早期人工沖壓線的自動(dòng)化改造

文/李文杰·上海匯眾汽車制造有限公司

早期人工沖壓線的自動(dòng)化改造

文/李文杰·上海匯眾汽車制造有限公司

多臺(tái)壓機(jī)串聯(lián)的人工沖壓線由于構(gòu)成系統(tǒng)復(fù)雜、環(huán)節(jié)較多，在進(jìn)行自動(dòng)化改造時(shí)，須根據(jù)廠房、設(shè)備、產(chǎn)品等信息，綜合考慮包括壓機(jī)工作臺(tái)形式、設(shè)備主要參數(shù)、廢料收集與傳輸形式等各個(gè)方面因素，給出合理的整改措施。

多臺(tái)壓機(jī)串聯(lián)的人工沖壓線由于構(gòu)成系統(tǒng)復(fù)雜、環(huán)節(jié)較多，在進(jìn)行自動(dòng)化改造時(shí)，須根據(jù)廠房、設(shè)備、產(chǎn)品等信息，綜合考慮包括壓機(jī)工作臺(tái)形式、設(shè)備主要參數(shù)、廢料收集與傳輸形式等各個(gè)方面因素，給出合理的整改措施。

隨著國(guó)內(nèi)汽車制造業(yè)的快速發(fā)展，行業(yè)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)、企業(yè)降本的壓力逐年加劇，在提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、生產(chǎn)效率方面，采用自動(dòng)化生產(chǎn)方式的優(yōu)勢(shì)愈加明顯。許多企業(yè)在投建新沖壓線時(shí)會(huì)根據(jù)本企業(yè)的產(chǎn)品特性選用多臺(tái)壓機(jī)串（并）聯(lián)自動(dòng)線，或單臺(tái)多工位壓機(jī)沖壓自動(dòng)線、連續(xù)模開卷成形沖壓自動(dòng)線、開卷落料多工位壓機(jī)沖壓自動(dòng)線，或?qū)υ缙诘娜斯_壓線進(jìn)行自動(dòng)化或半自動(dòng)改造，以提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)減員增效的目的。本文僅探討早期多臺(tái)壓機(jī)串聯(lián)人工沖壓線的自動(dòng)化改造方法。

早期多臺(tái)壓機(jī)串聯(lián)的人工沖壓線概述

串聯(lián)沖壓線（圖1）一般是指由4～6臺(tái)壓機(jī)以工作臺(tái)前后相鄰的方式沿生產(chǎn)線物流方向排列，早期沖壓線設(shè)備安裝基礎(chǔ)有獨(dú)立式、帶式（地溝式）兩種，帶式基礎(chǔ)可以在地溝內(nèi)安裝廢料傳送鏈（圖2）以實(shí)現(xiàn)廢料的自動(dòng)收集。壓機(jī)種類有機(jī)械式、液壓式兩種，機(jī)械式壓機(jī)前期所需投資多，但生產(chǎn)效率高、維護(hù)成本低；液壓式壓機(jī)前期所需投資少，但生產(chǎn)效率低、使用維護(hù)成本高、對(duì)模具保護(hù)性能差。

圖1 串聯(lián)式人工沖壓線

圖2 地溝式廢料傳送鏈

早期壓機(jī)工作臺(tái)安裝形式有固定工作臺(tái)、移動(dòng)工作臺(tái)兩種形式。固定工作臺(tái)換模不方便、停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備利用率低。移動(dòng)工作臺(tái)從移動(dòng)方向上可分為前后移動(dòng)方式和側(cè)向移動(dòng)方式兩種，從工作臺(tái)數(shù)量上又分單移動(dòng)工作臺(tái)、雙移動(dòng)工作臺(tái)兩種形式。單移動(dòng)工作臺(tái)雖然換模方便，但由于不能提前做換模準(zhǔn)備工作，縮短停機(jī)時(shí)間的效果不明顯，設(shè)備利用率依然不高；采用雙移動(dòng)工作臺(tái)形式時(shí)，可以提前做換模準(zhǔn)備工作、生產(chǎn)線停機(jī)時(shí)間短、設(shè)備利用率高，20世紀(jì)90年代后制造的壓機(jī)設(shè)備（包括人工線、自動(dòng)線）的工作臺(tái)安裝多采用 “I” 形或“T”形雙移動(dòng)工作臺(tái)形式（圖3），這兩種形式相比，“T”形占用場(chǎng)地面積相對(duì)少些。

