沖壓自動化生產(chǎn)線的改造及應用

全洪杰，李國臣，曹會元

（1.東莞市豪順精密科技有限公司，廣東東莞 523808；2.東莞職業(yè)技術學院，廣東東莞 523808）

1 引言

五金沖壓是最基礎的制造業(yè)，直接體現(xiàn)了一個國家制造業(yè)水平的高低。沖壓生產(chǎn)企業(yè)尤其是中小型企業(yè)普遍采用的是傳統(tǒng)壓力機加人工上下件的半自動沖壓生產(chǎn)線。相比自動化生產(chǎn)線，人工沖壓生產(chǎn)線普遍存在安全系數(shù)低、生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率低、沖壓件質量不穩(wěn)定等缺點[1]。自動化沖壓生產(chǎn)線取代傳統(tǒng)人工沖壓生產(chǎn)線已經(jīng)成為自動化發(fā)展的大趨勢。

2 公司當前狀況

東莞市豪順精密科技有限公司主要從事液晶模組背板，汽車五金件等模具設計的開發(fā)及制件沖壓生產(chǎn)。液晶電視背板沖壓生產(chǎn)一般需要6~7道工序，包括拉凸?沖孔?打刻印線?折彎?整形?壓毛刺。若制件需要安裝，還需要增加鉚接工序。自動化沖壓生產(chǎn)線升級改造前，公司采用的“普通壓力機+人工上下件”的生產(chǎn)方式，如圖1 所示。沖壓開始前，人工分離板材并放置于模具下模工作面，然后人工操作沖床按鍵，完成一個工序沖壓后人工取件送往下一個工序。若背板制件需要鉚接鉚釘，還需要人工搬運成形后的背板到?jīng)_床進行鉚接處理。可以看出，自動化生產(chǎn)線改造之前的沖壓方式人力成本高且生產(chǎn)效率低下，人工作業(yè)的不穩(wěn)定性導致制件合格率不高。同時大型電視背板平均重量高達4.8kg/件，傳統(tǒng)人工生產(chǎn)若按每天10h生產(chǎn)3,000件背板計算，則每人每天平均需要搬運14,400kg的制件，較大的勞動強度導致生產(chǎn)線人員流動較大。

圖1 人工沖壓線示意圖

在進行自動化沖壓生產(chǎn)線改造之前，公司已經(jīng)擁有近百臺沖床設備，設置了13條沖壓生產(chǎn)線，如果引進整條自動化生產(chǎn)線，不僅會造成原有設備的浪費，對公司財務也會造成很大的壓力，所以在現(xiàn)有設備基礎上進行生產(chǎn)線升級改造是較為實際的選擇。

公司期望通過生產(chǎn)線自動化升級改造達到以下預期目標：

（1）公司通過持續(xù)多方位技術改造，并在3年內(nèi)收回自動化產(chǎn)線投入成本。

（2）項目改造完成后，產(chǎn)能提高18%~20%，節(jié)能降耗15%以上。

（3）改造后制件合格率穩(wěn)定保持在95%以上。

3 自動產(chǎn)線方案設計

3.1 自動化沖壓生產(chǎn)線

隨著國內(nèi)外自動沖壓生產(chǎn)技術的不斷發(fā)展進步，目前國內(nèi)沖壓企業(yè)常用的自動化生產(chǎn)線包括傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)線，單機聯(lián)線自動化沖壓線，大型多工位壓力機等。

近年來，單機聯(lián)線自動化沖壓線在國內(nèi)發(fā)展迅速，勢頭強勁，成為自動化沖壓生產(chǎn)的先進技術之一[2]。其常見配置是通過機械手或機器人將6~7臺高自動化程度的壓力機串聯(lián)起來，并配備自動送料機，碼垛機等輔助設備。它們既可以實現(xiàn)操作性好的單工序連續(xù)沖壓，又可以通過多工位送料裝置實現(xiàn)多工位連續(xù)沖壓。制件沖壓質量穩(wěn)定可靠、柔性好、生產(chǎn)安全性能高且成本低，受到各大沖壓生產(chǎn)企業(yè)的青睞。

大型多工位壓力機是目前世界上最先進，最高效的板材沖壓機[2]。它一般包括柴垛機，多工位壓力機，自動送料系統(tǒng)和碼垛系統(tǒng)。相比其他自動生產(chǎn)線，大型多工位壓力機可以實現(xiàn)高度自動化并大幅度提高沖壓生產(chǎn)效率，多用于大型覆蓋件的沖壓生產(chǎn)如汽車車身等。由于造價昂貴且柔性不及單機聯(lián)線自動化生產(chǎn)線，國內(nèi)很多汽車企業(yè)對此還比較排斥。

