沖壓模具庫快速換模系統(tǒng)的研究與運用

文／蔣鑫強，徐煒，黃宣凱，莫凡·格力電器（南京）有限公司

隨著市場競爭的日益加劇，需求的多樣化衍生出沖壓制品的多樣化，共存品種越來越多，多品種、中小批量生產(chǎn)的情況逐漸成為主流，因此，模具的更換時間間隔長，切換頻次低將嚴重影響生產(chǎn)效率與制約產(chǎn)出量。目前，我公司鈑金車間換模工序使用螺栓與壓板鎖模，用機動叉車來轉(zhuǎn)運與放置模具，不但效率低，還存在巨大的安全隱患。在生產(chǎn)線體換模期間，需要投入3 個以上的換模工，換模時長也在1 小時以上，勞動強度高且十分危險。在此背景下，隨著換模頻率的增加，傳統(tǒng)的換模和模具管理還面臨著因模具數(shù)量多而導(dǎo)致的人工管理混亂等的問題。為了解決這一系列生產(chǎn)痛點，本項目組選擇先進的鈑金模具庫與搭配快速換模系統(tǒng)的方案來系統(tǒng)地解決問題，本文以6×400t 和5×250t 機器人自動沖壓生產(chǎn)線的快速換模系統(tǒng)為例展開論述。

模具庫快速換模系統(tǒng)介紹

主要用途

生產(chǎn)線體快速換模系統(tǒng)用于沖壓生產(chǎn)線區(qū)域與模具庫之間的自動化調(diào)度、模具自動對接、轉(zhuǎn)運、緩存模具等，可以顯著提高模具切換效率。模具庫用于模具存儲、輔助快速換模等，實現(xiàn)模具從立體庫到線體的全自動對接及切換。

主要功能邏輯

主要圍繞模具運輸車、自動化模具立體庫和生產(chǎn)線三者，以控制系統(tǒng)來實現(xiàn)各項生產(chǎn)信息的互通傳遞，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)模具、自動化模具立體庫、雙工位換模臺車、生產(chǎn)線模具存儲總庫之間的自動化調(diào)度、模具自動對接、轉(zhuǎn)運、緩存模具等功能。按照調(diào)度系統(tǒng)提出的請求，換模運輸車移動到指定位置完成自動取模及放模，實現(xiàn)模具在自動化模具立體庫、雙工位換模臺車、生產(chǎn)線、模具存儲總庫之間的自動切換。

模具庫快速換模系統(tǒng)組成

6×400t 機器人生產(chǎn)線快速換模系統(tǒng)組成

圖1 為6×400t 機器人生產(chǎn)線快速換模系統(tǒng)CAD示意圖，主要由智能模具立體倉庫的48 個庫位、雙向推拉式堆垛機1 臺、動力滾筒式模具周轉(zhuǎn)平臺、無接觸供電智能重載運模臺車1 臺、有軌換模臺車6 臺、WMS(管理程序)、WCS(控制程序)系統(tǒng)等組成。

圖1 6×400t 機器人生產(chǎn)線快速換模系統(tǒng)示意圖

5×250t 機器人生產(chǎn)線快速換模系統(tǒng)組成

圖2 為5×250t 機器人生產(chǎn)線快速換模系統(tǒng)CAD示意圖，快速換模系統(tǒng)主要由智能模具立體倉庫的36 個庫位、雙向推拉式堆垛機1 臺、動力滾筒式模具周轉(zhuǎn)平臺、無接觸供電智能重載運模臺車2 臺(含推拉裝置)、WMS(管理程序)、WCS(控制程序)系統(tǒng)等組成。

圖2 5×250t 機器人生產(chǎn)線快速換模系統(tǒng)示意圖

模具庫快速換模系統(tǒng)作業(yè)流程

整體作業(yè)流程

輸入立體倉庫的管理程序和控制程序指令→堆垛機將生產(chǎn)所需要的模具運送到動力滾筒式模具周轉(zhuǎn)平臺→出庫時，無接觸供電智能重載運模臺車對接好模具周轉(zhuǎn)平臺，通過其上設(shè)有的模具推拉裝置把模具拉到自身平臺上(入庫時，運模車平臺上的模具通過推拉裝置被推至動力滾筒周轉(zhuǎn)平臺上)→運模臺車通過程序自動導(dǎo)航、自控定位運模到程序指令中指定沖床位置。

