文/宋常勝·上海ABB工程有限公司

ABB柔性沖壓自動化解決方案

文/宋常勝·上海ABB工程有限公司

本文主要介紹ABB沖壓自動化技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，從簡單的機(jī)械手沖壓自動化到雙機(jī)器人技術(shù)。通過引入沖壓車間生產(chǎn)力模型，來分析沖壓車間對自動化的要求，及沖壓自動化的發(fā)展趨勢。

作為世界上電力和工業(yè)自動化技術(shù)的領(lǐng)先企業(yè)，ABB在沖壓自動化領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗。追溯ABB沖壓自動化的歷史，從兩軸的機(jī)械手（Doppin），發(fā)展到今天的基于機(jī)器人技術(shù)的柔性自動化技術(shù)，已走過了三十多年的歷程。

目前，縱觀所有的沖壓自動化設(shè)備，最終都可以歸納為兩類，即硬自動化和柔性自動化。硬自動化，又稱為機(jī)械手，是一種專用設(shè)備，專為沖壓搬運(yùn)上、下料而設(shè)計制造，分為單臂和雙臂兩種。柔性自動化，則是基于機(jī)器人技術(shù)的一種沖壓應(yīng)用，通常使用柔性較好的機(jī)器人，實現(xiàn)壓力機(jī)的自動上、下料。而ABB同時具有這兩種自動化解決方案。接下來，將介紹ABB沖壓自動化的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀。在開始介紹之前，首先，我們引入生產(chǎn)力模型概念，來剖析一下沖壓車間到底需要什么樣的自動化?

沖壓車間生產(chǎn)力模型

根據(jù)我們多年來積累的經(jīng)驗，總結(jié)出了一個沖壓車間的生產(chǎn)力模型。如圖1所示。

圖1 沖壓車間的生產(chǎn)力模型圖

在這個模型的最上端是產(chǎn)能，也就是我們所追求的目標(biāo)，我們期望這個值最大化。但是，最大化的產(chǎn)能，將受下面這些因素的影響。

⑴安全性：安全包括設(shè)備與設(shè)備及設(shè)備與人之間。整個生產(chǎn)線的設(shè)計首先要考慮安全因素。

⑵柔性化：柔性化意味著生產(chǎn)線的適應(yīng)性更強(qiáng)、實用性更廣。每個汽車制造企業(yè)每年都要推出許多款新車型，隨著車型的更新，會有更多復(fù)雜的零件出現(xiàn)。生產(chǎn)線必須能夠適應(yīng)這個變化。

⑶易用性：設(shè)備操作簡單易用，維修量低，可以大大降低操作員的工作量，也可以減少企業(yè)用于此項的培訓(xùn)費(fèi)用。

⑷能效率：能效率指設(shè)備的能源利用率。對于一個企業(yè)的運(yùn)營來說，能源消耗量大，意味著成本的增加；降低能源消耗量，也就意味著降低成本。所以提高能效率是每個企業(yè)都竭力追求的一個目標(biāo)。

⑸可靠性（A）、速度（S）、質(zhì)量（Q）：要想提高效率，實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，可靠性至關(guān)重要。如果設(shè)備不可靠，經(jīng)常出現(xiàn)故障停機(jī)，這樣要損失掉大量的生產(chǎn)時間。產(chǎn)能得不到充分的發(fā)揮，對設(shè)備來說也是一個浪費(fèi)。當(dāng)設(shè)備可靠性提高了，整線的速度就成為影響效率的一個關(guān)鍵因素。生產(chǎn)節(jié)拍慢，單位時間產(chǎn)量就低，效率就低。如果設(shè)備可靠性高、運(yùn)行速度快，但是質(zhì)量有問題，例如：零件經(jīng)常裂開或起皺。那么，效率也會很低。只有設(shè)備可靠性高，運(yùn)行速度快，質(zhì)量好，這樣的情況下生產(chǎn)效率才會高。

通過上面的分析，可以看出來制約產(chǎn)能的因素很多。只有這些條件都達(dá)到最優(yōu)，產(chǎn)能才能最大化。ABB沖壓自動化線的解決方案就是本著這樣的原則設(shè)計、制造，最終使用戶得到實惠。

ABB硬自動化解決方案

ABB硬自動化始于二十世紀(jì)七十年代，從開始的單軸電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械連桿結(jié)構(gòu)，到雙軸伺服電機(jī)驅(qū)動的連桿結(jié)構(gòu)，直到多軸伺服電機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)，已經(jīng)有三十多年的發(fā)展歷程。下面介紹兩種基本形式的機(jī)械手。

