冲压生产线上下料机械手端拾器自动化设计分析

冲压生产线上下料机械手端拾器自动化设计分析

蔡亮

（中山市华拓电子设备有限公司广东省中山市528437）

摘要：本文首先针对拾器在实际应用过程中所呈现出的一种共用可能性进行分析，其次与实际情况进行结合，对可以利用的共用型面进行分析和判断，这样有利于满足不同情况下的生产要求。因此，本文针对冲压生产线上下料机械手端拾器自动化进行设计，为其正常使用打下良好基础。

关键词：冲压生产线；上下料；机械收；端拾器；自动化设计

随着国内汽车销量的逐步提升，冲压自动化生产线发展迅速，设备及工艺更新换代加快，也对相应的辅助配套装置有了更高的要求。端拾器就是一种安装在机器人/机械手端头部位，利用真空吸盘或夹钳辅助取放料的装置，经过近些年的推广应用，已在自动化冲压线上得到了广泛的使用。由于当今汽车行业新车型研发及换代周期不断缩短，据备件成本计算平均每条模具线配套端拾器的成本就在12万元以上，一个新车型项目中仅对端拾器投入的成本就需百万元以上，因此研究多车型不同模具线端拾器共用可一定程度上降低成本，同时也对缩短模具切换时间也有着不可忽视的意义。本文主要针对GUDLE单臂机械手冲压线端拾器优化共用进行讨论。

1自动优化设计的方法

端拾器是由机械手的快速夹紧器、主杆、副杆、支撑杆、转向关节和吸盘组成，图1是端拾器的结构图。一般端拾器是在现场调试安装，也就是说在模具制造完成后，采用标准化的组件，在试模阶段直接根据工件、模具、压机和机械手的情况，根据经验进行初步设计，然后对标准件选取和加工，直接在现场进行调试装配。这种方法由于没有精确的设计理论指导，主要靠现场技术人员的经验，决定端拾器的安装形式，需要多人反复调试，一个吸盘点往往需要多次安装调试，增加了调试时间，不能有效地利用零部件，而且端拾器结构可能存在不合理性[1，2]。首先根据经验在工件上选取安装吸盘的点，然后初步确定工件、模具和机械手的位置

关系，这样就可初步确定端拾器主杆的位置和长度，下一步的工作就是根据这个初始条件，采用合适的副杆、支撑杆、转向关节和吸盘完成端拾器的设计工作[1]。根据这个组成结构，可以将这个结构看成是由一个直线滑动关节X1（由支撑杆在副杆上的位置确定）、转向关节X2（由支撑杆和副杆组成）、直线滑动关节X3（支撑杆的长度）、转向关节X4（支撑杆的旋转关节）、转向关节X5（支撑杆和转向关节构成）组成的机械臂，其中O点为主杆和副杆轴心的交点，这里将其定义为基础坐标系的原点，X轴的方向为工件输送的方向，Y轴为垂直方向，根据右手定则确定Z轴方向。其中D1，D2，D3，D4是和标准件型号相关的参数，只要确定了标准件型号这些参数就确定下来，所以设计工作就是确定以上X1～X5这些参数[2]。可以将上述的问题看成为一个有2个直线运动副和3个旋转运动副的机械手，目标是将机械手端点定位到吸盘点，并且使吸盘位置向量和工件上的吸盘点法向量重合。

2GUDEL机械手冲压线及端拾器介绍

冲压I线是由1台2250T、3台1000TJIER压力机、1台ATLAS清洗机以及GUDEL机械手自动化系统组成的全封闭式冲压线，设计节拍12SPM（SPM：每分钟冲次数），其中自动化系统包括两台上料小车、拆垛手、传送皮带、扫描仪、对中台、上下料机械手以及线尾传送皮带系统。由于设备功能限制，在进行模具切换时，压力机自动换模后需人工进入封闭单元内更换拆垛手及上下料机械手端拾器[3]。其中拆垛及RF1送料机械手通过端拾器抓取板料或落料件，而RF2~RF5机械手则需通过端拾器抓取工序件，最终搬运至线尾皮带机上。在上料侧取料点通过机械手气源吹气在吸盘与工序件间形成真空，然后通过机械手Y、U、B、A轴按照设定轨迹运动，至下料侧放料点机械手气源阀换向，向吸盘内吹气，工序件落下，然后回到原点接着进行下一个循环。

