沖壓裝備自動化技術現狀與發展

居躍峰

（上海通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201201）

0 引言

隨著汽車、家電、航空等行業的高速發展，我國板材加工設備、加工工藝均有了長足進步。據不完全統計，轎車零部件中40%以上是金屬板材沖壓件[1]，由此可見沖壓裝備在汽車工業中的重要地位。

沖壓裝備自動化主要指材料供給、送料系統、換模、沖床的調整與運轉、沖壓過程中的檢測報警系統等作業過程自動化，將這些技術應用到沖壓生產流水線的相應環節從而實現沖壓生產過程的自動化。本文從壓力機、自動送料系統和機器人搬運系統三個方面，闡述沖壓裝備自動化的現狀與發展趨勢。

1 壓力機應用現狀與發展趨勢

1.1 傳統大型沖壓生產線

車身覆蓋件和車身結構件是汽車板材沖壓件的主體，主要加工設備是大型沖壓生產線。20 世紀70年代以前，大型沖壓生產線通常以一臺雙動拉延機械壓力機與數臺單動機械壓力機為主機，主機之間設置一個工件翻轉裝置，采用人工或機械的上下料方式，組成機械化或半機械化流水生產線。這種典型配置在國外汽車工業中使用了近半個多世紀。在我國，90%的現存沖壓生產線屬于這一階段的產品[2]。90年代后期，為了克服傳統機械壓力機在合模時沖擊速度過高、公稱力不能及時達到而無法沖壓深拉延件的缺陷，我國新建大型沖壓生產線的拉深壓力機開始采用多連桿技術，其主要優點是：①拉延過程中滑塊速度慢且均勻，空行程運行速度快，生產效率高；②拉延深度大，最大深度可達320mm，而傳統壓力機只有70mm 左右；③用較小的偏心距實現較大的滑塊行程，更便于上下料操作；④拉延過程沖擊力小，有利于提高模具使用壽命和零件成形質量。

1.2 單機聯線自動化沖壓線

近年來，單機聯線自動化沖壓線在國內外競相發展，成為汽車大型覆蓋件自動化沖壓生產的先進工藝技術之一，而且發展勢頭強勁。其通常配置為5～6 臺壓力機，配有拆垛、上下料機械手、穿梭翻轉小車和碼垛系統等，全線長度60m 左右。具有沖壓質量穩定可靠、生產安全性高和柔性好等特點。由于上、下工位壓力機的間距大，工件傳輸效率較低，生產節拍一般為6～9spm。單機聯線自動化沖壓技術占用資金較少，適合于多車型、小批量、高質量的大型覆蓋件的沖壓生產。在我國，經過近年來的新建和傳統沖壓聯線自動化改造，現存約10%的沖壓生產線屬于該類型[2]。

近10年來，國外著名壓力機供應商在全自動關鍵技術上又取得很大進展并得到成熟應用，如全自動換模系統、拉伸墊數字控制技術和功能完善的觸摸屏監控技術等，使單機聯線生產效率逐年提升。其中，全自動換模系統只需要操作人員在觸摸屏上設置好模具號，模具更換的全過程由壓力機自動完成，整個過程最多需要5min。全自動換模系統的主要功能包括：①平衡器與氣墊壓力自動調整功能；②裝模高度、氣墊行程自動調整功能，定位調整精度達0.1mm；③模具自動夾緊、放松功能；④高速移動工作臺自動開進開出功能。

目前，國內的濟南二機床集團在上述關鍵技術上也有所突破，代表了我國汽車沖壓生產線的技術水平[3]。

1.3 大型多工位壓力機

大型多工位壓力機是目前世界上最先進、最高效的板材沖壓設備，代表了目前車身覆蓋件沖壓成形的最高水平和發展方向。大型多工位壓力機一般由拆垛機、大型壓力機、自動送料系統和碼垛系統等組成。其生產節拍可達16～25spm，是手工送料流水線的4～5 倍，是單機聯線自動化生產線的2～3 倍，具有生產效率高、制件質量高的特點，特別適合大批量沖壓生產。據美國精密鍛壓協會統計，美國三大汽車公司680 多條沖壓線中有70%為多工位壓力機；日本在美國的35 條沖壓線中有24 臺多工位壓力機，占69%；日本國內的250 條沖壓線中，有80 多條多工位壓力機，占32%[4]。