Doppin機(jī)械手

目前使用的Doppin機(jī)械手PM2D3（圖2）屬于第三代系統(tǒng)，具有兩個伺服軸驅(qū)動系統(tǒng)。它的最大特點是速度快、結(jié)構(gòu)簡潔、免維護(hù)、可靠性高。壓力機(jī)間單元要使用兩臺機(jī)械手和一臺穿梭機(jī)，可以適用于較大壓力機(jī)間距。因為屬于專用設(shè)備，而且壓力機(jī)間設(shè)備多，所以設(shè)備投資較大。

圖2 Doppin機(jī)械手PM2D3

Doppin機(jī)械手在水平行程3000mm、垂直行程100mm的情況下，速度可以達(dá)到每分鐘25次。因為只有兩個軸，所以缺乏柔性。

Unifeeder機(jī)械手

Unifeeder機(jī)械手（圖3）是在Doppin機(jī)械手的基礎(chǔ)上，開發(fā)出的新的自動化機(jī)械手。它是相當(dāng)于兩個Doppin機(jī)械手和一個穿梭機(jī)的結(jié)合。它具有四個伺服驅(qū)動軸，因此比Doppin機(jī)械手的柔性要高。當(dāng)它在水平行程7000mm、垂直行程200mm的情況下，速度可以達(dá)到每分鐘14.5次。

圖3 Unifeeder機(jī)械手

ABB柔性自動化解決方案

隨著ABB機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，ABB拋棄了柔性差、制造成本高的機(jī)械手，轉(zhuǎn)而開始發(fā)展高柔性的沖壓自動化機(jī)器人。說到機(jī)器人自動化，首先要回顧一下ABB機(jī)器人的發(fā)展歷史。

在1974年，ABB發(fā)明了世界上第一臺電動機(jī)器人，從此拉開了ABB機(jī)器人發(fā)展的序幕。到目前為止，ABB已推出第七代機(jī)器人。在1993年，ABB首次將機(jī)器人應(yīng)用于沖壓自動化線，開創(chuàng)了機(jī)器人在沖壓自動化線應(yīng)用的先河。

近幾年，隨著工業(yè)制造技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人的制造成本在不斷降低，而機(jī)器人的性能在不斷提高。其運(yùn)行速度不斷提高，穩(wěn)定性越來越好，得到越來越多的行業(yè)的青睞。尤其是機(jī)器人的柔性，越來越被人們看重。下面將著重介紹基于機(jī)器人技術(shù)的柔性沖壓自動化線。

六軸機(jī)器人生產(chǎn)線

沖壓領(lǐng)域應(yīng)用的機(jī)器人通常具有六個伺服軸，也就是具有六個空間自由度。圖4、圖5分別是ABB沖壓機(jī)器人和一個六軸機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線的布局示意圖。

從拆垛、上料直到機(jī)器人線尾下料，都采用的是機(jī)器人。由于機(jī)器人的運(yùn)動特性，零件在壓力機(jī)單元間傳送時，零件需要水平旋轉(zhuǎn)180°。對于大零件來說，例如：汽車側(cè)圍，因為水平旋轉(zhuǎn)的需要，要求壓力機(jī)的間距大一些。因此，也影響到壓力機(jī)的節(jié)拍。所以，六軸機(jī)器人線對于生產(chǎn)大板料和小板料的節(jié)拍是不同的。對于中、小板料生產(chǎn)線，目前ABB在國內(nèi)做到最快的生產(chǎn)節(jié)拍是每分鐘13件。

圖4 六軸機(jī)器人

圖5 六軸機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線

旋轉(zhuǎn)七軸機(jī)器人生產(chǎn)線

由于模具設(shè)計的原因，有些汽車廠用戶不希望在壓力機(jī)間旋轉(zhuǎn)零件。針對這樣的要求，ABB開發(fā)了伺服旋轉(zhuǎn)第七軸，附加在機(jī)器人第六軸上，如圖6所示。因為旋轉(zhuǎn)第七軸使用伺服電機(jī)，在機(jī)器人控制系統(tǒng)內(nèi)作為機(jī)器人的附加軸，所以，它是完全可控和可編程的。

圖6 附加第七軸的機(jī)器人

旋轉(zhuǎn)七軸機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線線除了實現(xiàn)零件在壓力機(jī)之間的平移，還具有其他優(yōu)勢。因為零件不用平移，所以壓力機(jī)之間的距離可以減小，這樣對提高整線速度有一定的幫助。同時，由于壓力機(jī)間距的減小，又可以縮短廢料輸送線的長度，節(jié)省了廠房等的投資。

