垛、上料和最后下料三台机器人 为六轴机器人外，压机间搬运产品的机器人均采用六轴 半机器人，端拾器在搬运产品的过程中只需平移，不作 180的旋转。由于拆垛、上料和最后下料机器人的动 作时间较短，不会影响自动线的节拍。下面主要分析中间四台压机间的机器人的动作（以 最大的可能性考虑，假设模具宽度为2.4m，端拾器宽 1.6m，端拾器“进、岀模腔”取、放件的运动行程均为 2n）。一仆二主的机器人压机间的每台机器人，都是先要等前面一台压机压 完工件打开模腔后，才能进入模腔从中取出工件并将之 搬运至后一台压机前，等后面工序的模具中的工件被取 走后，才能将端拾器送入模腔放下工件，并迅速返回前 面压机旁准备下一个循环的动作。每台机器人都要在前 后两台压机间往复运动搬运工件，其动作必须和这两台 压机协调配合。以最普遍的情况来说，从第 k台机器人（Rk）回 到第k台压机（Pk）旁准备新的循环起动时刻为起点计 算，一个周期的动作顺序为：等待第k台压机（Pk）完成冲次停在上死点（t J，端拾器进入模腔（t 2）， 吸起工件（t 3），退岀模腔（t 4）,往第（k + 1）压机 （Pk + 1）运动（t4），等待模腔打开且其中的工件被后续 的机器人取走（t6）、端拾器进入模腔（t7），放下工件 （t8），退岀模腔（t9 ），返回运动到第k台压机（Pk ） 旁（t 10）。机器人民的一个运动周期为TfRk=t 1 +t 2+t 3 + t 4+t 5 + t 6 + t 7+t 8 + t 9 + t 10。最理想的情况是机器人与压 机、压机与压机间配合默契，所有的“等待”时间全部 为零：机器人Rk回到压机Pk旁时压机已停在上死点、无 需等待就可直接进模取件（t 1 = 0）;机器人Rk取件后 赶到压机Pk + 1时模腔已打开且上一个工件已被取走，机 器人可直接进模放件（t6 = 0）。这样，最小运行周期（TRk） min=t 2+t 3 +t 4+t 5+t 7+t 8+t 9+t 10。 其中进模、出 模时间除与编程技巧有关外还与工件及模面形状、模具 结构（定位、导向装置等）有关。压机间运动时间与工 件重量、端拾器及机器人加长臂的刚性、运动稳定性和 机器人本身的运动特性有关。每台机器人不停歇地来回 一周的（TRk） min均可在装模、带工件、按一定高度打 开压机但不运转的状态下测试获得。要减小它，必须从 上述几个方面入手。由于该周期为没有互相牵扯、完全 理想、配合最佳状态下每台机器人的工作必需时间，整 个生产线的最小节拍时间不能小于各台机器人最短运行 周期（TRk） m n中最大的一个（该机器人称为“最慢机 器人”）：（ T自动线）mn鬥（TRk） mi n max。这样，自动 线想要追求更大Spm的努力将是徒劳的：（S pm） max1 6Cr /（TRk） min max。前后有“人”伺候的压机每台压机的动作都与其前、后两台机器人的动作相 关。最普遍的情况，压机完成一个冲次停在上死点后， 要等其后面的机器人来取走已完成本工序的工件、再由 前面的机器人将尚未加工的工件放入模腔、并待端拾器 完全退岀后才能起动下一个冲次。即压机Pk为下料、上 料需要停机的时间为：Tpk （上下料）=等待后一个机器人Rk赶到压机丨 边（t 1）+端拾器进模（t 2）+抓料（t 3）+岀模（t4）+2010年第 2 3期 1994-20 L0 China Academic Junrihdl Electronic PublishingAll rights rvscrvvd. htlpwwwl1i汽车工业机器人2010年第 2 3期 1994-20 L0 China Academic Junrihdl Electronic PublishingAll rights rvscrvvd. htlpwwwl1i 16）可只取其中较大 者，上料端拾器岀模后滑块即再次起动下行（为确保 安全，暂假设压机要等上料端拾器完全出模后才再次起 动）。