早期人工沖壓線的自動化改造

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化改造

文/李文杰·上海匯眾汽車制造有限公司

多臺壓機串聯的人工沖壓線由于構成系統復雜、環節較多，在進行自動化改造時，須根據廠房、設備、產品等信息，綜合考慮包括壓機工作臺形式、設備主要參數、廢料收集與傳輸形式等各個方面因素，給出合理的整改措施。

多臺壓機串聯的人工沖壓線由于構成系統復雜、環節較多，在進行自動化改造時，須根據廠房、設備、產品等信息，綜合考慮包括壓機工作臺形式、設備主要參數、廢料收集與傳輸形式等各個方面因素，給出合理的整改措施。

隨著國內汽車制造業的快速發展，行業內的競爭、企業降本的壓力逐年加劇，在提高產品質量穩定性、生產效率方面，采用自動化生產方式的優勢愈加明顯。許多企業在投建新沖壓線時會根據本企業的產品特性選用多臺壓機串（并）聯自動線，或單臺多工位壓機沖壓自動線、連續模開卷成形沖壓自動線、開卷落料多工位壓機沖壓自動線，或對早期的人工沖壓線進行自動化或半自動改造，以提高產品質量、生產效率，實現減員增效的目的。本文僅探討早期多臺壓機串聯人工沖壓線的自動化改造方法。

早期多臺壓機串聯的人工沖壓線概述

串聯沖壓線（圖1）一般是指由4～6臺壓機以工作臺前后相鄰的方式沿生產線物流方向排列，早期沖壓線設備安裝基礎有獨立式、帶式（地溝式）兩種，帶式基礎可以在地溝內安裝廢料傳送鏈（圖2）以實現廢料的自動收集。壓機種類有機械式、液壓式兩種，機械式壓機前期所需投資多，但生產效率高、維護成本低；液壓式壓機前期所需投資少，但生產效率低、使用維護成本高、對模具保護性能差。

圖1 串聯式人工沖壓線

圖2 地溝式廢料傳送鏈

早期壓機工作臺安裝形式有固定工作臺、移動工作臺兩種形式。固定工作臺換模不方便、停機時間長，設備利用率低。移動工作臺從移動方向上可分為前后移動方式和側向移動方式兩種，從工作臺數量上又分單移動工作臺、雙移動工作臺兩種形式。單移動工作臺雖然換模方便，但由于不能提前做換模準備工作，縮短停機時間的效果不明顯，設備利用率依然不高；采用雙移動工作臺形式時，可以提前做換模準備工作、生產線停機時間短、設備利用率高，20世紀90年代后制造的壓機設備（包括人工線、自動線）的工作臺安裝多采用 “I” 形或“T”形雙移動工作臺形式（圖3），這兩種形式相比，“T”形占用場地面積相對少些。

圖3 雙移動工作臺形式

早期人工沖壓線采用的壓機在設備主要參數設計上表現為：⑴滑塊每分鐘行程次數SPM (次/min）偏低，630～800t雙點壓機SPM通常為10～12次/min；⑵滑塊行程小，630～800t雙點壓機滑塊行程僅為500mm。

多臺壓機串聯自動沖壓線構成

就生產線設備構成而言，自動沖壓線可分為壓機設備部分和自動化系統設施部分。自動化系統通常包括：線首拆垛系統、線中自動傳輸系統、線尾出件系統、安全控制系統。

線首拆垛系統

沖壓自動化拆垛系統（圖4）主要包括上料小車（為保證生產線連續運行通常采用2臺軌道移動式小車，每個上料小車上配備4～8個活動可調的磁力分張器，用于板料的分離）、拆垛手（機械手或機器人）、傳送裝置（多為磁性皮帶機）、板料清洗機（可選項）、板料涂油機（可選項）、板料對中臺及控制系統等。