直線七軸機(jī)器人生產(chǎn)線

在目前追求高效率的時代，沖壓自動化線也追求高速運(yùn)行，以提高生產(chǎn)效率。在前面介紹旋轉(zhuǎn)七軸機(jī)器人生產(chǎn)線時，可以看出旋轉(zhuǎn)七軸對生產(chǎn)線的節(jié)拍有一定的提升。但是，由于旋轉(zhuǎn)七軸還是通過旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)平移，所以對節(jié)拍的提升有限。我們知道，兩個點之間，直線傳送的距離最短，所以，如果直線傳送，那么速度會更快。基于這種原理，ABB在2007年推出了直線七軸機(jī)器人（圖7）。

圖7 直線七軸機(jī)器人

ABB直線七軸機(jī)器人是將直線傳送技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，既具有直線傳送的快速性，同時又具有機(jī)器人的柔性。直線七軸機(jī)器人生產(chǎn)線，由于自身的柔性特點，可以適應(yīng)各種復(fù)雜模具，對老模具也具有非常好的適應(yīng)性，速度也快。目前，已完成的直線七軸機(jī)器人生產(chǎn)線，穩(wěn)定運(yùn)行的生產(chǎn)節(jié)拍最快達(dá)到每分鐘12次。

雙機(jī)器人技術(shù)生產(chǎn)線

對于新上生產(chǎn)線，用戶越來越多地選用高速生產(chǎn)線。那么，多高速度是高速生產(chǎn)線呢?通常，我們定義整線節(jié)拍在每分鐘15次及以上的生產(chǎn)線為高速生產(chǎn)線。

高速生產(chǎn)線最初是以雙臂自動化為主，即硬自動化，專用沖壓自動化設(shè)備。但是，隨著汽車制造廠對設(shè)備要求的提高，除了速度要求，柔性也越來越重要。因此，沖壓自動化設(shè)備供應(yīng)商都越來越多地開始應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)。

為了滿足用戶需求，在保持原有的柔性基礎(chǔ)上，ABB推出了雙機(jī)器人沖壓自動化設(shè)備（圖8），提高了整線的生產(chǎn)速度。

圖8所示雙機(jī)器人沖壓自動化設(shè)備采用兩臺機(jī)器人以最佳的方式分配總功率并減少慣量，是一個單控制器系統(tǒng)，控制兩臺4軸機(jī)器人，外加兩個附加軸，共10個軸。兩個附加軸可以實現(xiàn)橫桿傾斜擺動。橫桿采用碳纖維結(jié)構(gòu)，以減少慣量。

圖8 雙機(jī)器人沖壓自動化技術(shù)

如圖9所示，橫桿的第一個方向（α-α’）的運(yùn)動是由附加軸來完成，第二個方向（β-β’）和第三個方向（γ-γ’）的運(yùn)動是由兩臺機(jī)器人腕部的運(yùn)動來完成，無需使 用附加伺服軸。另外，該系統(tǒng)在移動雙零件（側(cè)移）時能夠根據(jù)零件距離進(jìn)行動態(tài)匹配，亦無需使用任何附加伺服軸。

該雙機(jī)器人沖壓設(shè)備是基于機(jī)器人技術(shù)的解決方案，用于壓力機(jī)的上料和下料，而不需要對壓力機(jī)進(jìn)行任何改動。它適用于現(xiàn)有沖壓生產(chǎn)線，相較于其他系統(tǒng)需要在立柱和滑塊間預(yù)留額外空間而言優(yōu)勢明顯。這是一款快速和柔性化的傳送裝置，應(yīng)用于沖壓生產(chǎn)線上能夠達(dá)到每分鐘16次的生產(chǎn)節(jié)拍。

圖9 雙機(jī)器人設(shè)備橫桿的運(yùn)動控制

結(jié)束語

根據(jù)上面的介紹，我們可以看出來，沖壓自動化的種類很多。各個沖壓自動化設(shè)備供應(yīng)商的起點不同，有些是從硬自動化起步，在保持高速的前提下，逐步向柔性自動化發(fā)展；有些是從柔性自動化起步，在保持柔性的前提下，向高速化發(fā)展。其實，最終的發(fā)展方向是一致的，即高速、柔性沖壓自動化。

除此之外，沖壓線的節(jié)拍快與慢，并不只是由自動化設(shè)備決定的，還與壓力機(jī)速度的快慢、壓力機(jī)的行程大小、模具的狀態(tài)等諸多因素有關(guān)。但是，安全、可靠、高效、柔性化是所有用戶都追求的共同目標(biāo)。