文／鄺志銘，劉聰，鐘劍·廣汽埃安新能源汽車股份有限公司

沖壓生產(chǎn)線SPM(Stroke Per Minute)，即每分鐘壓力機的沖壓次數(shù)，是生產(chǎn)節(jié)拍最直接的反映，也是影響整線生產(chǎn)效率的重要指標之一。提升生產(chǎn)線SPM 后，在相同的時間內(nèi)可以沖壓出更多的零件，產(chǎn)能得到進一步提高，從而降低企業(yè)的勞務費、能源費等生產(chǎn)成本，對于公司的發(fā)展具有積極的作用。

本文基于我公司Y 車型現(xiàn)場三個月的調(diào)試經(jīng)驗，從壓力機和機器人動作配合原理、節(jié)拍影響因素以及節(jié)拍提升優(yōu)化方法等方面進行全面分析探討，對機器人沖壓生產(chǎn)線整線效率提升具有十分重要的指導意義。

斷續(xù)＋連續(xù)模式機器人沖壓生產(chǎn)線簡介

斷續(xù)＋連續(xù)模式機器人沖壓生產(chǎn)線，即拉延工序壓力機采用斷續(xù)模式，后工序壓力機采用連續(xù)模式，使用機器人進行工序間零件搬運的沖壓生產(chǎn)線。斷續(xù)模式：壓力機在上死點停留；連續(xù)模式：沖壓過程中壓力機不在上死點停留。整線壓力機采用同步控制器進行控制，拉延工序壓力機以虛軸形式運行，機器人具有同步功能，在同步點時耦合壓力機的角度，并跟隨壓力機運行，整線的最高設計節(jié)拍為12SPM。

機器人沖壓生產(chǎn)線整線組成及節(jié)拍瓶頸介紹

機器人沖壓生產(chǎn)線分為線首、線中和線尾等三大部分，共十個單元，如圖1 所示。

圖1 機器人沖壓生產(chǎn)線各組成單元

⑴線首部分主要由①單元(拆垛臺車)、②單元(搬運皮帶)、③單元(清洗機)、④單元(視覺對中)等組成；

⑵線中部分主要由⑤單元～⑨單元(壓力機和上下料機器人)等組成；

⑶線尾部分為⑩單元(線尾皮帶)。

以上各單元如果參數(shù)設置不合理或者調(diào)試未達最優(yōu)化，均有可能成為整線的瓶頸工序，該瓶頸工序的節(jié)拍則為整線的生產(chǎn)節(jié)拍，沖壓生產(chǎn)線各設備主要參數(shù)見表1。

表1 我司機器人沖壓生產(chǎn)線各設備主要參數(shù)表

⑴線首部分①單元機器人軌跡和參數(shù)優(yōu)化后，滿足12SPM生產(chǎn)需求，②～④單元也并非整線瓶頸單元；

⑵線尾部分⑩單元(線尾皮帶機)速度可調(diào)，節(jié)拍大于12SPM，除裝箱和質(zhì)檢速度跟不上以外，該單元并非整線的瓶頸。

因此，影響整線節(jié)拍的是線中部分⑤單元～⑨單元中的某個單元，生產(chǎn)線節(jié)拍提升的分析由整線轉(zhuǎn)移至線中部分，即某臺壓力機與對應上下料機器人的動作關系。

上下料機器人與壓力機動作配合原理

整線的節(jié)拍提升受瓶頸單元影響，解決瓶頸單元節(jié)拍需要進一步分析壓力機以及對應上下料機器人動作配合原理，只有將壓力機和對應的上下料機器人動作協(xié)調(diào)性優(yōu)化到極致，節(jié)拍方可提升至最高水平，如圖2 所示。

圖2 壓力機滑塊凸輪角度及上/下料角度圖示

⑴上死點：壓力機上死點和下死點為一個角度區(qū)間，為便于理解，本文所述的上死點為0°或360°，下死點為180°。

⑵上料保護角(實測值)：上料機器人在此角度可安全退出壓力機外，與模具無任何干涉。

⑶制動角(實測值)：沖壓過程中，制動器制動時所需要的角度。

⑷上料報警角(計算值)：上料報警角＝上料保護角－制動角。壓力機下壓過程中，到達上料報警角時監(jiān)測到機器人仍未退出到安全點，則報警停機。

⑸下料保護角(實測值)：下料機器人在此角度可安全進入壓力機，與模具無任何干涉。

⑹上下料角度區(qū)間(計算值)：上下料角度區(qū)間＝360°－下料保護角＋上料保護角。壓力機從下料保護角回程到上死點，再從上死點沖壓到達上料報警角的角度區(qū)間為上下料角度區(qū)間。

