沖壓機(jī)器人（又稱為：沖床機(jī)械手、沖壓機(jī)械手）作為沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)備的主要組成部分，是目前各沖壓加工企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化升級(jí)的最佳選擇?？蓭椭髽I(yè)充分利用現(xiàn)有中低檔沖壓設(shè)備的巨大存量資產(chǎn)，以較低的成本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的升級(jí)改造。

“降本、提質(zhì)、增效”是企業(yè)自動(dòng)化升級(jí)的主要目的。沖壓加工企業(yè)除了購(gòu)置穩(wěn)定高效的沖壓機(jī)器人外，自動(dòng)化生產(chǎn)線效率的優(yōu)化也是十分重要的。能夠大幅提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，在相同的時(shí)間內(nèi)可以生產(chǎn)更多的零件，從而降低零件的生產(chǎn)成本和設(shè)備的使用成本。

自動(dòng)化生產(chǎn)線效率優(yōu)化的有效方法是：一、提高設(shè)備生產(chǎn)速度；二、優(yōu)化生產(chǎn)線節(jié)拍。

一、影響生產(chǎn)速度的要素

在沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)中，有兩個(gè)與生產(chǎn)速度相關(guān)的非常重要的要素，即：各設(shè)備的動(dòng)作速度和動(dòng)作協(xié)調(diào)性。 

1．動(dòng)作速度

當(dāng)各設(shè)備以最大的速度運(yùn)行，并且各臺(tái)壓力機(jī)同步?jīng)_壓、各臺(tái)沖壓機(jī)器人同步搬運(yùn)的時(shí)候，生產(chǎn)線生產(chǎn)速度最快、效率最高。

對(duì)于各設(shè)備速度來(lái)說(shuō)，拆垛單元和壓力機(jī)的速度通常是不會(huì)變的；而沖壓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度調(diào)整的柔性非常大，成為影響生產(chǎn)線速度的主要因素。

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度與機(jī)器人的動(dòng)作特征是有密切關(guān)系的，除其實(shí)際的運(yùn)動(dòng)速度與設(shè)定的數(shù)值大小有關(guān)系外，還與運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的姿勢(shì)變化和運(yùn)動(dòng)方式有關(guān)系。沖壓機(jī)器人的動(dòng)作特點(diǎn)如下： 

（1）運(yùn)動(dòng)過(guò)程中姿勢(shì)變化越少運(yùn)動(dòng)速度越快。

在保證安全的前提下，如圖1所示，將沖壓機(jī)器人的第一段軌跡與第二段軌跡設(shè)置為近似的平面運(yùn)動(dòng)（各段軌跡中各點(diǎn)坐標(biāo)的Z軸數(shù)據(jù)大致相同），從而減少機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中姿勢(shì)的變化。 
 

圖1 將沖壓機(jī)器人的第一段軌跡與第二段軌跡設(shè)置為近似的平面運(yùn)動(dòng) 
 

（2）沖壓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度的特征是：在兩個(gè)點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)中，機(jī)器人的弧線運(yùn)動(dòng)速度＞直線運(yùn)動(dòng)速度。（見(jiàn)圖2）
 

圖2 弧線運(yùn)動(dòng)速度＞直線運(yùn)動(dòng)速度

了解沖壓機(jī)器人動(dòng)作的特點(diǎn)后，就可以將各個(gè)零件的軌跡標(biāo)準(zhǔn)化。導(dǎo)入新零件時(shí)，復(fù)制以前相似的零件軌跡，做簡(jiǎn)單的改動(dòng)后就可以得到理想的軌跡。做了這一步后，就可以將單臺(tái)沖壓機(jī)器人的搬運(yùn)速度調(diào)到最快，滿足要素中的第一個(gè)條件。 

2. 動(dòng)作協(xié)調(diào)性

如何將以各自最大運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)行的各設(shè)備揉合在一起，組成一條生產(chǎn)節(jié)奏快的生產(chǎn)線？也就是，如何調(diào)節(jié)設(shè)備之間動(dòng)作的協(xié)調(diào)性呢？

首先，分析一下什么是沖壓生產(chǎn)線理想的優(yōu)化狀態(tài)？生產(chǎn)線理想的優(yōu)化狀態(tài)就是各設(shè)備以自己的最大速度運(yùn)行，以最短時(shí)間完成單個(gè)動(dòng)作循環(huán)，各設(shè)備的每個(gè)動(dòng)作循環(huán)中只有一個(gè)等待點(diǎn)；在安全的前提下，前一臺(tái)設(shè)備以最短時(shí)間啟動(dòng)下一臺(tái)設(shè)備。站在整線的角度看就是機(jī)器人能夠同步搬送、壓力機(jī)能夠同步?jīng)_壓（見(jiàn)圖3）。

