工业机器人的改造及应用 --------薄板车间冲压自动线改造

摘要：解放公司自动化生产线的工业机器人在生产实际中起了很大的作用。因J6卡车投产又需要新增加一批端拾器，同时现有机器人在使用过程中也存在很大的问题。为了提升产品质量同时解决现有问题我们对机器人进行了技术改造。本文详细介绍了工业机器人改造的起因、过程以及最终结果。从结构上对现有机器人提出质疑，从原理上对机器人使用过程中出现的问题进行分析并提出多种解决办法，最终给出最佳答案。对现场实施过程进行了详细描述，把遇到的问题、问题原因以及问题的解决办法都进行了详细说明。在文末，对此次改造进行了总结，提出了国外的先进设计案例、对端拾器的调试经验作了提炼，提出了自己独特的观点，值得推广和学习。

关键词：机器人 适配器 改造

0 前言

自从20世纪60年代初，人类创造了第一台工业机器人以后，机器人就显示出它极大的生命力！在短短40多年的时间中，机器人技术得到了迅速的发展，工业机器人已在工业发达国家的机械生产中得到了广泛的应用。目前，在我国，工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造行业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品加工工业、木材与家具制造业等领域中。第一汽车集团公司也在2001年引进了一条自动化冲压生产线。冲压自动线的使用不但提高了产品质量（返修率减小约50％）和生产效能（由平均班产800～900件提高到1200～1300件），而且大大减轻了工人的劳动强度。也就是说冲压自动线的使用，就是把科技成果直接转化为现实生产力的典型案例，这也完美体现了科技是第一生产力。

1 项目确定

企业要发展，就要注入新鲜的活力，就要有不断更新换代的产品。

作为卡车行业的龙头老大，解放公司一直步步领先，时刻有旗帜得觉悟，解放公司在为中国的汽车行业不断的努力，产品顺应时代的需要，坚持以人为本的设计生产思路。解放J6换代车就是解放公司针对当今的社会发展而自主研发的一个新成果。解放J6卡车把标准定义为国内最好的卡车，这个“好”的含义是丰满的，质量要好，外形要好，性能要好，工艺要好……，质量要好当然是重中之重。这就对卡车的冲压件提出了一个既基础又严格的要求，奥迪特标准更是要达到接近于高级轿车的2.5。为了实现这个目标，所有的外表面件的质量就成为重中之重。而卡车的表面件大都是形状很大质量很重的，这就在手工生产中很难保证不发生磕碰变形的工作误差，由此，就需要对一开间自动线进行改造，使之适应J6换代车表面件的生产要求。

因为冲压线是原有的一系列完整冲压线，所以本次J6换代车新增的35种冲压件只需重新购买35套端拾器，即可搭配原有的冲压线工作。项目确定下来后，我们对冲压自动线做了全面仔细的考察和分析。五年的使用过程中，使我们的生产车间对机器人的使用及维修保养技术上都积累了很丰富的工作经验。因此在改造工作上我们也有很大的把握，充满了必胜的信心。但是通过我们与使用车间的交流中也发现自动线在实际生产中还存在一定的不合理问题。综合考察结果以及J6换代车项目需要，我们制定了这次工作项目的重点，针对本次项目定义为新增与改造并行。

7462 方案确定

2.1 现状分析

在交流过程中集中体现的有以下几个与机器人相关的问题：

1、

机器人适配器与端拾器的连接不稳定；

2、

机器人抓大件时会出现抖动现象；

3、

端拾器每次生产前都要调整；

针对上述几个问题我们分别作了针对性的跟踪调查，并对问题点进行了详细的分析：

1、

适配器与端拾器的连接问题。

机器人在运行一段时间后经常出现放件放偏的情况。出现这种现象如果发现不及时，就会把制件压坏甚至会把模具压坏，因此对生产节拍以及产品质量会都有着很严重的影响。通过对现场的仔细观察，并且对出现问题的部位进行拆卸分析，我们发现得出结论：导致出现这种放件放偏的情况现象发生的根本原因就是，机器人与端拾器的连接方式存在问题。

定位销机器人手臂与端拾器的连接示意图弹簧保护器过渡件适配器端拾器气缸锁紧球

上图是机器人手臂与端拾器连接的结构示意图。机器人手臂下方装有弹簧保护器，使机器人的手臂与端拾器的连接形式为柔性连接。弹簧保护器与适配器连接通过一个过渡块。适配器内部装有顶出气缸，在气缸外部有一圈钢珠。当顶出气缸工作到下极限位置时，钢珠就被顶出。而端拾器与适配器的连接头相应部位有一个环形槽，这时钢珠恰好进入其中，此时实现Z方向（垂直方向）锁紧。当需要拆卸时，气缸返回到初始位置，这时钢球由于没有支撑而退回到适配器内部，端拾器即可与机器人手臂分离。而X、Y方向（水平面）的自由度则依靠两个销子来限制。

