图1  利用真空吸盘机械手，可以把冲压、冲裁和其他大批量生产的零件整齐地堆放在一起

为实现在冲压机和冲裁设备中良好的上下料，设计了模块化的自动化上下料装置。在这一系统的设计时，所使用的模拟工具软件能够在虚拟空间里解决大量的技术研发问题。

利用模块化的自动化技术，可以使许多生产加工过程的经济性大大提高。Schunk公司是一家机械手和夹具专业公司，在此基础上又前进了一步：在项目的研发阶段就能够对部件和自动化系统进行虚拟模拟和优化改进。按照这种方式，用户、系统集成商和工程设计师等都可以大大缩短项目研发设计时间，避免出现代价昂贵的设计失误，不仅能够提高所设计的设备的使用寿命，而且也可以提高能源利用率。

利用这一虚拟模拟软件的实例是Oberkirch市Kiwi自动化技术公司的一个项目。在Schunk公司的帮助下，需要为冲压机和冲裁设备的完美上下料设计一套高效的自动化上下料系统。最终的设计结果是一个通用的模块化系统。

模拟和优化可以提前完成

在过去的几年里，对大批量生产的质量要求一直在不断提高，而大批量生产零件的技术和质量要求也越来越高、越来越复杂，甚至越来越“娇贵”。其中，完美的视觉外观和极高的尺寸精度常常是非常重要的质量指标。因此，在冲压和冲裁生产过程中，良好的上下料也具有越来越重要的意义。利用这一新设计的、结构紧凑的、多用途的上下料系统，可以在生产节拍很高的冲压机床及冲裁机床中可靠、完美地完成工件的上下料，把加工后的零件运输到下一工位或者整齐地堆放在一起(图 1)。与简单的人工上下料相比，这一自动化解决方案能够明显降低生产成本，实现连续的高速生产。

图2  模拟显示了由于负载、重量和运动而引起的二级变形情况。在虚拟模型中，可以对上下料系统零部件的负荷、极限载荷以及使用寿命进行估算
 

在之前设计类似的自动化项目时，重要的是手工设计、使用Excel工具和制造价格昂贵的模型；而Schunk公司主要的研发设计工作已经在性能模拟时就完成了。螺栓位置的确定，零部件工作确定的计算、审核，各个零部件的负载以及极限载荷的计算等，都可以通过计算机软件在虚拟模型中进行模拟和优化。

模拟能够提供非常有价值的数据，可以及时、清楚地看到零部件的变形情况，承受负载的情况和整个系统承载后的状态；可以对变型进行比较和优化。这样，就提高了项目研发设计的可靠性，也能够轻松地完成设计审核。这种可视化的模拟首先节约了大量宝贵的研发时间和研发费用，因为能够在早期及时地发现设计中的薄弱环节，在样品试制之前就排除这些设计中的不足。在Kiwi公司的上下料系统中，这些优势体现得非常明显：借助于虚拟模拟，在两级研发设计中完全省略了样品试制。

强大的专家网络

Schunk公司内部有一个强大的专家网络；在这一网络中，CAE（计算机辅助工程）技术协调跨项目的高效计算，负责为工程技术人员准备相关的技术资料，并在一个项目完成后将积累的数据和资料提供给下一个类似项目使用。例如，完成线性传动技术和龙门式运输系统的标准计算。在这一基础上，大量的线性驱动轴程序能够帮助设计师确定出最佳的线性驱动轴组合方案。

图3  利用双机械手解决方案，该系统可以实现连续不断的零件堆放，即使在更换已经放满零件的周转箱时也不中断

在模拟技术的帮助下，还能够对大量的加固系统、支撑系统进行配置，能够及时发现和避免设计中的薄弱环节，从而可以在制作第一个真实样机之前就以很低的代价对不同的变型形式进行检验和优化。在这一过程中，Schunk公司采用了三个阶段的模拟试验方法：