⑺機器人上下料時間：圖3 為動作時序圖，下料機器人啟動，上下料機器人追逐，上料機器人剛好退出到壓力機外安全點的時間為機器人上下料時間。

圖3 壓力機與上下料機器人動作時序圖

壓力機與上下料機器人依靠信號交互協(xié)調(diào)運行，如圖4 所示，各單元動作步驟分解如下：

圖4 上/下料機器人進出壓力機動作原理圖

⑴壓力機沖壓完成，從下死點回程；

⑵壓力機回程到下料保護角時，下料機器人進入壓力機內(nèi)取料；

⑶下料機器人將零件取走后，上料機器人進入壓力機內(nèi)投料，且根據(jù)設定的參數(shù)與下料機器人保持一定的追逐距離；

⑷上料機器人投料后，在壓力機到達上料報警角之前，剛好退出到壓力機外的安全點，否則報警停機。

上述過程中，壓力機在上下料角度區(qū)間運行的同時，上下料機器人完成取料和投料動作。因此，當節(jié)拍優(yōu)化到極致時，壓力機在上下料角度區(qū)間運行時間約等于機器人上下料時間。研究瓶頸工序的節(jié)拍影響因素，轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯吭谏舷铝辖嵌葏^(qū)間內(nèi)機器人和壓力機的協(xié)調(diào)動作。

斷續(xù)＋連續(xù)模式生產(chǎn)線各單元節(jié)拍影響因素

連續(xù)模式工序

生產(chǎn)過程中，采用連續(xù)模式的壓力機不在上死點停留，壓力機(主電機)在沖壓全過程勻速運行。壓力機在上下料角度區(qū)間運行速度的快慢直接決定該單元的節(jié)拍，而壓力機運行速度的快慢主要受上下料角度區(qū)間的大小和機器人上下料時間的影響。

各單元節(jié)拍＝θ/T(θ：上下料角度區(qū)間，T：機器人上下料時間)，該節(jié)拍與SPM 相對應，可相互轉(zhuǎn)換，詳見圖5。

圖5 生產(chǎn)線節(jié)拍與壓力機速度轉(zhuǎn)換對應關系

以連續(xù)模式(12SPM)為例說明：壓力機以12SPM運行，即12 沖次／分鐘＝12 沖次/60s，單沖次運行時間t=60s/12=5s，壓力機單沖次運行360°，因此，整線12SPM 對應的壓力機速度=360°/5s＝72°/s。

簡單來說，壓力機如果在上下料角度區(qū)間運行的速度≥72°/s，則該單元的節(jié)拍可達到12SPM 以上。同理，其他SPM 也可用同樣方法轉(zhuǎn)換為壓力機速度。

當上下料角度區(qū)間和機器人上下料時間一定時，如果壓力機速度不斷提高，則將會出現(xiàn)機器人未退出到安全點，壓力機已到達上料報警角，觸發(fā)報警停機。通過增大上下料角度區(qū)間和減小機器人上下料時間可以提升節(jié)拍，也就是說：

⑴機器人上下料時間一定時，增大上下料角度區(qū)間，壓力機速度可以進一步提高，該工序節(jié)拍也可提升；

⑵上下料角度區(qū)間一定時，減小機器人上下料時間，上料機器人更早退出到安全點，故壓力機速度可以進一步提高，該工序節(jié)拍也可提升。

斷續(xù)模式工序

斷續(xù)模式與連續(xù)模式原理類似，影響節(jié)拍的原因也是上下料角度區(qū)間的大小和機器人上下料時間，說明如下：

⑴當機器人上下料時間一定時，下料保護角減小(上下料角度區(qū)間增大)，機器人可提早進入壓力機進行上下料，則壓力機可提前沖壓，節(jié)拍提升；

⑵當機器人上下料角度區(qū)間一定時，機器人上下料時間減小，則壓力機可提前沖壓，節(jié)拍提升。

小結(jié)：不管是斷續(xù)模式還是連續(xù)模式，影響線中部分各單元節(jié)拍的因素主要是上下料角度區(qū)間和機器人上下料時間。針對以上兩個部分進行優(yōu)化提升，可以優(yōu)化各單元的節(jié)拍，從而提高生產(chǎn)線整線節(jié)拍。