自动化生产线当然不可能只生产一种零件，每种冲压件形状都是不一样的。这样就要求每种冲压件都有自己的端拾器，而每次生产就都要对端拾器进行更换。但是在长期的工作，频繁的更换后，自然销子与销孔的间隙就会变大，进而造成适配器与端拾器出现相对位移。端拾器主臂长度大都在1500mm，如果连接处偏转一个很小的角度，轴端就会出现一个很大的位置偏差。如图所示，连接触偏差一度，轴端就出现了26.18mm的偏差。

而对于冲压生产方式来说，对于每道工序都要有严格的定位要求和标准。尤其是在自动化生产线上，不会给你放偏后再手动找正的机会，因为这样的工作是相当危险的。因此，这个项目首先要解决的就是这个问题。

7472、

机器人抓大件时会出现抖动。这个问题只是针对双动拉延后的冲压件而言。对于双动拉延，拉延工序的冲压方向与后续修边、冲孔、整形等工序的冲压方向是完全相反的。这就要求冲压件在工序一与工序二之间有一个翻转动作。而这个翻转动作就要求机器人手臂承受一个转矩。这样，冲压件的质量越大，手臂的晃动就越大。而后序机器人抓件时前一个机器人还在晃动，就自然会影响本次抓取的位置。进而影响到放件位置乃至影响整个冲压件的质量。这个问题是一个连环的问题，第一步没弄好就会一步步的错下去，一直错误的影响下来，最后导致整个冲压件的质量。

3、

现在端拾器每次在生产前都要进行调整，这是比较反常的一个现象。在正常的工作情况下，端拾器一旦调试完成，其支撑杆以及吸盘位置都是确定的，是不需要调整的。针对这种现象我们进行了跟踪调查，最终得出的结果是存放问题。端拾器上面的支撑臂的大小取决于冲压件的形状，大部分端拾器的宽度都要超出存放小车。而存放小车大都是摆放在一起的，这时就难免出现磕碰现象，因此就造成了端拾器每次在生产前都要进行调整的现象。这个现象也是我们要考虑解决的问题点之一。

2.2方案提出及可行性分析

针对上述问题及原因我们的专家做了多次研讨。讨论得出的意见主要有两种。

一种是以原有的为主，通过改造来解决问题。

改造点就是问题发生点。

针对上面所说的定位销，我们做出了多种改造方案。

方案一：增加销子数量，并改变销子材料；

方案二：将定位销外移并且变大；

方案三：在外部采用定位块结构；

这些方案主要考虑到了现有结构的缺陷，比较有针对性的提出解决办法。增加数量、增大直径都能够增大定位销的强度，最大限度的避免销子断裂的出现。改变材料则可以直接从根本上改变，从而提高材料的硬度以及耐磨性。第三种方案则是废弃定位销而改用定位块，利用大面定位来代替小面定位。接触面积的增加也同时会增大定位的可靠性，并且在块与本体的连接出还可以设计调整垫片，在接触面磨损后可以进行微调，可以在不更换制件的前提下保证生产的顺利进行。

另一种意见则是摒弃原来的问题产品，通过产品替代来消除问题。

这种端拾器是当前比较流行的产品。我们在一汽大众考察时看到了这种产品。这种产品的结构虽然比较简单，完全是管件之间的连接。调整方式只有一个主管法向旋转，但是连接强度比较好。并且这个产748品所用的吸盘吸附力也比较大，很好的保证了抓件的稳定性。

2.3、方案最终确定

这个项目就是因为解放J6换代卡车而上的，这个项目的结果直接关系到解放J6换代卡车的质量问题，也可以说直接关系到以后的十年内的员工的饭碗问题。这个项目不但要做好，而且要做到更好！

改造方案的设计思想没有问题，从理论数据上来说也没有问题。但是改造毕竟是改造，它是对于未知世界的一个摸索。对于第一种意见，虽然大家有了充分地研究调查和理论分析，但是对于改造后问题的解决程度能不能达到百分之百，谁心里都没有十足的把握，改造有没有遗留问题在大家心里也没有肯定。这个不确定因素就直接决定了此方案的可操作性。

而第二种就很好，把有问题的部分去掉，没有问题的部分保留，换上没有问题的产品。这种一切择优录取的方法似乎很好，这种做法可以达到万无一失，并且在考察期间我们都实地观看了这种需要更换产品在实际生产中的表现。

