文／劉聰，鄺志銘，鐘劍·廣汽埃安新能源汽車股份有限公司

為響應(yīng)國家雙碳政策，眾多車企打造高效、節(jié)能、低噪的機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線。近年來，采用整線連續(xù)模式(沖壓過程中壓力機(jī)在上死點(diǎn)不停留，離合制動(dòng)器不需頻繁動(dòng)作)的生產(chǎn)線因性價(jià)比高、維保成本低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代了傳統(tǒng)的斷續(xù)模式(沖壓過程中壓力機(jī)在上死點(diǎn)停留，離合制動(dòng)器頻繁動(dòng)作)生產(chǎn)線。

我司兩條機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線為五序壓力機(jī)(圖1)，拉延工序壓力機(jī)分別為2400t 和2000t，后工序壓力機(jī)均為1000t，使用機(jī)器人進(jìn)行零件搬運(yùn)。為使生產(chǎn)線達(dá)成高效率、高品質(zhì)、低噪聲、低能耗以及低成本的目標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造。充分研討各設(shè)備特性，拉延工序壓力機(jī)滑塊行程不足(僅為1250mm)，如改造為整線連續(xù)模式后，生產(chǎn)節(jié)拍較改造前的斷續(xù)模式會(huì)降低10%～15%，故將兩條生產(chǎn)線改造為斷續(xù)+連續(xù)模式，即拉延工序壓力機(jī)采用斷續(xù)模式，后工序壓力機(jī)采用連續(xù)模式。改造后既可以提升整線節(jié)拍、降低能耗，同時(shí)也可以降低車間噪聲和離合制動(dòng)器維保成本，接近整線連續(xù)模式生產(chǎn)的效果。本文將結(jié)合控制原理，淺談斷續(xù)+連續(xù)模式在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況。

圖1 機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線

整線系統(tǒng)組成介紹

生產(chǎn)線整線控制系統(tǒng)(圖2)由各壓力機(jī)控制系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)等組成，壓力機(jī)同步控制系統(tǒng)由同步控制器、驅(qū)動(dòng)裝置及主電機(jī)組成。

圖2 整線控制系統(tǒng)

壓力機(jī)同步控制器采用現(xiàn)場(chǎng)總線PROFINET 與上位控制系統(tǒng)和壓力機(jī)主驅(qū)動(dòng)器通訊。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均配置通訊接口，可接收來自同步控制器的信號(hào)、壓力機(jī)編碼器信號(hào)，控制各臺(tái)壓力機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制主電機(jī)運(yùn)行及各臺(tái)壓力機(jī)主電機(jī)同步調(diào)速。

自動(dòng)化同步控制系統(tǒng)與自動(dòng)化設(shè)備、壓力機(jī)采用現(xiàn)場(chǎng)總線PROFINET 進(jìn)行通訊，控制自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備及整線的機(jī)器人同步，協(xié)同壓力機(jī)進(jìn)行整線同步生產(chǎn)。

壓力機(jī)同步控制

⑴壓力機(jī)同步控制系統(tǒng)見圖3。同步控制器接收壓力機(jī)角度編碼器信號(hào)以及上位控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并同時(shí)接收驅(qū)動(dòng)裝置及電機(jī)反饋信號(hào)，根據(jù)各壓力機(jī)的實(shí)際編碼器角度及同步相位偏差角度，經(jīng)運(yùn)算處理，發(fā)送控制指令到各驅(qū)動(dòng)裝置，控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 壓力機(jī)同步控制系統(tǒng)

⑵各壓力機(jī)的相位角度必須同步，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)壓力機(jī)編碼器角度及同步偏差角度，并根據(jù)設(shè)定值控制主驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行調(diào)速控制，以達(dá)到同步狀態(tài)(整線壓力機(jī)同步角度±3°)。

⑶整線設(shè)置一個(gè)同步控制主軸，在生產(chǎn)線總控制臺(tái)按下啟動(dòng)按扭，各壓力機(jī)按照事先設(shè)定相位角度依次自動(dòng)啟動(dòng)，如果相位差大于設(shè)定的范圍，將發(fā)出故障信號(hào)而停機(jī)。根據(jù)壓力機(jī)的實(shí)時(shí)編碼器角度與同步偏移角度，控制系統(tǒng)計(jì)算壓力機(jī)的同步偏差角度，實(shí)時(shí)調(diào)整主電機(jī)速度，以達(dá)到同步偏差角度在設(shè)定的范圍內(nèi)，保證壓力機(jī)的同步控制效果。