模型分析：振动形式和自振频率的模拟，以评判零部件的刚度；

静态和准静态分析：对零部件在承受负载、重量或者加速作用时的情况进行检测和核查；

暂态分析：进行完整工作循环的模拟，确定零部件承受的动态负载和零部件的使用寿命。

模拟试验的层级

随着项目的进展，可以在计算机上对虚拟样机进行检验，所得出的结果是下一步研发设计的基础。在建立第一个模拟模型时，只需知道线性驱动轴的组合部件即可，也就是说：知道线性驱动轴的型号、尺寸和质量就可以了；或者说无需大量绘制CAD数据。在模型分析时，会对线性驱动轴的自振频率和变形进行计算。结果计算分析，能够在很短的时间内组成一个高刚性、低振动的线性驱动轴，可以快速、可靠地从刚性和质量两个角度确定出组合一套线性驱动轴系统所需的零部件。这一分析的结果是一个振动最小的线性驱动轴系统，以及一个能够提高周围部件刚性的骨干系统。

图4  Schunk公司提供的HSB线性导轨是理想的经济性解决方案，满足了高动态性能和轻结构设计的要求

在第二级的模拟检验时，将考虑载荷和动态数据的影响，例如路径、速度和加速度的影响。模拟结果表示的是线性驱动轴系统在工作条件下承受负载和变形的情况。此时，可以估算出线性轴能够承受的极限负载和使用寿命（图2）。在这一模拟结果的帮助下，可以设计出变形小、耐磨损的线性驱动系统。

模拟的第三步是按照很小的时间段对工作循环一步步的模拟分析。这样，可以对工作状态下线性驱动轴的运动和变形进行测定。提供模拟分析能够确定承受动态负载的零部件以及一个工作循环中的特殊峰值负载、受力部位和负载作用时间。根据这些数据，可以得出线性驱动轴系统的使用寿命、可靠性和可用性，从而可以对整个工作循环再次进行优化改进。

按照这种设计方法，会很快得到一套模块化上下料系统的解决方案，能够快速适应不同领域及不同需求。冲压和冲裁后尚未校正的零件由这一系统存储在中间缓存库中，整齐地按顺序码放好。最后，由龙门式运输系统把中间库中存放的冲压、冲裁件运输到规定的周转箱中。所有常规的运输周转容器、尺寸均符合欧洲标准托盘的周转容器，如钢质的格栅式周转箱、吹塑包装箱和小型周转容器等，都是这一上下料系统可以使用的运输工具。系统中的两个机械手可以实现连续不断地堆放、搬运零件，即使在更换已经放满零件的周转箱时也不中断（图3）。

图5  精密的动态线性导轨提高了零部件运输时的速度

防止上下料系统超范围运动

根据各种不同的具体要求，例如零部件的要求和周转箱的要求，可以设计不同的上下料机械手和中间缓存库。这种通用的上下料系统能够简单组装，以满足不同的需求，并且可以随时根据生产需要进行扩展。

其基本型AGA 2400-2系统在X轴、Y轴和Z轴方向的运动距离分别为2400mm、1220mm、 900mm，其安装空间为（长×宽×高）4000mm×2100mm×3500mm，Z轴的最大重量为15kg。作为线性驱动轴，它所使用的是高承载能力、长寿命、传动比准确的齿形皮带驱动系统，以及Schunk公司研发的HSB系列成型导轨（图4）。精密的动态线性导轨提高了零部件运输时的速度（图5）。

工程项目的所有参与者都付出了极大的劳动，并获得了很大的成绩：除了研发阶段通过虚拟模拟得到的收益之外，还获得了两个预计之外的好处：用户得到了使用寿命更长的上下料系统，能够长期保持精确性，因为这一系统的振动、自振频率和稳定性都进行了设计优化，可能存在的薄弱环节在设计前期就已经被发现并排除了。

在虚拟模拟的基础上，可以制订出正确的设计任务和要求。在以需求为主导的设计理念指导下，通过虚拟模拟也可以有效地避免运动部件超范围的运动。这也能够降低系统模块的成本，降低整个系统的重量，在连续的生产使用过程中减少能源消耗。虚拟现实的产品设计能够节约费用并有利于环境保护。