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机械手臂单臂同步
所属分类:公司新闻发表时间:2020-02-26

随着我国工业和经济的不断发展,近年来人们对汽车的消费需求达到了世界前列,2015年国内乘用车产销量达到了2100多万辆。有着“工业印钞机”美誉的冲压生产线为各汽车企业效益的迅猛增长更是起到了“排头兵”的作用。但随着近年来国内人力成本的不断上升,代表安全、高效、低成本的自动化设备在企业的应用也被推上了空前的高度。

单臂同步连续线概述

在冲压生产线中,用于在压力机间实现板料搬运功能的设备可以简称为自动化设备。在前期,国内生产线的板料搬运以人工为主。2000年后,随着机器人的普及应用,机器人在冲压自动化生产中一直担任着主要角色。2005年后,随着国内各大车企的产量迅猛提升,六轴机器人自动化生产线的节拍突显出了节奏上的局限,企业需要有一种节拍更高的自动化设备的出现。此时,单臂机械手被引进到了国内。单臂机械手的生产模式,有断续和连续两种,即压力机冲程完成一个循环后,滑块停在上死点待条件满足后开始下一个冲程和滑块到上死点不停止、马上开始下一个冲程两种。本文主要介绍连续生产模式的应用。

单臂同步连续线
定义

从结构上分,机械手有单臂和双臂两种。单臂结构的支撑体是压力机的立柱,有一根承载零件的U轴组成,故称为单臂。同步是指整条生产线,包括压力机和机械手,在运行时都是跟随着一个虚拟的轴在同步进行。比如当虚轴运行到5度角时,PR1压力机启动;运行到12度角时,RF1启动;运行到40度角时,PR2启动……且所有设备的运行速度与虚轴运行速度保持一致,如图1所示。连续就是指压力机的运行冲程了,此内容已经在概述中有过描述,此处不再赘述。

 

单臂同步连续线的特点

⑴模具的结构特点直接影响整线节拍。

由专业软件分析出来的节拍与模具结构尺寸的关系对照表如图2所示,其中,数据1是指零件在模具中时安装吸盘最恶劣点到零件型面最高点的距离;数据2是指零件在模具中提升多少后能和下模无干涉的距离;数据3是指上模打开后在物流方向上模具和零件最高点无干涉的距离。由于模具结构尺寸的不同,整线的输出节拍从8.1SPM到11.9SPM,差别迥异。无论对四序还是五序生产线,OP10的模具对整线影响最大,因此在生产线设计前期OP10模具参数的导入尤为重要。

 


                图2 单臂同步连续线的节拍与模具结构尺寸的关系对照

⑵单臂同步连续线与断续线的优劣势对比。

1)断续模式的理论最高节拍也是12SPM,从现场的实际应用情况看,比较简单的零件在断续模式下可以达到10SPM,如果提升到11SPM或12SPM,则需要设置精准的安全点和克服压力机所带来的巨大的振动影响,而这两者则是现场比较难克服的情况。连续模式由于无需设置安全点和受压力机振动影响小,对于形状较简单的零件还是容易调出12SPM的。

2)在节能方面,断续模式情况下滑块到上死点停止后,变频器持续输出使主电机增速,克服飞轮制动所损耗的能量,以满足下一冲程的能量所需。连续模式则是离合器一直处于离合状态,避免了滑块在上死点的频繁制动和启动,由此所带来的能耗要比断续模式节约20%左右。

3)连续模式和断续模式对压力机结构的要求有较大的不同。为了达到连续的目的,压力机要为机械手的抓料提供更大的空间,因此连续模式的压力机滑块行程最大是1.4m,而断续模式的滑块行程只需1m。由此也影响到了厂房的高度,连续模式的厂房高度也对应增加1m左右。

4)由于单臂结构的支撑钢梁是固定在压力机的立柱上面,因此就导致了机械手本体和压力机之间的连接属于刚性连接。由于压力机固有的振动本性,特别是滑块停止在上死点或者急停的情况下,压力机产生的振动全部传递给了机械手。从以往的项目经验看,滑块的停止对机械手的影响非常大,各种故障包括8023、U轴电机掉落等,都与振动的影响有着不可分割的联系。以国内某大型企业的断续线和连续线进行对比,断续线SOP一年内U轴电机掉落故障发生过一次,连续线SOP一年内没有发生过。8023的故障时间连续线要比断续线减少近570小时/年。

因为连续模式下滑块停止动作的次数大大降低,所以巨大振动对机械手的影响显著降低。以一班次3000冲次计算,断续模式下在无急停的情况下,机械手将受到至少3000次的振动冲击;在连续模式下,正常无急停的情况下机械手仅受5~6次换模带来的振动冲击。由此可见连续模式的受冲击数降低了大约6000次/天。这对生产效率提升和成本节约做出了重大的贡献,汇总对比数据如表1所示。

