鋼制門板壓紋全自動化生產線實施研究

文/尋寶明·貝匯特機械制造科技(徐州)有限公司

整體布局

項目目標是建立一條無人化門板壓紋自動化生產線，支撐企業SAP 信息化系統建設，實現防盜門大規模柔性化定制的智能制造模式。壓紋自動化生產線(圖1)通過對SAP 的生產任務進行優化排產與執行、對設備運行狀態進行實時監控、對沖壓質量進行在線視覺檢測、對設備利用率和生產過程進行統計分析、對設備進行智能運維等，實現壓紋自動化生產線可靠、高效和智能化運行。

圖1 壓紋自動化生產線

整條線由13 臺2500t 伺服拉伸液壓機組成，每臺液壓機前方配兩個料臺，一臺上下料關節機器人，關節機器人一共13 臺。上料臺與下料臺為功能共用方式，可作為片料上料臺使用，也可作為成品下料臺，一共為26 個料臺。換模芯部分在液壓機后方，由7個模芯架組成，單個模芯架為7 層。為留出模架換模空間，模芯架在兩臺沖床之間移動，地面鋪設軌道。7 個模芯架可擺放49 套模芯。換模車為兩輛，每輛換模車負責4 臺液壓機的換模任務，換模車需在4 臺液壓機之間移動，地面鋪設軌道。液壓機間距為4.6米，4 號到5 號、9 號到10 號液壓機間距為5.6 米，前后兩端及4 號到5 號、9 號到10 號液壓機之間各有維修通道入口，一共四處。整線長度為65 米，寬度為8 米。

工藝流程介紹

送料小車將料送到上料臺上，自動對位及調整分離器。然后給出確認OK 信號，六軸機器人端拾器1將原材料從上料臺內經過分離器取出一片，移送放到中間站對位內，進行精確對位，對位后吸起產品并旋轉180°，端拾器2 在油壓機模具的正前方等油壓機完成回到上死點后。端拾器2 伸到模具內將產品取出到模具外面并旋轉180°后，由六軸機器人端拾器1將原材料放到油壓機的模具定位內，然后退出，給出信號油壓機開始壓制產品，同時機器人將端拾器2 上的產品放到下料臺上碼好。至此完成一個循環工作。圖2 為局部放大主視圖和側視圖。

圖2 局部放大主視圖和側視圖

由上料小車RGV(客戶自備料)根據排產情況將原材料運送至上料工位④，上料小車RGV 帶有動力輥筒，將原材料輸送至上料臺，與上料臺動力輥筒對接完成原材料上料工作。原材料輸送到位后，磁性分張器由氣缸驅動，自動勵磁，進入分張狀態。

關節機械手②到上料臺取料，取料完成后抬升移送至上料等待區域，液壓機①滑塊帶模具至上死點，機械手伸入模具抓取已完成沖壓的成品，然后退出至可旋轉區域，機械手第六軸旋轉完成成品和原材料位置交換，再送入模具當中完成上料。液壓機下壓，同時機械手將沖壓完成的成品放置下料臺③再進行取料，整個動作完成。

排產完成或單垛原材料生產完成后成品將被輸送至小車RGV(客戶自備料)，由小車運送至成品倉庫，并繼續上料。

換模芯動作，液壓機至下死點，液壓鎖模器退出，壓機升至上死點，然后下模頂桿升起。換模小車將原有模芯移送至模芯架，再根據排產狀況自動將待產模芯移送至模具內，換模小車退出至液壓機臺面外，壓機下壓，然后液壓鎖模器啟動將模芯固定，換模芯動作完成。

采用SAS 30.0軟件對數據進行分析處理，學生成績評價、教學方式評價為計量資料，以（均數±標準差）表示，采用t檢驗；計數資料以（n，%）表示，采用χ2檢驗，以P＜0.05表示差異具有統計學意義。

節拍時序圖

根據生產線整體布局，優化上下料及沖壓成形節拍時間為20 秒，較傳統人工上下料效率提高兩倍，上下料及沖壓節拍時序圖如圖3 所示。根據生產線要求，模芯需要自動化更換，設計模芯更換時間為15 秒，較傳統人工更換模芯效率提高五倍，模芯更換節拍時序圖如圖4 所示。