圖3 雙移動(dòng)工作臺(tái)形式

早期人工沖壓線采用的壓機(jī)在設(shè)備主要參數(shù)設(shè)計(jì)上表現(xiàn)為：⑴滑塊每分鐘行程次數(shù)SPM (次/min）偏低，630～800t雙點(diǎn)壓機(jī)SPM通常為10～12次/min；⑵滑塊行程小，630～800t雙點(diǎn)壓機(jī)滑塊行程僅為500mm。

多臺(tái)壓機(jī)串聯(lián)自動(dòng)沖壓線構(gòu)成

就生產(chǎn)線設(shè)備構(gòu)成而言，自動(dòng)沖壓線可分為壓機(jī)設(shè)備部分和自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)施部分。自動(dòng)化系統(tǒng)通常包括：線首拆垛系統(tǒng)、線中自動(dòng)傳輸系統(tǒng)、線尾出件系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)。

線首拆垛系統(tǒng)

沖壓自動(dòng)化拆垛系統(tǒng)（圖4）主要包括上料小車（為保證生產(chǎn)線連續(xù)運(yùn)行通常采用2臺(tái)軌道移動(dòng)式小車，每個(gè)上料小車上配備4～8個(gè)活動(dòng)可調(diào)的磁力分張器，用于板料的分離）、拆垛手（機(jī)械手或機(jī)器人）、傳送裝置（多為磁性皮帶機(jī)）、板料清洗機(jī)（可選項(xiàng)）、板料涂油機(jī)（可選項(xiàng)）、板料對(duì)中臺(tái)及控制系統(tǒng)等。

圖4 自動(dòng)化拆垛系統(tǒng)

上料小車（可包括托盤，托盤在小車上設(shè)置有定位）裝載料垛由裝垛位置運(yùn)行到拆垛位置后，板料由拆垛手從料垛拾取，通過傳送裝置穿過清洗機(jī)、涂油機(jī)到達(dá)對(duì)中臺(tái)；板料經(jīng)過對(duì)中定位后，便可開始后序沖壓生產(chǎn)。板料從拆垛手到對(duì)中臺(tái)位置需經(jīng)過兩次雙料檢測(cè)，以保證壓機(jī)與模具的安全性，自動(dòng)化生產(chǎn)線的各個(gè)環(huán)節(jié)在規(guī)劃階段應(yīng)盡可能做到絕對(duì)的安全可靠。清洗機(jī)、涂油機(jī)也可設(shè)置為可離線式，不使用時(shí)可沿軌道開出，空位由皮帶機(jī)填補(bǔ)；通常，生產(chǎn)外覆蓋件時(shí)使用清洗機(jī)，生產(chǎn)內(nèi)覆蓋件時(shí)使用涂油機(jī)。板料對(duì)中通常采用的方式有機(jī)械拍打式、光學(xué)視覺（圖像掃描）對(duì)中式。機(jī)械拍打式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、成本低，但對(duì)板料形狀的適應(yīng)性差、調(diào)整費(fèi)時(shí)麻煩；視覺對(duì)中速度快精度高、對(duì)板料形狀適應(yīng)性好、對(duì)中范圍寬、對(duì)料垛整齊性要求低，但對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求高、成本略高。兩種對(duì)中方式各有一定的適用范圍，企業(yè)應(yīng)根據(jù)自動(dòng)線搬運(yùn)系統(tǒng)（機(jī)械手或機(jī)器人）形式、產(chǎn)品種類（覆蓋件或結(jié)構(gòu)件）的工藝規(guī)則（雙料片排列形式）謹(jǐn)慎選定。

線中自動(dòng)傳輸系統(tǒng)

自動(dòng)傳輸系統(tǒng)是指從生產(chǎn)線第一臺(tái)壓機(jī)的上料手至最后一臺(tái)壓機(jī)的下料手之間的搬運(yùn)傳輸機(jī)構(gòu)，用于各壓機(jī)（工序）間毛坯或工件的搬運(yùn)傳輸，形式主要有機(jī)器人和機(jī)械手兩種（圖5）。

