汽車工業沖壓自動化工程研究與規劃

東風汽車股份有限公司制造技術科 劉偉，張永剛

汽車工業是國民經濟的支柱產業，沖壓成形是汽車四大工藝之首，在汽車工業中占據重要地位。沖壓自動化系統是專門為壓力機生產線實現沖壓自動化而設計的。傳統人工沖壓生產線，雖然在建設初期投入相對較小，但隨著市場需求的擴大，其固有效率低下、產品質量穩定性較差、人工勞動強度高且存在不同程度的安全隱患等缺點越來越影響企業的發展。沖壓自動化生產線恰好可以讓這些問題得到解決。較高的生產效率、穩定的產品質量及規模生產條件下更低的單件生產成本及勞動條件的改善，正是自動化沖壓生產線的優點，尤其對大型車身覆蓋件生產而言，這些優點更為突出。

全球一體化進程不斷加快，為制造業帶來了更大的發展空間，隨著我國汽車、電器產品質量的不斷提高與生產規模的不斷擴大，我國金屬沖壓行業實現生產自動化勢在必行。

輕型商用車分公司現有3條沖壓線，一條手工沖壓線，兩條自動化沖壓線。此3條沖壓線的自動化方式選型合理性，需要綜合投資收益、工作效率等因素，并提出改善意見。

一、自動化系統組成

就設備組成而言，沖壓自動化線一般包括壓力機和自動化系統。沖壓自動化系統通常包含拆垛系統、自動傳輸系統及線尾出料系統三個部分。

1. 拆垛系統

一套完整的沖壓自動化拆垛系統的常規配置主要包括2臺軌道移動式上料小車（每個上料小車上配備4～8個活動可調磁力分張器，通常為永磁鐵，用于板料分離）、拆垛手（機械手或機器人）、傳送裝置（多為磁性皮帶機）、板料清洗機（選項）、板料涂油機（選項）、板料對中臺及控制系統等組成，具體組成及特點如表1所示。

表1 拆垛系統組成簡介

圖1 拆垛系統

當上料小車裝載料垛（可包括托盤）由換垛位置回到拆垛位置后，板料由拆垛手從料垛拾取，通過傳送裝置穿過清洗機、涂油機送達對中臺。板料經過對中定位后，便可開始后序沖壓生產，具體如圖1所示。

重力對中和機械對中方式輕商分公司均有應用。沖壓1線采用重力對中，沖壓3線采用機械對中方式。機械對中采用同步氣缸，而且是可進行位置編程的伺服氣缸，伺服控制確保其精度，編碼控制保證其位置。根據板料不同，編輯氣缸位置，確保拍打后板料處于氣缸群中心，當氣缸拍打結束后回到其原始位置，并通知機器人抓取板料。機械對中等待時間為3～4s。重力對中利用板料自身重量對中，對中臺面上有2個傾斜角度，分上下和左右。當一張板料到達對中臺上時，自重導致板料沿斜度滑落到死角里，相同尺寸的板料滑落到固定位置。重力對中臺有若干個區域可以通過移動式插銷調整，使對中臺可以適應不同的板料尺寸。重力對中等待時間約為2s（見圖2、圖3）。

視覺對中系統包括1～2個攝像頭、PC機和一套圖像處理軟件組成。攝像頭將拍攝下來的實際位置與之前編輯儲存的標準沖壓板位置對比后將偏差值換算成機器人系統中的x、y、Rx、Ry差值，之后機器人通過換算差值后改變抓取動作抓取板料。光學對中等待時間不到1s。由于成本、效率及柔性較高，目前視覺對中系統在新建沖壓自動化中得到越來越多的應用，特別是多品種大型件、多異形件毛坯沖壓線上機械對中所需氣缸數量較多，視覺對中的成本及效率優勢明顯（見圖4、圖5）。

圖2 重力對中

圖3 機械對中

圖4 光學對中系統組成

圖5 光學對中模板匹配原理

圖6 機械手上下料配備穿梭機自動化線示意

2. 自動傳輸系統

自動傳輸系統用于各工序間毛坯或工件搬運傳輸。傳輸機構主要有機械手、機器人及穿梭機（皮帶機）配備端拾器等方式。自動傳輸機構形式差異，也是目前沖壓自動線不同形式的主要區別所在。

機械手分為上下料機械手配備穿梭機和高速穩定的單臂或雙臂橫桿式傳送機構、V形雙臂傳送機構等。上下料機械手配備穿梭機形式出現較早，兩臺壓力機之間需要兩臺機械手和一臺穿梭機，單條自動化線需要機械手數量較多，設備組成多，目前應用較少；高速、穩定的單臂或雙臂橫桿式傳送機構采用線性傳輸技術和同步技術，速度快，穩定性高，在高速全自動化沖壓線應用較多；V形雙臂傳送機構從物理角度來講為最穩定，精度最高的傳送機構。

