北京深隆科技-汽车冲压线上下料机器人选型原则与方法

1、北京深隆科技-汽车冲压线上下料机器人选型原则与方法北京深隆科技有限公司的主要产品及服务为机器人智能涂装线、工业机器人应用及成套装备、涂装自动化生产线集成三大系列，以解放低端劳动力、改善有害工作环境为导向，以工业机器人集成应用为基础，以行业应用的个性化方案定制为核心，业务领域包括 3C产品、汽车零部件等表面处理、重工、军工、航空、新能源等行业。产品包括：工业机器人喷涂生产线，自动涂装生产线，全自动点涂胶机器人, 自动上下料机器人 自动玻璃点涂胶机器人，自动锁镙丝机器人，自动上下料机器人、 CCD 视觉定位锁镙丝机,工业机器人配件、机器人工装，夹具，气动夹具，气动工装，气动模具，装配夹具，装配卡具等。技术咨询：18001130868 18011197956 汽车行业的迅猛发展对其产品的更新换代及自动化和柔性化程度提出很高的要求。汽车大部分覆盖件及一些承重和支撑件均为冲压件，因此冲压生产线成为汽车企业中最核心的生产线。自上世纪以来，机械手冲压线一直作为汽车大型冲压设备的主要形式，而随着消费者对轿车的品味日益多元化，汽车冲压生产线逐渐向小批量、多品种转型。 作为一项规模效益递增型的产业，汽车冲

2、压线的选择应立足长远。汽车冲压是一个复杂而昂贵的过程，开发周期又较长，如何能既获得效益又不造成产能浪费，以应对多变的市场需求，值得思考和研究。我国汽车工业生产集中度低，机器人自动化送料方式具有很好的柔性，既可以降低综合制造和工艺设备投资成本，还可以最大程度的利用产能、缩短开发周期;既适宜汽车新线建设，又适合老线改造，越来越受到企业的认可和关注。实现汽车覆盖件柔性冲压的最典型的柔性设备便是 6 自由度工业机器人。而配备有“旋转/直线 7轴”技术的汽车机器人自动化冲压线，具有很强的智能性和兼容性，可进行高柔性、高节拍的混流生产，生产效率很高，某些性能甚至与昂贵的机械手冲压生产线相当。目前，国际品牌的冲压机器人整机价格越来越低，冲压的专业性却越来越强，在我国汽车市场得以广泛应用。国际机器人生产企业提供从生产线布置、物流管理到机器人选型一系列服务的交钥匙工程，实际上已成为一种垄断性技术服务，为汽车企业增添了较大的附加成本和技术依赖。鉴于我国汽车行业现状，在很长一段时间内，机器人冲压技术在汽车制造企业还将被继续且更加广泛地应用，因此，为扭转机器人核心技术缺失和利润外流的不利局面，必须在整线选型方

3、案和机器人上下料成套技术方面取得突破，打破国际机器人生产企业在冲压领域的技术垄断，以从根本上改变国内汽车厂依赖外商提供冲压机器人及其上下料集成技术与全套选型服务的局面。为此，本文将在对冲压机器人上下料特点及其先进辅助技术分析基础之上，提出针对汽车车身覆盖件的冲压线机器人的选型原则，继而形成较为具体、全面的机器人选型方法，并给出一实例，为冲压线制造商或用户开展相关机器人选型提供参考。1 汽车冲压线机器人选型原则全面、深入理解柔性冲压技术内涵及掌握包括冲压辅助设备在内的机器人整线搭配方法是进行冲压线机器人选型的重要前提。随着冲压机器人性能的不断提升及其辅助设备的开发，机器人自动化输送设备的生产效率及柔性的提升不再仅限于作为通用设备的冲压机器人本身，而越来越多地体现在柔性辅助设备的配置及先进的冲压协调方法等技术上。如图 1 所示为由压力机、冲压专用机器人、柔性端拾器、视觉自动识别系统和智能协调系统组成的机器人柔性冲压自动化新型线，其自动化程度高且布局紧凑，已成为汽车生产企业实现高品质、高效率、多品种生产的新模式。 冲压机器人作为冲压线的关键设备之一，其性能指标主要包括：机器人最大承重、最大运

