機械制造工藝自動化改良中的設備創新探析

摘 要：當前許多機械制造企業采用自動化的生產線工藝，取得許多成就，也存在一些問題。本文對生產線工藝自動化改良中的設備創新進行了工作研究，對“人-機-環境”系統進行分析，提出了車間布局約束下的技術改造要求。針對自動化生產線工藝設備創新所遇到的難題，嘗試提出了幾種生產線自動化改造中的幾種有效設備與方法，包括折疊伸縮臂的創新技術，基于產品質量的板料分離方法，設備的“積木式”組合方法。

關鍵詞：機械制造企業；生產線工藝；自動化改良

1 生產線工藝的自動化改良問題研究

1.1 企業生產線不良問題調查

本人對到遼寧沈陽的A公司鈑金車間調查，重點對這類企業各生產線的手工作業情況、在生產過程中存在的效率制約問題、車間工作空間布局、產品質量等進行了實地調查、觀測。以該空調生產企業鈑金車間某板材沖壓成形加工為例，雖然公司引進了較為先進的多工位壓力機，但為了盡量達到“低投入，高產出”，板材的上下料和級進模間傳遞方式仍采用人工操作。這類手工沖壓生產線存在如下缺點：（1）由于指令臺、中轉臺和人員通道等因素影響，占地面積較大；（2）雖安裝有腳踏開關等安全控制系統，但由于工人長時間簡單、重復的動作，當生產危險發生時，仍慣性繼續進行本應停止的動作，結果不能實現相應的安全保護功能，造成安全事故的發生；（3）由于工人長時間操作，不可避免地會產生操作失誤，比如板材放進方向不對、忘記翻轉等，造成次品率提高，影響了產品質量；（4）由于板材表面油膜的作用等原因，板材常會互相粘在一起，這種操作方式沒有專門的拆垛過程，操作者完全憑手感取料，若雙層或多層板材被送入壓力機，會對設備或模具造成損傷，導致高額維修費，延誤生產的連續性。

1.2 車間布局中的“人-機-環境”約束問題

生產任務完成于一定的作業空間，而作業空間設計的任務是使機器設備、工裝夾具和物料按照操作要求進行合理的空間布局，使人（或機器）工作起來更加迅捷，達到提高企業生產力的目的，這是“機-環境”問題研究的重要方面。對工作空間的合理布局設計是影響車間生產力的一大影響因素，由于廠房有限，任何空余的空間都要有效利用起來，多臺機器構成的生產線，在生產效率一定的前提下，布局越為合理緊湊，車間產能越大。企業期望有一種既能很好地完成上下料和進給動作，又能有效節省作業空間，且能良好體現“人-機-環境”和諧統一的操作方式。

1.3 工作空間約束下的技改要求

以A公司鈑金車間板材沖壓生產線為例，生產線共有多工位壓力機10臺，總占地面積181m2，每臺多工位壓力機及配套設備空間占地為16.4m2，采用全手工上下料和進給模式，對應操作者共計50名，操作者工作比較擁擠，無專門的人員通道，人員、毛還料、成品的進出極為不便，極易發生安全事故，車間產能較低。對當前板材沖壓的生產現狀進行技術改造，應主要從生產效率、安全保障、占用空間、資金投入以及工人的勞動環境入手，減少能源和人力浪費。特別是針對釆用全手工上下料方式的企業來說，技術改造有著重要意義。

2 自動化生產線工藝設備的創新設計

目前少數大型制造企業自動化程度較高，機器人技術應用于生產線，生產效率較高，但是投入較高，存在不必要的成本浪費，且占用場地和設備較多，維修復雜。較多企業仍釆用較為落后的手工操作方式，這種方式生產效率低且不穩定，不安全因素多，操作人員過多、環境惡劣且勞動強度大，造成了大量的人力資源浪費。

以板材沖壓生產線為例，板材沖壓成形作為一種重要的金屬材料塑性加工方法，廣泛應用于汽車工業、航天航空、家電生產和包裝等工業領域，技術水平的高低直接影響著企業成本和開發新產品的周期。下面以介紹的幾種板材沖壓上下料自動化設備的設計過程為例，來探討自動化生產線設備的創新設計思路和過程：

2.1 滿足工作空間布局約束的伸縮機械手

設計狹義的伸縮臂是指裝在挖掘機上的一種工作裝置，是由固定臂與移動臂通過伸縮組伸縮力的作用使移動臂伸出及縮回，從而達到更大的工作半徑，這種形式的工作裝置即為傳統伸縮臂。這種傳統意義上的伸縮臂雖然理論上可用于組合形式的機械手，但占用空間和重量大，導致設備穩定性差。

本文設計了一種氣動式折疊伸縮臂，這種折疊伸縮技術如果應用在機械手之中，可最大程度地節省空間，尤其是可成倍縮小進出壓力機等設備時的所需空間，且機械手整體滑移時處于縮緊狀態，設備穩定性較好。

2.2 基于產品質量考慮的板料分離方法

在沖壓生產線中，由于板材表面油膜的作用等原因，板材常會互相粘在一起，手工操作方式沒有專門的拆垛過程，操作者完全憑手感取料，若雙層或多層板材被送入模具，會對設備或模具造成損傷，導致高額維修費，延誤生產的連續性。

為對取料過程進行雙料檢測和剔選，首先考慮板材的拆分方法，有機械分離法、磁性分離法、稱重分離法、微變形分離法和吹氣分離法等，其中高壓吹氣法和微變形分離法相結合的方式，可以很好的完成板料分離。

本文設計一種基于雙料檢測的板料分離方法，料垛預先進行獨立吹氣處理，端拾器采用微變形模式，分為動吸盤和靜吸盤，并安裝有厚度傳感器，對抓取板料的厚度進行檢測，若為單張厚度，則進行送料處理，若為多張厚度，則說明前面進行的分離操作失敗，進行甩料處理，重新抓取。

2.3 柔性生產線中的“積木式”組合設備

當今市場訂單呈現多品種、中小批量等特點，導致生產換線頻繁，柔性生產線的靈活性和“積木式”的組合形式，能讓產品變型過程耗時最少，讓生產及早恢復。若干數量的獨立設備根據生產現狀安裝在溜板上，組成“積木式”的組合設備，這樣不僅增加了一個整體工作自由度Z5，而且僅需要一個動力源，在獨立設備Z5方向同步的前提下，還有效減少了機構動作與控制指令的復雜程度。

3 結語

本文對生產線工藝自動化改良中的設備創新進行了工作研究，嘗試提出了生產線自動化改造中的幾種有效設備與方法：折疊伸縮臂的創新技術充分考慮到了車間布局與生產線產能、工人工作環境的有機協調；基于產品質量的板料分離方法為類似生產線對產品質量的實時監測方法打開了一個新的思路；設備的“積木式”組合方法針對柔性生產線的多品種、中小批量、換線頻繁等特點，實現了產品變型生產的靈活。

參考文獻：

[1]鄒慧君，顏鴻森.機械創新設計理論與方法[M].北京：高等教育出版社，2008.

[2]龍偉.生產自動化[M].北京：科學出版社，2011.