圖3 上下料及沖壓節拍時序圖

圖4 模芯更換節拍時序圖

主要部件及功能簡介

伺服拉伸液壓機

伺服拉伸液壓機主要用于門板沖壓成形，也可用于金屬薄板的拉深、彎曲、翻邊、成形工藝。本機機身由底座、滑塊、上梁、方立柱、拉桿、液壓墊等組成；底座、滑塊、上梁、立柱、拉桿通過超高壓預緊組成整體框架，立柱上布置四條四角八面導軌作為滑塊的導向，導軌抗偏載能力強、精度高、保持性好。整機的設計全部采用計算機優化設計，使其具有良好的強度和剛度，機床的強度高、剛度好、外形美觀，主要結構件均采用鋼板焊接結構，外觀平整，無明顯的凹凸現象，焊縫打磨平整，無焊渣和流疤現象，焊后進行消除應力的退火處理。

本機主油缸采用三缸結構，中間為柱塞缸，兩側為活塞缸。液壓墊置于底座內，主要作用為拉深工藝時工件的壓邊，同時還用于工件的頂出。液壓墊采用焊接結構，液壓墊下平面和液壓墊缸相連接，液壓墊側面裝有平面導軌板，與底座內的導向板組成導軌副，給液壓墊導向。液壓墊缸采用雙活塞缸結構。油缸密封采用進口優質密封件密封。

該設備液壓系統的主控制采用伺服電機、伺服控制器、高壓油泵，實現對主機的伺服控制，輔助控制系統選用YCY 系列恒功率軸向柱塞變量泵，冷卻過濾系統油泵選用CB 系列低壓齒輪泵，可大大提高壓機動作的穩定性及可靠性。

液壓主控系統采用二通插裝閥集成系統。液壓系統的充液回路選用常閉式充液閥，滑塊快下時靠充液閥吸油，快速下降速度由油缸下腔油路中的插閥控制調節。

滑塊和液壓墊的行程檢測均采用位移傳感器檢測，由位移傳感器采集信號，“PLC”處理，在觸摸屏上數字顯示和控制。測量和顯示精度為±0.1mm。為確保安全，在上下極限位置設有行程開關保護。滑塊和液壓墊的壓力控制采用伺服系統控制，壓力可在觸摸屏上顯示和設定，調壓范圍為公稱壓力15%～100%。

液壓系統中設有獨立的油液強制冷卻過濾系統，以保證工作油液的溫度及清潔度。當過濾系統出現故障時，操作箱上設有報警指示。本機過濾系統油泵選用CB 系列低壓齒輪泵，冷卻器采用強制冷機組。液壓控制系統的主油箱放置在壓機上梁后部，油泵電機組和液壓控制閥塊在油箱上平面有序排列。

機器人本體

機器人本體可以完成全自動化的工作，提高生產效率，可控制的錯誤率。功能特性，操作非常簡便，可實現不同工件之間的靈活快捷更換。代替很多不適合人力完成、有害身體健康的復雜工作。所有手臂關節動力均由伺服電機驅動諧波減速機完成精準動作，定位精度可達到0.08mm。手臂由鋁鑄件經過CNC 加工中心完成，手臂預留排線孔，美觀并不妨礙機械手作業，端頭預留氣管接口及數據線接頭。伺服電機配備剎車，即使是突然停電也可保證機械手不動作，防止設備和產品摔傷或碰壞其他設備。

上下料平臺

上料平臺帶有動力輥筒實現上下料功能共用，由上料小車RGV(客戶自備料)根據排產情況將原材料運送至上料工位，上料小車RGV 帶有動力輥筒，將原材料輸送至上料臺，與上料臺動力輥筒對接完成原材料上料工作。原材料輸送到位后，磁性分張器由氣缸驅動，自動勵磁，進入分張狀態。成品放置時，分張器處于非勵磁狀態，對機械手放置成品不產生干擾。待成品放置完成后由動力輥筒直接將成品輸送至等待狀態的小車RGV，然后再由小車輸送至成品倉庫，實現無縫對接。