圖5 自動(dòng)傳輸系統(tǒng)的形式種類

隨著沖壓自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳輸機(jī)構(gòu)的形式日新月異，但主要形式仍可劃分為機(jī)器人、機(jī)械手或兩者結(jié)合運(yùn)用的生產(chǎn)線種類。專業(yè)生產(chǎn)沖壓自動(dòng)化機(jī)器人的國(guó)際品牌有ABB、庫卡、發(fā)那科、安川等，單、雙臂機(jī)械手的國(guó)際品牌有固德爾、施特曼、舒勒、小松等。單臂或雙臂橫桿式機(jī)械手傳送機(jī)構(gòu)速度高、穩(wěn)定性好，可將多臺(tái)高速壓機(jī)集成為SPM達(dá)12～15次/min的高速自動(dòng)沖壓線，成為目前汽車行業(yè)新建沖壓線的首選。另外，隨著機(jī)器人傳輸技術(shù)的發(fā)展和行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的促進(jìn)，目前國(guó)外也出現(xiàn)了SPM達(dá)12～15次/min的雙臂機(jī)器人高速自動(dòng)沖壓線。

機(jī)器人傳輸系統(tǒng)通常速度慢、臂長(zhǎng)易抖動(dòng)，穩(wěn)定性差，但機(jī)器人系統(tǒng)柔性好、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、投資與使用維護(hù)成本低。因此，在組建速度較低、投入較少的生產(chǎn)線及老線改造時(shí)通常采用這種方式。單臂機(jī)械手相對(duì)機(jī)器人形式來講有著較高的穩(wěn)定性、較高的生產(chǎn)速度，對(duì)模具結(jié)構(gòu)的要求與機(jī)器人系統(tǒng)基本相同，但國(guó)產(chǎn)化、標(biāo)準(zhǔn)化程度低，目前被國(guó)外品牌所壟斷，造價(jià)相對(duì)較高，可用于壓機(jī)狀況較好、滑塊行程次數(shù)高的人工線的自動(dòng)化改造，其相對(duì)雙臂橫桿式系統(tǒng)又有著較低的投入成本、生產(chǎn)批次柔性更好、模具結(jié)構(gòu)要求低的特點(diǎn)，所以單臂機(jī)械手在目前國(guó)內(nèi)沖壓工廠新線的規(guī)劃中亦被廣泛采用。

線尾出件系統(tǒng)

線尾出件系統(tǒng)由出料輸送帶、照明、工件檢驗(yàn)臺(tái)、人工或自動(dòng)裝箱機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)等構(gòu)成，其主要任務(wù)是將成品沖壓件輸送至合適的位置以便于人工檢查、裝箱（或自動(dòng)裝箱）。

安全防護(hù)系統(tǒng)

安全防護(hù)系統(tǒng)采用圍欄和光柵配合，對(duì)于高速、高危險(xiǎn)的區(qū)域一律要安裝安全圍欄；而低速運(yùn)行的區(qū)域如板料小車退出的非工作區(qū)域需安裝安全光柵，若光柵被遮擋則安全系統(tǒng)中會(huì)有報(bào)警提示。

在安裝安全圍欄的封閉區(qū)域內(nèi)安裝安全門，當(dāng)生產(chǎn)或維修人員需要進(jìn)入封閉單元時(shí)，首先需要向安全門控制盒發(fā)出進(jìn)入的請(qǐng)求，此時(shí)單元內(nèi)的設(shè)備將運(yùn)行至安全位置并切斷電源供應(yīng)，安全指示燈指示安全后人員方可進(jìn)入作業(yè)。在每個(gè)封閉區(qū)域內(nèi)還設(shè)置有逃生門，主要是當(dāng)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)意外情況時(shí)供人員緊急撤出使用。逃生門只允許從單元內(nèi)部打開，當(dāng)逃生門在打開狀態(tài)時(shí)整線設(shè)備都處于安全狀態(tài)。為避免設(shè)備誤動(dòng)作并方便生產(chǎn)人員操作，整線集成所有端拾器的光電傳感器和模具內(nèi)安裝的工件到位檢測(cè)傳感器，對(duì)生產(chǎn)全過程進(jìn)行有效跟蹤，當(dāng)零件意外掉落或工件在模具內(nèi)的位置不正確時(shí)，傳感器檢測(cè)出意外情況發(fā)生就會(huì)阻止系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行以保護(hù)設(shè)備或模具。