⑷設(shè)置第一臺(tái)壓力機(jī)以虛擬軸形式控制，該虛擬軸在壓力機(jī)啟動(dòng)時(shí)，同步跟隨整線主軸運(yùn)行，用于整線壓力機(jī)的同步調(diào)速控制及壓力機(jī)前后機(jī)器人的同步跟隨控制，當(dāng)壓力機(jī)虛擬軸角度到達(dá)機(jī)器人示教器的設(shè)定值后，機(jī)器人跟隨虛擬軸角度同步進(jìn)出壓力機(jī)，以及同步啟動(dòng)壓力機(jī)自身主軸，實(shí)現(xiàn)第一臺(tái)壓力機(jī)的斷續(xù)沖壓模式；在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)壓力機(jī)自身的主軸與虛擬軸的角度比較，防止角度干涉。

⑸當(dāng)生產(chǎn)線中某工序設(shè)置為空工位時(shí)，該工序壓力機(jī)主電機(jī)不啟動(dòng)，同步控制系統(tǒng)將會(huì)給該工序壓力機(jī)分配一個(gè)虛擬軸進(jìn)行控制，該虛擬軸在壓力機(jī)啟動(dòng)時(shí)，同步跟隨整線主軸運(yùn)行。用于整線壓力機(jī)的同步調(diào)速控制及壓力機(jī)前后機(jī)器人的同步跟隨控制；當(dāng)壓力機(jī)虛擬軸角度達(dá)到設(shè)定值后，機(jī)器人跟隨虛擬軸角度同步進(jìn)出壓力機(jī)。

機(jī)器人同步控制

機(jī)器人控制系統(tǒng)通過優(yōu)化程序后，具備同步控制功能，在壓力機(jī)運(yùn)行過程中，機(jī)器人根據(jù)設(shè)定的同步角度，實(shí)時(shí)同步進(jìn)出壓力機(jī)。控制系統(tǒng)可調(diào)節(jié)機(jī)器人速度，從而使其能夠跟隨壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)。同步控制時(shí)，機(jī)器人控制系統(tǒng)通過PROFINET 總線，實(shí)時(shí)讀取壓力機(jī)當(dāng)前角度和行程次數(shù)，通過比較機(jī)器人位置與壓力機(jī)凸輪角度值，控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)機(jī)器人速度，從而使其能夠跟隨壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)，對(duì)機(jī)器人的位置進(jìn)行閉環(huán)控制。根據(jù)運(yùn)行軌跡中下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的角度設(shè)定值，計(jì)算并調(diào)整速度，以達(dá)到與壓力機(jī)角度實(shí)時(shí)同步。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡見圖4。

圖4 機(jī)器人軌跡圖

在機(jī)器人關(guān)鍵軌跡點(diǎn)(WU 點(diǎn)/BP 點(diǎn)/WL 點(diǎn)/BD 點(diǎn))設(shè)置相應(yīng)壓力機(jī)角度，機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)，下料機(jī)器人在同步點(diǎn)(WSP 點(diǎn))耦合前臺(tái)壓力機(jī)的角度，根據(jù)WU 點(diǎn)和BP 點(diǎn)設(shè)定的角度，調(diào)整速度，從而跟隨前臺(tái)壓力機(jī)同步運(yùn)動(dòng)。同理，上料機(jī)器人在同步點(diǎn)(WSR 點(diǎn))耦合后臺(tái)機(jī)器人的角度，根據(jù)WL 點(diǎn)和BD點(diǎn)設(shè)定的角度，與后臺(tái)壓力機(jī)同步運(yùn)行，進(jìn)入后臺(tái)壓力機(jī)上料。關(guān)鍵軌跡點(diǎn)參數(shù)設(shè)置見圖5。

圖5 關(guān)鍵軌跡點(diǎn)參數(shù)設(shè)置

機(jī)器人追逐功能

傳統(tǒng)的斷續(xù)模式生產(chǎn)線，通過在下料機(jī)器人示教器中設(shè)置追逐距離參數(shù)，開啟前臺(tái)機(jī)器人的上料許可，上下料機(jī)器人運(yùn)行過程中可保持相對(duì)安全的距離。