4、动半径、手臂最大拾取高度、定位精度、重复定位精度、惯性、稳定性以及易维护性。此外，机器人辅助柔性技术在很好地增强机器人冲压专业性的同时，也在很大程度上影响着整线生产节拍及成本的高低，其主要包括视觉自动识别、冲压同步协调、柔性 7 轴、运动轨迹虚拟仿真、机器人干涉校验、网络集成控制等技术。根据冲压机器人及其辅助技术特点，并结合生产线实际情况，提出如下冲压线机器人选型总体原则：(1)根据生产线结构与冲压工艺，初步确定所需机器人的工位与装机总量。(2)根据汽车覆盖件的重量及外形尺寸，估计端拾器的最大重量以初步确定机器人的最小载荷限制。(3)根据工件的传送方式、冲压线生产节拍要求和成本预算，确定机器人性能参数和工作空间范围特点，选择机器人与端拾器的搭配方式。(4)根据工件的生产种类和机器人工位，确定端拾器总套数及最大高度。(5)根据生产线布局和压机工艺参数，确定机器人的水平最大臂展和安装位置。(6)根据压机内滑块、模具等垂直空间参数，确定机器人的实际最大臂展、上下料的最大干涉高度、机器人腰部、机器人底座的外形尺寸及高度。(7)根据冲压线机器人手腕承载与工具质心偏置，确定机器人的实际承载能力与选

5、型要求是否相符，并在软件环境下进行机器人上下料干涉校验，确定机器人精确位置及其压机间运行轨迹。(8)根据自动化生产线结构和环境特点，选购或自行开发技术配套单元，配备相关外围设备，并进行生产编程调试。2 汽车冲压线机器人选型方法在进行机器人选型之前，需要对汽车冲压生产线基本工艺特点及需求有明确的认识，根据冲压线的有关特点制定符合自身实际情况的工件、压机、工艺等数据，而后根据需求按照一定的步骤逐步缩小工业机器人的可选范围及辅助设备的搭配方式。本文面向一般汽车覆盖件冲压生产线开展汽车冲压机器人及辅助设备的选型，具体方法如下：(1)根据冲压工艺确定购进机器人的总数 N。工序数 n压机台数 n压机间机器人数 n-1机器人总数N=(n-1)+3，其中，额外增加的 3 台机器人分别为拆垛机器人、首台压机上料机器人和尾台压机下料机器人。当旧线改造时，若相邻压机间存在 m 台机器人，则 N=(n-1)m+3。 (2)根据最重工件质量 G、端拾器质量 D 估算机器人最大承载P。划定机器人选型范围时，一般按所抓取的最重工件与端拾器质量 11 经验值估算，即 DG，进而机器人载荷需满足PG+D2G，由此初步确

6、定机器人承载规格。(3)根据生产要求和成本预算确定机器人与端拾器的搭配方式与性能要求。工件的传送方式影响机器人单臂传输的速度和稳定性，合理选择机器人与端拾器的搭配方式可在保证效率的前提下尽量节约成本。一般来讲，工作空间全面的机器人，便于自动更换端拾器，价格也随着承载能力的增高而加大;而某些特殊冲压机器人仅保留了前俯工作空间以提高刚度与速度，该类机器人与工作空间全面、承载一般的机器人价格相近，但冲压效率最高。机器人配备标准端拾器进行板料搬运时，为避免工件的长边撞击压机支柱或碰触自身，需将工件旋转 180放入模具，一般适用于中小型线;而柔性七轴技术在机器人末端增加了一个旋转或移动自由度，能弥补机器人在搬运大中型件时的手臂长度、工作空间灵活度、速度和平稳性的不足，适用于大中型件的平行高效搬运，其中，直线 7 轴质量较重，需配备负载大的机器人，但板料的到位速度最快。 若以“”代表“旋转 180+标准端拾器”，以“”代表“旋转 7 轴+标准端拾器”，以“”代表“直线 7 轴+标准端拾器”，以“”表示“工作空间全面、承载大的机器人”，以“”表示“工作空间全面、承载一般的机器人”，以“”表示“仅有前

7、俯工作空间的机器人”，用户可结合自身的实际情况，参照汽车覆盖件板料的一般性数据(见表 1)划分冲压线类型，继而依据生产节拍要求和预算情况选择机器人及其附属设备的搭配方式(见表 2)，其中，大中型线以大型件的搬运需求来选，中小型线按小型件的搬运特点来选。(4)根据工件种类和机器人工位确定配套端拾器数量及其最大高度与质量。 首台拆垛机器人所用端拾器为通用端拾器，适用于所有板料，一般只有 1 套，特殊情况下最多不超过 3 套(大、中、小);其余机器人所用端拾器因工序的不同而有较大差别。若一条生产线上加工 M种不同大小、重量的汽车覆盖件，机器人总数为 N，则需要(N-1)系列端拾器，每系列端拾器分为 M 套，即需要(N-1)M 套端拾器。进而确认所选端拾器的实际最大高度为 Hdsq 和最大实际重量 Dmax。(5)根据生产线结构布置估计机器人最大臂展及安装位置。生产线压力机的布置分为并联和串联两种，压力机并联布置，机器人运动相对复杂，效率低。本文压机为串联直线排列(单机联线)，冲压件单向流动，相邻压机在机器人两侧对称分布。设工作台中心为 A，板料此时在工作台的模具内，两压机连线的对称中心为 B

