沖壓模具半自動(dòng)涂油機(jī)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)節(jié)拍分析

王淑坤， 郭微， 黃富

（長春理工大學(xué)，長春 130022）

0 引言

隨著自動(dòng)化機(jī)械在零件大批量生產(chǎn)上的廣泛應(yīng)用，提高生產(chǎn)效率、減少節(jié)拍時(shí)間、降低刀具消耗和降低零件的加工成本成為用戶急需解決的問題［1］。

多工位模具1600T生產(chǎn)線是將一個(gè)制件的多工序沖壓生產(chǎn)集成起來的連續(xù)沖壓生產(chǎn)線。它具有產(chǎn)能大、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)［2］。因此，它對沖壓模具的要求也很高。其各個(gè)沖壓工位的工件需要進(jìn)行涂油，原始的手工涂油已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，以機(jī)械代替人工進(jìn)行涂油，使產(chǎn)品減少碰磕傷，把油料稀薄而均勻地噴涂到工件上，能大大節(jié)約涂油的成本，為用戶減少了生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)了取料、涂油、送料為一體的自動(dòng)流水生產(chǎn)線。在機(jī)械加工中，生產(chǎn)節(jié)拍是精益生產(chǎn)控制的重要環(huán)節(jié)，它能有效地防止生產(chǎn)過剩造成的浪費(fèi)和生產(chǎn)過遲造成的分段供應(yīng)不連續(xù)問題。

1 沖壓模具半自動(dòng)涂油機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

半自動(dòng)涂油機(jī)，可用于多工位模具在1600T以上的生產(chǎn)線上，采用人工上料、自動(dòng)涂油、自動(dòng)送料。該設(shè)備為電動(dòng)及氣動(dòng)聯(lián)合控制，主要由托料裝置、涂油傳送裝置、電氣控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成，其三維模型如圖1所示。機(jī)架由方型鋼管及鋼板焊接加工而成，底面安裝帶有萬向的腳輪并能與地面鎖定，另外還配置固定式可調(diào)地腳。當(dāng)輸送裝置向前伸出時(shí)手動(dòng)安裝輔助支架，承載部分輸送裝置的重量。半自動(dòng)涂油機(jī)采用電動(dòng)缸、氣缸、伺服電機(jī)、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、直線軸承、PLC、觸摸屏等先進(jìn)元器件組合而成。具有外形美觀、性能可靠、操作方便、維修簡單的特點(diǎn)。電氣控制系統(tǒng)由電控柜、PLC、觸摸屏、低壓電器等構(gòu)成。

圖1 沖壓模具半自動(dòng)涂油機(jī)

1.1 托料裝置

托料裝置安裝在用戶現(xiàn)有的轉(zhuǎn)運(yùn)車上，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)兩種控制方式；托料裝置為提升托盤式結(jié)構(gòu)，主要由底座、托料盤、上托板、雙導(dǎo)柱及導(dǎo)套、滾珠絲杠及滾珠螺母、軸承及軸承座、減速電機(jī)、限位開關(guān)、光電對射開關(guān)、按鈕等構(gòu)成。

托料盤通過減速電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)使之上升或下降，上升或下降至極限位置處裝設(shè)行程開關(guān)，當(dāng)托料盤上升或下降至極限位置時(shí)停止，起到限位保護(hù)作用。在手動(dòng)狀態(tài)下，按“上升”按鈕及“下降”按鈕，托料盤相應(yīng)“上升”或“下降”。在自動(dòng)狀態(tài)下，通過光電對射開關(guān)的感應(yīng)，由程序控制，托料盤上的料片在一個(gè)固定的水平面上，便于操作者取料，托料盤的“上升”或“下降”由控制器程序自動(dòng)完成。