斷續(xù)＋連續(xù)模式生產(chǎn)線節(jié)拍提升優(yōu)化

上下料角度區(qū)間優(yōu)化

端拾器制作不合理以及上／下料保護角度測量預留余量過大均會影響上下料角度區(qū)間，現(xiàn)場調(diào)試時需將相關數(shù)據(jù)進行標準化。

⑴端拾器制作標準化。

制作端拾器時，在圖6 中B 處位置，板件和剛朵拉的距離≤10mm。尤其是針對瓶頸工序上下料機器人的端拾器制作，務必追求極致。

圖6 端拾器制作標準示意圖

端拾器吸盤的整體高度要盡可能小，且吸盤布局也有嚴格要求(圖7)，否則既影響上下料角度區(qū)間，又影響機器人上下料時間，前后物流方向上的部分吸盤需布局在板件的最高點，或者布局在板件的左右兩側(cè)。

案例一：端拾器吸盤在物流方向上的布局會影響機器人軌跡，從而影響上／下料保護角度(上下料角度區(qū)間)。

案例二：圖8 中★為原吸盤位置布局(物流方向)，影響上／下料保護角度和機器人上下料時間，改為左右兩側(cè)布局后(圖8 中●)，上下料角度區(qū)間增大，同時上下料時間縮短，節(jié)拍由8SPM 提升至9.6SPM，提升20%。

圖8 端拾器吸盤布局現(xiàn)場實物展示圖

⑵上／下料保護角度測量方法標準化。

如圖9 所示，上／下料保護角測量標準：機器人七軸(拖鏈)最高點與上模最低點距離為10mm。

圖9 上/下料保護角度測量示意圖

小結(jié)：日常工作中，很多企業(yè)都有強調(diào)端拾器制作時需要扁平化，盡量做薄。但是忽略了端拾器吸盤在物流方向上的布局會影響機器人軌跡，從而影響上／下料保護角度(上下料角度區(qū)間)。通過優(yōu)化吸盤布局，上下料機器人端拾器均做薄50mm，或者上料機器人投料后和下料機器人取料后上升的軌跡均縮短50mm，根據(jù)滑塊行程曲線(以1000t 壓力機為例，圖10)，上下料角度區(qū)間會增加10°，部分零件節(jié)拍可以提升1SPM。

圖10 1000t 壓力機滑塊行程曲線

機器人上下料時間優(yōu)化

⑴機器人軌跡和參數(shù)設置總體要求。

機器人軌跡調(diào)試不良會影響機器人上下料時間，尤其是11.5SPM 以上的零件，對于軌跡點的調(diào)試要求更高。為防止吸料和投料不良的發(fā)生，P 點和D 點的單點速度值設置為3000，轉(zhuǎn)彎半徑值設置為0，其余各軌跡點的單點速度值設置為7000，轉(zhuǎn)彎半徑值設置為200，并且使用MOVE L 命令(七軸機器人)?？傮w的機器人軌跡設置主要有圖11 所示的三種。

圖11 機器人軌跡點設置圖示

⑵機器人上料軌跡設置。

1)上料機器人軌跡點的調(diào)試對縮短上料時間具有十分重要的作用，常見的上料軌跡主要有三種，如圖12 所示。

圖12 上料機器人投料軌跡示意圖

首選軌跡：BD 點、D 點、AD 點三點一致，機器人上料時間最短，常發(fā)投料撞傷，需要精調(diào)軌跡。

第二選擇：AD／D 點兩點一致與BD 點X／Y軸坐標一樣，但Z 軸坐標不同。大部分零件會選擇這種軌跡，保證投料穩(wěn)定性和上下料時間。

第三選擇：BD 點、D 點、AD 點軌跡點X／Y 軸坐標一致，但Z 軸坐標各不相同。

2)不同的軌跡，機器人上料時間不同，退出到壓力機安全點的時間也不一樣，現(xiàn)場測試結(jié)果見圖13。

圖13 上料機器人不同軌跡退出到安全點實測數(shù)據(jù)

