大型沖壓自動線的分類與選擇

文/李鳳華·一汽解放汽車有限公司卡車廠

單福剛·海馬轎車有限公司

大型沖壓自動線的分類與選擇

文/李鳳華·一汽解放汽車有限公司卡車廠

單福剛·海馬轎車有限公司

本文介紹了沖壓自動化發(fā)展歷程、當(dāng)前大型沖壓自動線的種類，以及各種自動化形式的組成、特點、適用情況等，并對如何選擇自動化設(shè)備提出了自己的看法。

沖壓自動化的演變過程

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，大型沖壓件的自動化生產(chǎn)形式由于能夠降低勞動強(qiáng)度、節(jié)省人力，而且產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高，所以，應(yīng)用越來越普遍，成為各汽車主機(jī)廠及大型沖壓件供應(yīng)商的首選。從總的方面來說，大型沖壓自動化技術(shù)的發(fā)展過程是一個不斷滿足沖壓生產(chǎn)企業(yè)需求的過程。而大型沖壓件的自動化設(shè)備也在不斷朝著高效率、高精度、柔性化、自動化、安全化、信息化方向發(fā)展。

圖1為手工操作生產(chǎn)模式，沖壓件生產(chǎn)過程中的上下料工作由人工完成。由于大型覆蓋件體積大，重量重（有的零件毛坯重量達(dá)到約40kg），所以手工操作存在生產(chǎn)效率低、操作人員多、勞動強(qiáng)度大、沖壓件質(zhì)量不易保證、安全生產(chǎn)環(huán)境差等問題。隨著人們對質(zhì)量、效率、安全的追求，這種生產(chǎn)方式越來越不適應(yīng)現(xiàn)代汽車大型沖壓件生產(chǎn)的需要。大約在上世紀(jì)末，一汽大眾率先在國內(nèi)引進(jìn)大型自動化沖壓生產(chǎn)線，開啟了我國沖壓自動化生產(chǎn)的序幕。

各種自動化形式及特點簡介

機(jī)械手上下料

一汽大眾最先引進(jìn)的是機(jī)械手上下料自動線，這種機(jī)械手分別安裝在設(shè)備前后，其組成部分有：上料小車、拆垛機(jī)械手、清洗機(jī)（可選）、涂油機(jī)（可選）、傳輸皮帶、對中臺、上料機(jī)械手、壓力機(jī)、壓機(jī)間上下料機(jī)械手、壓機(jī)間穿梭機(jī)、下料機(jī)械手、電氣控制系統(tǒng)等。

圖1 手工操作生產(chǎn)模式

圖2 機(jī)械手上下料裝置

簡單的二維運動的機(jī)械手自動化上下料機(jī)構(gòu)（圖2），首先解決了人工上下料勞動強(qiáng)度大，質(zhì)量難保證，人工成本高的問題，達(dá)到了少人化的目的。但這種結(jié)構(gòu)的機(jī)械手上下料裝置存在如下缺點：由于只有上下和前后移動，柔性較差；壓力機(jī)之間需要兩套端拾器和一個穿梭裝置，較機(jī)器人投資大，效率低；需要手動更換端拾器。

該種結(jié)構(gòu)的自動線目前已很少應(yīng)用，但可應(yīng)用于不成線的壓機(jī)的自動化上下料或簡單的上料需求。

機(jī)器人上下料

機(jī)器人自動生產(chǎn)線由上料小車、拆垛機(jī)器人、清洗機(jī)（涂油機(jī)）、傳輸皮帶、對中臺、上下料機(jī)器人、壓力機(jī)、出料皮帶、碼垛機(jī)器人（可選）、電氣控制系統(tǒng)等組成。

機(jī)器人沖壓自動線的優(yōu)點是：壓力機(jī)之間只用1個機(jī)器人；壓力機(jī)之間只用1套端拾器；易于自動更換端拾器；投資少；柔性大，編程靈活；占用空間小，安裝簡潔。其缺點是：由于機(jī)器人關(guān)節(jié)較多，柔性增加的同時剛性下降，對于大而重的零件，節(jié)拍提升受到一定限制。

由于機(jī)器人自動化上下料的生產(chǎn)柔性大，對模具的要求相對較低，適合用于現(xiàn)有壓力機(jī)沖壓線的自動化系統(tǒng)升級改造（圖3）。

