德國(guó)全自動(dòng)壓機(jī)線的金屬零件傳輸主要依靠自主開發(fā)的高速傳輸機(jī)械手Speedbar 來完成，而最近幾年，瑞士的Gudel 自動(dòng)化裝備開始陸續(xù)出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的壓機(jī)線上，Gudel 自動(dòng)化裝備的更輕量化和更高程度的自動(dòng)化，滿足了用戶的不同需求，并以更高的傳輸效率，在國(guó)內(nèi)的壓機(jī)線上推廣，獲得更多汽車廠商的青睞。

隨著汽車合資品牌不斷進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，汽車的制造成本是各大汽車廠商比較關(guān)注的課題，如何能大幅度的降低汽車成本？沖壓設(shè)備是整個(gè)制造環(huán)節(jié)中，耗資較大的一環(huán)，伴隨著產(chǎn)量的不斷提升，各大汽車廠商多數(shù)選擇德國(guó)的壓機(jī)線，以保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性，因此需要付出更高的成本代價(jià)。瑞士的Gudel自動(dòng)化裝備結(jié)合著國(guó)產(chǎn)的JIER品牌壓機(jī)，以更高的性價(jià)比打造出全新的自動(dòng)化生產(chǎn)線，同樣滿足了各大廠商高效率的生產(chǎn)訴求，同時(shí)降低了沖壓設(shè)備方面的投資成本。

沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線GUDEL 裝備框架

圖1 全自動(dòng)壓機(jī)線Gudel 自動(dòng)化裝備分布圖

自動(dòng)化沖壓線主要分為三部分，線首的拆垛系統(tǒng)，壓機(jī)間的板材傳輸系統(tǒng)，線尾的成品件輸送系統(tǒng)(圖1)。三個(gè)部分Gudel 采用最簡(jiǎn)潔的布局方式，并跟JIER 壓機(jī)緊密配合，可實(shí)現(xiàn)整線15 ～18 次/分的高速行程。同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化部分的端拾器全自動(dòng)更換，整線換模時(shí)間最快3 分30 秒。所有的自動(dòng)化控制裝置采用目前最先進(jìn)的Beckhoff 軟PLC 控制系統(tǒng)，同時(shí)采用PSS3000 安全控制系統(tǒng)，保障安全控制的穩(wěn)定性。

GUDEL 自動(dòng)化裝備的功能介紹

全自動(dòng)磁力分張器

金屬板材在進(jìn)行拆垛前，要進(jìn)行磁性分張，目的是防止單次拆垛出現(xiàn)抓取兩張以上的板材，Gudel 采用全自動(dòng)的磁力分張器(圖2)，一側(cè)的拆垛單元有20 個(gè)磁力分張器，分張器內(nèi)置有高強(qiáng)度磁鐵，在氣動(dòng)活塞的作用下，自動(dòng)的通磁與斷磁，這種結(jié)構(gòu)在每次板材的節(jié)拍提升時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)有效的邏輯控制，不與板材發(fā)生干涉。同時(shí)這20 個(gè)分張器對(duì)置分布，可以實(shí)現(xiàn)多種板材尺寸的有效分張。

圖2 全自動(dòng)磁力分張器

分張器的控制系統(tǒng)采用Rexroth 的驅(qū)動(dòng)單元，并配備了Rexroth 的同步伺服電機(jī)，在位置環(huán)的精確控制下，高精度的貼合在板材表面，實(shí)現(xiàn)有效的分層，分張器的磁頭部分，分布安裝有碰撞傳感器，一旦出現(xiàn)分張器和板材發(fā)生干涉碰撞，會(huì)及時(shí)的向系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，防止出現(xiàn)碰撞損壞。并且，為了實(shí)現(xiàn)鋁板材的生產(chǎn)，在分張器的兩側(cè)裝配了分層氣嘴，以實(shí)現(xiàn)鋁板材的有效分張。

線首拆垛機(jī)械手

圖3 線首拆垛機(jī)械手

與德國(guó)壓機(jī)線的拆垛機(jī)器人不同，Gudel 在板材的拆垛上采用自己研發(fā)的Gantry 拆垛機(jī)械手(圖3)，機(jī)械手有以下特點(diǎn)。

(1)拆垛效率高。

只有X/Z 兩個(gè)維度的運(yùn)行軌跡，相比較機(jī)器人，可以有效的避免多軸的聯(lián)合運(yùn)行，快速運(yùn)行到板材上方，進(jìn)行拆垛。

(2)控制系統(tǒng)精確。

采用Beckhoff 的控制系統(tǒng)，利用TwinCAT NC的高速精確控制，同時(shí)采用Rexroth 的高版本驅(qū)動(dòng)控制器，搭配Rexroth 的高精度同步伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)每2ms 的掃描周期，確保目標(biāo)位置的精確度。

(3)機(jī)械手端拾器更換便捷。

為了提升換模效率，Gudel 設(shè)計(jì)了自動(dòng)更換機(jī)械手端拾器系統(tǒng)，即每次在更換生產(chǎn)產(chǎn)品的端拾器時(shí)，只需要提前將端拾器安裝在備用橫桿上，在換模時(shí)，機(jī)械手就可以自動(dòng)運(yùn)行到備用橫桿上方，并通過氣動(dòng)耦合盤實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的更換端拾器。