沖壓機(jī)器人上完料開(kāi)始后退時(shí)，壓力機(jī)滑塊開(kāi)始啟動(dòng)，并且模具差點(diǎn)與機(jī)器人相撞；滑塊開(kāi)始上升時(shí)，機(jī)器人立即進(jìn)入取料，并且差點(diǎn)與模具相撞。也就是，設(shè)備以自身最大的速度運(yùn)行，相互之間的啟動(dòng)參數(shù)設(shè)置到最大值，并且能夠協(xié)調(diào)一致運(yùn)動(dòng)。 
 

圖3 沖壓機(jī)器人機(jī)器人同步搬送和壓力機(jī)同步?jīng)_壓

二、優(yōu)化生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍

為了更好地對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行分析，我們把生產(chǎn)線劃分為5個(gè)單元，減少每個(gè)零件的生產(chǎn)時(shí)間就是要減少每個(gè)單元的動(dòng)作時(shí)間。由于拆垛單元采用了二維運(yùn)動(dòng)的上料機(jī)械手送料，因此，上料機(jī)械手的動(dòng)作循環(huán)時(shí)間比沖壓機(jī)器人的循環(huán)時(shí)間要快，上料機(jī)械手單元不是生產(chǎn)線的瓶頸。在此，我們將主要討論沖壓機(jī)器人單元。生產(chǎn)線機(jī)器人單元是指壓力機(jī)＋壓力機(jī)后面的沖壓機(jī)器人，單元的動(dòng)作時(shí)間是指壓力機(jī)沖壓、機(jī)器人下料、機(jī)器人上料、機(jī)器人回到壓力機(jī)等待下料的整個(gè)過(guò)程的時(shí)間。（見(jiàn)圖4）
 

圖4 單元時(shí)間T= t壓力機(jī)沖壓＋t機(jī)器人下料＋t機(jī)器人上料＋t機(jī)器人回到下料等待點(diǎn)

單元是生產(chǎn)線最重要的元素，首先將單元內(nèi)的設(shè)備動(dòng)作協(xié)調(diào)，使單元的動(dòng)作時(shí)間最少，才能進(jìn)一步使生產(chǎn)線的單元?jiǎng)幼鲄f(xié)調(diào)，達(dá)到生產(chǎn)線優(yōu)化的效果。如何使單元內(nèi)的設(shè)備動(dòng)作協(xié)調(diào)達(dá)到單元的動(dòng)作時(shí)間最少呢？主要有三個(gè)方法：

1. 減少?zèng)_壓機(jī)器人軌跡中拾取點(diǎn)和放料點(diǎn)Z軸方向的距離（見(jiàn)圖5）

減少?zèng)_壓機(jī)器人在壓力機(jī)里的停留時(shí)間，使機(jī)器人盡快離開(kāi)壓力機(jī)以及啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備的下一個(gè)動(dòng)作。 
 

圖5 沖壓機(jī)器人軌跡中拾取點(diǎn)和放料點(diǎn)Z方向之間的距離

2. 加快沖壓機(jī)器人上料后啟動(dòng)壓力機(jī)沖壓

沖壓機(jī)器人的優(yōu)化參數(shù)里有一項(xiàng)可以調(diào)整機(jī)器人上料后往后退時(shí)與干涉點(diǎn)的距離數(shù)值，從而改變啟動(dòng)壓力機(jī)沖壓的快慢。沖壓機(jī)器人上料后啟動(dòng)壓力機(jī)沖壓最快的時(shí)機(jī)是，當(dāng)機(jī)器人投料完畢開(kāi)始后退時(shí)立即送出啟動(dòng)壓力機(jī)信號(hào)。 

另外，機(jī)器人啟動(dòng)壓力機(jī)的連鎖電路里對(duì)運(yùn)動(dòng)邏輯有個(gè)保護(hù)，叫做模具保護(hù)。意思是沖壓機(jī)器人啟動(dòng)壓力機(jī)沖壓后，壓力機(jī)滑塊運(yùn)動(dòng)到一定角度，如果機(jī)器人沒(méi)有離開(kāi)軌跡中的outnextpress點(diǎn)（見(jiàn)圖6），連鎖邏輯上會(huì)使壓力機(jī)緊急停止，防止滑塊與沖壓機(jī)器人碰撞，損壞模具。 