機器人傳輸方式自身特點獨樹一幟，機器人通過端拾器和運動軌跡的調整，更加柔性化，產品適應性強，在舊線改造和多品種小批量沖壓線應用較多（見圖6）。

多工位壓力機傳輸機構為多工位壓力機專用設備，具體可分為三坐標、夾板式和多模式輸送方式，根據沖壓線產品結構及投資收益情況選擇不同的傳輸機構。

（1）上下料機械手和穿梭小車 沖壓完成后下料機械手從模具中取料將零件放置在穿梭機上，穿梭機移動到上料位置，上料機械手拾取零件放置到下一套模具中去。上下料機械手和穿梭小車一般包含2～3個運動軸，由伺服電動機驅動。機械手上下料配備穿梭機的方式出現較早，沖壓線生產節拍6～9件/min，適用于壓力機行程1～1.2m，壓力機間距為6.5～10m。該系統結構穩定性高，但是兩臺壓力機之間需要2臺機械手和1臺穿梭機，設備組成較多，端拾器數量較多，投入成本較高，在新建沖壓自動化線中應用較少（見圖7）。

（2）單臂和雙臂橫桿式傳送機構 單臂和雙臂橫桿式傳送機構采用線性傳輸和同步技術，是串聯壓機線自動化傳送最快選擇。此結構不拘泥于機械手的二維坐標形式，其特殊的機構專用于壓力機間板料輸送，一套壓力機間輸送機構最多包含十幾個伺服電動機軸。

同步運動控制。同步運動控制可以實現兩臺機器之間的協同運動。在沖壓自動化設備中，同步控制可以實現壓力機之間的同步，壓力機與快速送料機構之間的同步，使整個沖壓生產線達到最大生產效率。同步技術中滑塊運行速度較單次運轉速度低，有利于提高拉深質量和模具壽命、降低噪聲、相位差運行節約能力減少電網沖擊（見圖8）。

圖7 機械手上下料配備穿梭機示例

圖8 同步技術與壓機滑塊相位差

圖9 單臂橫桿式自動化線示意

圖10 單臂橫桿式傳送方式示例

圖11 雙臂橫桿式自動化線示意

單臂橫桿式機構。單臂橫桿式重型導軌確保線性運動可靠性，旋轉軸集成在端拾器橫桿里穩定性高。單臂橫桿滿負荷情況下壽命可達15年，機器人滿負荷壽命僅為2～3年。單臂適用于壓力機行程1～1.2m，壓力機間距為6.5～10m，運轉速度較高，SPM可達8～12；運轉模式為單次運轉和連續同步運轉（見圖9、圖10）。

雙臂橫桿式機構。雙臂橫桿式機構的橫桿由兩側導軌導向穩定可靠，沿運動方向有可升縮導軌，覆蓋區域為兩個工作臺整個工作臺面；具備5個自由度的調節，實現兩個工位間的“變位”；適應壓力機間距5～7m，降低土建投資；適用于壓力機行程1.2～1.4m；運轉速度較高，SPM可達10～17；壓力機需要特殊設計，立柱間距加大，電動機功率增加；運轉模式為連續同步運轉（見圖11、圖12a）。

快速送料系統與機械手上下料優勢：①效率大幅提高，配備單臂結構，沖壓線生產節拍8～12件/min，配備雙臂結構，沖壓線生產節拍為10～15件/min。②較大的靈活性，所有運動軸均可編程。③穩固的橫桿結構使工件傳輸更加平穩，無顫動。④端拾器橫桿上采用內置式多自由度調節裝置，提高了工件傳送過程中的變位靈活性。⑤可減少設備占地面積，縮減土建投資。

（3）機器人 機器人搬運的串聯式沖壓線特點是：整線結構簡化，可實現自動端拾器更換，大幅提高了作業的安全性。機器人通過端拾器和運動軌跡的調整，更加柔性化，產品適應性強。同時，機器人機構簡單、成本低廉、體積小。沖壓線常用6軸或7軸機器人，機器人自動化線SPM為5～10，壓力機間距為6.5～10m，超過8m需要使用7軸機器人。單臺機器人約80萬元，機器人主要用于多品種、小批量、速度較低、投入較少和老線改造的生產線（見圖12b、圖13）。

圖 12

圖13 機器人方式示例

（4）多工位壓力機傳輸裝置 多工位壓力機是進行高效、大規模沖壓生產的沖壓設備，集機械、電子、控制和檢測為一體，實現了沖壓生產高速、高精度和全自動化，代表了目前國際沖壓成形的高端技術。多工位壓力機將一個零件的各道加工工序按沖壓順序布置在壓力機的各個工位上，在滑塊的一個行程中完成全部工序加工。相同的工作臺，等高的模具，各工序節拍一致，生產一個零件的周期縮短到4.5～5s，且占地面積小，人員使用少。制造多工位壓力機的廠家主要有瑞士Gudel、德國舒勒、日本小松、西班牙法格、濟南二機床等，多工位壓力機系統成本較高。

