大型壓力機(jī)單機(jī)自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)工藝研究

陳培麗

（山東英才學(xué)院，山東 濟(jì)南 250104）

沖壓成形是金屬成形中最有效的工藝方法之一。通過沖壓設(shè)備一定強(qiáng)度的沖壓力，使模具中板件發(fā)生塑性變形，以此來獲得一定的形狀、大小和性能的產(chǎn)品組件。沖壓技術(shù)在汽車、航天、家電、五金、醫(yī)療器械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，沖壓產(chǎn)品亦成為制造業(yè)中不可或缺的必需品。

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，沖壓技術(shù)越發(fā)趨于高速度、自動(dòng)化和柔性化[2]。為此，針對(duì)目前國內(nèi)大部分企業(yè)生產(chǎn)狀況，在已有設(shè)備上進(jìn)行更經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的設(shè)計(jì)改造，開發(fā)一種適用于中小企業(yè)大型壓力機(jī)沖壓生產(chǎn)的單機(jī)自動(dòng)化上下料系統(tǒng)，以少量資金投入實(shí)現(xiàn)沖壓生產(chǎn)自動(dòng)化，為資金較薄弱的中小企業(yè)探索生產(chǎn)線改造及自動(dòng)化轉(zhuǎn)型過渡提供了可行性方案。

1 單機(jī)自動(dòng)化上下料系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)要求

根據(jù)加工沖壓件的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)方式、沖壓主機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、客戶的生產(chǎn)要求以及現(xiàn)場的工藝條件，自主設(shè)計(jì)研發(fā)的單機(jī)自動(dòng)化上下料系統(tǒng)需滿足以下設(shè)計(jì)要求：

（1）保證產(chǎn)品沖壓質(zhì)量。用于沖壓生產(chǎn)的汽車覆蓋件板件結(jié)構(gòu)尺寸通常較大，材料厚度為lmm左右，剛性較差，工人的搬運(yùn)或操作中可能會(huì)造成一定變形和表面劃傷，增加產(chǎn)品廢品率。課題提出的單邊沖壓自動(dòng)化上下料系統(tǒng)，取代人工送料上下料，減少人為操作不良率，可極大保護(hù)沖壓件生產(chǎn)質(zhì)量。

（2）提升效率，減少成本。企業(yè)原汽車覆蓋件沖壓生產(chǎn)線中，通常在壓機(jī)設(shè)備兩旁安排工人進(jìn)行工件進(jìn)給送料、定位加工等操作，小型件1～2人，中大型件通常4～5 人，生產(chǎn)效率低，節(jié)拍較不穩(wěn)定。單邊沖壓自動(dòng)化上下料系統(tǒng)應(yīng)盡量減少人員配置，在滿足基本生產(chǎn)需求的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本。

（3）合理工藝，提高柔性。工藝設(shè)計(jì)合理，布局設(shè)計(jì)占用工作空間和跨度盡可能小，以增強(qiáng)工件流動(dòng)性，且能保證一定的清潔度和環(huán)保要求。單機(jī)自動(dòng)化上下料系統(tǒng)能高效便捷地進(jìn)行調(diào)試，盡可能適用不同類型汽車覆蓋板件沖壓加工，具有較強(qiáng)的通用性和較廣的適應(yīng)性，可為企業(yè)后續(xù)發(fā)展節(jié)約資金投入。

（4）自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)，增加產(chǎn)能，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。沖壓加工的工件，最重的25kg 左右，人工連續(xù)搬運(yùn)勞動(dòng)強(qiáng)度大，訂單需求量大時(shí)，工人工作任務(wù)繁重。因此設(shè)計(jì)的單邊沖壓自動(dòng)化上下料系統(tǒng)在減少人員配置的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)與壓力機(jī)自動(dòng)配合工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)，不需要人工操作機(jī)床和上下料，從而增加產(chǎn)能，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

（5）沖壓生產(chǎn)安全性高。車間生產(chǎn)現(xiàn)場存在操作人員失誤、設(shè)備意外故障等安全隱患，因此需要對(duì)系統(tǒng)引入安全系數(shù)較高的控制系統(tǒng)[3]，盡可能排除一切安全隱患。