(4)機(jī)械結(jié)構(gòu)輕量化，材料的耐磨性高。

進(jìn)給動(dòng)作由2 臺(tái)同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)，左右兩側(cè)各分布1 臺(tái)，同樣電機(jī)采用循環(huán)水冷系統(tǒng)，通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)橫桿在模具之間運(yùn)行，運(yùn)行最大長(zhǎng)度為5800mm。進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢查電機(jī)編碼器的數(shù)值與穿梭裝置上外置編碼器的數(shù)值，防止因傳動(dòng)系統(tǒng)的失效，導(dǎo)致執(zhí)行端動(dòng)力缺失，而引起的橫桿偏差過大。進(jìn)給齒條上采用間歇性潤(rùn)滑系統(tǒng)，機(jī)械手每運(yùn)行800 個(gè)行程，會(huì)啟動(dòng)潤(rùn)滑泵，保證傳動(dòng)系統(tǒng)的有效潤(rùn)滑。

同時(shí)，在機(jī)械手上安裝了靜態(tài)的雙料檢測(cè)系統(tǒng)，每次抓取到板材后，都會(huì)實(shí)時(shí)的檢查板材的厚度狀態(tài)，如果出現(xiàn)雙張板材，機(jī)械手不會(huì)直接將板材放下，它會(huì)按照程序的設(shè)定，將板材放回原料垛，并進(jìn)行再次的分張和抓取，進(jìn)行三次的抓取如果仍不能成功的抓取單張板材，拆垛單元會(huì)觸發(fā)停機(jī)，進(jìn)行人工干預(yù)。

圖像識(shí)別，光學(xué)對(duì)中系統(tǒng)

采用Gudel 自己研發(fā)的齒條和減速器，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊且輕量化，并且材料經(jīng)過特殊處理，耐磨性高，且系統(tǒng)噪聲小。

圖4 德國(guó)Tichawa 線性攝像頭

成像后的對(duì)中功能，Gudel 采用動(dòng)作更迅速的對(duì)中臺(tái)，融合著皮帶傳輸功能，直接實(shí)現(xiàn)X(垂直物流運(yùn)動(dòng))、Y(物流方向運(yùn)動(dòng))、C(旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))三個(gè)維度的矯正功能，在收到矯正坐標(biāo)后，迅速的做出矯正動(dòng)作，如圖5 所示。

圖5 攝像頭與對(duì)中臺(tái)控制系統(tǒng)邏輯框架

板材經(jīng)過傳輸皮帶B 到傳輸皮帶C 上的過程中，攝像頭A 根據(jù)成像啟動(dòng)信號(hào)，對(duì)經(jīng)過的板材進(jìn)行圖像拍攝，經(jīng)過總線E 將圖像信息傳輸回?cái)z像頭的工控服務(wù)器，工控服務(wù)器通過實(shí)時(shí)以太網(wǎng)G，將需要矯正的空間坐標(biāo)傳輸給拆垛站的工控服務(wù)器，拆垛站的工控服務(wù)器經(jīng)過Sercos 光纜環(huán)將目標(biāo)位置傳輸給對(duì)中臺(tái)的驅(qū)動(dòng)控制器，驅(qū)動(dòng)控制器控制各軸的電機(jī)D，將板材矯正到標(biāo)準(zhǔn)的待抓取位置，同時(shí)將矯正信息通過總線F 傳輸給攝像頭的集成操作界面，實(shí)時(shí)顯示矯正的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

雙臂高速傳輸機(jī)械手

雙臂高速傳輸機(jī)械手(圖6)，橫桿采用輕量化的碳纖維材料，在保證了硬度的前提下，大幅度的降低了整體機(jī)械手的重量。機(jī)械手共由10 個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用Rexroth 高端產(chǎn)品HMS 系列，搭配Beckhoff CP 系列的高端上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的高速精確控制，確保了整體傳輸?shù)木取C(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)舉升，進(jìn)給、橫移、旋轉(zhuǎn)、傾斜5 個(gè)動(dòng)作，更靈活的適應(yīng)模具的多種形態(tài)，并基于實(shí)時(shí)的監(jiān)控壓機(jī)運(yùn)行角度，通過flying saw(飛鋸)功能，和壓機(jī)實(shí)現(xiàn)完美的耦合，避免和壓機(jī)的碰撞，完成零件的傳輸工作。

圖6 雙臂高速傳輸機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

(1)舉升動(dòng)作。

舉升動(dòng)作由4 臺(tái)同步伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)，左右兩側(cè)各分布2 臺(tái)，電機(jī)采用循環(huán)水冷系統(tǒng)，消除了傳統(tǒng)風(fēng)冷帶來的后期維護(hù)成本，動(dòng)力傳輸機(jī)構(gòu)采用螺旋絲杠直接帶動(dòng)橫桿的大臂實(shí)現(xiàn)上升和下降，兩側(cè)的電機(jī)通過Beckhoff 做了精準(zhǔn)的耦合運(yùn)行，保證兩側(cè)電機(jī)運(yùn)行的一致性。舉升可實(shí)現(xiàn)0 ～430mm 的升降行程，保證橫桿在模具中的通過性。