多工位壓力機常用的傳輸方式分為三種，分別為三坐標送料、夾板式送料和多模式送料：

①三坐標式送料主要用于長形、窄性和不易變形的沖壓件。這些沖壓件的外形需借助于安裝在每一個送料桿上的夾鉗，在沖壓件前部和后部拾起沖壓件。所以沖壓件必須很平整，無任何翹起和塌陷，才有利于沖壓件的拾起。

②夾板式送料可借助于電子多工位送料的提升和傳送把工件從一個工位傳送到另一個工位。夾板懸掛在模區上部，吸盤安裝在夾板上，借助吸盤拾起工件。這種送料方式最適于拾起易于塌陷的大型沖壓件。此外，這種方式也適合每次行程加工兩個和更多個單附著件或兩個附著件。

③多模式送料為三坐標和夾板式組合形式。多模式送料通過使用最有效的送料方式（三坐標或夾板式）幾乎可以加工任何工件。每一組移動工作臺都可以適于這兩種送料方式。轉換時間與換模時間相當，不超過5mi n（見圖14、圖15）。

圖14 多工位壓力機自動化線示意

圖15 多工位壓力機自動化線示例

圖16 線尾出料系統示例

3. 線尾出料系統

線尾出料系統由出料輸送帶、照明、工件檢驗臺、人工或自動裝箱機構及控制系統等構成。主要任務是將成品沖壓件輸送至合適的位置便于裝箱（或自動裝箱），并為沖壓件檢測提供條件。由于人工檢查的靈活性特點，常用人工檢查及人工裝箱方式（見圖16）。

二、沖壓線自動化選型

1. 沖壓自動化選型考慮因素

在拆垛系統、自動傳輸系統和線尾出料系統中選擇組合的過程，沖壓自動化的選型受多方面因素影響，在滿足產量和沖壓質量的前提下尋求效率和投資收益率最大化。

（1）產能核算是選型前必需工作 產能核算結果直接決定生產線種類及投入數量，也就直接影響投資。產能核算影響因素：生產節拍（SPM）、綜合故障率（由設備工裝故障及生產組織等問題造成的停線時間比例）與單次換模時間等。

（2）沖壓實際狀況和投資預算 根據預算選擇合適的拆垛系統，如僅有一條沖壓線，沖壓質量有清洗需求，則需要配備在線清洗機，如果有離線清洗設備且清洗能力可供應沖壓需求，就沒有必要選擇自動化中加入在線清洗機。如果沖壓線產品結構復雜，異形件較多可以考慮光學對中，可有效降低成本和提升效率。如果產品結構簡單，批量較大，且對中效果要求較高，可以考慮機械對中。如果投資預算有限且對對中精度要求不高，可以配置重力對中臺。

（3）出于對自動傳輸系統考慮 自動傳輸系統的不同為區別自動線系統不同的重要部分，根據沖壓實際狀況和投資預算選擇合適的傳輸系統。根據事業計劃分解沖壓計劃，明確沖壓能力需求，確定沖壓生產線配置。由于自動化不能脫離壓力機單獨使用，所以在自動化方式的選擇上也要綜合考慮壓力機的投資。自動化的價格遠低于沖壓線價格，所以不要因為自動化跟不上壓力機的能力而浪費壓力機的投資。

（4）老線改造綜合考慮 如果是老線改造，必須建立在壓力機間距、滑塊行程、模具自動化狀況的基礎上，選擇相匹配的自動化方式。

2. 沖壓自動化選型技術要求

（1）滑塊行程 必須保證上下料機械手抓取工件水平運動過程中端拾器與上模最低點及下模最高點保持足夠的安全空間。

（2）模具閉合高度及細節 同一生產線模具閉合高度相差不宜過大（最好一致）；下模盡可能裝有制件到位傳感器；模具安裝槽的位置盡量統一（可以減少自動夾緊器的數量，降低成本）；廢料能夠順利排出工作臺外（部分排料困難位置加沖頂裝置）；成形類模具配備制件頂松裝置（如彈頂銷或頂出氣缸）和避免出現較大的斜楔機構，盡量多采用旋轉斜楔。

（3）毛坯料垛的規整程度 對鋼板毛坯料垛的規整程度有更為嚴格的要求。如果料垛不夠整齊，會造成磁力分張效果差（易產生雙料現象），拆垛機械手抓取板料位置不夠準確等問題。具體見表2。

三、結語

綜上所述，沖壓自動化包含線首拆垛系統、自動化送料系統和線尾出料系統，每個系統中又有不同的子系統與分類，構成了沖壓自動化的多樣化與復雜化。沖壓自動化的選型需要綜合考慮產能與產量、產品結構、壓力機與模具參數狀況等因素，選擇相匹配的自動化方式，尋求投資收益最大化。

表2 自動化線選型一覽