【方案分享】伺服机械手混合自动冲压线的规划及编程应用

冲压线的规划

传统的冲压生产形式由人工取放料，生产效率较低，精度较差，劳动强度较大且安全性不够，冲压产品品质受操作者技能和素质等因素影响较大。随着人们生活水平的提高，人们出行对于汽车的需求量加大，同时对汽车质量的要求也在不断提高。伴随着汽车工业的快速发展，汽车行业的竞争日益激烈，冲压自动化的开发和应用成了国内外汽车发展的必由之路。

冲压自动化实现了从传统的人工作业到自动取放料，虽然不同生产厂商采用的取放料的机构各不相同，但大体可以分为两类，一种是在压力机的纵轴线上安置多自由度搬运机器人，机械人可以沿压力机轴向、纵向移动；另一种是在两台压力机的立柱前后安置平行机械手臂，通过一根横杆形式的末端端拾器搬运零件。

本文以某产品的全铝车身外覆盖件生产线为例，介绍了生产节拍为10spm，由单臂机械手/ 七轴机器人+ 伺服压力机+ 机械压力机组成的伺服机械混合自动冲压线的规划及应用。

压力机的选择
从成本、性能、节能环保等几个方面，对压力机采用机械压力机或伺服压力机进行对比分析，并做出选择。

成本
同吨位的伺服压力机比机械压力机成本要高出40% ～ 50%，在项目开展前期的预算中必须先对这部分增加的成本有所准备，若预算不足，则无法开展比对。

性能
⑴轨迹柔性化和产品成形效果。
伺服压力机加工工艺轨迹柔性可控，可针对不同板材设置最佳成形速度，以改善零件冲压成形质量。伺服压力机可为不同产品单独设定最佳的滑块运动曲线和成形速度，从而提高零件的成形效果，降低废品率。

由飞轮提供加工能量的传统机械压力机，当降低滑块速度以满足冲压工艺要求时，可能出现因能量不足而导致冲压加工无法完成的问题。

金属材料有一个最为重要的特性，那就是其塑性变形与造成塑性变形的加载方式及速度有密切关系，图1 给出了同一种材料在不同加载速率的情况下，塑性变形的不同；这意味着加载速率及轨迹对产品的质量与材料本身有着重要的影响。

图1 同种材料在不同加载速率情况下的塑性变形特性

⑵工艺适应性。
伺服压力机具备与液压机相同的下死点保压功能，滑块处于下死点时可满负荷输出，起保压作用，能够有效抑制零件的回弹缺陷，传统机械压力机必须经过整周旋转才能完成冲压过程，在下死点无法实现保压功能。

伺服压力机具有下死点保压、二次冲压和摆动冲压等多种功能，提高了伺服压力机的工作性能和工艺适应性，而传统机械压力机由于采用单向传动方式，不具备这些功能。

⑶同步性的实现。
伺服压力机滑块速度可控，便于实现与传输线同步控制，极大地提高了冲压生产节拍。也大大促进了冲压自动化同步线的实现。伺服压力机的滑块行程可调，即可根据零件的成形工艺要求，设置滑块行程低于其公称行程值运行，从而提高冲压生产节拍，而传统机械压力机滑块行程不可调。

传统机械压力机滑块运动特性曲线单一，只能通过调整行程次数来实现与传输线的同步，在一定程度上降低了压力机的冲压生产节拍。

安全环保
⑴噪声。
利用伺服压力机运动特性曲线任意可调的特点，可设置较低的模具接触板料速度，一方面防止板料在拉深时产生波浪形缺陷，另一方面又降低了上下模具接触速度，能够减小冲击噪声和延长模具使用寿命。

⑵节电节能。
伺服压力机的伺服液压垫具有电力再生功能，液压垫可节能60%，液压油用量为传统液压垫的1/10；机械压力机的传统液压垫无电力再生功能，液压油用量6000L以上。

伺服压力机采用电子飞轮和电容进行能量管理，降低了对电网的冲击，同时滑块在下降、上升减速时，伺服电机发电回馈电网，节能效果显著。相同冲压工况下，能耗是同吨位传统机械压力机的40%。

⑶减排。
伺服压力机为伺服电机驱动，无飞轮和离合器，可减少压缩空气用量。机械压力机使用大飞轮和离合器，会消耗大量压缩空气。

自动化生产线布局
如图2所示，整条冲压线由上料小车、拆垛装置、进料皮带、清洗涂油机、光学对中台、1 台伺服压力机+4 台机械压力机、冲压模具、工序间传输装置及端拾器、出料皮带、成品检测存放区域等部分组成。

图2 自动化冲压线二维图

⑴上料小车及拆垛装置。冲压自动线在线首布置两台上料小车，将剪切堆垛好的坯料安置在上料小车上，上料小车的磁力分张器将板料分开为单张，生产过程中料片切换无停留。拆垛装置的功能是将上料小车上的坯料吸取并运送到进料皮带上，上料小车移至拆垛机器人工作位置，拆垛机械手抓起板料，发出抓件完成信号给系统，机械手沿导轨直线移动至磁性皮带机上方，检测到磁性皮带机上无板料时，拆垛机械手下降，将板料放置在皮带机上，发出工作完成信号，进入下一循环。

⑵进料皮带、清洗涂油机及光学对中台。进料皮带输送坯料通过清洗机、涂油机送到光学对中台。本冲压自动线采用光学对中台（视觉对中台），利用拍照获得的板料位置图像经视频软件处理后，自动调整上料机械手/ 机器人的轨迹，从而满足最终将板料精确放入模具内的要求。

⑶工序间传输装置及端拾器。工序间传输装置采用七轴机器人传输工件，代替人工将坯料从对中台开始，在每台压力机之间传输，得到最终的冲压件成品。端拾器的功能是配合传输装置完成冲压件的抓取，端拾器与模具一一对应。

伺服机械混合自动冲压线生产验证
翼子板属于外覆盖件，属于汽车的“脸面”，所以产品表面质量要求比较严格，不允许有起皱、破裂、圆角部位的滑移线等缺陷，同时要满足刚度要求，产品表面拉深变薄率要大于3%。在普通机械压机上很难满足成形质量要求，为此，我们对翼子板进行伺服拉深成形并且验证冲压成形性，图3 为拉深成形过程中的理论和实际生产验证，验证结论主要有以下三点：

图3 翼子板成形起皱缺陷理论和实践验证

⑴在材料等级不变的条件下，翼子板的成形的理论实验减薄率和伺服验证结论相符合，满足成形要求。

⑵在成形条件相同的情况下，翼子板的成形起皱缺陷和伺服验证结论相符合，满足成形要求。

⑶在成形条件相同的情况下，翼子板在伺服压力机上调试验证结果显示，产品面均没有起皱、破裂缺陷，同时满足成形刚度要求。

因此，在满足成本要求的情况下，使用一条伺服机械混合自动化生产线，比传统手工线、传统机械生产线，能得到更高质量的产品。采用伺服压力机进行汽车覆盖件拉深成形，根据拉深成形工艺要求，计算出最佳拉深工艺轨迹，并与上下料传输机构联线控制，实现汽车覆盖件的柔性化冲压成形，既能够改善零件的冲压成形质量，又能够提高冲压生产节拍。