冲压自动线中压机和机器人的动作协调

冲压自动线中压机和机器人的动作协调 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、出模腔”取、放件的运动行程均为 2m）。 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（R k）回 到第k 台压机（P k）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（P k ） 完成冲次停在上死点（t 1），端拾器进入模腔（t 2）， 吸起工件（t 3），退出模腔（t 4），往第（k ＋1）压机 （Pk ＋1）运动（t 4），等待模腔打开且其中的工件被后续 的机器人取走（t 6）、端拾器进入模腔（t 7），放下工件 （t 8），退出模腔（t 9），返回运动到第k 台压机（P k） 旁（t 10）。机器人Rk的一个运动周期为TRk＝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R k回到压机P k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R k取件后 赶到压机P k ＋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（t 6＝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（T R k）m i n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（T R k）m i n中最大的一个（该机器人称为“最慢机 器人”）：（T 自动线）m i n≥[（T R k）m i n]m a x。这样，自动 线想要追求更大s p m 的努力将是徒劳的：（s p m ）m a x1≤ 60r /[（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 完全退出后才能起动下一个冲次。即压机P k为下料、上 料需要停机的时间为： T P k（上下料）＝[等待后一个机器人R k赶到压机｜ 边（t 1）＋端拾器进模（t 2）＋抓料（t 3）＋出模（t 4）＋ MC策划 MC Plan 34 2010年 第 2 期 http://www.chongya.org/ 等待前一个机器人R k -1赶到（t 5）＋端拾器进模（t 6）＋ 上料（t 7）＋完全出模（t 8）]。这样，压机Pk的一个动作 循环周期为 TPk＝TPk 0＋TPk（上下料） 式中 TPk 0——压机一个冲次的周期，TPk 0＝60r/min。 为了缩短周期，理想的情况是：当压机P k的模具 从下死点开启上升到高度H K 时［比上升到360°停机提前 了T P k（提前）］机器人R k已等在模具旁，无需等待（t 1＝ 0）R k就进入模腔、抓料、出模；（此时滑块已停在 360°上死点），在机器人R k出模的同时无需等待前面 的机器人R k -1就进入（t 5＝0），且由于下料端拾器出和 上料端拾器进可同时进行，（t 4、t 6）可只取其中较大 者，上料端拾器出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，T P k（上下料）＝[下料端拾器进模（t 2）＋ 抓料（t 3）＋出模/进模（t 4）＋上料（t 7）＋完全出模 （t 8）]压机P k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T P k（提前），因此每台压机一个周期所需 时间至少要 （TPk）min＝TPk 0＋TPk（上下料）－TPk（提前） 每台压机的最小工作周期（T P k）m i n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[（T P k ）m i n]m a x （该压机称为“最慢压机”），自动线的节拍周期不可 能小于[（T Pk）min]max，因此：（spm ）max2≤60r /[（T Pk） min]max。和机器人的分析综合，自动线的节拍周期必然大 于[（T Rk）min]max和[（T Pk）min]max中的较大者，而自动线 全线的s p m 的上限则必是（s p m ）m a x1、（s p m ）m a x2中的 较小者。 自动线的提速 虽然每台压机的（T P k）m i n和每台机器人的（T R k）m i n （k ＝1，2，3，4，5）都是越小越好，但真正决定全线 节拍的是[（T Pk）min]max和[（T Rk）min]max，所以必须先找 出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[（T R k）m i n]m a x：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[（T P k）m i n]m a x：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 速吸起产品并快速出模；使前面的上料机器人R k -1和端 拾器能在下料端拾器出模的同时就快速进入模腔并准 确无误地放下产品并出模；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出模、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820m m或停在75°/开启高 度700m m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820m m，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”身上出现。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8spm 时，节拍时间为7.5s。假设从2000t压机滑 块开启至500m m高度（A 1点）时机器人R 1提前1.27s进入 模腔抓料、出模、向1000t压机运动、进模、放下产品 汽车工业机器人 http://www.chongya.org/ 2010年 第 2 期35 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 （T P k ）m i n：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、出模的同时前面的上料机器人进模送件、出 模，并再次起动压机；对机器人而言测量每台机器 人的（T R k ）m i n：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、出 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spm ≤60/{[（T Rk）min]max和[（T Pk）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。 Web Info 再出模。如果2000t压机所需的进出料时间为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 1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出，则生产 节拍可以不受影响；但如机器人这时还没能出模， 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。 为了防止出现这种情况，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，[（T Pk）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、出模和上料机器人进模、送料、出模的时间而 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。