在我國，由于大型多工位壓力機結構復雜，造價昂貴，占用資金非常大，并且柔性不及單機聯線自動化線，目前能夠用于大型覆蓋件沖壓的多工位壓力機還是空白。

1.4 其他壓力機

上述壓力機主要是應用于汽車外覆蓋件的沖壓設備。除此之外，目前國外還有一些壓力機正處在研究和應用的前沿領域，如伺服壓力機和高速壓力機等。以日本小松為代表的廠商已經制造出市場化的伺服壓力機產品，其與常規壓力機相比具有以下優勢：①滑塊行程按需調整，完全消除無效行程，生產效率超高；②運行過程實時調整滑塊狀態，精確到微米級，抑止產品毛刺出現，精度超高；③運行噪聲大幅降低，過程振動也大幅減少，模具壽命提高，噪聲超低；④可以設定滑塊速度曲線和下死點停留等工藝需要的特殊工作模式，柔性超高；⑤無離合器，驅動部件較少，潤滑油與電力損耗少，節能效果超強[5]。高速壓力機主要滿足精密小型電子零件的沖壓需求。日本電產京利、山田、愛西施等廠商的產品已經在生產中得到廣泛應用，沖壓節拍一般在800～1500spm。目前沖壓節拍為4000spm 的超高速壓力機已經被開發出來[6]。

2 自動送料系統現狀與發展趨勢

隨著工業發展對沖壓生產效率、精度、安全等方面提出的更高需求,沖壓手工送料已逐步被自動化送料系統所取代,這也是實現多工位沖壓的根本要求。

2.1 機械手自動化送料系統

對于單機聯線自動化沖壓線，采用機械手送料系統是實現聯線自動化的一種可行方案。其主要由數控上料手、取料機械手和穿梭小車組成，相鄰兩臺壓力機間的輸送單元主要包括以下機構：①一個取料機械手配備對應工件的真空吸盤式端拾器，將工件從上位壓力機中取出并放置在穿梭小車上；②一個穿梭小車沿著壓力機間的固定軌道，將工件輸送到下位壓力機的上料手位置；③一個上料機械手配備對應工件的真空吸盤式端拾器，將工件從穿梭小車取出并放置到下位壓力機中。上述自動化送料系統結構復雜，維修工作量大。德國舒勒公司在最新一代用于擺桿式多工位壓力機上的擺動橫桿式輸送機（Swingarm-Transfer）的基礎上開發出快速橫桿式輸送系統（SpeedBar），如圖1 所示。這種輸送系統結構簡單，輸送效率高，可以實現模具和端拾器在單機聯線自動化沖壓線與多工位壓力機之間的互換[7]。國內已有主機廠采用這一自動送料系統，為國內沖壓生產技術與歐美汽車工業接軌奠定了基礎。

圖1 舒勒SpeedBar 進料系統

2.2 多工位壓力機自動送料系統

多工位送料系統是一個類似移動臂的裝置，主要作用是把沖壓件從一個工位移到另一個工位。多工位送料移動桿沿著模區移動，它們是主要結構件，移動沖壓件的端拾器就安裝在這些結構件上。在汽車沖壓車間，根據送料的傳動方式，多工位送料系統主要有：機械送料、電子送料和組合式送料[8，9]。

圖2 舒勒多工位壓力機CrossBar 送料系統

根據工件的輸送方式不同，多工位壓力機送料系統又可分為三坐標式和真空吸盤式。近年來，隨著多工位壓力機“同時出多件”的工藝需求，真空吸盤式自動送料系統得到更多應用[10]。如日本小松公司的新型多工位壓力機，較多采用真空吸盤式送料系統；德國舒勒公司廣泛采用的橫桿式“CrossBar”也屬于這種方式（如圖2 所示）。