圖3 機(jī)器人自動化

一汽解放卡車廠一車間沖壓自動化生產(chǎn)線是國內(nèi)最早應(yīng)用的大型機(jī)器人自動化生產(chǎn)線之一，該線為利用原有沖壓設(shè)備改造的生產(chǎn)線，線首為機(jī)械手式拆垛和上料裝置，線內(nèi)為機(jī)器人上下料，至今已投產(chǎn)13年，仍在穩(wěn)定運行。目前各大機(jī)器人公司都在積極研制適應(yīng)沖壓件自動化生產(chǎn)需求的專用機(jī)器人，隨著機(jī)器人技術(shù)和自動化技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人在沖壓自動化中扮演的角色也將越來越重要。

多工位壓力機(jī)

多工位壓力機(jī)系統(tǒng)由拆垛裝置、對中裝置、三坐標(biāo)送料裝置、多工位壓力機(jī)、出料裝置等組成。多工位壓機(jī)能夠自動完成自坯料到成品的全過程。大型覆蓋件的沖壓生產(chǎn)一般需要由4500t以上重型多工位壓力機(jī)來完成。

多工位壓力機(jī)具有以下特點：⑴生產(chǎn)節(jié)拍為16～25件/min，是單機(jī)聯(lián)線自動化的2～3倍；⑵換模時間短，節(jié)約輔助時間；⑶占地面積較小，約是單機(jī)聯(lián)線長度的一半；⑷第一工位帶有數(shù)控液壓拉深墊；⑸只需1～2人進(jìn)行生產(chǎn)監(jiān)控；⑹配有電子伺服三坐標(biāo)送料裝置，適用于大批量生產(chǎn)；⑺安全性高；⑻對模具要求高；⑼設(shè)備一次性投資大等。

綜合以上特點，多工位壓機(jī)在效率、質(zhì)量、少人化等方面優(yōu)勢顯著，在國內(nèi)外大型轎車主機(jī)廠及零部件生產(chǎn)廠有較多應(yīng)用。但用于大型覆蓋件的重型多工位壓機(jī)，由于其投資大，對模具要求高，在國內(nèi)還沒有應(yīng)用，國內(nèi)應(yīng)用較多的是中小件的多工位壓機(jī)，一般噸位都在3500t以下。

高速沖壓生產(chǎn)線

高速沖壓生產(chǎn)線一般是指可以在常規(guī)的串聯(lián)式?jīng)_壓線上實施的、既有較好的產(chǎn)品柔性又有較高生產(chǎn)效率的自動沖壓生產(chǎn)線。將多工位壓力機(jī)的高生產(chǎn)率和串聯(lián)式壓力機(jī)的靈活性相結(jié)合，就形成了所謂的高速柔性沖壓生產(chǎn)線。

高速沖壓生產(chǎn)線的特點是：⑴高效率——每分鐘可生產(chǎn)10～18個大型覆蓋件；⑵柔性化——適應(yīng)多車型、多品種共線生產(chǎn)；⑶自動化——拆垛、送料、成形、碼垛全部實現(xiàn)自動化，并能實現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊、故障診斷；⑷最大的靈活性，所有運動軸的動作均可編程；⑸從壓機(jī)到壓機(jī)實現(xiàn)零件直接傳送，不需要中間穿梭裝置；⑹直線和旋轉(zhuǎn)軌跡交疊，輸送速度得以加快，沖壓線整線生產(chǎn)效率大大提高；⑺穩(wěn)固的橫桿式機(jī)械結(jié)構(gòu)使得零件傳送更加平穩(wěn)，無顫動；⑻端拾器橫桿上采用內(nèi)置式多自由度調(diào)節(jié)裝置，提高了工件在傳送過程中的“變位”靈活性；⑼可減少整線設(shè)備的占地面積，降低土建投資；⑽工件所需的端拾器數(shù)量減少，端拾器成本降低，存放面積減少；⑾模塊化設(shè)計使得維護(hù)保養(yǎng)和備品備件相應(yīng)簡化。

下面簡單介紹一下高速沖壓線幾種典型形式：

⑴單臂機(jī)械手上下料。單臂機(jī)械手主要安裝在前后設(shè)備中間，典型結(jié)構(gòu)有瑞士坤戈的單臂機(jī)械手、斯特曼單臂機(jī)械手、舒勒橫桿機(jī)械手等。

⑵雙臂自動化上下料。雙臂機(jī)械手有擺臂式結(jié)構(gòu)、線性傳輸結(jié)構(gòu)等，一般安裝在設(shè)備左右立柱內(nèi)側(cè)，要求設(shè)備立柱間距比較大，如圖4所示。

