沖壓模具機器人自動清洗裝備及工藝設計

陸遙，郝夢姣

（濟南達寶文自動化設備工程有限公司，山東 濟南 250000）

汽車沖壓模具在使用一段時間或修理后，表面或縫隙會存在油污、金屬粉末等異物。為保證沖壓模具正常使用，需要定期對模具進行清洗。

傳統(tǒng)的模具清洗，工人手持噴槍向模具近距離噴射高壓清洗介質，清洗介質一般是熱水（可混入清洗劑）、干冰。在該過程中高壓清洗介質容易造成工人受傷（機械性沖擊傷、燙傷、凍傷等）。工作中會產生大量水霧，降低能見度，影響人員操作，清洗效率低下。在模具吹干階段，工人手持氣槍向模具近距離噴射加熱后的壓縮空氣。該過程中壓縮熱空氣可能造成工人燙傷。另一方面，通常情況下沖壓模具體型較大且表面不規(guī)律，存在曲面，人工清洗時需要工人不斷移動位置或者跨越模具。工作效率低，且容易滑倒受傷。

為此，自動清洗裝置應運而生。自動清洗裝置由機器人對模具進行自動清洗、吹干、涂油等操作，避免人員傷害；機器人自動工作，不受水霧影響；機器人工作范圍大，移動靈活，工作效率高。自動化的清洗工藝也為現代汽車制造業(yè)創(chuàng)建無人化工廠提供了解決方案。

1 概述

清洗間主要包括：房屋構建、機器人系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、吹干系統(tǒng)、涂油系統(tǒng)、除霧系統(tǒng)、污水處理及循環(huán)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、附件等。如圖1 所示。

圖1 自動化模具清洗間設備布局示意圖

2 清洗要求

清洗對象：沖壓車間所有汽車模具，標準模具和小件，可運用機器人自動清洗，并配備手動清洗工具支持完成自動清洗不能完成的工作。

模具表面狀況：液壓油，拉延油，黃油以及各種灰塵和各種殘留鋅粉鐵屑等雜質；模具非金屬零部件：含塑料件、聚氨酯、氮氣缸及壓縮空氣缸密封件、電器元件及電纜等。

清洗介質為水基清洗液，可直接進入廠區(qū)污水處理管網。

清洗質量要求：模具清洗后，零件成形面通過目視和擦拭無顆粒雜質和油污印記，各溝槽、構件和臺面無雜質、油污和顆粒沉積，清潔度達到生產狀態(tài)，并且不會對模具本體造成損傷。

清洗流程如圖2 所示。

圖2 清洗流程示意圖

清洗模式通常有3 種：①機器人標準清洗模式，機器人對選定區(qū)域進行反復高壓清洗；②配方管理模式，通過存儲的模具號對應的編輯清洗路線和清洗邏輯進行專項清洗，如選定翼子板模具，初次上線需要人工編輯清洗曲線和邏輯，二次上線則直接選定參數，啟動即可；③人工清洗模式，人員使用手持式噴槍，在各種情況下對模具進行手動清洗。

機器人自動清洗邏輯如下：①全面噴濕；②對重點空隙和溝槽高壓清洗；③型面高壓清洗；④對全平面進行高壓噴洗；⑤自動吹干。每個邏輯步驟可以在一個清洗參數中選擇是否需要和需要執(zhí)行次數。

3 工藝設備技術說明

3.1 房屋結構要求

清洗間房屋設計為清洗間和設備間，整個流程的清洗、吹干、涂油工作都在清洗間進行；清洗設備的各液槽、泵站、控制系統(tǒng)等都置于設備間內。

清洗間一側開有通向車間模修區(qū)的物流門，采用電動鋁合金L 型卷簾門同時開啟垂直面與屋頂，用于模具的吊入吊出，以降低模具進入清洗間時的吊裝高度。如圖3 所示。

圖3 L 型卷簾門效果圖

設備間按需求設置通向車間的平開門，方便進入設備控制間；清洗間與設備間有一平開門，便于人員往返清洗間與設備間，該門上裝有安全鎖。

清洗房墻外壁為彩涂鋼板，內壁為304 不銹鋼板，中間夾層為憎水防火巖棉。墻面上安裝有安全玻璃材質的觀察窗。

清洗間的一周墻體需要修砌一定高度的防水臺（或防水墻），防水臺構建時應先將土建混凝土地面刨除一部，防止防水臺的混凝土與地面之間開裂透水，防水臺構建完成后，應整體做防水施工。

清洗間地面應設計為斜面，清洗間內設計有環(huán)形排水溝，排水溝聯(lián)通至污水坑。

清洗間地面鋪設符合 YB/T4001.1-2007（TB/T4001-1998）標準的熱鍍鋅壓焊鋼格板。鋼格板表面宜為齒形面，增加防滑效果。

3.2 機器人系統(tǒng)