多臺(tái)壓機(jī)串聯(lián)自動(dòng)沖壓線形式及特性

多臺(tái)壓機(jī)串聯(lián)布置的自動(dòng)沖壓線比較適合于車身內(nèi)外覆蓋件及大中型車身結(jié)構(gòu)件的沖壓生產(chǎn)，目前該類型的沖壓自動(dòng)線按搬運(yùn)傳輸機(jī)構(gòu)的不同分為三種形式，每種形式及其特性見表1。

早期人工沖壓線自動(dòng)化改造存在的問題與解決措施

對(duì)早期人工沖壓線做自動(dòng)化改造時(shí)，通常遇到的問題是壓機(jī)工作臺(tái)形式、設(shè)備主要參數(shù)（滑塊行程、SPM）、廢料收集與傳輸形式三方面存在的不足。

■ 表1 多臺(tái)壓機(jī)串聯(lián)沖壓自動(dòng)線形式及特性

圖6 機(jī)械手單元換模時(shí)可左右側(cè)移動(dòng)

壓機(jī)工作臺(tái)形式

早期壓力機(jī)的工作臺(tái)通常為固定式或前后移動(dòng)的單工作臺(tái)，這兩種形式在更換模具時(shí)停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備利用率偏低；在后期做自動(dòng)化改造時(shí)，自動(dòng)化系統(tǒng)的布置不能占據(jù)換模區(qū)域或在更換模具時(shí)能夠移出換模區(qū)域。采用機(jī)器人傳輸系統(tǒng)時(shí)，機(jī)器人安裝底座需避開工作臺(tái)移動(dòng)區(qū)域；采用單臂機(jī)械手搬運(yùn)系統(tǒng)時(shí)，單臂機(jī)械手單元應(yīng)能沿設(shè)備左右側(cè)移動(dòng)，移出換模區(qū)域（圖6）。

設(shè)備主要參數(shù)

對(duì)人工線進(jìn)行自動(dòng)化改造時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注的壓機(jī)參數(shù)主要有兩個(gè)：滑塊行程、SPM。

⑴滑塊行程。制定自動(dòng)化改造方案時(shí)雖然要考慮的壓機(jī)參數(shù)有很多，但其中壓機(jī)滑塊行程的大小直接影響自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的可行性及難易程度而需重點(diǎn)關(guān)注?；瑝K行程的大小與所生產(chǎn)沖壓件的拉深或成形高度，決定著傳輸機(jī)構(gòu)手臂和端拾器的高度、壓機(jī)間工件的運(yùn)轉(zhuǎn)形式（前后工序轉(zhuǎn)180?；蚱揭疲┑倪x擇；確定手臂和端拾器高度及工件運(yùn)轉(zhuǎn)形式時(shí)，必須保證上、下料手抓取工件后在水平運(yùn)動(dòng)過程中手臂和端拾器與上模最低點(diǎn)及下模最高點(diǎn)保持足夠的安全空間（圖7）。壓機(jī)間搬運(yùn)系統(tǒng)采用六軸機(jī)器人時(shí)，手臂和端拾器高度為100～150mm、工件在前后工序傳輸中可水平旋轉(zhuǎn)180。；采用七軸機(jī)器人時(shí)，手臂和端拾器高度在250mm左右、工件在前后工序傳輸中為平移；采用單、雙臂機(jī)械手時(shí)，手臂和端拾器高度控制在250mm左右、工件在前后工序傳輸過程中均是平移形式。