上料定位方式為材料外形靠邊式對位方式，下模增加12 處對位伺服電機對位機構，對位機構與系統連接，實現上料后自動對位，如圖5 所示。定位擋塊在初始等待放料區域距原材料尺寸預留單邊25mm，機械手放置完材料后，由鎖邊定位⑴⑵和另外一邊⑼⑽先行走動到預設位置，另外兩邊定位⑺⑻⑾⑿再進行定位動作。整個定位動作占用壓機下壓時間約為3 秒完成定位。為解決板材公差較大，超出預設尺寸的過精度問題，另外兩邊定位⑺⑻⑾⑿為斜度定位塊，行走距離比預設尺寸過余5mm，當材料受到過余擠壓后會滑到定位斜度上方，確保不傷害材料。行走過余后即表示定位完成，⑺⑻⑾⑿兩邊定位塊會立即退回至等待上料區域，⑴⑵和另外一邊⑼⑽會保持原位不動，待沖壓完成后再次退回至等待上料區域。⑴⑵/⑸⑹為固定定位塊⑶⑷/⑺⑻為斜度定位塊，為解決左/右開，鎖邊位置不同的問題。定位動作及尺寸由系統控制，根據系統排產情況自動選擇定位尺寸，完成定位動作。

圖5 上料定位方式

硬件架構

系統硬件架構包括設備層、數據采集與控制層、生產線管控層和集團管控層四個層次。

設備控制層包括液壓機、機器人、上下料臺、模芯架、換模車等生產設備，以及視覺質量檢測設備等，設備控制層通過設備自身的控制器完成設備控制和檢測，設備間通過現場總線通信實現設備之間的安全聯鎖等功能。

數據采集與控制層選用PLC 或者工控機(配置實時邏輯控制軟件平臺)，通過現場總線與設備控制層互連，通過企業局域網與生產管理網絡互連。數據采集與控制層采集設備控制層所有設備的運行狀態和報警信息等，并在實時數據庫存儲。接收生產執行層的生產任務，分別對每個工位的液壓機、機器人、上下料臺、模芯架、換模車等設備按節拍時序進行實時控制。為提高系統可靠性，PLC 或工控機可采用同步冗余配置。

生產線管控層配置數據服務器和應用服務器，通過企業局域網與數據采集與控制層、集團管控系統互連，完成壓紋線的生產管控功能。集團管控層包括企業SAP 系統、原材料和成品庫自動化系統等。

系統軟件

系統軟件體系架構如圖6 所示，包括壓紋線生產管控層、數據采集與控制層和設備控制與視覺質量檢測三個層次。系統外圍系統包括企業SAP，原料庫管理系統和沖壓成品庫管理系統(如不包含在SAP 中)。虛線框中為本項目要完成的研發內容。

圖6 壓紋自動化生產線軟件架構

系統與外圍系統通過企業局域網互連，采用基于TCP/IP 的數據報文通訊，或采用數據庫表進行數據交互，保證系統與外圍各個系統間數據的無縫連接。

生產線管控系統軟件是系統核心部分，實現生產任務優化排產與執行、設備運行狀態實時監控、沖壓質量在線視覺檢測、設備利用率和生產過程統計分析、設備智能運維等功能。其主要包括生產執行、運行監控、設備管理、統計分析和系統管理等模塊。生產線管控系統軟件架構圖如圖7 所示。

圖7 生產管控系統軟件功能架構圖

數據采集與控制系統軟件通過現場總線協議，采用OPC 等平臺軟件實現液壓機、機器人、上下料臺、模芯架、換模車等設備控制器中運行參數和狀態的實時采集，并存放于實時數據庫，為生產線管控系統軟件提供數據。另一方面，接收生產管控系統軟件的生產計劃，對各工位相應的液壓機、機器人、上下料臺、模芯架、換模車等設備按照節拍時序進行實時控制，并將執行結果反饋給生產線管控系統軟件。在生產執行過程中，實時檢測各設備狀態，根據各狀態對相關設備進行安全聯鎖，并將異常反饋至生產線管控系統。

視覺質量檢測系統

視覺質量檢測系統(圖8)完成沖壓成品的質量在線檢測。在每個下料臺上方安裝1 套檢測系統，當機械手將成品從液壓機上取出放置在下料臺上時進行質量檢測，拍照完成后動力輥將成品輸送至RGV小車。

圖8 視覺質量檢測系統結構

每套視覺質量檢測系統由多個高速相機、光源、觸發機構、安裝結構件構成，13 臺液壓機的視覺檢測系統可通過路由器與視覺質量檢測服務器連接，將采集的圖像發送至服務器統一檢測，輸出質量檢測結果，服務器上配置視覺檢測軟件和相關平臺軟件。

結束語

本公司研發的無人化門板壓紋自動化生產線，通過對SAP 的生產任務進行優化排產與執行、對設備運行狀態進行實時監控、對沖壓質量進行在線視覺檢測、對設備利用率和生產過程進行統計分析、對設備進行智能運維等，實現壓紋自動化生產線可靠、高效和智能化運行。