淺談對傳統(tǒng)沖壓單工序生產(chǎn)線的全自動化改造與應用

煙臺三環(huán)鎖業(yè)集團股份有限公司 林振慶 周峰

引言

隨著我國的汽車工業(yè)由高速發(fā)展期進入穩(wěn)健的緩慢發(fā)展期，在當前社會工業(yè)4.0和互聯(lián)網(wǎng)+的影響下，汽車零部件生產(chǎn)制造行業(yè)也在逐步的向自動化方向發(fā)展，而汽車金屬零部件中沖壓類零件又占有相當大的比例，因此，對傳統(tǒng)的單工序的沖床和小型沖壓生產(chǎn)線進行自動化改造逐步的被提上議事日程。我公司經(jīng)過一段時間的探索和實踐，自主創(chuàng)新了一套對傳統(tǒng)沖壓機床進行自動化生產(chǎn)線改造的系統(tǒng)，經(jīng)過不斷的摸索和改進，現(xiàn)已實現(xiàn)批量生產(chǎn)。這一成果的完成，緊緊貼合了當前人工費用高漲的趨勢下而實現(xiàn)的少人化生產(chǎn)，對進一步降低生產(chǎn)成本大有裨益。

1傳統(tǒng)沖壓機臺及生產(chǎn)線

傳統(tǒng)沖壓即為我們常見的沖壓加工方式，較常見的是單人工單機操作，傳統(tǒng)沖壓加工方式完全依賴人工取放料和操作機床，此方式人工成本高，勞動強度大，加工效率低、尺寸精度以及安全性等都不高。近幾年，隨著沖壓零部件加工行業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了部分單工序多機生產(chǎn)線、單機多工位機臺以及單機連續(xù)模等沖壓件加工方式，以上幾種加工方式雖較單人工單機作業(yè)有一定的提升和改善，但始終需要人工在機臺旁邊或生產(chǎn)線內(nèi)輔助操作和作業(yè)，面對日益嚴峻的用工難和用工貴的問題，對傳統(tǒng)沖壓機臺及生產(chǎn)線進行自動化改造，實現(xiàn)全自動無人化生產(chǎn)就成為了我們研究和探索的課題。同時，我們在研究推進中也重點考量最小化的自動化改造資金投入，而實現(xiàn)全自動化的小型零件沖壓自動化生產(chǎn)，以減少企業(yè)的前期投資。

2對傳統(tǒng)沖壓單工序生產(chǎn)線進行全自動化改造的方案

針對我公司現(xiàn)有的單工序機床配置情況，我們單獨抽出兩臺單機沖床組成兩工序沖壓線，依托現(xiàn)有的機床現(xiàn)狀，在生產(chǎn)線上自主設計增加自動化識別系統(tǒng)、自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)、探測系統(tǒng)等系列自動化設備，讓生產(chǎn)線實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

（一）為了實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)和快速切換的需求，我們在生產(chǎn)線的入口處設計了前端視頻識別上料系統(tǒng)，該系統(tǒng)為獨立的視頻設別系統(tǒng)，安裝于生產(chǎn)線的初始段，可根據(jù)對不同形狀零件的前期導入而實現(xiàn)零件的一鍵切換，我司首批導入2個系列18種零件。（視頻識別系統(tǒng)設計方案，如圖1）

圖1

（二）工位之間我們選用了工業(yè)機器人融入生產(chǎn)線進行零件的傳輸和運送，即，前端自動識別系統(tǒng)將零件識別后，由工業(yè)機器人抓取并初始定位，后序的機器人再將零件放入首工位的模具內(nèi)定位，機器人放料結束后啟動機床進行沖壓加工，同樣，后序的機器人將首序加工完的零件拿出再放入下一工位并啟動機床加工，依次向后推進直到零件加工至最末工位。（設計方案如圖2）

圖2

就像人手操作一樣，工業(yè)機器人完全替代了人工，整個生產(chǎn)線的運行由生產(chǎn)線控制系統(tǒng)對各分系統(tǒng)進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、指揮和控制，此控制系統(tǒng)由我司自主研制，設計初期對我們的現(xiàn)狀進行了充分的調(diào)研，可靠的設計和量身打造的針對性的算法保證各部件統(tǒng)一有序進行作業(yè)，保證產(chǎn)線整體的穩(wěn)定性及安全性，保證各部分相互協(xié)同實現(xiàn)全自動化無人生產(chǎn)。