圖7 壓機(jī)行程與手臂和端拾器、工件高度關(guān)系示意圖

目前自動(dòng)沖壓線工作模式分單次（也稱斷續(xù)）運(yùn)行模式和連續(xù)運(yùn)行模式。單次運(yùn)行模式工作過程中，下料手（下料機(jī)械手/機(jī)器人）需等到壓機(jī)完成整個(gè)沖壓循環(huán)滑塊回到上死點(diǎn)停止后才開始動(dòng)作，上料手（上料機(jī)械手/機(jī)器人）需等下料手退出壓機(jī)工作區(qū)域后才開始啟動(dòng)，而壓機(jī)滑塊又需等上料手完全退出壓機(jī)工作區(qū)域后再開始下行，每個(gè)循環(huán)周期長(zhǎng)、整線生產(chǎn)節(jié)拍低。連續(xù)運(yùn)行模式工作過程中，上、下料手和壓機(jī)滑塊同步啟動(dòng)，下料手在滑塊回程上行到一定角度（回到上死點(diǎn)前）后便開始取件，上料手在滑塊下行到一定角度前完成送件，整個(gè)過程在保證不出現(xiàn)干涉的情況下完成取送件動(dòng)作。早期人工沖壓線壓機(jī)滑塊的行程小，630～800t雙點(diǎn)壓機(jī)滑塊行程僅為500mm，工作循環(huán)給自動(dòng)化傳輸系統(tǒng)的運(yùn)行空間、過程循環(huán)時(shí)間不夠，上、下料手運(yùn)行很難實(shí)現(xiàn)與壓機(jī)滑塊同步、避免干涉，此時(shí)改造后自動(dòng)線的工作模式只能選用單次運(yùn)行模式。

⑵SPM。早期人工沖壓線壓力機(jī)滑塊的SPM低，630～800t雙點(diǎn)壓機(jī)SPM通常為10～12次/min，此時(shí)自動(dòng)化改造傳輸系統(tǒng)形式的選擇應(yīng)與壓機(jī)的SPM相匹配。通常壓機(jī)SPM小于10次/min時(shí)，自動(dòng)傳輸系統(tǒng)選擇機(jī)器人；SPM大于12次/min時(shí)，傳輸系統(tǒng)可選擇單臂機(jī)械手，以充分發(fā)揮壓機(jī)和自動(dòng)化傳輸系統(tǒng)的潛力，避免不必要的投資。

圖8 地面廢料收集傳輸裝置

廢料收集與傳輸形式

早期人工沖壓線壓機(jī)的安裝基礎(chǔ)若未采用帶式基礎(chǔ)，或未在帶式基礎(chǔ)的地溝內(nèi)安裝廢料收集傳送鏈，在后期做自動(dòng)化改造時(shí)可以在地面設(shè)置廢料收集傳輸裝置（圖8）。生產(chǎn)時(shí)模具中的廢料可采用滑槽（坡度在20。～25。之間時(shí)，用網(wǎng)紋板；坡度小于20。時(shí)，用振動(dòng)器式）使廢料滑至壓機(jī)工作臺(tái)前、后側(cè)設(shè)置的傳送鏈上，再由金屬傳送鏈輸送到安全護(hù)欄外的廢料箱中（廢料箱為可移動(dòng)式，也可用液壓小車或叉車更換）。

結(jié)束語

對(duì)早期人工沖壓線做自動(dòng)化改造方案時(shí)，若對(duì)上述三個(gè)方面的問題都相應(yīng)做出了切實(shí)可行的解決措施，那么自動(dòng)化改造的目標(biāo)是完全可以實(shí)現(xiàn)的。隨著國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)產(chǎn)能的快速提升、人工成本的增加，傳統(tǒng)的人工沖壓生產(chǎn)線效率低下、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差、安全性低等缺點(diǎn)越來越明顯，進(jìn)而影響企業(yè)的發(fā)展。而自動(dòng)化生產(chǎn)線恰好可以讓這些問題得到解決，較好的安全性、較高的生產(chǎn)率、穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量以及批量生產(chǎn)條件下更低的單件生產(chǎn)成本是自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線的亮點(diǎn)。目前我國(guó)汽車企業(yè)沖壓車間正全面走向自動(dòng)化生產(chǎn)，全新自動(dòng)化高速?zèng)_壓線的大量投入、對(duì)傳統(tǒng)人工沖壓線的自動(dòng)化改造已成為行業(yè)趨勢(shì)。

李文杰，高級(jí)工程師，主要從事汽車行業(yè)轎車底盤結(jié)構(gòu)件大型連續(xù)模、多工位傳遞模的沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)、制造及沖壓車間設(shè)備管理工作。