(2)進(jìn)給動(dòng)作。

Gudel 自動(dòng)化系統(tǒng)中采用德國(guó)Tichawa 線性光學(xué)攝像頭(圖4)，垂直物流方向倒置安裝2 個(gè)攝像頭，同時(shí)具備了單料和雙料的生產(chǎn)能力。攝像頭倒置安裝可以有效的避免在傳輸過程中對(duì)攝像頭的污染，并且可以不受外部光照的影響，穩(wěn)定成像。集成的操作界面可以便捷的對(duì)攝像頭成像參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并且可以在進(jìn)行雙料單側(cè)生產(chǎn)時(shí)，快速啟動(dòng)生產(chǎn)。

(3)橫移動(dòng)作。

為保證機(jī)械手輕量化，機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)非常緊湊，在狹小的空間里，獨(dú)具匠心的設(shè)計(jì)出了橫移電機(jī)的安裝位置，通過橫移電機(jī)帶動(dòng)絲杠，可以實(shí)現(xiàn)端拾器在模具中有±160mm 的運(yùn)動(dòng)區(qū)間，這就在一些有孔的零件傳輸中，可以通過橫移動(dòng)作的修正，實(shí)現(xiàn)完美的貼合。因?yàn)闄C(jī)械手要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更換橫桿，而在更換之后，橫移電機(jī)的絕對(duì)位置會(huì)丟失，因此，Gudel設(shè)計(jì)了自動(dòng)示教零點(diǎn)的功能，在每次更換完橫桿之后，利用橫移機(jī)構(gòu)的碰撞力矩，自動(dòng)的找到橫移機(jī)構(gòu)的零點(diǎn)，保障位置的精確性，也避免了人工進(jìn)行操作，大大提升了換模效率。

(4)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。

在穿梭裝置上，左右各安裝了一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，通過齒輪傳動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)±45°的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，在一些模具表面較復(fù)雜的工況下，通過橫桿的旋轉(zhuǎn)，有效的避開干涉點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)零件的傳輸。

(5)傾斜動(dòng)作。

有一些模具，內(nèi)部表面左右不對(duì)稱，在放零件時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)橫桿的傾斜才能順利完成動(dòng)作。傾斜動(dòng)作沒有裝備單獨(dú)的控制電機(jī)，而是通過左右兩側(cè)舉升電機(jī)的非同步控制，實(shí)現(xiàn)橫桿±15°的傾斜。

線尾出料裝置

對(duì)比德國(guó)沖壓線，最后一序的雙臂高速機(jī)械手，直接將成形的零件放置在出料傳輸皮帶上，這樣零件在皮帶上的位置，就受限于到機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)和橫移的動(dòng)作量，因此會(huì)出現(xiàn)零件距離生產(chǎn)擺件人員過大，造成不符合人機(jī)工程。而Gudel 采用的方案是，在線尾單獨(dú)增加一組全自動(dòng)化零件傳輸裝置(圖7)，最后一序機(jī)械手會(huì)將零件放在穿梭裝置Shuttle上，Shuttle運(yùn)載著零件，運(yùn)行到線尾機(jī)械手的下方，機(jī)械手抓取零件后，可以實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，以將零件放置在最適合生產(chǎn)人員拾取的位置。同樣，這套自動(dòng)化裝置可以根據(jù)生產(chǎn)零件的不同，全自動(dòng)更換端拾器，提升換模效率。

圖7 線尾出料裝置

人機(jī)界面HMI

圖8 人機(jī)界面HMI

人機(jī)界面(圖8)采用全系觸摸屏，并通過CPLink3(圖9)進(jìn)行分屏數(shù)據(jù)的傳輸，方便設(shè)備操作人員使用。人機(jī)界面包括板材成形狀態(tài)、數(shù)據(jù)管理、故障診斷、用戶和服務(wù)等集成化功能，設(shè)備維護(hù)人員通過人機(jī)界面可以便捷地進(jìn)行操作的處理和生產(chǎn)信息的查看，并根據(jù)生產(chǎn)要求進(jìn)行必要的操作。

結(jié)束語

本文通過詳細(xì)的功能介紹，講述了瑞士Gudel 自動(dòng)化裝備在全自動(dòng)沖壓線的解決方案，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，Gudel 也在不斷的進(jìn)行功能的優(yōu)化與迭代，面對(duì)新的市場(chǎng)環(huán)境，降成本將成為永恒的話題，價(jià)格合理，性能優(yōu)越，維護(hù)方便的自動(dòng)化設(shè)備，將是各大汽車廠商永恒的追求，伴隨著各大車企的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，自動(dòng)化設(shè)備的維護(hù)方式也將出現(xiàn)天翻地覆的變化，目前Gudel自動(dòng)化設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用在全國(guó)主流的汽車廠商，也給自動(dòng)化行業(yè)帶來新的思考與挑戰(zhàn)。

圖9 CP-Link3 分屏顯示