自動清洗采用6 軸機器人加0 軸來帶動清洗噴槍按要求清洗模具型面。

機器人選用清洗專用型機器人，全機身使用環(huán)氧樹脂漆涂覆；各電機罩連接處使用增強墊片；法蘭連接螺栓均有防銹處理；機器人自身有氣洗功能保證機器人各腔體、護罩內保持正壓，防止水汽浸入。

0 軸設計為全封閉樣式。驅動、傳動、軌道等均設置在護罩內。配置涂油泵并設計涂油程序，定期對導向機構、傳動機構進行潤滑。

3.3 清洗系統(tǒng)

水經過濾器，通過水力加藥泵混合稀釋清洗劑原液后，進入水箱的進水電磁閥進入水箱，當水到達高液位時停止進水，經電加熱成熱水后經過濾器進入高壓泵，通過高溫高壓泵將混合后的清洗液加壓，經高壓電磁閥、噴槍噴射到待清洗的工件表面，實現清洗功能。清洗系統(tǒng)分為水箱、泵組、噴槍等。如圖4所示。

圖4 清洗系統(tǒng)原理圖

自來水進入水箱之前設置≤30μ 過濾器，清洗系統(tǒng)通過水力加藥泵抽取清洗劑添加到清水中，水力加藥泵利用進水水流帶動泵自動按比例添加清洗劑，泵的混合比例按照所選用的清洗劑使用說明書和具體清洗工況調節(jié)。

清洗系統(tǒng)的加熱方式一般有兩種：①無加熱功能的水箱+帶加熱功能的清洗機；②加熱水箱+不帶加熱功能的清洗機。

清洗水箱采用304 不銹鋼板制作，水箱安裝有液位檢測裝置，設定有高位，補水位和低位，高位停止補水，液面到達補水位自動補水，液位處于低位則系統(tǒng)停止高壓沖洗工作；液位到達高液位時停止補液（箱內高液位的清洗液由溢流口流入沉淀池），箱體設有排污口與溢流口，便于清洗箱提時排出箱體內所有污水。

項目根據實際需求設置加熱器，計算方法如下。

根據熱量計算

式中：C 為水的比熱，4.2J/g·℃；m 為水的質量，g；△t為水的溫升，℃；η 為熱效率，為方便起見，可按100%計算，實際上的加熱效率為90%～97.9%不等；P為功率，W；T 為加熱時間，s。

公式可簡化為（熱效率100%）

T=1.17·升數·溫升/熱水器功率

加熱器一般為多組，可單獨控制。

高壓泵數量為兩臺，用一備一。輸出水壓一般不低于14MPa，流量一般不低于14L/min，耐熱≤85℃。高壓泵配置壓力表、調壓閥、安全閥。或者配置帶即熱功能的清洗機整機。

機器人噴槍上可以配置多個規(guī)格的噴嘴，如：扇形噴嘴、錐形噴嘴、直線噴嘴。一個高壓電磁閥控制一個噴嘴的出水。按照不同清洗要求，由電磁閥控制不同的出水形狀。

用手持噴槍清洗時，只需要打開泵組開關，水箱出水接入高壓泵，噴槍開槍后高壓泵工作高壓水噴出。關槍后高壓泵停止工作。人工噴槍可以手動更換噴嘴。

3.4 吹干系統(tǒng)

清洗間應配置有模具吹干系統(tǒng)，用于模具清洗后的吹干作業(yè)。主要由空氣過濾器、空氣加熱器、管路、機器人噴槍、人工噴槍等組成。作業(yè)方式采用機器人自動吹干或人工吹干方式，機器人自動吹干動作模式同清洗模式相同。

在氣源管道后配置空氣過濾器，將壓縮空氣中的水分及顆粒狀物進行過濾，然后通過管道式空氣電加熱氣加熱，再接入吹干槍的管路中，管路耐高溫且保溫。噴槍的槍桿應有一定的長度，噴嘴樣式可以是圓形噴嘴或扁平型噴嘴。

3.5 涂油系統(tǒng)

清洗間應配置有涂油系統(tǒng)，用于清洗吹干后的防銹油噴涂作業(yè)，作業(yè)方式為人工。主要由空氣過濾器、涂油泵、噴槍、管路等組成。人員使用手持式噴油槍向模具型腔及有關部位噴涂霧化防銹油，噴油量可調。

3.6 除霧系統(tǒng)