1.2 涂油裝置

涂油傳送裝置實(shí)現(xiàn)料片的定位、上下面涂油、輸送、托起等動(dòng)作。主要由輸送裝置、涂油裝置、頂料裝置等構(gòu)成。

1）輸送裝置。

輸送裝置安裝在機(jī)架上面，中間設(shè)置2根直線導(dǎo)軌，輸送裝置沿直線導(dǎo)軌在輸送料方向可手動(dòng)滑動(dòng)并由手動(dòng)手柄鎖定，目的是使涂油傳送裝置可移位，便于裝入壓機(jī)內(nèi)。上下面涂油刷裝置、頂料裝置均安裝在輸送裝置上；油槽裝置安裝在機(jī)架上面。

輸送裝置分為3個(gè)工位：上料工位、涂油工位、送料工位。上料工位為手工上料位，只有料片的定位及識別有無料片的接近開關(guān)；涂油工位包括上面涂油刷裝置、下面涂油刷裝置、油槽裝置；送料工位為包括運(yùn)輸工位和頂料裝置，將料片頂起后由壓機(jī)機(jī)械手拿走。

2）涂油裝置。

油箱底部固定連通注油管及油量調(diào)節(jié)閥；2個(gè)注油管分別連通上下2個(gè)帶有孔的空心注油輥；油輥外套有涂油毛氈。下面涂油刷裝置對料片下面進(jìn)行自動(dòng)涂油。能夠?qū)崿F(xiàn)滾油刷的料片到位上升→水平移動(dòng)前行對料片上面涂油→下降至最低處→平移后退至料片左下方等待下一循環(huán)。

涂油裝置由壓力密閉油箱盛裝油液，油面帶有浮子及下限位報(bào)警，油箱在工作時(shí)油面上面通入正壓壓縮空氣，使油面產(chǎn)生一個(gè)壓力；油箱底部安裝放油管固定連通注油管及油量調(diào)節(jié)閥。

3）頂料裝置。

頂料裝置實(shí)現(xiàn)在第二工位將料片由輸送裝置上頂起至1600T壓機(jī)的機(jī)械手能夠取到的高度。頂料裝置由可調(diào)行程氣缸、雙導(dǎo)桿及滾珠導(dǎo)套、滑板、支柱、頂桿等構(gòu)成。氣動(dòng)裝置由氣源處理三聯(lián)件、電磁換向閥、氣動(dòng)管路、接頭等構(gòu)成。

2 半自動(dòng)涂油上料機(jī)的生產(chǎn)節(jié)拍分析

生產(chǎn)節(jié)拍對任何一臺涂油裝置的生產(chǎn)線而言都是十分重要的參數(shù)，它能直觀體現(xiàn)涂油機(jī)構(gòu)在生產(chǎn)線上的生產(chǎn)能力，是工藝設(shè)計(jì)的重要依據(jù)［3］。對于沖壓模具半自動(dòng)涂油機(jī)，料片在涂料工藝鏈上的運(yùn)行為連續(xù)式，而工人將料片放入夾緊位置和料片被頂出轉(zhuǎn)接給機(jī)械手都為間歇運(yùn)行，因此，通過電氣開關(guān)信號設(shè)定有效地控制生產(chǎn)節(jié)拍是關(guān)鍵。圖2所示為涂油上料機(jī)構(gòu)工作流程圖。

圖2 涂油上料機(jī)構(gòu)工作流程圖

2.1 生產(chǎn)節(jié)拍控制方案一

2.1.1 料片進(jìn)口處

開關(guān)設(shè)置說明（以下M0～M4均表示接地開關(guān)）如圖3。M0為托盤將料片送至料片工作的指定高度；M2為上料工位的操作人員已將料片從托料裝置放置指定工位；M4為完成料片的涂油工作。

圖3 方案一料片進(jìn)口開關(guān)位置示意圖

動(dòng)作說明（料片觸碰開關(guān)位置時(shí)，用“ON”表示。料片脫離開關(guān)位置時(shí)，用“OFF”表示，以下類同）：1）當(dāng) M0信號為“ON”，M2信號為“OFF”時(shí)，托料裝置帶動(dòng)料片上升，上升到料片工作的指定高度；2）當(dāng)M2信號為“ON”時(shí)，料片裝夾結(jié)束；3）當(dāng) M2信號為“ON”，M4信號為“OFF”時(shí)，保持節(jié)距，待進(jìn)入涂料區(qū)。