生產(chǎn)線投產(chǎn)初期，廠家將模具保護(hù)角度在程序中統(tǒng)一設(shè)為45°，這樣做對(duì)優(yōu)化有局限性。即使把軌跡中的outnextpress點(diǎn)非?？拷鼔毫C(jī)，如果將沖壓機(jī)器人的優(yōu)化參數(shù)設(shè)置為最大值，也會(huì)出現(xiàn)模具保護(hù)故障。站在設(shè)備安全的角度來(lái)說(shuō)，對(duì)于上模、下模比較薄的模具，因?yàn)樯夏Ｃ媾c下模面的距離相對(duì)比較大，而壓力機(jī)緊急停止的剎車距離一般是35°，我們認(rèn)為可以適當(dāng)?shù)匕涯＞弑Ｗo(hù)角度放大一點(diǎn)，比如60°，發(fā)生異常時(shí)也能避免相撞。

這樣做后，增大沖壓機(jī)器人啟動(dòng)壓力機(jī)沖壓的優(yōu)化參數(shù)也不會(huì)出現(xiàn)模具保護(hù)干涉故障。于是，對(duì)于模具保護(hù)參數(shù)我們做了改進(jìn)，在壓力機(jī)每一個(gè)零件的參數(shù)中增加模具保護(hù)參數(shù)，不同的零件對(duì)應(yīng)不同的參數(shù)。這樣就可以使沖壓機(jī)器人投料完畢開(kāi)始后退時(shí)立即送出啟動(dòng)壓力機(jī)信號(hào)，同時(shí)也使模具保護(hù)功能正常發(fā)揮作用。 
 

圖6 沖壓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡中的out-nextpress點(diǎn)

3. 加快壓力機(jī)沖壓后機(jī)器人下料

有兩個(gè)方法可以加快壓力機(jī)沖壓后機(jī)器人下料，如圖7所示。一是使軌跡中的waitunload點(diǎn)靠近壓力機(jī)；二是減少壓力機(jī)啟動(dòng)機(jī)器人下料的角度。 
 

圖7 先將waitunload點(diǎn)靠近壓力機(jī)，再減少啟動(dòng)角度

壓力機(jī)是用凸輪角度信號(hào)啟動(dòng)沖壓機(jī)器人下料的。啟動(dòng)機(jī)器人后，如果壓力機(jī)緊急停止，機(jī)器人會(huì)與壓力機(jī)滑塊或模具發(fā)生碰撞。壓力機(jī)在下死點(diǎn)發(fā)生異常引起緊急停止的機(jī)會(huì)最多，因?yàn)檫@時(shí)壓力機(jī)振動(dòng)最大?，F(xiàn)在控制回路有連鎖條件，如果壓力機(jī)緊急停止，沖壓機(jī)器人是不會(huì)啟動(dòng)的。

但是，故障出現(xiàn)時(shí)，傳感器需要反應(yīng)時(shí)間、PLC需要時(shí)間、總線傳輸需要時(shí)間以及沖壓機(jī)器人處理信號(hào)需要時(shí)間?？偟膩?lái)說(shuō)，把啟動(dòng)角度減少后，加大了碰撞的可能性。沖壓機(jī)器人定位精確，即使waitunload點(diǎn)很接近壓力機(jī)也是安全的。先將waitunload點(diǎn)靠近壓力機(jī)，再減少啟動(dòng)角度，是比較好的方法。

當(dāng)各個(gè)單元的動(dòng)作時(shí)間達(dá)到最小后，只要把生產(chǎn)線的4個(gè)單元協(xié)調(diào)起來(lái)，沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線就可以達(dá)到優(yōu)化的理想狀態(tài)了。生產(chǎn)線上各個(gè)單元協(xié)調(diào)生產(chǎn)的時(shí)候（見(jiàn)圖8），他們的動(dòng)作時(shí)間是很相近的。 
 

圖8 沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線上各個(gè)單元協(xié)調(diào)生產(chǎn)時(shí)的動(dòng)作時(shí)間很相近

同時(shí)，后單元比前單元要快點(diǎn)（見(jiàn)圖9），才能使生產(chǎn)線保持一起沖壓一起搬運(yùn)的同節(jié)拍，所有沖壓機(jī)器人只有一個(gè)等待點(diǎn)狀態(tài)。

如果前單元比后單元要快，生產(chǎn)線就不能出現(xiàn)一起沖壓一起搬運(yùn)的同節(jié)拍最優(yōu)狀態(tài)。沖壓機(jī)器人有兩個(gè)等待點(diǎn)，等待下料和等待上料，效率下降0.2～0.3s。 
 

圖9 后單元比前單元要快點(diǎn)，才能使生產(chǎn)線保持一起沖壓一起搬運(yùn)的同節(jié)拍

同步生產(chǎn)方式優(yōu)化狀態(tài)

我們對(duì)生產(chǎn)線的優(yōu)化，沒(méi)有在同步系統(tǒng)的模式下，是一種傻瓜式的優(yōu)化。生產(chǎn)線進(jìn)入同步生產(chǎn)方式是有條件的，只有符合初始條件的才行。

