沖壓裝備自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

居躍峰

（上海通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201201）

0 引言

隨著汽車、家電、航空等行業(yè)的高速發(fā)展，我國(guó)板材加工設(shè)備、加工工藝均有了長(zhǎng)足進(jìn)步。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，轎車零部件中40%以上是金屬板材沖壓件[1]，由此可見(jiàn)沖壓裝備在汽車工業(yè)中的重要地位。

沖壓裝備自動(dòng)化主要指材料供給、送料系統(tǒng)、換模、沖床的調(diào)整與運(yùn)轉(zhuǎn)、沖壓過(guò)程中的檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)等作業(yè)過(guò)程自動(dòng)化，將這些技術(shù)應(yīng)用到?jīng)_壓生產(chǎn)流水線的相應(yīng)環(huán)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)沖壓生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。本文從壓力機(jī)、自動(dòng)送料系統(tǒng)和機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)三個(gè)方面，闡述沖壓裝備自動(dòng)化的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。

1 壓力機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

1.1 傳統(tǒng)大型沖壓生產(chǎn)線

車身覆蓋件和車身結(jié)構(gòu)件是汽車板材沖壓件的主體，主要加工設(shè)備是大型沖壓生產(chǎn)線。20 世紀(jì)70年代以前，大型沖壓生產(chǎn)線通常以一臺(tái)雙動(dòng)拉延機(jī)械壓力機(jī)與數(shù)臺(tái)單動(dòng)機(jī)械壓力機(jī)為主機(jī)，主機(jī)之間設(shè)置一個(gè)工件翻轉(zhuǎn)裝置，采用人工或機(jī)械的上下料方式，組成機(jī)械化或半機(jī)械化流水生產(chǎn)線。這種典型配置在國(guó)外汽車工業(yè)中使用了近半個(gè)多世紀(jì)。在我國(guó)，90%的現(xiàn)存沖壓生產(chǎn)線屬于這一階段的產(chǎn)品[2]。90年代后期，為了克服傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)在合模時(shí)沖擊速度過(guò)高、公稱力不能及時(shí)達(dá)到而無(wú)法沖壓深拉延件的缺陷，我國(guó)新建大型沖壓生產(chǎn)線的拉深壓力機(jī)開(kāi)始采用多連桿技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)是：①拉延過(guò)程中滑塊速度慢且均勻，空行程運(yùn)行速度快，生產(chǎn)效率高；②拉延深度大，最大深度可達(dá)320mm，而傳統(tǒng)壓力機(jī)只有70mm 左右；③用較小的偏心距實(shí)現(xiàn)較大的滑塊行程，更便于上下料操作；④拉延過(guò)程沖擊力小，有利于提高模具使用壽命和零件成形質(zhì)量。

1.2 單機(jī)聯(lián)線自動(dòng)化沖壓線

近年來(lái)，單機(jī)聯(lián)線自動(dòng)化沖壓線在國(guó)內(nèi)外競(jìng)相發(fā)展，成為汽車大型覆蓋件自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)的先進(jìn)工藝技術(shù)之一，而且發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。其通常配置為5～6 臺(tái)壓力機(jī)，配有拆垛、上下料機(jī)械手、穿梭翻轉(zhuǎn)小車和碼垛系統(tǒng)等，全線長(zhǎng)度60m 左右。具有沖壓質(zhì)量穩(wěn)定可靠、生產(chǎn)安全性高和柔性好等特點(diǎn)。由于上、下工位壓力機(jī)的間距大，工件傳輸效率較低，生產(chǎn)節(jié)拍一般為6～9spm。單機(jī)聯(lián)線自動(dòng)化沖壓技術(shù)占用資金較少，適合于多車型、小批量、高質(zhì)量的大型覆蓋件的沖壓生產(chǎn)。在我國(guó)，經(jīng)過(guò)近年來(lái)的新建和傳統(tǒng)沖壓聯(lián)線自動(dòng)化改造，現(xiàn)存約10%的沖壓生產(chǎn)線屬于該類型[2]。

