工业机器人在冲压应用中的效率优化

刘永安

（广州数控设备有限公司，广东 广州 510530）

在冲压领域，目前我国仍然是高密集的人力劳动，自动化程度低，工作环境恶劣。由于在冲压生产中，高噪音的工作环境、高度重复单调的工序以及高节拍要求三个因素，易使工作人员疲劳进而经常导致工伤事故发生。推进工业机器人在冲压生产的应用，不仅把劳动人员从危险恶劣、单调重复地工作环境中解放出来，同时大大提高冲压产品的产量、稳定性及一致性，进一步提高工业自动化水平的重要一环。目前，在冲压应用中对于大负载、拉深等应用，对节拍要求不高的场合已大范围应用工业机器人实现机器换人。为了进一步攻克冲压作业中节拍效率要求高的问题，更全面地把人从危险低附加值的工作中解放出来，从各环节提高工业机器人的作业效率，显得异常重要。。

1 冲压应用中工业机器人的种类选择对作业效率的影响

在整条冲压自动化线中，冲压各环节所使用的工业机器人，应该有针对性地做出选择，因为这将直接影响冲压作业的效率，下面就几种典型结构的工业机器人在冲压上的应用作简单的介绍。并联机器人比较适合高精度、高刚度以及大的载荷同时要求的工作空间并不大的场合。在冲压上应用，可以使用在物料的分拣等来料上料环节。冲压中一般有多工序组成，不同工序间压力机紧密配合。在移载环节，可选择的工业机器人包括6 轴关节式搬运机器人，4 轴关节式搬运机器人以及摆臂机械人。假如对自由度要求高，例如工序中有对工件作翻转再进行作业的要求，或者当工件因为翻转，相对地面需要倾斜，应选择6 轴关节式搬运机器人；而对刚性要求低、冲压工件部署单调重复、不经常更换工件的小件冲压应用，可以选择低成本的摆臂机器人；目前在移载工序中，由于兼具高刚性、高速度以及关节又不失灵活的特点，应用最多的是4 轴关节式搬运机器人。在冲压自动线的末端，下料堆垛等可选择使用码垛机器人，效率高，成本又比多自由度的机器人较低。

下面就冲压应用中使用最广的4 轴关节式机器人作较细化的介绍。机构上，4 轴关节式机器人有与码垛机器人相通之处，有两副平行四杆机构，用以保证机器人末端与地面水平，节省传统机器人的两个轴联动才实现末端水平。这种机器人在设计之初，就为了大概率适应冲压应用，故其1 轴旋转速度与4 轴旋转速度很高；同时，由于关节采用了RV 结构减速机，保证了高刚性及易于装配。在冲压自动化生产线的各环节，选择正确合适的工业机器人种类，将大大节省成本，提高冲压作业效率。

2 冲压应用中工业机器人的方案布局对作业效率的影响

影响冲压作业的效率的又一大因素，是工业机器人的方案布局。图1 为典型的工业机器人冲压应用方案布局示意图，方案中机器人作业区域有安全围栏，使用多台工业机器人协作完成冲压自动化。在选择正确的工业机器人种类后，接下来重要的就是如何布置工业机器人之间的相对位置。应按以下原则来安排。

图1 典型工业机器人冲压应用布局方案

首先，在安装固定机器人到地面时，设置机器人与地面的高度，应结合工业机器人的工作范围、臂展等考虑，在满足工况的前提下，让机器人在“舒服”的位置工作，减少不必要的考验机器人串联结构刚性的机会，这也将大大地节能及增长机器人的使用寿命。其次，整个冲压方案中，尽可能在各环节中，让单台工业机器人应付多台压力机或多个工序操作。这样的好处是，可以提高工业机器人的在线使用率，同时减少了不必要的机器人等待时间。然后，在多台工业机器人协作的方案中，应充分考虑合理布置机器人与机器人之间的间隙，或者机器人与压力机之间的距离，以免增加机器人多余的避让动作轨迹，以提高冲压作业效率。最后，工业机器人的方案布局，针对压力机要常更换模具的应用场合，应留够更换操作空间或设置相应的机器人移动机构，减少更换模具时间以提高作业效率。

3 冲压应用中工业机器人的工装夹具对作业效率的影响

和人类的手操作不同的是，联系工业机器人与工件的桥梁，就是工装夹具。在上料、移载、下料等环节，合理设计工装夹具，将大大提高工业机器人的作业效率。没有与工业机器人直连的有上料料盘、分拣输运、工件翻转、工件检测等工装。安装在机器人末端的是夹具，在常用的冲压应用中，有吸盘类夹具以及抓手类夹具。由于两者使用大量气动元器件如真空发生器、气缸等，工厂应保证气源供应的稳定。同时，应根据工件及工序的特点设计合适的工装，以避免发生低效率的机器人取放工件，导致节拍时间变长。再者，实现同样功能的工装夹具，应优化其机构的设计，用优化的机械结构来达到减少执行器气缸个数，或气缸动作的次数，这将节省时间和能源，提高冲压的作业效率。对于不同工序间，有工件翻转要求的场合，应仿真衡量设置单独的翻转工装，还是直接选用多轴机器人直接实现翻转。以较经济的方式做设计，并以提高效率为目标。

4 冲压应用中工业机器人的电气控制对作业效率的影响

工业机器人的控制系统在整个冲压应用中尤为重要，它主导着工业机器人的任务分配和程序执行，同时接收各环节各种传感器反馈信号。关于电气控制中需注意的事项有以下几点。第一，选择兼容的通讯方式，根据各类信号，设计以安全为前提的动作逻辑，尽量让机器人不作多余的等待，可以显著提高效率节拍。第二，根据工业机器人的工位以及取放点，应设计优化的工业机器人动作轨迹路线，避免多余的避障点或路线增加机器人的动作时间。第三，应尽量选用有内置PLC 功能的工业机器人供应商，内置PLC 功能将允许机器人多线程同步处理各类信号，无需增加与外置PLC 通讯的时间，大大提高程序执行效率。第四，应选用有友好人机界面的工业机器人供应商，由于冲压工人需经过培训才能顺利使用工业机器人进行示教应用，所以越简洁易操作的人机界面，设计出来的程序越能反映出冲压工人优化的工艺思想。第五，整个方案应设置安全栅栏及应急预案，以便在发生工业机器人故障时，维修人员操作的时间不影响正常的冲压生产。

5 结语

本文从工业机器人种类选择、方案布局、工装夹具以及电气控制多方面，阐述了冲压应用中，影响工业机器人效率及节拍的多种原因，并提出了众多可操作或参考的技术细节。随着工业机器人在冲压领域的应用不断深入，将大大缓解冲压生产中工伤的问题，加速工业自动化的进程。