2 單機(jī)自動(dòng)化上下料系統(tǒng)工藝流程

單機(jī)自動(dòng)化上下料系統(tǒng)主要工藝流程如圖1 所示。

圖1 單機(jī)自動(dòng)化上下料系統(tǒng)工藝流程圖

具體步驟為：①設(shè)備系統(tǒng)回歸原位。設(shè)備啟動(dòng)生產(chǎn)前，保證壓力機(jī)處于原位，送料、上下料系統(tǒng)設(shè)備全部回歸原點(diǎn)；②料垛定位。通過叉車或行車將料垛板料放置在上料臺(tái)指定位置；③料垛分張。料垛在上料臺(tái)上通過磁力分張器進(jìn)行單張分離，便于上料機(jī)械手端拾器抓取板料；④送料工序。送料機(jī)械手通過氣動(dòng)端拾器，將板料從上料臺(tái)抓取至對(duì)中臺(tái)上；⑤板料定位工序。板料在進(jìn)入壓力機(jī)模具前，在對(duì)中臺(tái)上完成一次對(duì)中，精確定位，確保上料機(jī)械手可準(zhǔn)確將板料放置于壓力機(jī)模具中，使板料與模具間有確定的位置關(guān)系；⑥上料工序。上料機(jī)械手接收信號(hào)通過電磁吸盤端拾器從對(duì)中臺(tái)上抓取板料至壓力機(jī)模具中，完成一次上料；⑦沖壓工序。壓力機(jī)接收信號(hào)，開始沖壓動(dòng)作，完成工件的一次沖壓加工，液壓墊頂起；⑧落料放料工序。下料機(jī)械手接收信號(hào)從壓力機(jī)模具上抓取已加工工件至落料臺(tái)上，完成一次落料放料，一次沖壓生產(chǎn)完成。

3 方案分系統(tǒng)模塊

單機(jī)自動(dòng)化上下料系統(tǒng)在14s 完成上下料任務(wù)，且還需要完成送料、對(duì)中定位等工作，時(shí)間要求緊，難度較大。

把工作空間分成六個(gè)部分，依次為：分張模塊、送料模塊、對(duì)中模塊、壓機(jī)模塊、上下料模塊、安全防護(hù)，如圖2 所示。

圖2 單機(jī)自動(dòng)化上下料系統(tǒng)模塊圖

通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行工作空間分離[3]，使各生產(chǎn)工序同時(shí)進(jìn)行，如在壓力機(jī)沖壓動(dòng)作時(shí)，分張、送料、對(duì)中等工作可同時(shí)進(jìn)行，壓力機(jī)沖壓動(dòng)作完畢，下料桁架機(jī)械手開始取料，與對(duì)中上料同步，大大減少了時(shí)間浪費(fèi)。各模塊包括：①分張模塊。上料臺(tái)、叉車或行車，磁力分張器；②對(duì)中模塊。對(duì)中臺(tái)、對(duì)中臺(tái)支架；③送料模塊。送料桁架機(jī)械手、送料機(jī)械手支架；④壓機(jī)模塊。YT28-1030 油壓機(jī)；⑤上下料模塊。上料桁架機(jī)械手、下料桁架機(jī)械手、牛頭支座、機(jī)械手桁架、落料臺(tái)；⑥安全防護(hù)。安全警報(bào)、安全圍欄、安全門。

由于工作空間分離，壓力機(jī)工作過程中，送料、對(duì)中等工作可同時(shí)進(jìn)行，每次可轉(zhuǎn)移板料一件，沖壓完成工件一件，可提高工作效率，減少上料桁架機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)次數(shù)。

4 具體布局設(shè)計(jì)

分析上述工藝流程和分系統(tǒng)模塊可得，沖壓生產(chǎn)的主體設(shè)備主要有上料臺(tái)、磁力分張器、對(duì)中臺(tái)、送料機(jī)械手、上料機(jī)械手、下料機(jī)械手、落料臺(tái)。

為了讓沖壓自動(dòng)化上下料系統(tǒng)在使用過程中發(fā)揮最大的生產(chǎn)能力，在設(shè)計(jì)過程中，我們有必要對(duì)沖壓自動(dòng)化上下料系統(tǒng)進(jìn)行合理的布局和規(guī)劃。總體布局圖及尺寸圖如圖3、圖4 所示，總體效果圖如圖5 所示。具體布局設(shè)計(jì)步驟如下。

圖3 系統(tǒng)各模塊布局圖

圖4 總體布局具體尺寸圖

圖5 系統(tǒng)方案總體效果圖

（1）對(duì)車間現(xiàn)場實(shí)際工況和壓力機(jī)周邊場地進(jìn)行現(xiàn)場考察，進(jìn)行各模塊設(shè)備位置的合理安排和布局設(shè)計(jì)。首先根據(jù)壓力機(jī)的工人工作區(qū)域和模具更換方式，確定單側(cè)上下料布局方式；然后根據(jù)模具高度和滑塊行程，確定送料機(jī)械手桁架支座和上下料機(jī)械手桁架牛頭支座高度為1.85m；再根據(jù)廠方生產(chǎn)要求和桁架機(jī)械手的行程范圍，確定對(duì)中臺(tái)等其他設(shè)備的位置；電控箱等控制設(shè)備放置至合理位置，保證操作方便；最后進(jìn)行干涉檢驗(yàn)，避免機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)與其他設(shè)備特別是壓力機(jī)發(fā)生任何干涉。

