机器人冲压生产线节拍仿真评估研究

机器人冲压生产线节拍仿真评估研究

裴磊

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山东唐骏欧铃汽车制造有限公司

摘要：冲压生产线一般是指两台或两台以上压力机串联组成的生产线。对于汽车主机厂而言，冲压生产线一般包含四台或五台压力机+相应自动化搬运设备组成。冲压生产线一般包含垛料台车、拆垛设备、输送设备、搬运设备、压力机、压机间搬运设备、下料设备、成型料输送设备等组成，以实现整线自动化生产的目的。

关键词：冲压线；机器人；仿真评估

引言

为解决招工难、用工贵等问题，制造业企业逐渐开始转型升级。对于冲压行业，企业基数大，中小型企业占比高，大部分企业还采用人工手动上下料的生产模式，这种方式效率低、精度不高，且环境较差，易对人体造成损伤。为此使用机器人代替人工作业，实现产业自动化升级，是中小型冲压加工企业智能化改造的必经之路。

1智能制造时代的意义

智能制造时代，是结合现代科学技术的发展，将5G通信技术、工业4.0技术、人工AI技术、电子计算机技术、物联网技术、云技术、大数据等一系列技术进行融合和创新。一方面，能够将传统制造领域的设计和产业进行优化和升级，能够最大程度降低人工的参与和影响，同时还能够实现产能和产品质量的提升；另一方面，结合多种创新技术，实现智能化机械设计、机械制造等技术目标，能够借助人工AI，对机械产业链进行系统化的分析、设计、制造、加工等一系列流程，提升产业的技术特性和发展潜力，能够利用智能AI系统替代传统人工模式，实现机械制造领域发展的革新和蜕变。以机械人为例，现代机械人产业能够产生对创新自主意识的思维和想法，能够满足社会多种领域的服务需求，能够最大程度提升产品的智能化水平，能够借助时代的发展进行革新和升级。

2机器人冲压生产线仿真评估

2.1机器人轨迹规划

机器人轨迹规划的基本思路如图1所示，采用特殊点标准设置方法，其中0点为机器人安装位置或长时间静置时的HOME位置。正常循环启动时，机器人由0位走到1位，在1位形成此套模具的HOME位；当前一序压力机完成一次冲压，打开一定安全距离后，机器人携带端拾器进入前一序压力机模区的2号点；其中2号点到3号点是竖直下降的过程，这主要是为了机器人携带的端拾器可以更好地与板料贴合，并躲避下模的干涉点；到达3号点时，真空发生器动作，端拾器吸盘建立真空，完成端拾器对于板料的吸附；然后执行3号点到4号点，此区间内，机器人保持竖直方向动作，这是为避免在板料脱离模腔过程中，与下模产生干涉；之后执行4号点到5号点的动作，后序动作与前述相似，不作详细介绍。压力机每完成一次冲压，机器人执行一次抓料、放料动作，依次循环往复。

图1端拾器中心运动轨迹

2.2机器人逆运动学

对于冲压上下料机器人，正运动学具有唯一解，但逆解会存在多解情况，具有不确定性，需根据具体情况和关节限制确定最终解。逆运动学求解方法包括数值解和封闭解，数值解求出的角度通常为特解，并不能得到所有解，封闭解解法可以给出关节角的具体表达形式，得到的解精度较高，能够得到所有解。冲压上下料机器人结构满足Ｐｉｅｐｅｒ准则，所以一定存在封闭解。冲压上下料机器人末端姿态始终竖直向下，且末端坐标系相对于基座坐标系只绕Ｚ轴旋转，根据以上分析可对机器人逆运动学求解。

2.3机器人断续冲压生产线SOP仿真

在进行冲压线整线SOP时序仿真之前，需要对各序压力机动作、各序机器人动作进行关键点Mark，具体步骤介绍如下。压力机动作关键点Mark，如前述介绍，压力机在整个冲压过程中，需要与机器人配合，而压力机滑块在整个行程过程中，仅有两个点与机器人有关，即开口高度、闭合高度，上/下死点是其自身参数，在实际生产中，打开高度是压力机发出信号，告知机器人进行动作，而闭合高度时，是作为安全距离监测用，故在压力机仿真时，仅需考虑三个关键点即可。机器人动作关键点Mark，如前述介绍，机器人动作是由七个关键点组成，需要将各序模具对应的成形板料Attach到对应端拾器之上，以实际成形板料与模具的对应关系，进行机器人仿真关键点定义，并生成各序机器人的路径。

2.4运用神经网络实现计算和存储数据

机械设计制造及其自动化中，人工智能技术最典型的运用案例当属神经网络系统。而所谓的神经网络系统，也便是基于对人类神经系统的模仿而建立的电子信息系统。当然，相较于人类神经，神经网络系统不仅有着庞大的存储量，同时能确保所存储数据的精准性。与此同时，神经系统还具有强大的计算功能，可帮助机械制造行业计算生产过程中产生的庞大数据并确保计算结果的精准。以此在保证产品的生产质量同时也能维护机械制造业的稳定发展。

2.5冲压车间虚实融合互动

依托数字孪生技术，可以对冲压车间实体厂房、冲压线等重点工艺设备、生产信息进行1:1数字化建模，在虚拟的数字冲压车间中通过车间数据监测物理实体的状态，实现冲压车间生产过程实时动态映射，同时在虚拟空间中通过虚拟生产的方式来模拟真实生产过程，综合分析生产效率和改善措施，并且可以通过数字孪生系统对冲压车间的真实物理实体进行操作和管理，形成虚实空间的交互联动。通过VR技术可以在数字孪生空间感受真实的冲压生产。

3结论

冲压车间设备和生产的可视化分析能力数字孪生通过数据库共享或者OPCServer方式访问和获取冲压车间现场数据及信号，并将获取的数据及信号推送到数字孪生冲压车间三维场景中。在冲压车间数字化虚拟场景中将物料配送、库存管理、冲压件生产、信息上报等关键环节进行可视化，并模拟真实产生环境对现场摄像、安全生产、物料运输等区域进行全面监控，时刻掌控车间生产、运输状况，全方位监管冲压车间生产运行情况，通过大数据图表的方式统计展示采集的车间信息。冲压车间数字孪生可以实时刷新数据，并进行趋势分析，同时通过规则引擎发送实时报警数据，实现冲压生产设备、冲压物料存储、冲压生产指标数据的三维可视化，更有效支撑车间生产进度的调节，合理资源的调配、生产质量的监控等。

结束语

我国多工位精密冲压模具制造技术现已经逐渐成熟，但是有极少数相关方面还有待提升，要有机结合国外先进技术让我国多工位精密冲压模具得到发展，为该行业经济发展作出贡献。多工位精密冲压模具的应用，能够有效提升加工生产的效率与精度，满足不同客户的个性化要求，促进企业经济效益的提升。但是，随着科学技术的不断发展，对于多工位精密冲压模具的制造技术提出了更高的要求，只有不断改进其生产制造工艺与流程，促进设计与加工人员专业素养的提升，才能保障多工位精密冲压模具的质量。与此同时，多工位精密冲压模具在社会各生产领域得到广泛应用，加强人才培养与技术突破，是增强其发展活力的关键。

参考文献

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