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，設(shè)料片長度為s0，人工操作的速度為v2，皮帶運(yùn)行的速度是v1，定起料片的時(shí)間（包括上下位鎖緊機(jī)構(gòu)開啟閉合時(shí)間）是t0，M0至M1距離為s1，M1至 M2距離為 s2，M2至 M3距離為 s3；M3至 M4距離為 s4。

若不考慮M4，則1個(gè)運(yùn)行節(jié)拍過程（以托料裝置升起為標(biāo)志點(diǎn)）：1#料片尾部運(yùn)行脫離M2時(shí)，發(fā)信號給托料裝置，2#料片上升到位（時(shí)間為t0）；工人裝夾至M2（時(shí)間為（s1+s2）/v2）；轉(zhuǎn)為傳送帶，直至2#料片尾部運(yùn)行脫離M2（時(shí)間為s0/v1），發(fā)信號給托料裝置，3#料片上升。由此，1個(gè)運(yùn)行節(jié)拍結(jié)束。

節(jié)拍 T1=t0+（s1+s2）/v2+s0/v1。

設(shè)定一個(gè)開關(guān)M4，保證料片之間的間距不小于1個(gè)工藝要求間距。

2.1.2 料片出口處

開關(guān)說明如圖4。M5為料片將進(jìn)入運(yùn)輸工位；M6為料片進(jìn)入頂出工位；M7為料片被頂出指定高度由機(jī)械手轉(zhuǎn)接下一個(gè)工位。

圖4 方案一料片出口開關(guān)位置示意圖

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，1#料片頭部運(yùn)行至M5時(shí)，料片的涂料工作已經(jīng)結(jié)束，M5到M6的距離為s0/2，M6到M7的距離為s0/2，當(dāng)料片的頭部接觸到M7時(shí)，等待M2的信號發(fā)給頂出裝置，頂出裝置將料片傳給機(jī)械手。1個(gè)運(yùn)行節(jié)拍結(jié)束，如期間無發(fā)生占位停車，則出口節(jié)拍與進(jìn)口相同。

2.2 生產(chǎn)節(jié)拍方案二

2.2.1 進(jìn)口處

為滿足生產(chǎn)節(jié)拍的要求，在原有的開關(guān)布置基礎(chǔ)上，改進(jìn)方案如圖5。

圖5 方案二料片出口開關(guān)位置示意圖

開關(guān)說明：M0為托盤將料片送至料片工作的指定高度；M1為開始裝夾；M2為上料工位的操作人員已將料片從托料裝置放置指定工位；M3為進(jìn)入涂料區(qū)；M4為完成料片的涂油工作。

動(dòng)作說明：1）當(dāng) M1信號為“OFF”時(shí)，升降機(jī)上升，在上位等待進(jìn)入滾床。2）當(dāng) M1、M2信號為“OFF”時(shí)，托料裝置上升。3）當(dāng) M1、M2信號為“ON”時(shí)，托料裝置停止上升。4）當(dāng) M1、M2信號為“ON”，M3信號為“ON”時(shí)，操作工人將料片裝夾。5）當(dāng) M1、M2、M3信號為“ON”，M4信號為“OFF”時(shí)，保持工藝要求節(jié)距，料片進(jìn)行涂油。

正常運(yùn)行狀態(tài)下，若不考慮M4，則1個(gè)運(yùn)行節(jié)拍過程（以托料裝置升起為標(biāo)志點(diǎn)）：1#料片尾部運(yùn)行脫離M1時(shí)，發(fā)信號給托料裝置，2#料片上升到位（時(shí)間為t0）；工人裝夾至M3（時(shí)間為（s1+s2+s3）/v2）；轉(zhuǎn)為傳送帶，直至2#料片尾部運(yùn)行脫離M1（時(shí)間為（s0-s2-s3）/v1），發(fā)信號給托料裝置，3#料片上升。由此，一個(gè)運(yùn)行節(jié)拍結(jié)束。