圖4 雙臂機(jī)械手安裝

⑶七軸機(jī)器人自動上下料。目前，各大機(jī)器人生產(chǎn)廠家已成功開發(fā)出線性七軸、旋轉(zhuǎn)七軸等高速機(jī)器人，同時在強(qiáng)度和剛度方面特殊設(shè)計以滿足高速自動化沖壓生產(chǎn)的需求。機(jī)器人廠家已開發(fā)出在壓機(jī)兩側(cè)分別安裝一個機(jī)器人，雙側(cè)機(jī)器人同步動作的自動化上下料形式，滿足大型零件高生產(chǎn)節(jié)拍、高靈活性和高穩(wěn)定性的要求。豐田公司沖壓車間的自動化設(shè)備為日本小松及其合作公司的產(chǎn)品，應(yīng)用的自動化形式即為機(jī)器人和雙臂機(jī)械手相結(jié)合的形式，設(shè)備間距短，效率高。

另外混合型柔性高速沖壓自動線，如線首拆垛、清洗、涂油和線尾下件為機(jī)器人，線內(nèi)為橫桿式機(jī)械手的自動化形式也被廣泛應(yīng)用。為充分利用機(jī)器人的柔性，可根據(jù)節(jié)拍和生產(chǎn)布局的實際需要配置機(jī)器人數(shù)量。

沖壓自動線的選擇

各種自動線的綜合對比

從特點、生產(chǎn)節(jié)拍、適用場合等方面，綜合分析各種自動化方式，結(jié)果見表1。

選擇沖壓自動線要考慮的因素

沖壓自動化形式有多種，到底選擇哪種自動化形式要重點考慮以下幾方面內(nèi)容：

⑴承擔(dān)的產(chǎn)品及綱領(lǐng)。到底采用哪種自動化形式，主要取決于承擔(dān)的產(chǎn)品及綱領(lǐng)。如果承擔(dān)的品種較多、產(chǎn)量在10萬輛以下，可考慮普通機(jī)器人或單臂方案，而對于大批量生產(chǎn)則應(yīng)優(yōu)先考慮效率問題。

⑵廠房條件。如果在原有廠房內(nèi)改造新增沖壓線，則要充分考慮廠房的高度、車間跨度、天車等因素，同時要充分考慮電氣容量、水、壓縮空氣需求和現(xiàn)有容量等。如果新建廠房則不存在此問題。

表1 各種自動化形式的對比

⑶模具條件、投資及成本等。如果是在現(xiàn)有壓機(jī)上改造還要考慮現(xiàn)有壓機(jī)的行程、現(xiàn)有的模具結(jié)構(gòu)等因素。如果現(xiàn)有壓機(jī)行程和模具條件不是很好，有比較復(fù)雜的零件，則最好采用機(jī)器人結(jié)構(gòu)，因為機(jī)器人柔性大，零件拾取路線靈活，能應(yīng)對諸如模具轉(zhuǎn)角度、前后模具不同心、模具開口空間不足等問題。

⑷自動線配置選擇。自動線的主要構(gòu)成基本都是一樣的，主要由線首單元（拆垛、清洗、涂油、對中、上料）、線內(nèi)單元（上下料）和線尾單元（下件及輸送）組成。其中，線首和線尾的配置和布置方式很重要，對整個節(jié)拍和生產(chǎn)組織、檢查環(huán)節(jié)等影響很大，要充分考慮相關(guān)因素和條件。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，一般自動線都要配置清洗機(jī)，用于清洗板料，但清洗機(jī)有在線配置也有離線配置。一汽大眾生產(chǎn)線都是在線清洗，而豐田公司沖壓線的清洗機(jī)則離線布置。離線清洗的優(yōu)點是只洗表面件，有效利用清洗設(shè)備，減少由于清洗機(jī)故障對生產(chǎn)線造成的停歇，同時減小生產(chǎn)線長度。缺點是需要二次倒運材料，物流環(huán)節(jié)多，清洗后的材料要保證不能二次污染。究竟采用哪種方式，需要根據(jù)自己廠的總體布局、管理水平和要求來決定。另外就是線尾出料方式的選擇，一般線尾都是機(jī)械手或機(jī)器人下料后放到皮帶機(jī)上，由人工進(jìn)行檢件并裝件。線尾出料方式是橫傳還是縱傳，配置皮帶機(jī)的形式和數(shù)量都需要根據(jù)自動化形式、節(jié)拍和車間的面積、檢件需求來綜合考慮。

結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，沖壓自動化也在不斷推出新的技術(shù)，就目前存在的幾種主要形式來說，也是適合于不同情況，各沖壓生產(chǎn)廠應(yīng)根據(jù)自己工廠廠房、設(shè)備、工裝及產(chǎn)品、產(chǎn)量規(guī)模等具體條件，綜合考慮節(jié)拍、通過性、經(jīng)濟(jì)性等問題，作出適合自己的選擇。