6×400t 機器人生產(chǎn)線：到達指定沖床位置后→運模臺車上的推拉機構(gòu)把模具推至有軌換模臺車，再由換模臺車傳遞至沖床平臺內(nèi)正確位置。

5×250t 機器人生產(chǎn)線：到達指定沖床位置后→運模臺車上的推拉機構(gòu)把模具推至倍速鏈上接收區(qū)域→模具通過倍速鏈流動到每一個設(shè)定好的沖床位置→由倍速鏈將模具傳遞進沖床平臺內(nèi)。

圖3 為整體的快速換模系統(tǒng)示意圖，快速換模系統(tǒng)實現(xiàn)6×400t 機器人生產(chǎn)線整線備模時間不超過60 分鐘，6 臺壓力機同時換模時間不超過5 分鐘。5×250t 機器人生產(chǎn)線30 分鐘之內(nèi)完成5 臺壓機的裝模、卸模過程，單次進模、裝模、卸模過程的總時間不超過10 分鐘。模具庫現(xiàn)場見圖4。

圖3 整體快速換模系統(tǒng)示意圖

圖4 模具庫現(xiàn)場

模具立體庫作業(yè)流程

模具庫庫體放模平面采用平板滾筒結(jié)構(gòu)，通過堆垛機上的推拉機構(gòu)直接將模具推拉到堆垛機上。堆垛機接到指令后通過上下、水平方向行走，把模具運到立體倉庫底部的模具轉(zhuǎn)換周轉(zhuǎn)平臺上，運模臺車上的推拉裝置把模具拉到臺車上，再由臺車直接對接沖床完成換模工作流程。

智能模具立體倉庫系統(tǒng)，由模具堆垛機、模具庫庫體及滾筒式模具周轉(zhuǎn)平臺構(gòu)成，通過調(diào)度軟件管理，為沖壓生產(chǎn)所用模具提供存儲空間。出入庫流程如圖5 所示。

圖5 出入庫流程圖

堆垛機作業(yè)流程

堆垛機如圖6 所示，由行走電機通過驅(qū)動軸帶動車輪在下導(dǎo)軌上做水平運動；由提升電機通過鋼絲繩帶動載貨臺做垂直升降運動；由載貨臺上的推拉機構(gòu)做伸縮運動。通過三維運動組合可將指定貨位的貨物取出或?qū)⒇浳锼腿胫付ㄘ浳唬渲行凶哒J址器用于控制堆垛機水平行走位置，提升認址器用于控制載貨臺升降位置。整體是通過激光或者條碼認址和光電識別，以及光通訊信號的轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)計算機控制，亦可實現(xiàn)機上控制盤的手動和半自動、全自動控制。

圖6 堆垛機示意圖

模具周轉(zhuǎn)平臺作業(yè)流程

圖7 為模具周轉(zhuǎn)平臺，存模時運模臺車到達指定位置，運模臺車底部四角液壓缸頂升整個臺車至與周轉(zhuǎn)平臺對平。然后臺車與周轉(zhuǎn)平臺滾筒同時同向運動來傳遞模具(取模時動作反向)。模具傳遞完成后，庫內(nèi)堆垛機往返運行在周轉(zhuǎn)平臺與模具庫位之間進行存取模。

圖7 模具周轉(zhuǎn)平臺

無接觸式供電運模臺車作業(yè)流程

運模臺車是無接觸供電，程序控制自動導(dǎo)航，中間驅(qū)動輪能夠90°旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)彎、前進、后退、橫移運動，底部四角設(shè)計油缸用于頂升整個臺車、周轉(zhuǎn)平臺和沖床對接時先頂升臺車(防止傳遞模具時位移)、動力滾筒推拉裝置推拉模具、自動導(dǎo)向輪負責導(dǎo)向。整車前后采用激光安全掃描儀式剎車，車體四面采用電子感應(yīng)防撞剎車條，前后設(shè)置報警LED 紅色閃爍燈。運模臺車結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8 運模臺車結(jié)構(gòu)圖