3自动优化设计的实现

CATIA是在汽车和飞机制造中广泛使用的功能强大的CAD软件，所用的冲压件及其模具就是采用CATIA进行设计，所以端拾器的自动化设计是在CATIA基础上采用VB进行二次开发实现。CATIA进行二次开发方式主要有两种：一种是CAAV5技术；另一种是CATIAV5Automation技术。Automation技术是建立在COM基础之上，Automation的核心技术是允许一个应用程序操作另一个应用程序。Automa-tion技术并不是直接获取及处理数据，而是间接地通过暴露的对象和属性，利用对象的方法和属性获取，设置及处理数据。Automation技术包括两个方面：server和client。Automationserver是一个实现了IDispatch接口的COM组件，而Automa-tionclient是一个通过IDispatch接口与自动化服务器进行通信的COM客户。如把CATIA看成一个server，用户在VisualBasic环境下编写的程序则是client，这样就可以通过VB程序获取和操控CATIA中的对象了[4]。通过VB来操控CATIA中的模具、工件模型和机械手，在CAD环境中初步定位机械手，主杆自动安装到机械手上，然后在工件上选取吸盘的安装点和吸盘类型，选择要安装的副杆的种类和安装点，系统自动将其安装到位，然后系统自动调用Matlab程序进行计算和优化，自动选择合适的支撑杆和转换关节，安装成为一个完整的端拾器。

端拾器自动化设计系统，整个系统功能分为：项目管理进行设计工作流程及数据的管理；端拾器设计自动完成端拾器的设计工作，运动仿真在设计好的端拾器基础上进行干涉和运动节拍的模拟；系统维护进行标准件库和系统的维护和管理。通过在VB生成的界面中进行相应的操作，在CATIA环境中自动完成诸如模具工序件的调入、自动装配等功能，并自动生成装配图和BOM表。

综合分析不同模具线相同工序的模具型面结构及工序件、产品数模，初步确定可用以布置吸盘的共用点。下面以CN100左右前门、左右后侧门外板为例进行说明，两条模具线有交叉的型面主要分布在窗口下部、腰线部位，以及面积很小的窗框上部区域，可用于布置吸盘的相似点也可分布在这些区域。实现端拾器共用后，冲压I线需人工更换端拾器的频次大大减少，平均单次模具切换时间由14.2min降低至8.9min，仅此项每年可节约成本25万元；此外，端拾器数量的减少也为车间节省出了部分空间，同时也在一定程度上减轻了员工更换端拾器的劳动强度。

4结束语

通过本文对冲压生产线上下料机械手端拾器自动化的设计，以及提出的理论和开发出的系统，已能在手工选择吸盘点和相关标准件型号的基础上，自动完成端拾器的设计。通过采用VB对CATIA的二次开发，实现了端拾器的自动化设计系统，并能通过CATIADMU进行动态仿真，对端拾器进行干涉仿真检验，大大提高了端拾器的设计质量，节约了成本，减小了设计和调试时间。

参考文献：

[1]蔡汉明，李相飞，李宗成.机器人在注塑机生产线自动化改造中的应用[J].机械制造，2018，56（10）：53-56.

[2]张善燕.工业机器人键盘薄膜叠加冲压生产线技术设计[J].中国培训，2018（10）：42-43.

[3]刘悦，孙泽新.吸尘器手柄装配自动化生产线机械手的设计与仿真[J].机械研究与应用，2017，30（02）：22-24.

[4]梁健文，林彩麟，李仕奇.冲压机械手的模块化技术研究与应用[J].机电工程技术，2016，45（12）：58-61.