本文主要介紹了機器人的放置位置、機器人各軸的旋轉角度及運行速度、機器人輔助部件等因素對沖壓生產節拍的影響；并對機器人運行軌跡、等待位置、參數設定等進行分析，優化機器人放置位置及其運行軌跡，提升沖壓線生產節拍。

隨著汽車、航空、家電等行業的快速發展，我國板材加工設備有了長足進步。據不完全統計，轎車零部件中40%以上是金屬板材沖壓件，由此可見沖壓設備在汽車工業中具有重要地位，而板料的輸送在沖壓生產中處于中心環節。

傳統的沖壓生產方式，多采用人工取放料，勞動強度大，生產效率低，且精度較差，存在安全隱患。沖壓件品質受操作者技能和素質等因素的影響較大，從而導致生產質量和效率的降低。連續、高效、無間歇是沖壓自動化生產的特點，沖壓自動化系統作為柔性、高效、可靠、通用的加工單元，確保了沖壓生產的穩定性和安全性。因此，手工送料等傳統的輸送方式逐漸被自動送料機構所取代。

目前國內六軸機器人技術日趨完善，成本越來越低，使用也越來越普及，高度柔性越來越顯示出其優越性。在沖壓自動化系統中，作為自動化輸送系統的主要部分，機器人主要完成板料拆垛、各壓力機間的自動上下料、板料傳送翻轉等工作，以取代繁重、危險的人工操作。機器人通過控制系統實現與壓力機的隨動和互鎖，完成機器人的運動控制、氣動與真空系統監控及安全防護等。為了提高生產節拍，提升整線生產效率，基于每個工序之間的均衡為前提，對機器人運行軌跡、等待位置、參數設定等進行分析，優化機器人放置位置及其運行軌跡。沖壓生產線布局如圖1 所示。提高機器人的節拍，最基本的是提升機器人的運轉速度，在排除速度因素之外，主要考慮以下三個方面因素。

圖1 沖壓生產線布局

機器人的放置位置

在沖壓生產過程中，機器人的主要作用是進行沖壓件由上一工序輸送至下一工序，將沖壓件從A 位置輸送至B 位置。如圖2 所示，將沖壓件從A 位置輸送至B 位置，理論上機器人可以放置的位置很多，只要機器人的臂能夠到達A 點和B 點。實際上，機器人放置的位置很有限。主要的三個限制條件如下：⑴沖壓件的重量和尺寸；機器人的臂展與載荷成反比，臂展越大，載荷越小，在滿足載荷的情況下，臂展必然受到限制。同時如果沖壓件的外形很大，也必須加長機器人的臂長。⑵成本限制，在保證負荷能力的情況下，臂展越長；機器人價格越高，主要因為機器人采用的馬達和減速機功率增大，結構強度增高。⑶沖壓線的空間規劃不同，機器人可擺放的位置，同樣會受到約束。

圖2 沖壓件輸送簡圖

圖3 中機器人位置，∠a 大于∠b。表明：在把沖壓件從A 處搬運到B 處，∠b 越小，機器人轉動的角度越小，花費的時間越少，即沖壓件橫移的時間越短，也就是節拍時間越小。從以上實例可以看出：在機器人的臂長范圍內，適當調整機器人的位置，可以提高生產節拍。

圖3 機器人位置對比

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機器人的動作方式

機器人的軸數越少，動作越簡單，軸數越多，動作越復雜。以圖4 所示的6 軸機器人為例(說明：軸1、 2 和 3 是主要軸；軸4、5 和 6 是腕部軸)。仍假設A 點和B 點不變，模擬沖壓件所在的位置，拾取時間和放置時間不計，且不考慮機器人載荷影響。理論上，機器人有無數種運行軌跡可以滿足要求。但是肯定有一種是相對更合理，并且是最大節拍的。

圖4 6 軸機器人結構

為了使機器人的運轉達到最大效能，需要先行確認機器人的各軸最大運轉速度和加減速度（必須保證在機器人設計公司設計并驗證的范圍內，并且與負載相關）。以軸1 為例，假設軸1 為到達目標，需要旋轉的角度為α，α=a 1×t 1+v×t 2+a 2×t 3。a 1 為最大角加速，定值；a 2 為最大角減速，定值，正常情況下a 1=a 2；v 為最大角速度，定值；t 1 為從0 加速到最大角速度的時間，定值；t 2 是最大角速度運轉時間；t 3為從最大角速度減速到0 的時間，也是定值，正常情況下t 1=t 3。那么可知t 2 的時間越小，機器人的節拍就越快。其他軸的情況相同。