8、，机器人底座中心为 C，工作台中心到压机立柱内侧距离为 L，机器人到两压机中心线的垂距为 Lr。并设相邻两压机中心距为 a，板料尺寸(长宽)为 kw，两压机立柱间距为 z，机器人底座尺寸(前后左右)为 bd，工作台中心端拾器辅助加长杆长为 j。按普通、旋转 7 轴、直线 7 轴端拾器 3 种情况来求取机器人最大臂展的水平投影 r，如图 2。 若压机立柱间距 z 小于机器人底座左右尺寸 d，则机器人需要安放在立柱内侧或倒立安装;若压机立柱间距 z 远大于机器人底座左右尺寸 d，则考虑为机器人加设导轨。若配备普通标准端拾器，底座中心 C 离 AB 连线较近，以实现工件的 180旋转，则有 若配备旋转七轴端拾器，底座中心 C 离 AB 连线较远，以实现工件的平行移动，则有类似的，若配备直线 7 轴端拾器，有(6)根据压机内垂直空间结构估算机器人底座高度和端拾器干涉高度。考虑到机器人轨迹的简化和整体节拍的优化，并为保证冲压频率的一致性与高效性，压机内所安装的下模具中心点高度均保持在一条水平线上。 如图 3 所示，Ht 为工作台距地面高度，Hdb 为工作台垫板厚度，Hg 为工件厚度，Hxc 为滑

9、块行程，Hk 为压机的最大开模高度，Hsm为上模具高度，Hxm 为下模具高度。根据图 3 所示，可估算机器人底座安装高度 Hdz 为根据机器人与滑块行程进行高度调整以适宜上下料。若预留模具间余量为 Hmy，则机器人上下料的干涉高度 Hgs 为为能让机器人顺利进入压机内取料、放料，设机器人手臂与上下模具间的余量为 Hjy(包括安全距离、机器人手臂及手腕高度)，则端拾器最大高度 Hdsq 须满足(7)根据底座高度和干涉高度估算机器人腰部高度和最大臂长。如图 4 所示为机器人取放料垂直空间示意图，其左侧为配备普通端拾器的机器人取放料垂直空间，右侧为配备柔性端拾器的机器人取放料垂直空间，设 Hyb 为机器人腰部高度，rm 为最大臂长，j0为标准端拾器加长杆长度、j1 为直线 7 轴端拾器平移长度、j2 为柔性 7 轴端拾器加长杆长度，uv(长宽)为压机滑块底面尺寸。 使用普通标准端拾器的机器人手臂须与板料中心线重合，参照图 4，为减少手臂伸长幅度，机器人必须靠近两压机中心连线，机器人上下料的干涉余量 Hgs 应包括伸入压机的机器人手臂高度。若机器人底座高于最高上料位置，则会造成大臂与滑块的干涉，故机器人底座的安装高度应满足如下限制条件而使用柔性端拾器的机器人手臂摆动与伸长范围都大为减小，且当直线 7 轴端拾器的平移轴长度 j1 超过 v/2、旋转 7 轴的加长杆长度 j2cosv/2(其中， 为机器人手臂与加长杆连线与两压机对称线夹角)时，冲压机器人手臂可以完全在压机外完成上下料任务。因此，使用柔性端拾器的机器人腰部高度与机器人端拾器上下极限位置的平分线重合为宜，即应满足以下关系进而冲压机器人手臂的实际伸长量应为 (8)根据最重工件质量 G、最重端拾器实际质量 Dmax、最重加长装置质量 D、端拾器中心点离机器人法兰盘中心点处的偏差 L 来确定机器人最大载荷。对照机器人参数图，查出工具质心距法兰盘中心 L0 时，机器人对应实际载荷 PL，须满足据此排除不符合载荷条件的机器人。(9)根据所选机器人、端拾器和与压机的相对位置，进行干涉校验。为

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