清洗間應配置排風除霧系統(tǒng)，用于清洗過程中產生的水霧。清洗作業(yè)水壓較大，水溫較高，很容易在清洗間內產生大量水霧，另外清洗間設計為封閉樣式，水霧無法自己排出，嚴重降低清洗間內能見度。較高的相對濕度也會降低設備和墻體的使用壽命。按照以往人工清洗的項目經驗，模具清洗間在沒有除霧系統(tǒng)時，室內相對濕度逐漸達到100%，工作時間約3min，清洗間內能見度就會小于1m，即因此為保證清洗間內能見度，要求每2min 清洗間內換氣或除濕一遍。

換氣量的計算為：按照清洗間體積200m3，每小時需要的處理量為60/2×200=6000（m3）。

除濕量的理論計算如下：

式中：dv為不同溫度下水蒸氣飽和時每立方米氣體的含水量，g；Pb為不同溫度下水的飽和蒸氣壓，mmHg；t 為溫度，℃。

按照清洗間初次水蒸氣飽和時溫度為35℃時，Pb35=42.2mmHg，dv35=25.7g/m3，清洗間內水霧含量7.9kg，每兩分鐘循環(huán)一次，保證清洗間內相對濕度降到70%以下。

水霧的處理方法一般有兩種：①送風排風，該方法由軸流風機將水霧直接排放到車間以外的大氣中，成本較低；②冷凝除濕，該方法主要依靠冷凝除濕機對清洗間內的水霧循環(huán)冷凝，成本較高。如圖5所示。

圖5 除霧系統(tǒng)循環(huán)示意圖

根據客戶需求，可靈活選擇兩種除霧方式，如表1 所示。

表1 除霧方式對比表

3.7 污水處理及循環(huán)系統(tǒng)

清洗間應配置污水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由集水坑、過濾器、油水分離機、污水坑、泵等組成，系統(tǒng)也可以額外增加污水回收利用功能。

模具沖洗后的廢液經過回流收集，在集水坑內經固體過濾、沉淀和油水分離后排入污水坑或循環(huán)利用。

排入污水坑的水通過排污泵排到水處理站進一步處理。循環(huán)利用的水進入回收水箱，經過濾、殺菌，輸送回清洗水箱。被分離出的油排入廢油桶定期處理。

3.8 控制系統(tǒng)

系統(tǒng)可存放工藝配方參數及曲線。系統(tǒng)配置觸摸屏，工藝所需的可調節(jié)參數都可在屏上進行設定和現實，自動保存最近的操作信息；系統(tǒng)提示信息和故障信息在觸摸屏上顯示，可預留與外界系統(tǒng)通訊接口。

系統(tǒng)安全信號經過標準的安全模塊進入PLC 系統(tǒng)，所有安全控制程序在安全PLC 下運行，所有安全信號采用雙回路；設備間與清洗間的手開門、模具調運的卷簾門需要有進入請求，設備回到原點停止運行后門鎖才能具備開鎖使能，清洗房的各個門接入安全系統(tǒng)，并作為機器人自動運行的使能條件。

設有警示燈、蜂鳴器，具備運行模式、停止、急停等各種故障信息指示和報警；如在自動清洗期間出現機器人自動化和安全故障，則從新開始整個清洗流程。如圖6 所示。

圖6 模具清洗間電氣布局示意圖

3.9 附件

為配合各系統(tǒng)的順利工作，清洗間還應配置模具承載、照明、搬運等結構或設備。

4 總結

沖壓模具自動清洗工藝提高清洗效率，減少了操作人員工作強度、避免了對人員的傷害、提高了工作效率。

機器人自動清洗過程中，人員不進入清洗間，僅通過操作系統(tǒng)控制機器人工作。因此，可將清洗介質、吹干用壓縮空氣的溫度設置的更高，避免了清洗介質和清洗工具對人員的傷害，提高清洗效果和模具干燥速度。

對于沖壓模具尺寸大、曲面多、型面和溝槽多且復雜的特點。機器人通過0軸，在清洗間穿梭運動作業(yè)。機器人的運行速度遠遠高于人員行走速度與手持式噴槍的移動速度。無人操作避免了人員環(huán)繞或跨越模具行走和操作噴槍過程中人員有可能出現磕碰、滑倒、絆倒等人身傷害情況。

清洗開始后清洗間彌漫大量水霧，可見度極底。人工清洗過程中，操作人員難以觀察部分型面或溝槽的臟污情況和清洗效果。機器人自動清洗，只要在該裝置投入使用之前的調試階段，把所有需要清洗的模具設計清洗配方，規(guī)劃對應的路徑、角度、時長、溫度、循環(huán)次數等，再經過多次的試驗調整，將其優(yōu)化。在該裝置投入使用后，根據進入清洗間的模具，調入相應的配方，即可實現高效清洗。