一種全自動快速換模系統在沖壓生產線上的設計研究

李靜 楊雷

（1、湖北大學知行學院 機械與自動化學院，湖北 武漢430011 2、武漢博萊恩智能裝備有限公司，湖北 武漢430200）

1 概述

快速換模[1]，即SMED（Single Minute Exchange of Die）在50年代初期起源于日本，由Shigeo Shingo 在豐田公司興起[2]，即在短時間內完成模具間的快速更換，以提高工作效率，為日本車企稱雄世界提供技術保證。傳統的換模方式是縮短模具進出沖壓機的時間，但隨著企業的高效發展，單純的快速換模方式已無法滿足實際生產需求，亟需設計一種全自動快速換模系統對企業競爭力的提升和促進企業的長遠發展具有重要意義[3]。

本論文以MS 集團汽車零部件公司生產需求為主要研究目標，為其沖壓生產線設計一套自動化快速換模系統，該系統將模具存儲和運輸與快速換模裝置有機結合，采用一鍵式操作，可根據客戶實際生產需要，將模具從模具庫運輸至沖壓機并自動完成取模、備模和換模工作，更換下來的模具能自動運輸至模具庫存放，并將模具使用和存儲信息記錄在操作系統中，方便查閱。該快速的、安全的、自動化程度極高的快速換模系統，可用于品種較多，批量較小的生產模式，從而達到精益生產的目的[4]，為智能工廠模式提供了強有力的技術支撐[5]。

2 系統設計

2.1 項目生產條件和需求分析

本系統是針對企業現有生產條件設計的一套全自動快速換模系統，該公司的一條生產線有4 臺110T 沖壓機并行布置，4臺沖壓機占地尺寸為12m×20m，面積為240m2，共有套56 模具集中存儲在沖壓機附近，該生產線主要問題有：（1）模具種類多，尺寸大小不一，在運輸和裝夾模具時，需要人工操作，耗時較長，且存在安全隱患[6]。（2）模具貨架采用橫梁式貨架，占用空間高，叉車取放高層模具操作不便。（3）沖壓設備生產線自動化程度不高，不符合智能制造生產需求。（4）4 臺沖壓機在連續生產工作時，需要的換模時間很長，有時長達120 分鐘。在目前的8 小時工作制中，每天更換模具的次數有限，從而生產的產品種類受到限制，一個工作日的換模次數僅為2 次，且僅能生產3 種汽車零件，產品數量為2200 件，不適用于小批量生產。

針對本項目存在的問題，新的生產線將4 臺沖壓機并行布置，其設計思路如下：（1）統一模具尺寸，方便存取、運輸及固定；（2）56 套模具集中存儲在沖壓機附近的貨架上，使用雙軌道堆垛機自動存取模具，且模具能隨機存放，其存取信息能由系統自動記錄，方便查閱；（3）設計一套雙工位換模臺車，同時存放需要更換的新模具和從沖壓機拆卸下來的模具，換模臺車能實現兩個工位上的模具與沖壓機的自動定位對中；（4）設計一套推拉機構，將新的模具推入至沖壓機，也能將沖壓機上需要更換的模具拉回至換模臺車，實現模具的自動更換；（5）模具進出沖壓機的通道與工人操作工位或機械手存在干涉，在沖壓機操作側設制一套翻轉機構，換模時，翻轉機構倒下連接換模臺車和沖壓機，為推拉機構提供通道。換模完成后，翻轉機構收起，為工人提供操作通道，節約操作空間；（6）設計一種新的方式和工具[7]，如增加舉模機構方便模具進出沖壓機，模具定位準確，再通過鎖模器對模具的快速鎖緊；（7）設計牛腿式貨架方便模具存儲，降低重心高度，降低模具取出和放入發生的危險，并配合雙軌道堆垛機的使用，組成自動化立體倉庫，自動化立體倉庫能智能存儲模具信息；（8）設計一鍵式操作系統，實現沖壓生產線全自動化過程。

所設計的自動換模系統，大批量時，4 臺沖壓機可同步換模、并行生產，小批量時，沖壓機可單獨換模，且該系統能夠集中存儲56 套模具，并能根據客戶的生產安排自動設定時間來完成取模、備模、換模動作，模具從模具立體貨架取出到安裝于沖壓機上的時間需控制在5 分鐘之內，本系統需采用一鍵式操作方式，減少人工操作，高效生產[8]，符合智能制造的發展趨勢。

圖1 卸模流程圖

2.2 換模流程設計

自動換模流程主要分為兩個步驟，卸模流程和換模流程。卸模流程是系統將使用過的模具從沖壓機上取出，換模流程是將新的模具安裝至沖壓機上。在執行其動作之前需要檢測模具是否到位，是否已經取出存放在換模臺車上，若判斷為是，系統開始運行，若判斷為否，系統處于等待狀態。

卸模流程如圖1 所示。換模流程如圖2 所示。

圖2 換模流程圖

2.3 控制系統實施過程

全自動快速換模系統控制系統的功能是用戶采用一鍵式操作，當用戶下達卸模指令時，操作人員在系統中查詢所需更換的模具信息，堆垛機完成取模動作，并行駛至指定位置與換模臺車對接，將信號反饋給PLC；系統再下達卸模指令，推拉機構將模具從沖壓機拉回放置在換模臺車，動作完成后將信號反饋給PLC；系統再下達指令，換模臺車備模工位對準沖壓機并將信號反饋給PLC；系統下達換模指令，推拉機構將模具送入沖壓機后退回至換模臺車；系統最后下達模具存放指令，堆垛機將模具存放在立體貨架，即完成一次換模過程。

本控制系統采用1 臺PLC 分別控制堆垛機、換模臺車、推拉機構、翻轉機構和舉模器鎖模器，通過現場總線將計算機、PLC、操控臺、交換機和變頻器連接，操控臺把開關量信號轉換為網絡線纜輸出，實現了系統在運行過程中實時監控。

圖3 控制系統結構框圖

2.4 對比分析

該項目投產的半年時間內，快速換模系統達到了設計目的和客戶的預期。正常情況下，換模時間大大縮短，換模效率明顯提高。4 臺壓機的總換模時間由以前的7 個人120 分鐘，縮短至現在的4 個人5 分鐘即可完成整個換模過程，單位時間內生產的產品種類增加了1 倍，產品庫存量由900 件降低為0，并且降低了安全事故的發生，降低了人工成本，最終提高了企業的生產效率。該項目投產前后生產情況如表1 所示。

表1 投產前后生產情況對比

3 結論

對于快速換模系統在該生產線的使用情況，項目組做了詳細和深入的分析，對系統投產前后產量做了對比，其投產后的經濟效益比之前提高許多。集模具存儲、模具運輸和模具自動更換的全自動快速換模系統勢必成為未來換模行業的發展趨勢，若由此推廣到沖壓企業，如小家電、手機、汽車零部件等類型生產線，特別是小規模，多品種的生產型企業帶來的效益不只是減少工人操作量和縮短換模時間，而是起到了催化劑的效果，同樣的設備，同樣的時間，同樣的人員，同樣的物流管理，生產效率提高了至少一倍，各種隱性成本的降低幾乎超過了整個系統的費用。全自動快速換模系統給沖壓企業帶來了全新的設計理念[9]，將會讓精益生產更上一個臺階。