綜上所述，考慮到一方面公司的制件為大型液晶電視背板，尺寸分布在29 寸~65 寸之間，另一方面公司現(xiàn)存上百臺不同噸位的壓力機，結合成本情況，公司選擇單機聯(lián)線的方式進行自動化沖壓線改造。

3.2 送料系統(tǒng)選擇

自動化送料系統(tǒng)是實現(xiàn)自動化沖壓生產(chǎn)的基本要求和根本保證，合適的送料方式能顯著提高自動化生產(chǎn)效率。目前，常見的送料系統(tǒng)主要包括3類：輥式送料系統(tǒng)，抓料機械手/機器人加搬運小車送料機構，活動式送料機械手[3]。

輥式送料系統(tǒng)是利用輥子與原材之間的摩擦力作為驅動力的送料裝置，具有占地面積小，不局限材料類型尺寸等優(yōu)點，常用于卷料運送。而公司購買原材一般是已經(jīng)截好的板料，輥式送料并不適用。

抓料機械手加搬運小車送料機構一般包括上下料機械手和搬運小車，機械手負責抓取壓力機或搬運小車上的物料，搬運小車主要用于控制物料運輸速率，可以在其上對制件進行一些簡單處理。該自動運送機構抓料機械手和送料小車結構類型多變，抓料機械手可以是旋轉式，直線式，也可以是機器人，送料小車也可以是傳送帶或傳送軌道。具體運料結構選取要綜合考慮公司生產(chǎn)情況，設備情況就制件特點。該送料機構結構簡單，穩(wěn)定可靠，快速高效，在國內(nèi)沖壓企業(yè)得到廣泛應用。

活動送料機械手可以方便地安裝在兩臺壓力機之間完成生產(chǎn)線的串聯(lián)，具有柔性化高，效率高，成本低等優(yōu)點。根據(jù)機械手運動軌跡可以分為旋轉式機械手和直線式機械手。其中直線式機械手只有水平和豎直兩個運動副，裝在橫桿兩端的拾器隨縱向運動抓取板料，然后隨橫向運動送進板料，最后橫向復位，完成一個運動周期，直線式機械手結構簡單，送料節(jié)拍快，生產(chǎn)柔性高，在單機聯(lián)線自動化沖壓改造中得到迅速推廣。

3.3 同步控制

活動送料機械手可以方便地安裝在兩臺壓力機之間完成生產(chǎn)線的串聯(lián)，具有柔性化高，效率高，成本低等優(yōu)點[4]。根據(jù)機械手運動軌跡可以分為旋轉式機械手和直線式機械手。其中直線式機械手只有水平和豎直兩個運動副，裝在橫桿兩端的拾器隨縱向運動抓取板料，然后隨橫向運動送進板料，最后橫向復位，完成一個運動周期，結構如圖2所示。直線式機械手結構簡單，送料節(jié)拍快，生產(chǎn)柔性高，在單機聯(lián)線自動化沖壓改造中得到迅速推廣。

圖2 直線式機械手

4 自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)

綜合上述分析，購置相應的生產(chǎn)設備，最終搭建自動化生產(chǎn)線如圖3、圖4 所示。前面提到由于公司背板制件要求不同且公司沖壓生產(chǎn)線較多，所以自動化改造時針對制件進行了2種不同方式的改造。第一種方式如圖3所示，在產(chǎn)線第一臺壓力機之前加裝自動送料機，完成板材分離及送料，壓力機之間加裝直線式機械手完成兩臺壓力機之間物料的運送。對于需要鉚接螺釘?shù)碾娨暠嘲澹T接之前需要人工放置螺釘，若采用3 所示的生產(chǎn)線，一方面放置螺釘時間較長，會降低整體生產(chǎn)節(jié)拍，造成生產(chǎn)效率下降，另一個方面人工作業(yè)存在一定的安全隱患。根據(jù)實際情況，在圖3 的基礎上設計了圖4 所示的自動化沖壓產(chǎn)線，在鉚接螺釘?shù)臎_床前加裝了前后移載機或自動移送軌道，實現(xiàn)人機分離，安全作業(yè)。

圖3 背板沖壓自動化產(chǎn)線（無鉚接）

圖4 背板自動化沖壓產(chǎn)線（含鉚接）

5 總結

本文以液晶電視背板自動化沖壓生產(chǎn)線升級改造為例，綜合考慮企業(yè)成本、制件特點及生產(chǎn)狀況，在沖壓自動線生產(chǎn)上完成自動化，合理利用現(xiàn)有設備布局。通過自動化沖壓生產(chǎn)線升級改造，每條生產(chǎn)線節(jié)省12 人，產(chǎn)能提升近一倍，制件不良率降低了75%。整體項目完成歷時3 年，并在3 年內(nèi)實現(xiàn)了投入成本回收，節(jié)能減耗15%以上，達到了減員增效提質的良好效果，為中小型沖壓企業(yè)自動化生產(chǎn)線設計改造具有一定的借鑒意義。