近10年來(lái)，國(guó)外著名壓力機(jī)供應(yīng)商在全自動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)上又取得很大進(jìn)展并得到成熟應(yīng)用，如全自動(dòng)換模系統(tǒng)、拉伸墊數(shù)字控制技術(shù)和功能完善的觸摸屏監(jiān)控技術(shù)等，使單機(jī)聯(lián)線生產(chǎn)效率逐年提升。其中，全自動(dòng)換模系統(tǒng)只需要操作人員在觸摸屏上設(shè)置好模具號(hào)，模具更換的全過(guò)程由壓力機(jī)自動(dòng)完成，整個(gè)過(guò)程最多需要5min。全自動(dòng)換模系統(tǒng)的主要功能包括：①平衡器與氣墊壓力自動(dòng)調(diào)整功能；②裝模高度、氣墊行程自動(dòng)調(diào)整功能，定位調(diào)整精度達(dá)0.1mm；③模具自動(dòng)夾緊、放松功能；④高速移動(dòng)工作臺(tái)自動(dòng)開(kāi)進(jìn)開(kāi)出功能。

目前，國(guó)內(nèi)的濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)在上述關(guān)鍵技術(shù)上也有所突破，代表了我國(guó)汽車沖壓生產(chǎn)線的技術(shù)水平[3]。

1.3 大型多工位壓力機(jī)

大型多工位壓力機(jī)是目前世界上最先進(jìn)、最高效的板材沖壓設(shè)備，代表了目前車身覆蓋件沖壓成形的最高水平和發(fā)展方向。大型多工位壓力機(jī)一般由拆垛機(jī)、大型壓力機(jī)、自動(dòng)送料系統(tǒng)和碼垛系統(tǒng)等組成。其生產(chǎn)節(jié)拍可達(dá)16～25spm，是手工送料流水線的4～5 倍，是單機(jī)聯(lián)線自動(dòng)化生產(chǎn)線的2～3 倍，具有生產(chǎn)效率高、制件質(zhì)量高的特點(diǎn)，特別適合大批量沖壓生產(chǎn)。據(jù)美國(guó)精密鍛壓協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)三大汽車公司680 多條沖壓線中有70%為多工位壓力機(jī)；日本在美國(guó)的35 條沖壓線中有24 臺(tái)多工位壓力機(jī)，占69%；日本國(guó)內(nèi)的250 條沖壓線中，有80 多條多工位壓力機(jī)，占32%[4]。

在我國(guó)，由于大型多工位壓力機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，占用資金非常大，并且柔性不及單機(jī)聯(lián)線自動(dòng)化線，目前能夠用于大型覆蓋件沖壓的多工位壓力機(jī)還是空白。

1.4 其他壓力機(jī)

上述壓力機(jī)主要是應(yīng)用于汽車外覆蓋件的沖壓設(shè)備。除此之外，目前國(guó)外還有一些壓力機(jī)正處在研究和應(yīng)用的前沿領(lǐng)域，如伺服壓力機(jī)和高速壓力機(jī)等。以日本小松為代表的廠商已經(jīng)制造出市場(chǎng)化的伺服壓力機(jī)產(chǎn)品，其與常規(guī)壓力機(jī)相比具有以下優(yōu)勢(shì)：①滑塊行程按需調(diào)整，完全消除無(wú)效行程，生產(chǎn)效率超高；②運(yùn)行過(guò)程實(shí)時(shí)調(diào)整滑塊狀態(tài)，精確到微米級(jí)，抑止產(chǎn)品毛刺出現(xiàn)，精度超高；③運(yùn)行噪聲大幅降低，過(guò)程振動(dòng)也大幅減少，模具壽命提高，噪聲超低；④可以設(shè)定滑塊速度曲線和下死點(diǎn)停留等工藝需要的特殊工作模式，柔性超高；⑤無(wú)離合器，驅(qū)動(dòng)部件較少，潤(rùn)滑油與電力損耗少，節(jié)能效果超強(qiáng)[5]。高速壓力機(jī)主要滿足精密小型電子零件的沖壓需求。日本電產(chǎn)京利、山田、愛(ài)西施等廠商的產(chǎn)品已經(jīng)在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，沖壓節(jié)拍一般在800～1500spm。目前沖壓節(jié)拍為4000spm 的超高速壓力機(jī)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)[6]。

2 自動(dòng)送料系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

隨著工業(yè)發(fā)展對(duì)沖壓生產(chǎn)效率、精度、安全等方面提出的更高需求,沖壓手工送料已逐步被自動(dòng)化送料系統(tǒng)所取代,這也是實(shí)現(xiàn)多工位沖壓的根本要求。