综合以上因素的分析论证，我们把第二种意见确定为最终方案。

3 现场实施

3.1 适配器改造

首先进行的是适配器改造。机器人工作是搬运方式，即将制件由A平移到B。自动线的第一台压力机是双动压力机。对于冲压件而言，双动压力机的拉延方向与后续单动压力机的冲压方向是相反的。这就要求前两个机器人必须要通过平面对接来实现制件的翻转。这样R1/R2机器人的端拾器要与机器人手臂在一条直线上，而R3/R4/R5/R6四个机器人则要求端拾器与机器人手臂成90度角。为了实现适配器的连接与角度转变，我们针对此设计了两种过渡件。第一种是直连接过渡法兰，一端与机器人连接，另一端与适配器连接。第二种是直角过渡支架，利用两个成90度角的面来分别连接机器人与端拾器。

其次将原有的适配器以及过渡件拆除，对过渡件的装配孔及定位销孔进行三坐标测绘。经过一系列加工制造过程，第一步端拾器结构改造已经完成。

3.2 气源改造

原有的端拾器主臂为铝合金制造的方管。其内部具有四条气道，侧面开有螺纹孔并用丝堵进行密封。而新的端拾器则采用的是管式结构，压缩空气只能用明管进行输送。并且原有适配器连接有四根气管，而新端拾器只需要两根气管就够了，在成本上也节约了两根气管，并且最终效果是一样的。需要进行重新设计的有两部分：分别是机器人与适配器的气路连接和适配器与端拾器的气路连接。机器人与适配器的气源连接是通过一个过渡板，将过渡板的出口堵上，现在保留两个气源孔使之与适配器连接。在适配器过渡件上也设计有一个过渡板，压缩空气通过过渡件传送到端拾器中，从实现起源输送。

3.3 电器改造

原有的适配器设计有自动锁紧装置。这套装置的锁紧和松开都有电气控制回路，还有控制锁紧后的反馈信号的安全回路。机器人在运动过程中要时刻保证安全信号的畅通。如果没有安全反馈信号，机器人就会认为当前状态是不安全的，就会停止工作。而新适配器采用的是手动锁紧方式，这种方式749经过实践检验的安全性完全能够满足要求。但是这样的配置就没有安全信号发送装置的必要了，因此就需要对程序进行改造。通过设定程序，将锁紧及打开动作命令取消、将锁紧安全信号设置为常开，这一点与旧的相比就显得很人性化，在实际工作中和灵活，并且也无形中提高了工作效率，这样就解决了上述问题。

3.4 新端拾器安装调试

新端拾器的主要结构件都是管或者杆，现场安装及其极其方便。先比照冲压件和模具，大致估计出主臂管（Ф60mm）的长度（大多数为1500mm），然后用切割机切到相应规定的长度。二级横管（Ф40mm）根据冲压件的大小确定一根或者两根，然后切割到相应规定的长度。然后安装支撑杆及吸盘。这种支撑杆只能在一个平面内旋转，轴向有小量调整，长度也是根据实际情况切割的。通过半天时间的熟悉过程，我们的速度就可以达到在3个小时之内完成一种件的端拾器安装及调试。

对于比较简单的件，调试工作进行的很顺利流畅。但是稍微复杂的，比如在调试中地板时就遇到了难题。这个件成“几”字型，深度达到330mm。受限制于模具结构及压力机的闭合高度，这几套的开口尺寸就无法满足??的要求。假如想把件直接拿出是根本不可能的，行不通的。机器人的行走路线不是认为人为设定的，操作人员只能设置几个位置点，机器人根据几个位置点自己来优化路径。而这个件的行走路线是绝对的不规则曲线，这就跟机器人的思维模式有了冲突，使我们的调试工作有了新的矛盾点。这就给我们造成了很大的麻烦。我们只能不放弃，坚持的一点一点试，各种角度，各种方向，向前、向下、旋转、向前向左、向上、顺时针、逆时针……，通过我们不断的摸索不断的论证，不断的试验，我们终于成功了！成功的实现了中地板的自动化生产。

3.5端拾器存放小车

这种存放小车的结构非常简单，结构就是车体、扶手、轮子及端拾器固定座。仅仅几颗螺丝钉就可以完成全部的装配工作。它的车体很宽，基本与端拾器宽度持平，这样就在存放的时候避免了相互制件的碰撞，同时就避免了生产前的调节工作。大大的节省了生产的准备时间，提高了工作效率。

4 项目总结

通过一个月的努力工作，改造工作已经全部完成。现在看着机器人流畅的动作，矫健的身姿顺利的工作着，我们心里充满了欣慰和自豪。在实际改造工作过程中，为了圆满解决各种各样的新问题老问题，我们都付出勤劳的智慧，辛勤的汗水和休息的时间，但是这些辛苦的努力都是值得的，因为付出的同时我们也收获了很多，圆满完成任务的同时也让我们收获喜悦、收获成功、收获经验和智慧。

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