3 機器人搬運系統現狀與發展趨勢

由于單機聯線自動化在側圍等大型覆蓋件沖壓生產中的獨特優勢，其與多工位壓力機共存發展的局面將長期存在。其中，六軸機器人技術日趨完善，成本越來越低，使用也越來越普及，其高度柔性越來越顯示出其優越性。更多沖壓線開始配備機器人自動化搬運系統。在機器人自動化系統中，作為自動化輸送系統的主要部分，機器人主要完成板料拆垛、各壓機間的自動上下料、板件傳送翻轉等工作，以取代繁重、危險的人工操作。機器人通過控制系統保持與壓機的隨動和連鎖，完成機器人的運動控制、氣動與真空系統監控及安全防護等。機器人的末端安裝有端拾器，用于執行抓取板件的功能。由于板件為薄壁件，適合采用真空吸附的工作原理抓取，真空吸盤布置在高強度合金或碳纖維材料制成的端拾器支架上，吸盤數量及其布置方式依據具體的板件而定。氣路控制系統帶有真空度檢測傳感器，通過檢測吸盤內真空度判斷板件是否吸附到位、搬運過程中板件是否掉落等。端拾器的結構與板件外形有關，因此不同板件與不同工位均需配置不同的端拾器。舒勒的橫桿機器人是為機械式和液壓式沖壓線提供的最新自動化設備（圖3）。它將經過實際檢驗的、可靠的機器人技術與橫桿技術的優勢結合在一起。該系統包括一臺常規機器人，這臺機器人通過一根縱向軸及舒勒端拾器支架擴展了兩根附加軸。水平移動沿安裝在壓力機立柱上的縱向軸進行。編程可在機器人控制面板上方便地進行。

圖3 舒勒公司的CrossBar 橫桿機器人

近年來，為克服六軸機器人搬運過程中板件的抖動，進一步提高生產效率，機器人搬運系統開發出了旋轉七軸和端拾器自動更換技術[11]。旋轉七軸技術是在機器人第六軸上加裝一個伺服控制旋轉臂，實現工件在上下工位壓力機間搬運過程中的平移，避免了以往工件因180°旋轉而產生的抖動與脫落，便于機器人搬運過程的提速。端拾器自動更換技術是在全自動換模過程中，機器人控制系統根據操作人員輸入的模具號實現的：①原端拾器在旋轉臺上的自動定置和接頭自動放松；②旋轉臺180°轉動，原端拾器轉出工作區域，新端拾器轉入工作區域；③機器人與新端拾器接頭自動夾緊，迅速回到工作原點待命。整個過程在全自動換模過程中完成，大大縮短了非生產工時，提高了整線的生產效率。

4 結束語

伴隨電子技術的發展，聯機、聯線、聯網等技術得到了充分應用，我國金屬板材沖壓裝備自動化技術得到長足發展。

（1）單機聯線自動化沖壓線與大型多工位壓力機是當今大型沖壓裝備自動化技術發展的兩大趨勢。但是用于大型覆蓋件沖壓的多工位壓力機在我國汽車工業中的應用幾乎是空白，這是我國沖壓裝備業與歐美發達國家的主要差距。

（2）經過近年來的新建和改造，我國現有沖壓線中約10%實現了單機聯線自動化，部分線采用了SpeedBar 或旋轉七軸機器人等先進輸送系統，為國內沖壓生產技術與歐美汽車工業接軌奠定了基礎。

（3）鑒于我國汽車工業生產集中度較低、新車型換代越來越頻繁的客觀事實，未來幾年，單機聯線自動化沖壓線仍是發展主力，用于大型覆蓋件沖壓的多工位壓力機可能會在中外合資汽車廠率先應用。

[1]王春生.沖壓工藝設備的技術進步與發展[J].機械工人（熱加工），2006，（12）：10.

[2]中國鍛壓學會，編.2004（上海）中國國際金屬板材切割、沖壓、成形、制作會議論文集[C].中國鍛壓協會，2004.

[3]莊宇昀，徐 輝.沖壓線的發展[J].一重技術，2005，（4）：20-22.

[4]北京機電研究所.鍛壓[M].北京：機械工業出版社，2002.

[5]（日）小松產機株式會社，編.小松產機產品技術樣本.2004.

[6]（日）電產京利株式會社，編.電產京利產品技術樣本.2004.

[7]季曉明.快速橫桿式（SpeedBar）自動化輸送系統[J].機械工人，2005，（4）：14-16.

[8]徐 剛，魯 潔，黃才元.金屬板材沖壓成形技術與裝備的現狀與發展[J].鍛壓裝備與制造技術，2004，39（4）：16-22.

[9]江天華，劉顏輝，周 英.多工位壓力機電子送料技術[J].鍛壓機械，2002，37（3）：3-5.

[10]上海舒勒壓力機有限公司，編.舒勒公司產品技術樣本.2008.

[11]上海ABB 工程有限公司，編.ABB 機器人產品技術樣本.2008.