運模臺車采用的“非接觸供電系統(tǒng)”由地下高頻電纜通電后，車底部安裝的取電電路板直接持續(xù)對驅(qū)動伺服電機供電，伺服電機則驅(qū)動車上變速箱帶動驅(qū)動輪讓車子行走，非接觸供電技術(shù)提供電能時沒有任何的機構(gòu)連接。

圖9 為地面供電系統(tǒng)(平板型取電器)，其感應(yīng)原理類似于變壓器的主副線圈之間的電能轉(zhuǎn)移。在變壓器內(nèi)部，初級線圈和次級線圈繞組在一個共同的封閉鐵磁核心上，而非接觸供電技術(shù)則使初級線圈“延伸”為一個長的閉環(huán)，次級線圈繞在一個開放的鐵磁核心上，這樣使得兩個繞阻能進行相對運動，當高傳輸頻率的時候，將使傳輸性能最優(yōu)化。

圖9 地面供電系統(tǒng)(平板型取電器)

有軌臺車作業(yè)流程

共計有6 套有軌臺車(圖10)應(yīng)用于6×400t 生產(chǎn)線，每套有軌臺車含有雙工位，通過液壓缸定位到壓力機前指定位置。

圖10 有軌臺車圖

作業(yè)流程：如圖11 所示，運模臺車把新模具對接到有軌臺車前，通過推拉裝置將模具轉(zhuǎn)移至有軌臺車，有軌臺車橫移1.5 米將另外一個工位對準壓力機，通過升降推拉把舊模從壓力機內(nèi)拉出，再經(jīng)過動力滾筒線將舊模傳遞至運模臺車，從而實現(xiàn)快速傳遞模具。待所有新模具備好和舊模具拉出后，6 臺有軌臺車同步反向橫移1.5 米，油缸定位后經(jīng)過兩級推拉傳遞新模具至壓力機。

圖11 有軌臺車與運模臺車對接圖

全線采用電腦程序集中控制，主操作臺具有數(shù)字顯示、工作指令、故障報警等功能，以及包括調(diào)速系統(tǒng)和程序控制器。其他電器控制元件采用進口產(chǎn)品或相同檔次的合資產(chǎn)品，例如標準電柜、按鈕盒、檢測元件等。利用觸摸屏或系統(tǒng)程序控制，可方便地設(shè)定、修改生產(chǎn)工藝參數(shù)，速度參數(shù)等；方便地進行手動、模具單動、聯(lián)動、全自動方式的切換，以及監(jiān)視各部的運行狀態(tài)，確保生產(chǎn)線的安全、高效運行。

項目效益介紹

本項目完成落地后，取得的項目管理成果如下。

降低產(chǎn)能損失，減少切換工時

換模時間由平均1.5 小時每次，減少到15 分鐘每次，預(yù)計每年可減少產(chǎn)能損失220 萬元；減少切換補貼工時，按照目前生產(chǎn)情況可每月減少10000分鐘；減少調(diào)模人員投入3 人每班，轉(zhuǎn)為直接生產(chǎn)人員產(chǎn)出工時。

輸出模具快速切換系統(tǒng)和模具智慧管理系統(tǒng)

覆蓋面廣泛，包含6×400t 和5×250t 共計2 條線體的自動換模，以及修模區(qū)、250t、200t 單機模具存儲。形成沖壓車間除500t 連續(xù)模外的所有模具的車間模具智能管理，能夠如實展示400t 及以下模具的明細和狀態(tài)，便于模具保養(yǎng)、高效找模、模具使用的信息化管理。

提升現(xiàn)場5S 水平

以本文提到的模具庫為例，可實現(xiàn)模具存儲288副，減少場地占用面積688m2。從模具寬度方向取模與擺放模具，可增加30%的庫位，同時，也改善了原擺放模具的地面的臟亂差問題。模具不再需要通過行車與叉車進行周轉(zhuǎn)，杜絕了周轉(zhuǎn)過程中的安全隱患。