圖4 自動化拆垛系統

上料小車（可包括托盤，托盤在小車上設置有定位）裝載料垛由裝垛位置運行到拆垛位置后，板料由拆垛手從料垛拾取，通過傳送裝置穿過清洗機、涂油機到達對中臺；板料經過對中定位后，便可開始后序沖壓生產。板料從拆垛手到對中臺位置需經過兩次雙料檢測，以保證壓機與模具的安全性，自動化生產線的各個環節在規劃階段應盡可能做到絕對的安全可靠。清洗機、涂油機也可設置為可離線式，不使用時可沿軌道開出，空位由皮帶機填補；通常，生產外覆蓋件時使用清洗機，生產內覆蓋件時使用涂油機。板料對中通常采用的方式有機械拍打式、光學視覺（圖像掃描）對中式。機械拍打式結構簡單、工作穩定、成本低，但對板料形狀的適應性差、調整費時麻煩；視覺對中速度快精度高、對板料形狀適應性好、對中范圍寬、對料垛整齊性要求低，但對生產環境要求高、成本略高。兩種對中方式各有一定的適用范圍，企業應根據自動線搬運系統（機械手或機器人）形式、產品種類（覆蓋件或結構件）的工藝規則（雙料片排列形式）謹慎選定。

線中自動傳輸系統

自動傳輸系統是指從生產線第一臺壓機的上料手至最后一臺壓機的下料手之間的搬運傳輸機構，用于各壓機（工序）間毛坯或工件的搬運傳輸，形式主要有機器人和機械手兩種（圖5）。

圖5 自動傳輸系統的形式種類

隨著沖壓自動化技術的不斷進步，傳輸機構的形式日新月異，但主要形式仍可劃分為機器人、機械手或兩者結合運用的生產線種類。專業生產沖壓自動化機器人的國際品牌有ABB、庫卡、發那科、安川等，單、雙臂機械手的國際品牌有固德爾、施特曼、舒勒、小松等。單臂或雙臂橫桿式機械手傳送機構速度高、穩定性好，可將多臺高速壓機集成為SPM達12～15次/min的高速自動沖壓線，成為目前汽車行業新建沖壓線的首選。另外，隨著機器人傳輸技術的發展和行業競爭的促進，目前國外也出現了SPM達12～15次/min的雙臂機器人高速自動沖壓線。

機器人傳輸系統通常速度慢、臂長易抖動，穩定性差，但機器人系統柔性好、標準化程度高、投資與使用維護成本低。因此，在組建速度較低、投入較少的生產線及老線改造時通常采用這種方式。單臂機械手相對機器人形式來講有著較高的穩定性、較高的生產速度，對模具結構的要求與機器人系統基本相同，但國產化、標準化程度低，目前被國外品牌所壟斷，造價相對較高，可用于壓機狀況較好、滑塊行程次數高的人工線的自動化改造，其相對雙臂橫桿式系統又有著較低的投入成本、生產批次柔性更好、模具結構要求低的特點，所以單臂機械手在目前國內沖壓工廠新線的規劃中亦被廣泛采用。

線尾出件系統

線尾出件系統由出料輸送帶、照明、工件檢驗臺、人工或自動裝箱機構及控制系統等構成，其主要任務是將成品沖壓件輸送至合適的位置以便于人工檢查、裝箱（或自動裝箱）。

安全防護系統

安全防護系統采用圍欄和光柵配合，對于高速、高危險的區域一律要安裝安全圍欄；而低速運行的區域如板料小車退出的非工作區域需安裝安全光柵，若光柵被遮擋則安全系統中會有報警提示。

在安裝安全圍欄的封閉區域內安裝安全門，當生產或維修人員需要進入封閉單元時，首先需要向安全門控制盒發出進入的請求，此時單元內的設備將運行至安全位置并切斷電源供應，安全指示燈指示安全后人員方可進入作業。在每個封閉區域內還設置有逃生門，主要是當區域內出現意外情況時供人員緊急撤出使用。逃生門只允許從單元內部打開，當逃生門在打開狀態時整線設備都處于安全狀態。為避免設備誤動作并方便生產人員操作，整線集成所有端拾器的光電傳感器和模具內安裝的工件到位檢測傳感器，對生產全過程進行有效跟蹤，當零件意外掉落或工件在模具內的位置不正確時，傳感器檢測出意外情況發生就會阻止系統繼續運行以保護設備或模具。

多臺壓機串聯自動沖壓線形式及特性

多臺壓機串聯布置的自動沖壓線比較適合于車身內外覆蓋件及大中型車身結構件的沖壓生產，目前該類型的沖壓自動線按搬運傳輸機構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化改造存在的問題與解決措施