從以上測試結(jié)果可以得出：機器人上料軌跡為三點一致時，上料時間最短，退出到安全點時最快，該工序節(jié)拍可以繼續(xù)提升。

3)上料機器人進入壓力機內(nèi)投料，需要盡可能減小從BD 點→D 點，以及D 點到AD 點的距離，減少機器人行走路徑，如圖14 所示，具體要求如下：

圖14 板件與模具型面距離標準示意圖

①機器人從WL 點進入BD 點過程中，板件最低點與模具最高點距離20mm。

②機器人投料后，從AD 點運行至OL 點時，端拾器吸盤最低點與模具上板件最高點距離20mm。

⑶機器人下料軌跡設置。

機器人下料軌跡僅有一種，三點均不一致。如圖15 所示，要求BP 點→P 點、P 點→AP 點的Z／Y軸一致，Z 軸坐標盡可能近，機器人走的路徑短，下料時間快。

圖15 機器人下料軌跡設置示意圖

與上料機器人軌跡調(diào)試方法相同，如圖16 所示，機器人進入壓力機內(nèi)取料要求如下：

圖16 下料機器人運行過程中板件和吸盤與模具型面的高度標準

①機器人從WU 點進入BP 點過程中，端拾器吸盤最低點與模具上板件最高點距離20mm。

②機器人取料后，從AP 點運行至OU 點時，板件最低點與模具最高點距離20mm。

⑷重要軌跡點設置說明。

1)WU 點設置。

設置機器人下料等待點(WU 點)時，應盡量靠近壓力機滑塊邊緣，如現(xiàn)場夾鉗無接線盒影響，可以考慮將WU 點設置在兩個夾鉗中間位置，可縮短機器人上、下料時間，提升節(jié)拍。現(xiàn)場調(diào)試時，如圖17 所示，根據(jù)零件節(jié)拍以及模具寬度的不同，機器人示教器WU 點設定值＝下料保護角實測值－(5°～10°)，相當于讓機器人更早地到達WU 點，從而更早進入壓力機，縮短上下料時間。

圖17 下料機器人WU 點設置示意圖

2)OL 點設置。

壓力機到達上料報警角時，機器人還沒退出到安全點(OL 點)，就會觸發(fā)上料保護報警停機，需降低壓力機速度，整線節(jié)拍也隨之降低。因此，OL 點越靠近壓力機，壓力機的速度便可提升越快，如圖18所示。

圖18 上料機器人安全點(OL 點)設置示意圖

現(xiàn)場使用尾門上段10SPM 空運轉(zhuǎn)測試，得出結(jié)果(圖19)：機器人七軸每接近滑塊邊緣100mm，壓力機對應的凸輪角度減小3°。換言之，如果將OL點設置越靠近模具，上料保護越不容易觸發(fā)，壓力機速度可設置更高。

圖19 機器人設置不同OL 點對應壓力機凸輪角度實測數(shù)據(jù)

例：原零件連續(xù)生產(chǎn)節(jié)拍為10SPM，機器人OL點設置在距離壓力機滑塊邊緣500mm 的位置，機器人運行到該位置時壓力機到達95°?，F(xiàn)將OL 點設置在滑塊邊緣，此時機器人運行到該位置時壓力機到達80°，距離上料報警角還有15°的空間，此時壓力機速度可以進一步提升。

機器人OL 點設置越靠近模具，對節(jié)拍提升越有幫助。針對將OL 點直接設置在模具邊緣，機器人退出到壓力機邊緣過程中壓力機下壓，是否與機器人干涉碰撞的問題，測試結(jié)果如圖20 所示。

圖20 機器人從模具邊緣運行至滑塊邊緣對應壓力機運行角度實測數(shù)據(jù)

12SPM 連續(xù)模式空運轉(zhuǎn)測試：機器人從位置①運行至位置②(L ＝600mm)，對應壓力機運行的最大角度為24.5°。根據(jù)1000t 壓力機滑塊行程曲線，滑塊從位置③運行至位置④(H ＝400mm)，需要35°左右。相當于機器人從模具邊緣運行至滑塊邊緣時，滑塊底部與機器人七軸還有10.5°的安全區(qū)間，其余連續(xù)模式節(jié)拍低于12SPM 的零件，安全區(qū)間更大，機器人與壓力機無干涉。

18SPM 斷續(xù)模式空運轉(zhuǎn)測試：機器人從位置①運行至位置②對應壓力機運行的最大角度為27.1°，機器人從模具邊緣運行至滑塊邊緣時滑塊底部與機器人七軸還有7.9°的安全區(qū)間，使用斷續(xù)模式生產(chǎn)壓力機節(jié)拍低于18SPM 的零件，安全區(qū)間更大，機器人與壓力機也無干涉。

結(jié)束語

我公司生產(chǎn)Y 車型共13 組模具，6 組模具節(jié)拍可達到整線設計最高節(jié)拍12SPM，該車型優(yōu)化前平均節(jié)拍為8.8SPM，優(yōu)化后可達到10.7SPM，效率提升21.6%，達到行業(yè)內(nèi)同類型生產(chǎn)線領先水平。大大削減了生產(chǎn)人員加班費、能源費等成本，為公司發(fā)展創(chuàng)造巨大收益。