（三）末端自動出料系統(tǒng)，末端自動出料系統(tǒng)即對產(chǎn)線加工完成的零件進行收集、計數(shù)、分箱、碼垛等作業(yè)，當物料箱零件數(shù)量達到設定值時，傳送帶開始動作，滿箱移走，空箱放入，實現(xiàn)無人作業(yè)。（設計方案如圖3）

圖3

改造后的生產(chǎn)線總體設計方案如圖4所示：

圖4

圖5是設計確定后加工制作并安裝到位的生產(chǎn)線實際情況圖片，可以看出實際與設計基本一致，設計想法在實踐中得到了高度的體現(xiàn)。

圖5

3自動化生產(chǎn)線的應用及快速換模

（一）此生產(chǎn)線配置落地后，便是開始實踐應用到批量生產(chǎn)中，我們前期共設計了2個系列18種零件在此生產(chǎn)線加工，第一期先導入1個系列7種零件。此7種零件形狀各異，很難使用同一夾具拾取，若靠人工配合機器拾取則失去了全自動化加工的初衷，因此，設置和調(diào)試前端自動識別上料系統(tǒng)是第一個應用。前端如何在無人的情況下將雜亂無章的工序零件精準分料、拾取、傳移并放入模具定位里，是我們首先第一步應用的目標。

可采用的分料裝置有很多，比如：磁性分料器、震動盤、仿型夾具等，我們采用的是震動盤，由震動盤通過專用盤工裝把無序的工件有序定向的進行初始識別排列。然后，工件通過傳送帶送到視覺識別設備的攝像頭下，視覺識別系統(tǒng)對工件特性進行設別和捕捉，將工件捕捉信號傳遞給工業(yè)機器人進行工件拾取，至此，第一步的應用基本完成，經(jīng)過調(diào)試，完全達到了設計預期。

為保證線體加工順暢性并縮短生產(chǎn)節(jié)拍，我們在視覺識別后改善增加了定位中轉臺，通過小型號機器人協(xié)同實現(xiàn)快速抓取及工件在中轉臺上精準定位，這樣改善后，工件傳移機器人可以更快速更精確的將工件抓取并放入到模具定位中，有效的避免了偶爾零件放置不到位的情況。

（二）第二步是工業(yè)機器人傳輸傳移系統(tǒng)的應用，根據(jù)我們現(xiàn)狀的2工序生產(chǎn)線我們設置了2臺六軸工業(yè)機器人組成的傳輸傳移系統(tǒng)，通過在機器人手臂接口端設計增加輔助夾爪實現(xiàn)精準的取放料作業(yè)。調(diào)試應用過程中，機器人傳輸系統(tǒng)面臨的最大的難點在于抓取作業(yè)不穩(wěn)定和不順暢，最嚴重的是無法抓取，其原因主要為：①沖壓設備為現(xiàn)有的普通設備，機床老舊，臺面空間小，滑塊行程短、模具開閉高度不一致等問題，使機器人手臂在狹小的模腔進行抓取作業(yè)時空間受限，作業(yè)困難；②受工件和加工工序限制，工序間零件需角度轉換或翻轉，使得機器人抓取零件后放件作業(yè)困難，動作時間過長，造成生產(chǎn)線節(jié)拍緩慢，經(jīng)濟性降低。針對以上現(xiàn)狀問題的深入分析，我們對工業(yè)機器人手臂末端進行了延長式的二次設計改造，增加手臂輔助夾具，新設計的延長夾具更小更薄，適合在狹小空間作業(yè)，二次優(yōu)化改造后我們重新設立機器人原點，并在特定旋轉角度下保證機器人手臂的精度，改造后，可以在不影響節(jié)拍的情況下解決機器人在原設備條件下取放件困難的問題。

（三）生產(chǎn)線末端自動出料系統(tǒng)的應用。零件在最末工位加工后，自動出料系統(tǒng)即對零件進行出料、探測、裝箱、分箱等作業(yè)。因為我們的生產(chǎn)線加工的是小型沖壓件，零件很容易滯留模具內(nèi)，而造成工裝模具夾具損壞等意外情況，所以我們在每個工位和生產(chǎn)線的末端設置了出料探測系統(tǒng)，出現(xiàn)未出料時會停止生產(chǎn)線并呼叫，同時，出料系統(tǒng)會對生產(chǎn)零件進行計數(shù)裝箱和滿箱換箱等自動作業(yè)。