这样，Tpk （上下料）二下料端拾器进模（t2）+ 抓料（t3）+出模/进模（t4）+上料（t7）+完全出模 （t8）压机Pk为了上、下料真正需要停机的时间，实际 上要再减去下料机器人在滑块尚未到达360。时就提前 入模的时间TPk （提前），因此每台压机一个周期所需 时间至少要（Tpk） min=Tpk0 +Tpk （上下料）一Tpk （提前）每台压机的最小工作周期（TPk） min可在装模，压机 开启，前、后上下料机器人与之作最佳配合的情况下测 得。由于每台压机和模具自身的工艺要求和情况不同， （Tpk） min （k = 1，2，3，4，5）都不同。和机器人的情况一样，全线的节拍取决于Tpk） （m nmax （该压机称为“最慢压机”），自动线的节拍周期不可 能小于（TpQ min max， 因此：（spm）max2 60r/（Tpk）min max。和机器人的分析综合，自动线的节拍周期必然大 于（TRk ） minmax和（TPk ） min max中的较大者，而自动线 全线的Spm的上限则必是（Spm） max1、（Spm） max2中的 较小者。自动线的提速虽然每台压机的（Tpk ） min和每台机器人的（TRk ） min （k = 1, 2, 3, 4, 5）都是越小越好，但真正决定全线 节拍的是（Tpk） min max和（TRk） min max，所以必须先找 岀影响全线节拍的关键设备（即“最慢机器人”和“最 慢压机”），并设法将它的运行周期减到最小（其中 涉及前、后设备动作互相牵扯的问题可留在下一步处 理）。（1）减小（Trr ） M n max :使“最慢机器人”、端 拾器能快速入模、吸起产品并快速出模（可能涉及模 具导向、定位及模面设计等）；使“最慢机器人”、 端拾器能在两台压机间快速运动（增加端拾器的动态稳 定性，改善行走路线，改进编程等）；使“最慢机器 人”、端拾器在到达下一台压机时能准确无误地快速入 模、放下产品并快速出模并返回（进出模腔速度可能涉 及模具导向、定位及模面设计等）。（2）减小（Tpk ） m n max :使端拾器能在“最慢压 机”上模开启到一定高度时就尽早地提前进入模腔、快 速吸起产品并快速岀模；使前面的上料机器人 Rk-1和端 拾器能在下料端拾器岀模的同时就快速进入模腔并准 确无误地放下产品并岀模；使“最慢压机”尽可能地缩 短停机时间：在前面的上料端拾器刚岀模、无危险的 前提下尽快起动下一个冲次。为提高安全系数，建议不 要在上料端拾器完全出模前就提前起动压机。从压机滑 块的运动曲线来看，对于后面几台偏心式压机来说，为了缩短节拍时间宁可使压机在上个冲程完成后停在 过了 360、滑块已开始下降、但仍可确保有足够开启 高度（如停在60 /开启高度820mr或停在75 /开启高 度700mn前）的某个位置上，这个过顶下行的过程与 上、下料动作同时进行，却可缩短下次起动下行的时间（60起动可节减0.71s、75起动节减0.89s ）。而对于 第一台2000t压机来说，360位置已是过顶下行45、 开启高度只有820mm再延后的意义就不太大了。在有 利于整线提速和工艺允许的前提下，也可依需要适当提 高某些压机的效率。除了单台压机和单台机器人本身的动作周期以外， 全线压机之间动作的协调（或称“相位配合”）是提高 生产线节拍的另一个关键因素。每台压机是否应“同步 起动”，应视“同步起动”是否会造成额外的机器人等 压机或压机等机器人的情况，特别是在“最慢机器人” 或“最慢压机”身上岀现。这是在压机冲次不变的前提 下影响全线节拍的主要因素。假设各压机同步起动， 2000t、1000t压机取14次/min，每冲次周期为4.29s ;全 线节拍为8spnf寸，节拍时间为7.5s。假设从2000t压机滑 块开启至500m高度（A1点）时机器人&提前1.27s进入 模腔抓料、岀模、向1000t压机运动、进模、放下产品 再岀模。如果2000t压机所需的进岀料时间为4.48s , 扣去提前进模1.27s，需停机3.21s。如1000t压机要 和2000t压机同步起动，留给机器人R完成上述几个 动作的时间就只有4.48s。