對早期人工沖壓線做自動化改造時，通常遇到的問題是壓機工作臺形式、設備主要參數（滑塊行程、SPM）、廢料收集與傳輸形式三方面存在的不足。

■ 表1 多臺壓機串聯沖壓自動線形式及特性

圖6 機械手單元換模時可左右側移動

壓機工作臺形式

早期壓力機的工作臺通常為固定式或前后移動的單工作臺，這兩種形式在更換模具時停機時間長，設備利用率偏低；在后期做自動化改造時，自動化系統的布置不能占據換模區域或在更換模具時能夠移出換模區域。采用機器人傳輸系統時，機器人安裝底座需避開工作臺移動區域；采用單臂機械手搬運系統時，單臂機械手單元應能沿設備左右側移動，移出換模區域（圖6）。

設備主要參數

對人工線進行自動化改造時，需要重點關注的壓機參數主要有兩個：滑塊行程、SPM。

⑴滑塊行程。制定自動化改造方案時雖然要考慮的壓機參數有很多，但其中壓機滑塊行程的大小直接影響自動化實現的可行性及難易程度而需重點關注。滑塊行程的大小與所生產沖壓件的拉深或成形高度，決定著傳輸機構手臂和端拾器的高度、壓機間工件的運轉形式（前后工序轉180。或平移）的選擇；確定手臂和端拾器高度及工件運轉形式時，必須保證上、下料手抓取工件后在水平運動過程中手臂和端拾器與上模最低點及下模最高點保持足夠的安全空間（圖7）。壓機間搬運系統采用六軸機器人時，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180。；采用七軸機器人時，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、雙臂機械手時，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 壓機行程與手臂和端拾器、工件高度關系示意圖

目前自動沖壓線工作模式分單次（也稱斷續）運行模式和連續運行模式。單次運行模式工作過程中，下料手（下料機械手/機器人）需等到壓機完成整個沖壓循環滑塊回到上死點停止后才開始動作，上料手（上料機械手/機器人）需等下料手退出壓機工作區域后才開始啟動，而壓機滑塊又需等上料手完全退出壓機工作區域后再開始下行，每個循環周期長、整線生產節拍低。連續運行模式工作過程中，上、下料手和壓機滑塊同步啟動，下料手在滑塊回程上行到一定角度（回到上死點前）后便開始取件，上料手在滑塊下行到一定角度前完成送件，整個過程在保證不出現干涉的情況下完成取送件動作。早期人工沖壓線壓機滑塊的行程小，630～800t雙點壓機滑塊行程僅為500mm，工作循環給自動化傳輸系統的運行空間、過程循環時間不夠，上、下料手運行很難實現與壓機滑塊同步、避免干涉，此時改造后自動線的工作模式只能選用單次運行模式。

⑵SPM。早期人工沖壓線壓力機滑塊的SPM低，630～800t雙點壓機SPM通常為10～12次/min，此時自動化改造傳輸系統形式的選擇應與壓機的SPM相匹配。通常壓機SPM小于10次/min時，自動傳輸系統選擇機器人；SPM大于12次/min時，傳輸系統可選擇單臂機械手，以充分發揮壓機和自動化傳輸系統的潛力，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的安裝基礎若未采用帶式基礎，或未在帶式基礎的地溝內安裝廢料收集傳送鏈，在后期做自動化改造時可以在地面設置廢料收集傳輸裝置（圖8）。生產時模具中的廢料可采用滑槽（坡度在20。～25。之間時，用網紋板；坡度小于20。時，用振動器式）使廢料滑至壓機工作臺前、后側設置的傳送鏈上，再由金屬傳送鏈輸送到安全護欄外的廢料箱中（廢料箱為可移動式，也可用液壓小車或叉車更換）。

結束語

對早期人工沖壓線做自動化改造方案時，若對上述三個方面的問題都相應做出了切實可行的解決措施，那么自動化改造的目標是完全可以實現的。隨著國內汽車行業產能的快速提升、人工成本的增加，傳統的人工沖壓生產線效率低下、產品質量穩定性差、安全性低等缺點越來越明顯，進而影響企業的發展。而自動化生產線恰好可以讓這些問題得到解決，較好的安全性、較高的生產率、穩定的產品質量以及批量生產條件下更低的單件生產成本是自動化沖壓生產線的亮點。目前我國汽車企業沖壓車間正全面走向自動化生產，全新自動化高速沖壓線的大量投入、對傳統人工沖壓線的自動化改造已成為行業趨勢。

李文杰，高級工程師，主要從事汽車行業轎車底盤結構件大型連續模、多工位傳遞模的沖壓工藝與模具設計、制造及沖壓車間設備管理工作。