（四）生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)的應用。生產(chǎn)線控制系統(tǒng)做為自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)的核心，對整個自動化生產(chǎn)線有著至關重要的作用，此控制系統(tǒng)主要用來保證各分系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)，同時對整條自動化生產(chǎn)線的可靠性、安全性和生產(chǎn)效率有直接影響，它主要包括協(xié)同作業(yè)控制系統(tǒng)和安全防護控制系統(tǒng)兩部分：①協(xié)同作業(yè)控制系統(tǒng)是對整個生產(chǎn)線自動化生產(chǎn)過程中各分系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)進行控制，協(xié)同作業(yè)的穩(wěn)定性及協(xié)同作業(yè)的效率決定了生產(chǎn)線的順暢性和節(jié)拍，所以對協(xié)同作業(yè)進行動作分解、消除浪費是非常重要的，我們在應用調(diào)試的過程中也是重點關注這一方面；②安全防護控制系統(tǒng)是此自動化生產(chǎn)線安全運行的保障系統(tǒng)，對沖壓生產(chǎn)線而言安全保障是頭等大事，我們在各個卡口設置了多點位的傳感器，所有的傳感器都具有優(yōu)先停止呼叫權，實現(xiàn)全方位的安全保證，確保生產(chǎn)運行過程的人身和設備安全。

（五）當下，國內(nèi)外汽車零部件廠商大都面臨訂單不穩(wěn)定、產(chǎn)品種類多且雜、訂單批量由幾百到幾萬變化多等問題。按精益理念設計的生產(chǎn)線具有高柔性和快換才可以應對以上問題，我公司從2008年開始跟隨豐田汽車公司學習推進精益生產(chǎn)，十幾年的推進經(jīng)驗教訓告訴我們：生產(chǎn)線的生產(chǎn)方式選擇小批量、多批次的精益生產(chǎn)方式，才能減少在庫，才能應對訂單波動，才能降低企業(yè)風險。因此，在生產(chǎn)線設計之初，我們就設想和考慮了生產(chǎn)線要具有柔性和快換的特征，以適應小批量多批次的生產(chǎn)方式。然而，自動化生產(chǎn)線往往柔性較差，如何在我們的自動化生產(chǎn)線實現(xiàn)快速換模和高柔性，是我們自動化改造的重要考慮事項?？焖贀Q模的核心是將內(nèi)切換轉變成外切換，然后再盡可能的縮短內(nèi)切換，經(jīng)過我們認真分析和思考，自動化生產(chǎn)線快速換模的挑戰(zhàn)在兩個方面：①如何保證產(chǎn)線內(nèi)所有的零件在每次切換架模時都能處在同一位置？從而保證機器人能夠正常抓?。虎谌绾伪ＷC產(chǎn)線內(nèi)所有的零件換模后，沖床滑塊不需要做太大調(diào)整？于是，我們一方面對機床臺面進行了改造，增加了模具定位基準；另一方面對模具進行標準化改造，增加快速定位接口，閉合高度一致化等，再增加快速壓板，多措施并舉實現(xiàn)了快換，經(jīng)過現(xiàn)場實踐換?？梢?分鐘內(nèi)完成，有效的提升了自動化生產(chǎn)線的柔性。

4發(fā)展方向展望

我們通過對普通沖壓機臺的自動化生產(chǎn)線改造實踐，實現(xiàn)了2工序小型沖壓件的自動化批量生產(chǎn)，掌握和積累了對傳統(tǒng)沖壓機臺的自動化改造思路和經(jīng)驗，緊緊貼合了當下工業(yè)4.0的發(fā)展步伐，自主創(chuàng)出了一套軟硬件具備的自動化發(fā)展路徑。下一步我們將繼續(xù)推進更多工序、更復雜零件的傳統(tǒng)單工序沖壓加工的自動化改造。對傳統(tǒng)的單工序沖床進行自動化改造是一條可行的路徑，沖壓自動生產(chǎn)線具有效率高、不停歇、過程穩(wěn)定、安全系數(shù)高的特點，不但可以少人化、無人化生產(chǎn)，緩解人力短缺的壓力，降低企業(yè)的用工成本，而且可以提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定提升產(chǎn)品質(zhì)量，使企業(yè)老舊的沖壓設備煥發(fā)新的生機，為企業(yè)進一步降本增效作出貢獻。隨著社會的不斷發(fā)展，科技力量的不斷迭代，相信還會有更加先進的自動化手段投入到?jīng)_壓加工行業(yè)中，屆時我們也會緊跟步伐進行更深一級的嘗試和探索。