為了讓機器人快速到達目標位置，需要初步確定機器人的運行軌跡，軌跡確定后，計算每軸運行的角度，得到每軸需要運行時間，進行統籌分析。⑴在“運行最短時間”欄，挑選出最大值，假設為軸1 時間t 1。⑵考慮軸2 ～6“運行最短時間”，考慮是否可以與軸1 同時運行，假設軸2 可以與軸1 同時運行，則總節拍時間為T=t 1+t 3+t 4+t 5+t 6。⑶重新選擇運行軌跡，進行同樣運算選擇。注意：不同的軌跡，各軸的最短運行時間不同，更重要的是軸2 未必能夠與軸1 同時運轉，也許其他軸可以與軸1 同時運轉。⑷假設軸1 的“運行最短時間t 1”最大，則想辦法考慮如何變更機器人的軌跡，甚至是變更機器人的位置，或者是機器人的型號規格，將t 1 變小。⑸ t 1 變小之后，其他軸的“運行最短時間”也許會變大，只要總節拍時間T 變小均可。⑹假如軸2 運行時間t 2 比軸1 運行時間t 1 小，且可以與軸1 同時運行，那么就要降低軸2 的最大運行速度和加減速，只要在t 1 時間內完成旋轉角度即可。

可以將軌跡多次模擬，把所有數據統計完成后，進行比對，確定一個折中方案（機器人有時走弧線，或避讓，但方式相同），這個最短時間就是最快的節拍。

機器人輔件及工裝

機器人的輔件和工裝，同樣影響沖壓線的生產節拍。沖壓生產時機器人的末端裝有端拾器。由于板件為薄壁件，適合采用真空吸附的工作原理抓取，端拾器上帶有真空吸盤，吸盤布置在高強度合金和碳纖維材料制成的端拾器支架上，吸盤數量及其布置方式依據具體的板件而定，吸盤的效率受到真空產生器效率及功率的影響。進而影響到機器人的節拍。

另外，端拾器在吸取板件時，板件必須先行定位，定位系統若慢于機器人，則影響機器人節拍。吸盤系統帶有真空度檢測傳感器，真空產生器的靈敏度和準確度，對機器人的節拍也會產生影響。

還有一種非正常狀況，也會影響機器人節拍。我們在正常情況下，輸送物件從A 點到B 點，是一對一輸送，即一個物件到A 點后定位，然后機器人輸送到B 點；如果物件從A 點到B 點的過程中丟失，那么機器人停機報警，則需要人工干預。而最新的做法是：如果物件丟失，不影響設備繼續運行的話，機器人立即產生新的軌跡，回頭重新回到A 點抓取另一個物件，輸送到B 點，這樣的話，可以減少停機的損失。更高級一點，是在A 點做暫存機構，無論A 點之前的設備是否故障，A 點到B 點之間的輸送工作不會停頓，這樣可以保證平均節拍(平均節拍是指工作時間除以產量，如周平均節拍，一周內共輸送10000 件板件，則周平均節拍為：8h×5d/10000 件=14.4 秒/件)。

結束語

近年來，為克服六軸機器人搬運過程中板件的抖動，進一步提高生產效率，機器人搬運系統開發出了旋轉七軸和端拾器自動更換技術。旋轉七軸技術是在機器人第六軸上加裝一個伺服控制旋轉臂，實現工件在上下工位壓力機間搬運過程中的平移，避免了以往工件因180°旋轉而產生的抖動與脫落，便于機器人搬運過程的提速。

七軸機器人是在六軸機器人基礎上開發而來的，在機器人手臂末端增加了直線七軸，比六軸機器人擁有更快的輸送速度，并可以實現零件在各個工序間的同向輸送，無需像六軸機器人那樣前后兩序旋轉180°，此種機器人對模具的要求也不高，但較六軸機器人對模具的要求增加了一點，即模具開口凈高要高一些，保證第七軸可以進入上下模具之間。此種自動化方式較六軸機器人自動化成本約高出1.6倍。

作者簡歷

王平，高級工程師，主要從事沖壓車間工藝規劃及沖壓設備選型、安裝調試等工作，主持完成國家04 專項“汽車大型鋁合金覆蓋件充液成形技術與裝備”的開發與應用項目獲得機械工業協會二等獎，擁有2 項發明專利、發表論文若干。

——來源：《鍛造與沖壓》2020年第18期