在这4.48s内机器人R1如能 将工件放入1000t压机的模腔内并安全撤岀，则生产 节拍可以不受影响；但如机器人这时还没能岀模， 1000t压机就无法起动，必需等待。如要坚持全线压 机“同步起动”原则，则全线的节拍时间就拉长了。 为了防止岀现这种情况，应该放弃“同步起动”的原 则，在确保“最慢压机”(一般应是第一台拉延压 机)的动作不受影响的前提下调整后续压机的运动相 位(即起动时刻)，先保证与“最慢压机”相关的机 器人运动的各个环节能与其作最佳配合，使之不受影 响、顺利地运动，Tpk) min max不被突破。第二台压 机的相位确定后，第三、四、五台压机的起动时刻也 都可如此依次调整、确定，从前向后推定，尽量保证 不使后面压机的动作相位影响和延长前面压机的动作 周期，避免相互牵扯、延长节拍。如果“最慢压机”“最慢机器人”在线的中间，则从中间向两头调整、 推定。当然，如对全线节拍的提速没有积极的影响， 则有些调整也可放弃。三个原则(1)分析问题的“分离原则”冲压自动线中每台压机都和前、后两台机器人相关，而每台机器人 又都和它的前、后两台压机的动作密不可分，因此全 线设备互相牵扯，看似“牵一发而动全身”。但对这 样的系统，如果我们先将它分割开来分析，谈某台压 机时只看直接与之相关的前、后两台机器人；谈某台 机器人时也只看直接与之相关的前、后两台压机；都 先按没有相互牵扯的最理想的状态进行分析，再综 合起来谈如何解除互相的影响、实现最佳的配合， 这样就使复杂的问题简单化了。如在分析压机一个循 环的最短周期时间时，我们只计算下料机器人进模、 取料、岀模和上料机器人进模、送料、岀模的时间而 不问取料机器人在往下一站送料后能否及时赶回来的 问题，因为那是牵涉几台压机间“相关联”的事。同 时，在分析每台压机或机器人的动作周期时，也是先 按最理想的情况考虑，每一步都是必需的，每一秒都 是不能省的，因此由此得到的周期应该可以肯定就 是将来复杂条件下实际情况的“极限”。要想“超 越”这个极限，先得想法把它改写。如何改，影响 的因素也就简单明白了。(2) 实施过程的“量化原则”分解开以后 的每个“单元”都只包含三台设备，最佳化的条 件也很简单明了。对压机而言测量每台压机的(Tpk ) min：起动单个冲次、滑块下行、上升，当 模腔打开到一定高度后，后面的下料机器人进模抓 料、岀模的同时前面的上料机器人进模送件、岀 模，并再次起动压机；对机器人而言测量每台机器 人的(TRk ) min :在压机静止、模腔打开到一定高 度的情况下，让机器人进如前面的模腔中抓件、岀 模、快速运动到后面的模腔里放料、出模并再赶回 到前面的模腔边。由于涉及面小，可操作性强，有 较强的可重复性，也方便测量。有了具体的科学数 据，心里就有底了，知道哪儿是薄弱环节，该在哪 儿动脑筋想办法；知道哪儿是“极限”目标，工艺 标准好定了，调试目标也就明确了。(3) 协调过程的“保慢原则”“一个木桶 装水的最大容量取决于最矮的木板”，一个系统的 能力，取决于最薄弱的环节。与铁路调度“停慢车、保快车；停快车、保特快”的原则完全不同， 自动线要提速，必须先找出最薄弱的环节，即“最 差的”、“最慢的”那个，在想尽办法帮它提速的 情况下，前、后、左、右相关设备都要为它“让 路”，调整各自的相位来配合它的动作，一切“保 慢”，目的是不能再耽误这位“最慢先生”的行 程。全线的节拍周期的最短极限也就是这位“最慢 先生”的周期。只有保证了它的周期，加上其他设 备配合得当，全线才有可能而且也应该能够争取达 到最佳效果。全线spm60/ (TRk) min max和(Tpk ) min max中 的较大者 ( k = 1、2、3、4、5)。这就是以“保 慢”求“最快”的辩证关系。查询编号201002006关键词：冲压自动线 机器人20091204MC IltfVRIX 2010 年第 2 3期 194-20 L0 China Academic Juirrtml Elec iron it PublishingAll rights ivscrvvd. htl p j/? w w w - ufiki l1i v