生產(chǎn)線只有從拆垛機(jī)器人啟動(dòng)生產(chǎn)才可以立即進(jìn)入同步生產(chǎn)方式，因?yàn)?，從拆垛機(jī)器人開(kāi)始啟動(dòng)，能夠達(dá)到生產(chǎn)線各個(gè)單元在近似的同一時(shí)刻開(kāi)始動(dòng)作的效果。這時(shí)，只要各個(gè)單元的動(dòng)作時(shí)間相近，生產(chǎn)線立即進(jìn)入同步生產(chǎn)狀態(tài)。否則，每個(gè)單元的啟動(dòng)時(shí)間不一樣，各個(gè)單元不能協(xié)調(diào)生產(chǎn)，生產(chǎn)線不能同步。

沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線優(yōu)化初期時(shí)，優(yōu)化狀態(tài)有三種：

（1） 生產(chǎn)線前面的單元?jiǎng)幼鲿r(shí)間比后面的單元?jiǎng)幼鲿r(shí)間要少；

（2） 生產(chǎn)線前面的單元?jiǎng)幼鲿r(shí)間與后面的單元?jiǎng)幼鲿r(shí)間大致相等；

（3） 生產(chǎn)線前面的單元?jiǎng)幼鲿r(shí)間比后面的單元?jiǎng)幼鲿r(shí)間要多。

第一種情況，生產(chǎn)線后面的單元慢；第二種情況，生產(chǎn)線慢速的同步生產(chǎn)；第三種情況，生產(chǎn)線前面的單元慢。當(dāng)繼續(xù)對(duì)生產(chǎn)線優(yōu)化后，最終只剩下一種情況，生產(chǎn)線快速的同步生產(chǎn)。

生產(chǎn)線優(yōu)化到最后都要碰到進(jìn)入最優(yōu)化狀態(tài)的初始條件問(wèn)題。例如沖壓工藝中的停止生產(chǎn)線抹模，在這條生產(chǎn)線上就遇到進(jìn)入最優(yōu)化狀態(tài)的初始條件問(wèn)題。如果生產(chǎn)線按照從停止抹模的壓力機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)整線自動(dòng)生產(chǎn)的話，生產(chǎn)線上各個(gè)單元的開(kāi)始動(dòng)作時(shí)間不一樣，各個(gè)單元的動(dòng)作時(shí)間相近，生產(chǎn)線不能進(jìn)入已經(jīng)優(yōu)化好的同步方式。這時(shí)，唯有采用另外一種方式，才能使生產(chǎn)線進(jìn)入已經(jīng)優(yōu)化好的同步方式。如圖10所示，恢復(fù)時(shí)，當(dāng)整線的設(shè)備都進(jìn)入自動(dòng)狀態(tài)后，停止拆垛機(jī)供料，拆垛單元的上料機(jī)械手拿著坯料暫時(shí)停止，在上料等待點(diǎn)等待著，其他設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)；

當(dāng)?shù)谝慌_(tái)壓力機(jī)的零件到達(dá)第二臺(tái)機(jī)器人時(shí)，才恢復(fù)拆垛機(jī)器人的供料，上料機(jī)械手才往第一臺(tái)壓力機(jī)投料，生產(chǎn)線才可以進(jìn)入同步生產(chǎn)方式。這樣做的實(shí)質(zhì)是讓生產(chǎn)線的各個(gè)單元完成當(dāng)前的動(dòng)作后，按照由前往后的順序回到單元?jiǎng)幼鏖_(kāi)始的狀態(tài)，等待著下一個(gè)單元?jiǎng)幼餮h(huán)開(kāi)始，從而使各單元由相同的時(shí)間啟動(dòng)下一個(gè)循環(huán)。這種方法很有效，生產(chǎn)線只要大約10s時(shí)間就可以進(jìn)入預(yù)先調(diào)整好的最優(yōu)化的同步生產(chǎn)方式。 
 

圖10 暫停上料機(jī)械手送料，當(dāng)A1壓力機(jī)的零件到達(dá)R2時(shí)才恢復(fù)上料機(jī)械手送料

結(jié)束語(yǔ)

沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線優(yōu)化后，每天可以生產(chǎn)更多的零件；或者在產(chǎn)量不變的情況下提前完成當(dāng)天的生產(chǎn)任務(wù)。為此，我們可以每天安排生產(chǎn)線一定的計(jì)劃停機(jī)時(shí)間做其他事情，比如模具調(diào)試、設(shè)備日常維護(hù)等，得到的經(jīng)濟(jì)效益是非?？捎^的。