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机器人连续生产线规划、开发难点及优化

文章来源: 《锻造与冲压》       发布时间:2019-06-04

机器人连续生产模式是近几年新兴的冲压生产模式,整线成本与传统机器人断续生产线基本持平,生产节拍提升10%,整体经济性更优。连续生产模式中,压力机冲压速度大幅降低,极大降低了设备、模具所受的冲击力,延长了其使用寿命,降低了生产噪声;压力机无需停上死点,加减速频次、制动损耗有效降低,节能效果显著。


汽车作为大宗消费产品,单一车型开发后产销量少则数万,多则上百万,而快速批量化生产是降低生产成本,提升市场竞争力的必由之路。传统冲压自动生产线可以区分为机器人线(断续线)、同步线两大类,同步线较机器人线效率高出50%~80%,但整线成本高出2~3倍,导入何种生产线能实现成本、收益最佳平衡点是冲压设备规划的难点。


机器人连续生产线


机器人连续生产线是一种集成传统机器人生产线硬件与同步线同步控制技术,实现机器人上下料过程,压力机不停上死点的一种冲压生产模式。机器人连续生产线具有效率更高,较传统机器人生产线提速约10%;更加节能,较传统机器人生产节能约5%;工作噪声更低,可维持在75~85dB之间;设备模具所受冲击更低,延长了设备、模具使用寿命。


机器人连续生产线开发的难点


机器人速度过低


机器人自动化市场发展多年,压力机与自动化集成商长期分离,开发机器人连续线,需压力机同步控制技术、机器人控制技术融合,需对项目比重再分配,沟通融合周期漫长。采用当前主流断续线机器人进行连续模式开发,成本小幅增加,节拍降低1.2~2.3(图1),有弊无利。

机器人连续生产线规划、开发难点及优化

图1机器人断续线、连续线节拍对比


整线优化难度指数级增长


传统机器人断续生产线在完成端拾器制作、轨迹优化、安全角度测量后即可启动联动生产,由后往前逐个单元进行机器人优化,直至整线节拍达到理想值。而连续生产线需要考虑压机间相位角度设置、不同单元间机器人优化深度匹配等,相对于断续线主单元的优化把握,提升为整线优化把握,对现场保全技能水平提出极高要求,大大提升了现场保障的难度。


机器人连续线规划


冲压过程原理模型


如何突破机器人连续线开发难点,我们从冲压过程原理进行分析。生产过程中压力机运行一个冲次,过程中关键角度采用1个圆进行表示(图2),同一套模具在机器人线、同步线的5个关键角度值变化极小,我们假定为5个值均一致。

机器人连续生产线规划、开发难点及优化

图2压力机运行1冲次关键角度示意图


连续模式开发方向


从工时分析可知,压缩上下料时间、放大安全角度是两个核心提速方向。直接参与冲压过程的设备及部件有压力机、机器人、机器人附加轴。我们从以上三个设备及部件入手进行分析。压缩上下料时间方向包括开发新型机器人、附加轴,提升机器人速度。放大安全角度方向包括改善首工序压力机抓料空间(压边圈顶起是四工序中安全角度瓶颈);压缩新开发七轴厚度等。


以广汽新能源现场应用机器人连续线为例(图3),采用KUKA R360冲压专用机器人+济二自研直线七轴组合,其中七轴较传统外资品牌厚度压缩90mm;首工序压力机较后工序增加200mm行程,采用六连杆结构。

机器人连续生产线规划、开发难点及优化

图3广汽新能源现场应用机器人连续线


软件开发方向从两个方面出发,一是解决连续状态下压力机与机器人协同工作控制;二是解决整线优化困难,提升整线推广应用竞争力。广汽新能源现场机器人连续线的开发要点包括:运用simotion运动控制器实现压力机同步控制,取代传统断续线机器人控制压力机启停的模式,采用同步控制器实现压力机连续控制;机器人启停及安全仍沿用传统断续线角度控制,鉴于机器人的高柔性,其运行轨迹压力机无法有效获取,为提升控制安全性,同步控制模式采用虚拟轴控制技术(图4);开发优化自学习系统(图5),将基础优化参数测量完启动联动生产,设备自动计算极限值及对应的相位角度等信息,直接设置期望值即可实现对应节拍连续生产,大幅降低优化难度。

机器人连续生产线规划、开发难点及优化

图5自学习系统界面


机器人连续生产线优化


设备硬件优化设计对应连续生产模式开发;硬件之外的工装、参数优化设计对应连续生产线节拍优化。直接参与或影响冲压过程的工装、参数有端拾器、机器人轨迹等。主体思路仍从压缩上下料时间、放大安全角度两个核心出发。压缩上下料时间包括:优化机器人轨迹,上下料等待点前置等;放大安全角度包括:端拾器扁平化设计,压缩安全角度余量等。


广汽新能源现场机器人连续生产线重点优化了以下内容。端拾器扁平化设计:端拾器吸盘布局尽可能靠近中心,减少端拾器垂直最大厚度;压缩端拾器凹面与零件凸面最小间距,一般10~15mm(图6)。机器人速度轨迹优化:保证搬运平稳情况下,机器人单点速度MAX,速度100%;轨迹平顺,减少辅助点、拐点。追逐参数设定:设置最大值。上下料等待点前置:将机器人上下料等待点逼近滑块设置,必要时可直接深入滑块下方,缩短上下料距离;设置后使用秒表测算最优等待位置。

机器人连续生产线规划、开发难点及优化

图6端拾器扁平化设计


缩小安全角度余量:使用ANALYZER PRo5软件对机器人运行监控;测算信号延迟、制动距离等微观信号,反推科学削减安全角度余量;经过深度优化,目前现场优化上下料时间在2.4~2.6s之间;安全角度在160°~180°之间,理论节拍区间10.3~12.5SPM;实际优化11.7SPM,仍在优化中,预期最优可达12SPM;测算曲线如图7所示。

机器人连续生产线规划、开发难点及优化

图7优化后断续线与连续线节拍对比


结束语


机器人连续生产线在国内主流主机厂应用仍处于初级阶段,整线设计、优化升级工作仍持续进行中,但其目前表现出的技术优势已相当明显,已然成为断续线强有力的竞争者。伴随汽车制造逐步迈向深水区,未来车身覆盖件定制化生产逐步走入现实,冲压生产可能从大批量加工向中小批量加工过渡,机器人连续生产线综合了高效、低成本的优势,必将在未来竞争中占据一席之地。


——来源:《锻造与冲压》2019年第10期

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