2.1 機(jī)械手自動(dòng)化送料系統(tǒng)

對(duì)于單機(jī)聯(lián)線自動(dòng)化沖壓線，采用機(jī)械手送料系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)聯(lián)線自動(dòng)化的一種可行方案。其主要由數(shù)控上料手、取料機(jī)械手和穿梭小車組成，相鄰兩臺(tái)壓力機(jī)間的輸送單元主要包括以下機(jī)構(gòu)：①一個(gè)取料機(jī)械手配備對(duì)應(yīng)工件的真空吸盤式端拾器，將工件從上位壓力機(jī)中取出并放置在穿梭小車上；②一個(gè)穿梭小車沿著壓力機(jī)間的固定軌道，將工件輸送到下位壓力機(jī)的上料手位置；③一個(gè)上料機(jī)械手配備對(duì)應(yīng)工件的真空吸盤式端拾器，將工件從穿梭小車取出并放置到下位壓力機(jī)中。上述自動(dòng)化送料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修工作量大。德國(guó)舒勒公司在最新一代用于擺桿式多工位壓力機(jī)上的擺動(dòng)橫桿式輸送機(jī)（Swingarm-Transfer）的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出快速橫桿式輸送系統(tǒng)（SpeedBar），如圖1 所示。這種輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸送效率高，可以實(shí)現(xiàn)模具和端拾器在單機(jī)聯(lián)線自動(dòng)化沖壓線與多工位壓力機(jī)之間的互換[7]。國(guó)內(nèi)已有主機(jī)廠采用這一自動(dòng)送料系統(tǒng)，為國(guó)內(nèi)沖壓生產(chǎn)技術(shù)與歐美汽車工業(yè)接軌奠定了基礎(chǔ)。

圖1 舒勒SpeedBar 進(jìn)料系統(tǒng)

2.2 多工位壓力機(jī)自動(dòng)送料系統(tǒng)

多工位送料系統(tǒng)是一個(gè)類似移動(dòng)臂的裝置，主要作用是把沖壓件從一個(gè)工位移到另一個(gè)工位。多工位送料移動(dòng)桿沿著模區(qū)移動(dòng)，它們是主要結(jié)構(gòu)件，移動(dòng)沖壓件的端拾器就安裝在這些結(jié)構(gòu)件上。在汽車沖壓車間，根據(jù)送料的傳動(dòng)方式，多工位送料系統(tǒng)主要有：機(jī)械送料、電子送料和組合式送料[8，9]。

圖2 舒勒多工位壓力機(jī)CrossBar 送料系統(tǒng)

根據(jù)工件的輸送方式不同，多工位壓力機(jī)送料系統(tǒng)又可分為三坐標(biāo)式和真空吸盤式。近年來(lái)，隨著多工位壓力機(jī)“同時(shí)出多件”的工藝需求，真空吸盤式自動(dòng)送料系統(tǒng)得到更多應(yīng)用[10]。如日本小松公司的新型多工位壓力機(jī)，較多采用真空吸盤式送料系統(tǒng)；德國(guó)舒勒公司廣泛采用的橫桿式“CrossBar”也屬于這種方式（如圖2 所示）。