連續(xù)模式下，上料機(jī)器人的上料允許不再取決于下料機(jī)器人，而是取決于上料機(jī)器人與壓力機(jī)的跟隨角度，運(yùn)行過程中根據(jù)機(jī)器人同步跟隨參數(shù)(圖6)保持安全距離，并在自動(dòng)化控制上位機(jī)中設(shè)置機(jī)器人安全距離、監(jiān)控功能和最小允許安全距離，一旦檢測(cè)到安全距離過低存在風(fēng)險(xiǎn)，可快速停止機(jī)器人。相較于傳統(tǒng)斷續(xù)模式追逐功能的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 傳統(tǒng)斷續(xù)模式追逐功能的優(yōu)缺點(diǎn)

圖6 機(jī)器人同步跟隨參數(shù)

設(shè)備逃逸功能

機(jī)器人逃逸功能

PLC 實(shí)時(shí)掃描讀取機(jī)器人Y 軸的位置，根據(jù)Y 軸的位置實(shí)時(shí)變化值和機(jī)器人安全位置信號(hào)，判斷機(jī)器人出壓力機(jī)的過程方向。當(dāng)機(jī)器人處于退出壓力機(jī)過程中(下料機(jī)器人從AP 點(diǎn)運(yùn)行到OU 點(diǎn)的過程、上料機(jī)器人從AD 點(diǎn)運(yùn)行到OL 點(diǎn)的過程)，出現(xiàn)如緊急停止、安全防護(hù)異常以及其他異常停機(jī)信號(hào)，則機(jī)器人逃逸出壓力機(jī)安全區(qū)域后再緊急停止。從而避免上料機(jī)器人退出壓力機(jī)過程中停止，與壓力機(jī)下壓碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，以及下料機(jī)器人退出壓力機(jī)過程中停止，上料機(jī)器人制動(dòng)距離不足造成的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)器人逃逸功能設(shè)計(jì)見圖7。

圖7 機(jī)器人逃逸功能設(shè)計(jì)

壓力機(jī)滑塊逃逸功能

利用壓力機(jī)凸輪角度判斷壓力機(jī)處于回程過程中，簡化壓力機(jī)回程中的停止邏輯，區(qū)分設(shè)備故障停機(jī)類型。在壓力機(jī)返程過程中，除急停按鈕被觸發(fā)外，出現(xiàn)任何故障或停止指令，壓力機(jī)滑塊不停止運(yùn)行，繼續(xù)返程至上死點(diǎn)后才停止。避免壓力機(jī)在下死點(diǎn)往下料保護(hù)角度運(yùn)行過程中異常停機(jī)，因通訊傳輸處理時(shí)間存在延時(shí)，導(dǎo)致下料機(jī)器人較晚接收到停止信號(hào)，進(jìn)入壓力機(jī)取料時(shí)，制動(dòng)不及時(shí)與滑塊/上模干涉碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

一鍵啟動(dòng)功能

連續(xù)模式控制可實(shí)現(xiàn)整線一鍵啟動(dòng)生產(chǎn)，在整線準(zhǔn)備好或者ATC 完成后，通過操作線首總控臺(tái)啟動(dòng)按鈕，可以一鍵啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)整線自動(dòng)化生產(chǎn)，無需再進(jìn)行人為操作干預(yù)。其優(yōu)點(diǎn)在于：ATC 后或者循環(huán)停止開門后，可以一鍵啟動(dòng)整線生產(chǎn)，降低操作繁瑣程度，減輕操作人員工作量；縮短停機(jī)后再啟動(dòng)整線生產(chǎn)的時(shí)間，有效提高生產(chǎn)效率。

一鍵恢復(fù)功能

一鍵恢復(fù)功能是通過操作線首總控臺(tái)按鈕，將壓力機(jī)、機(jī)器人以及板料狀態(tài)恢復(fù)至能一鍵啟動(dòng)的狀態(tài)。由于同步控制是壓力機(jī)通過主軸按照一定相位差來啟動(dòng)壓力機(jī)，機(jī)器人跟隨壓力機(jī)同步啟動(dòng)，一鍵啟動(dòng)前對(duì)生產(chǎn)線機(jī)器人抓取板料的狀態(tài)有一定要求，且整線異常停機(jī)后，壓力機(jī)和機(jī)器人也會(huì)停在不同位置，因此需要一鍵恢復(fù)各設(shè)備及板料的狀態(tài)，滿足一鍵啟動(dòng)條件，其工作原理如下。