表1 连续模式和断续模式的特点对比

参数

模式

理论节拍/实际常用节拍

结构支撑

投资成本

故障率

震动频次

维护成本

连续模式

12SPM/(10~11)SPM

压机立柱

连续线略高

<30次/天

连续模式低于断续模式

断续模式

12SPM/(9~10)SPM

压机立柱

偏高

>6000次/天

⑶单臂同步连续线与双臂同步连续线的优劣势对比。

单臂同步连续和双臂同步连续的差别主要体现在项目前期的投入成本和后期的运行效率上面。在前期投资方面,双臂同步连续线的费用是单臂线的大约两倍。在后期的运行效率方面,双臂连续线比单臂连续线输出要高很多。从现场使用效果看,单臂连续线的节拍平均在10SPM~11SPM,双臂连续线的节拍平均在15SPM。

在结构上比较,单臂结构支撑梁固定在压力机立柱上,因此单臂机械手受压力机的振动影响更大,稳固性略差。双臂结构的支撑体是独立的立柱,可以避免机械手受到来自压力机的振动干扰。

⑷无安全点参数设置。

安全点是确保压力机滑块和机械手端拾器不会发生互相碰撞干涉的参数。安全点设置完成后,如果系统检测到压力机和机械手相互之间的距离已经触发了安全点,系统将会急停以保护设备。但在同步连续模式下,无需进行安全点的设置。这还要从同步连续模式的原理说起。

如上所述,虚轴运行某一角度值就带动PR1压力机的运行,随后PR1压力机就紧紧跟随虚轴的速度而运行,且通过变频器的不断调节输出使压力机的运行速度保持在离虚轴角度±2°的范围内。因此所有压力机和机械手围绕着虚轴在各自的轨道上运行,类似许多卫星围绕着地球转动一样,这些设备各行其道,如果没有外力干涉,设备之间是不会发生碰撞或干涉的,因此在连续模式下无需设置安全点参数。

⑸压力机滑块行程增加。

单臂同步连续模式,由于滑块到上死点后不停止连续下压,因此机械手在模腔内的取料时间就缩短,在常规参数下机械手无法获得足够的取放料时间。为了解决这个问题,同步连续线对压力机的结构进行了改造,主要是提升了压力机的高度,使滑块行程增长,进而为机械手取料争取了更多的时间。以某具体案例为例,传统压力机的滑块行程1000mm,要满足同步连续模式的要求,滑块行程增加到了1400mm。

⑹湿式或干式离合器都可以满足同步连续的要求。

在单臂同步连续模式下,要求离合器具有灵敏的反应能力。目前国内也有个别的单臂湿式离合器连续线的成功应用案例,但干式同步连续线还没有企业试水,从设备和模具两方面做的可行性分析如表2所示。

表2 湿式和干式同步连续线应用的可行性分析

设备

压力机

目前在国内已经有连续式自动化冲压生产线应用的案例,其中有十几条生产线处于调试或制造阶段,连续线需要的同步技术已经成熟;使用单臂连续线的同步要求低于双臂连续线,目前国内已知的2条单臂湿式连续线已经开始试生产,能达到11SPM左右

自动化

设备维护

单臂连续线最高节拍(12SPM)时,滑块速度仅为满负荷时的67%,且匀速运行,可降低设备故障,延长设备使用寿命;单臂连续线生产时,离合器不需要频繁接合/分离,使用寿命延长;使用干式离合器,进一步降低费用

模具

单臂连续线最高节拍(12SPM)时滑块的速度与单臂断续线15.5SPM的速度相当,模具基本不需特殊处理;模具在没有特殊处理的情况下可在高节拍下生产,单臂断续线某些零件的最高节拍已超过10SPM,压机滑块速度为17SPM

根据上述分析和笔者几年的工作经验,湿式离合器的采购及后期维护成本非常高,且离合器本身的可靠性也不高,漏油、窜油现象频发。在新项目中采用干式离合器后,通过增大管径、加大气压等措施将制动角控制在35°以内后,干式离合器的性能一样可以满足单臂同步连续模式的运转需求。

以上从6个方面简单阐述了单臂同步连续生产线的一些特点和笔者的看法。如果从控制模式、网络结构、生产模式等方面切入的话,单臂同步连续生产线还有很多内容值得去挖掘和讨论,希望以上内容能够起到抛砖引玉的作用。

结束语

单臂同步连续生产模式,集合了单臂设备的低成本和双臂设备的高效率,是众多技术凝结后的一个创造性的突破。无论是从项目前期采购的低成本,还是到运行后的高效率和高稳定性,到处都体现着“低成本、高价值”给企业带来的巨大利益。

 


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