節(jié)拍：T2=t0+（s1+s2+s3）/v2+（s0-s2-s3）/v1=T1+s3/v2-（s2+s3）/v1。

設(shè)定一個(gè)開關(guān)M4，保證料片之間的間距不小于1個(gè)工藝要求間距。

2.2.2 出口處

開關(guān)說明如圖6。M5為料片將進(jìn)入運(yùn)輸工位；M6為料片進(jìn)入頂出工位；M7為料片被頂出指定高度由機(jī)械手轉(zhuǎn)接下一個(gè)工位。

圖6 方案二料片出口開關(guān)位置示意圖

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，1#料片頭部運(yùn)行至M5時(shí)，料片的涂料工作已經(jīng)結(jié)束，M5到M6的距離為s0/2，M6到M7的距離為s0/2，當(dāng)料片的頭部接觸到M7時(shí)，等待M1的信號發(fā)給頂出裝置，頂出裝置將料片傳給機(jī)械手。1個(gè)運(yùn)行節(jié)拍結(jié)束，如期間無發(fā)生占位停車，則出口節(jié)拍與進(jìn)口相同。

2.3 兩種生產(chǎn)節(jié)拍的對比分析

設(shè)定 s0=600 mm，s1=650 mm，s2=s3=50 mm，v1=0.15 m/s，v2=0.8 m/s，t0=0.1 s，則有：

改進(jìn)前，T1=t0+（s1+s2）/v2+s0/v1=0.1+（0.65+0.05）÷0.8+0.6÷0.15=4.975 s；

改進(jìn)后，T2=t0+（s1+s2+s3）/v2+（s0-s2-s3）/v1=0.1+（0.65+0.05+0.05）÷0.8+（0.6-0.05-0.05）÷0.15=0.1+0.937 5+3.333=4.37 s。

則 ΔT=（s2+s3）/v1-s3/v2=（0.05+0.05）÷0.15-0.05÷0.8=0.604 s。

改進(jìn)前后的生產(chǎn)節(jié)拍比較見表1。

表1 改進(jìn)前后生產(chǎn)節(jié)拍比較

在對沖壓模具半自動(dòng)涂油機(jī)節(jié)拍調(diào)整后，節(jié)距=生產(chǎn)節(jié)拍×鏈速（m/min），由于涂料上料片排列節(jié)距減小，引起鏈條負(fù)荷增大［4］，需重新對鏈條強(qiáng)度和驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載能力進(jìn)行核算，計(jì)算結(jié)果表明：改進(jìn)后以上兩項(xiàng)均在原設(shè)計(jì)范圍內(nèi)（此計(jì)算過程在此不作具體展開）。故無需對鏈條進(jìn)行調(diào)整。另外，方案二涂油時(shí)間=涂油長度/鏈速［5］，由于雙鏈速度未變，涂油未變，故涂油時(shí)間不變。

3 結(jié)論

通過上述案例分析，在基本不調(diào)整原有涂油時(shí)間、電器配置、機(jī)械結(jié)構(gòu)的情況下，為縮短生產(chǎn)線節(jié)拍，提出2套解決方案，并分別對其方案進(jìn)行分析。建立了生產(chǎn)線節(jié)拍計(jì)算的方程，合理調(diào)整元器件開關(guān)位置和數(shù)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，方案二可以有效地縮短生產(chǎn)節(jié)拍，提高了整條生產(chǎn)線的效率，對工程上類似問題的解決具有一定的參考價(jià)值。

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［3］ 馬向凱，武京斌，閆潤娟，等．基于理論的涂裝同步工程研究及應(yīng)用［J］.上海涂料，2010（3）：37-39.

［4］ 何章翔．油漆車身橘皮控制研究［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2011（4）：41-43，49.

［4］ 王錫春.談工業(yè)涂裝降低 VOC和節(jié)能減排［J］.中國涂料，2008，23（4）：54-57.