沖壓模具庫快速換模系統的研究與運用

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效率與制約產出量。目前，我公司鈑金車間換模工序使用螺栓與壓板鎖模，用機動叉車來轉運與放置模具，不但效率低，還存在巨大的安全隱患。在生產線體換模期間，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，傳統的換模和模具管理還面臨著因模具數量多而導致的人工管理混亂等的問題。為了解決這一系列生產痛點，本項目組選擇先進的鈑金模具庫與搭配快速換模系統的方案來系統地解決問題，本文以6×400t 和5×250t 機器人自動沖壓生產線的快速換模系統為例展開論述。

模具庫快速換模系統介紹

主要用途

生產線體快速換模系統用于沖壓生產線區域與模具庫之間的自動化調度、模具自動對接、轉運、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線三者，以控制系統來實現各項生產信息的互通傳遞，實現區域內模具、自動化模具立體庫、雙工位換模臺車、生產線模具存儲總庫之間的自動化調度、模具自動對接、轉運、緩存模具等功能。按照調度系統提出的請求，換模運輸車移動到指定位置完成自動取模及放模，實現模具在自動化模具立體庫、雙工位換模臺車、生產線、模具存儲總庫之間的自動切換。

模具庫快速換模系統組成

6×400t 機器人生產線快速換模系統組成

圖1 為6×400t 機器人生產線快速換模系統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)系統等組成。

圖1 6×400t 機器人生產線快速換模系統示意圖

5×250t 機器人生產線快速換模系統組成

圖2 為5×250t 機器人生產線快速換模系統CAD示意圖，快速換模系統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)系統等組成。

圖2 5×250t 機器人生產線快速換模系統示意圖

模具庫快速換模系統作業流程

整體作業流程

輸入立體倉庫的管理程序和控制程序指令→堆垛機將生產所需要的模具運送到動力滾筒式模具周轉平臺→出庫時，無接觸供電智能重載運模臺車對接好模具周轉平臺，通過其上設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平臺上)→運模臺車通過程序自動導航、自控定位運模到程序指令中指定沖床位置。

6×400t 機器人生產線：到達指定沖床位置后→運模臺車上的推拉機構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正確位置。

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

圖3 為整體的快速換模系統示意圖，快速換模系統實現6×400t 機器人生產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 機器人生產線30 分鐘之內完成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。模具庫現場見圖4。

圖3 整體快速換模系統示意圖

圖4 模具庫現場

模具立體庫作業流程

模具庫庫體放模平面采用平板滾筒結構，通過堆垛機上的推拉機構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換周轉平臺上，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，由模具堆垛機、模具庫庫體及滾筒式模具周轉平臺構成，通過調度軟件管理，為沖壓生產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

堆垛機作業流程

堆垛機如圖6 所示，由行走電機通過驅動軸帶動車輪在下導軌上做水平運動；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將貨物送入指定貨位，其中行走認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化來實現計算機控制，亦可實現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

模具周轉平臺作業流程

圖7 為模具周轉平臺，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平臺對平。然后臺車與周轉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，庫內堆垛機往返運行在周轉平臺與模具庫位之間進行存取模。

圖7 模具周轉平臺

無接觸式供電運模臺車作業流程

運模臺車是無接觸供電，程序控制自動導航，中間驅動輪能夠90°旋轉、轉彎、前進、后退、橫移運動，底部四角設計油缸用于頂升整個臺車、周轉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、自動導向輪負責導向。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防撞剎車條，前后設置報警LED 紅色閃爍燈。運模臺車結構見圖8。

圖8 運模臺車結構圖

運模臺車采用的“非接觸供電系統”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對驅動伺服電機供電，伺服電機則驅動車上變速箱帶動驅動輪讓車子行走，非接觸供電技術提供電能時沒有任何的機構連接。

圖9 為地面供電系統(平板型取電器)，其感應原理類似于變壓器的主副線圈之間的電能轉移。在變壓器內部，初級線圈和次級線圈繞組在一個共同的封閉鐵磁核心上，而非接觸供電技術則使初級線圈“延伸”為一個長的閉環，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，將使傳輸性能最優化。

圖9 地面供電系統(平板型取電器)

有軌臺車作業流程

共計有6 套有軌臺車(圖10)應用于6×400t 生產線，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拉出，再經過動力滾筒線將舊模傳遞至運模臺車，從而實現快速傳遞模具。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，主操作臺具有數字顯示、工作指令、故障報警等功能，以及包括調速系統和程序控制器。其他電器控制元件采用進口產品或相同檔次的合資產品，例如標準電柜、按鈕盒、檢測元件等。利用觸摸屏或系統程序控制，可方便地設定、修改生產工藝參數，速度參數等；方便地進行手動、模具單動、聯動、全自動方式的切換，以及監視各部的運行狀態，確保生產線的安全、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，預計每年可減少產能損失220 萬元；減少切換補貼工時，按照目前生產情況可每月減少10000分鐘；減少調模人員投入3 人每班，轉為直接生產人員產出工時。

輸出模具快速切換系統和模具智慧管理系統

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、250t、200t 單機模具存儲。形成沖壓車間除500t 連續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，便于模具保養、高效找模、模具使用的信息化管理。

提升現場5S 水平

以本文提到的模具庫為例，可實現模具存儲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，杜絕了周轉過程中的安全隱患。