3 機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

由于單機(jī)聯(lián)線自動(dòng)化在側(cè)圍等大型覆蓋件沖壓生產(chǎn)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其與多工位壓力機(jī)共存發(fā)展的局面將長(zhǎng)期存在。其中，六軸機(jī)器人技術(shù)日趨完善，成本越來(lái)越低，使用也越來(lái)越普及，其高度柔性越來(lái)越顯示出其優(yōu)越性。更多沖壓線開(kāi)始配備機(jī)器人自動(dòng)化搬運(yùn)系統(tǒng)。在機(jī)器人自動(dòng)化系統(tǒng)中，作為自動(dòng)化輸送系統(tǒng)的主要部分，機(jī)器人主要完成板料拆垛、各壓機(jī)間的自動(dòng)上下料、板件傳送翻轉(zhuǎn)等工作，以取代繁重、危險(xiǎn)的人工操作。機(jī)器人通過(guò)控制系統(tǒng)保持與壓機(jī)的隨動(dòng)和連鎖，完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制、氣動(dòng)與真空系統(tǒng)監(jiān)控及安全防護(hù)等。機(jī)器人的末端安裝有端拾器，用于執(zhí)行抓取板件的功能。由于板件為薄壁件，適合采用真空吸附的工作原理抓取，真空吸盤布置在高強(qiáng)度合金或碳纖維材料制成的端拾器支架上，吸盤數(shù)量及其布置方式依據(jù)具體的板件而定。氣路控制系統(tǒng)帶有真空度檢測(cè)傳感器，通過(guò)檢測(cè)吸盤內(nèi)真空度判斷板件是否吸附到位、搬運(yùn)過(guò)程中板件是否掉落等。端拾器的結(jié)構(gòu)與板件外形有關(guān)，因此不同板件與不同工位均需配置不同的端拾器。舒勒的橫桿機(jī)器人是為機(jī)械式和液壓式?jīng)_壓線提供的最新自動(dòng)化設(shè)備（圖3）。它將經(jīng)過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)的、可靠的機(jī)器人技術(shù)與橫桿技術(shù)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起。該系統(tǒng)包括一臺(tái)常規(guī)機(jī)器人，這臺(tái)機(jī)器人通過(guò)一根縱向軸及舒勒端拾器支架擴(kuò)展了兩根附加軸。水平移動(dòng)沿安裝在壓力機(jī)立柱上的縱向軸進(jìn)行。編程可在機(jī)器人控制面板上方便地進(jìn)行。

圖3 舒勒公司的CrossBar 橫桿機(jī)器人

近年來(lái)，為克服六軸機(jī)器人搬運(yùn)過(guò)程中板件的抖動(dòng)，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出了旋轉(zhuǎn)七軸和端拾器自動(dòng)更換技術(shù)[11]。旋轉(zhuǎn)七軸技術(shù)是在機(jī)器人第六軸上加裝一個(gè)伺服控制旋轉(zhuǎn)臂，實(shí)現(xiàn)工件在上下工位壓力機(jī)間搬運(yùn)過(guò)程中的平移，避免了以往工件因180°旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的抖動(dòng)與脫落，便于機(jī)器人搬運(yùn)過(guò)程的提速。端拾器自動(dòng)更換技術(shù)是在全自動(dòng)換模過(guò)程中，機(jī)器人控制系統(tǒng)根據(jù)操作人員輸入的模具號(hào)實(shí)現(xiàn)的：①原端拾器在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的自動(dòng)定置和接頭自動(dòng)放松；②旋轉(zhuǎn)臺(tái)180°轉(zhuǎn)動(dòng)，原端拾器轉(zhuǎn)出工作區(qū)域，新端拾器轉(zhuǎn)入工作區(qū)域；③機(jī)器人與新端拾器接頭自動(dòng)夾緊，迅速回到工作原點(diǎn)待命。整個(gè)過(guò)程在全自動(dòng)換模過(guò)程中完成，大大縮短了非生產(chǎn)工時(shí)，提高了整線的生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

伴隨電子技術(shù)的發(fā)展，聯(lián)機(jī)、聯(lián)線、聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)得到了充分應(yīng)用，我國(guó)金屬板材沖壓裝備自動(dòng)化技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展。

（1）單機(jī)聯(lián)線自動(dòng)化沖壓線與大型多工位壓力機(jī)是當(dāng)今大型沖壓裝備自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的兩大趨勢(shì)。但是用于大型覆蓋件沖壓的多工位壓力機(jī)在我國(guó)汽車工業(yè)中的應(yīng)用幾乎是空白，這是我國(guó)沖壓裝備業(yè)與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的主要差距。

（2）經(jīng)過(guò)近年來(lái)的新建和改造，我國(guó)現(xiàn)有沖壓線中約10%實(shí)現(xiàn)了單機(jī)聯(lián)線自動(dòng)化，部分線采用了SpeedBar 或旋轉(zhuǎn)七軸機(jī)器人等先進(jìn)輸送系統(tǒng)，為國(guó)內(nèi)沖壓生產(chǎn)技術(shù)與歐美汽車工業(yè)接軌奠定了基礎(chǔ)。

（3）鑒于我國(guó)汽車工業(yè)生產(chǎn)集中度較低、新車型換代越來(lái)越頻繁的客觀事實(shí)，未來(lái)幾年，單機(jī)聯(lián)線自動(dòng)化沖壓線仍是發(fā)展主力，用于大型覆蓋件沖壓的多工位壓力機(jī)可能會(huì)在中外合資汽車廠率先應(yīng)用。

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