⑴恢復(fù)機(jī)器人位置：根據(jù)機(jī)器人當(dāng)前Y 軸數(shù)值，判斷機(jī)器人與壓力機(jī)的相對(duì)位置，若已進(jìn)入壓力機(jī)，則機(jī)器人自動(dòng)返回運(yùn)行至上一個(gè)軌跡點(diǎn)，離開壓力機(jī)區(qū)域，回原點(diǎn)。若已退出壓力機(jī)外，則繼續(xù)運(yùn)行至下一個(gè)軌跡點(diǎn)，再回到原點(diǎn)。

⑵恢復(fù)壓力機(jī)狀態(tài)：待所有機(jī)器人都離開壓力機(jī)區(qū)域回到原點(diǎn)后，壓力機(jī)根據(jù)板料狀態(tài)及凸輪角度來完成當(dāng)前動(dòng)作，直至回到上死點(diǎn)停止。

⑶根據(jù)整線壓力機(jī)內(nèi)板料狀態(tài)以及機(jī)器人上板料狀態(tài)，機(jī)器人以斷續(xù)模式，壓力機(jī)以單次循環(huán)模式，執(zhí)行板料狀態(tài)的復(fù)位(非整線板料清空)，最終的狀態(tài)是機(jī)器人上無板料，壓力機(jī)內(nèi)無板料或者板料未沖壓。

一鍵恢復(fù)后機(jī)器人上不帶板料，可消除人員進(jìn)入生產(chǎn)線作業(yè)被板件割傷的安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，也可以減少人工干預(yù)，提高生產(chǎn)效率。

結(jié)束語

生產(chǎn)線改造成斷續(xù)+連續(xù)模式后，在生產(chǎn)效率、人工成本等方面均獲得較好收益，改造效果超出預(yù)期，具體如下。

⑴高效率。我司Y 車型共13 組內(nèi)作件，平均節(jié)拍達(dá)到10.7SPM，達(dá)到整線最高設(shè)計(jì)節(jié)拍12SPM 的零件共有6 套，占比46%。其中，一條生產(chǎn)線平均節(jié)拍11.3SPM，GSPH 可達(dá)到550。與行業(yè)內(nèi)同類型生產(chǎn)線(機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線)對(duì)比，單車型平均生產(chǎn)節(jié)拍處于領(lǐng)先水平。另外，基于節(jié)拍的提升，沖壓車間的年產(chǎn)能由20 萬輛份提升至25 萬輛份。

⑵低能耗。斷續(xù)模式時(shí)壓力機(jī)滑塊行程次數(shù)使用18 次，連續(xù)模式時(shí)滑塊行程次數(shù)≤12 次，壓力機(jī)滑塊速度降低。同時(shí)，連續(xù)模式生產(chǎn)時(shí)，離合制動(dòng)器不需頻繁動(dòng)作，減少主電機(jī)急加速和急減速過程，生產(chǎn)線能耗可削減5%。

⑶低噪聲。使用連續(xù)模式生產(chǎn)，壓力機(jī)滑塊行程次數(shù)少，沖壓過程中模具受到的沖擊減小，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，車間平均噪聲降低6%，大大降低員工職業(yè)病的發(fā)生。

⑷低成本。生產(chǎn)效率提升，每天按時(shí)或者提前完成當(dāng)天計(jì)劃，削減加班成本和能源費(fèi)等。另外，壓力機(jī)離合制動(dòng)器維保周期延長，削減維保成本5 萬元/年。

⑸其他收益。連續(xù)模式生產(chǎn)時(shí)，模具因受沖擊小，螺栓和其他結(jié)構(gòu)件的使用壽命延長。壓力機(jī)振動(dòng)量小，螺栓松動(dòng)、連接部件異常等設(shè)備故障率降低。另外，通過生產(chǎn)線節(jié)拍提升調(diào)試，將模具設(shè)計(jì)存在不合理的地方反饋給工藝部門，作為新車型導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)，挑戰(zhàn)平均節(jié)拍10.9SPM。