（2）規(guī)劃合理的配線路徑。按照各模塊控制實(shí)際要求和功率，根據(jù)配線的規(guī)格數(shù)量和現(xiàn)場實(shí)況，在路徑盡量短，盡量避免干擾源的情況下，合理規(guī)劃配線路徑，方便接線。

（3）簡單合理化電、氣連線布局。根據(jù)各模塊布局的位置，確定電和氣管的接口位置，保證合理簡單。

5 沖壓生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

5.1 沖壓生產(chǎn)工藝一般設(shè)計(jì)流程

依據(jù)產(chǎn)品樣式，分析工藝，審查制定方案，選擇模具類型、沖壓設(shè)備及傳輸方式，配置人員于各工序，最終完成工藝文件的編寫[6]。其設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 沖壓生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)流程圖

5.2 沖壓生產(chǎn)方式分析

沖壓板料通常借助外力使其變形而獲取所需指標(biāo)[5]，效率高，不需要對(duì)材料進(jìn)行額外的切削加工，沖壓的工件輕薄均勻具有較高的強(qiáng)度，較其他加工方式具有無可比擬的優(yōu)勢，目前在制造業(yè)與重型工業(yè)生產(chǎn)加工方面應(yīng)用較為廣泛，比重較大。

沖壓工藝包括分離和成形兩大工序[7]。沖壓件則有一般沖壓件、覆蓋件、結(jié)構(gòu)件三種。單機(jī)自動(dòng)化上下料系統(tǒng)沖壓生產(chǎn)件主要為汽車覆蓋件，尺寸偏大，具有較高精度，薄且形狀較復(fù)雜，表面質(zhì)量好，但多數(shù)不能一次成形，一般采用多工序模具生產(chǎn)，可在各生產(chǎn)工位間相互轉(zhuǎn)移[8]。

汽車覆蓋件材料多為冷軋鋼板，基本數(shù)據(jù)如表1所示，具有高強(qiáng)度、好的延展性，較抗撞擊且容易成形[6]。料垛數(shù)據(jù)如表2 所示。

表1 汽車覆蓋件板料數(shù)據(jù)

表2 汽車覆蓋件料垛數(shù)據(jù)表

5.3 沖壓主機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

壓力機(jī)主機(jī)為YT28-1030 油壓機(jī)，屬于框架式結(jié)構(gòu)，剛度好，精度高，其外形結(jié)構(gòu)如圖7 所示。由于四根立柱的干涉，只能從壓力機(jī)前后兩個(gè)方向進(jìn)行上下料的工作。該機(jī)由于移動(dòng)工作臺(tái)只能在一個(gè)方向移動(dòng)，所以模具更換也只能在一側(cè)進(jìn)行。機(jī)械手上料，利用壓機(jī)模塊間距，完成一次動(dòng)作；沖壓結(jié)束，工人按下工作站按鈕。

圖7 YT28-1030 沖壓主機(jī)外形結(jié)構(gòu)示意圖

5.4 汽車覆蓋件生產(chǎn)工藝實(shí)例分析

以高鍛公司L0500440502A0 某車門左側(cè)B 柱內(nèi)板沖壓生產(chǎn)為例。坯料尺寸為1015mm×670mm×0.8mm，采用汽車覆蓋件常用材料冷軋板，深沖板ST16/0.8 材質(zhì)。成形過程中材料變薄率一般控制在20%以內(nèi)，超出該值則存在開裂風(fēng)險(xiǎn)；成形后的零件可能會(huì)存在回彈變形，可在拉伸工序模具設(shè)計(jì)時(shí)考慮回彈補(bǔ)償來解決。其主要生產(chǎn)工序簡圖如圖8 所示。公司生產(chǎn)汽車覆蓋件，采用單機(jī)生產(chǎn)方式，現(xiàn)場生產(chǎn)狀況如圖9 所示，每一道工序，生產(chǎn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)摞后，由物流人員轉(zhuǎn)送至下一道工序生產(chǎn)。該生產(chǎn)方式主要有以下幾個(gè)問題：

圖9 現(xiàn)場工作實(shí)況圖

（1）存在安全風(fēng)險(xiǎn)。沖壓生產(chǎn)中，各工序?yàn)槿斯ど舷铝希と松眢w部分會(huì)伸入油壓機(jī)工作區(qū)域內(nèi)部，存在較大的安全隱患；

（2）沖壓件質(zhì)量不穩(wěn)定。人工上下料，出于運(yùn)送時(shí)間、操作等因素的不同步性，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，易報(bào)廢；

（3）工人勞動(dòng)強(qiáng)度高。每件汽車覆蓋件從冷板到?jīng)_壓加工成品，中間需要人工上下料4～5 次，以主要產(chǎn)品L0500440502A0 為例，按照班產(chǎn)量1000 件計(jì)算，每班所需搬運(yùn)的總噸位為1000×8×15=120000（kg），即l20t；

（4）人均工裝成本高，生產(chǎn)效率低。例如L0500440502A0 沖壓件，每班生產(chǎn)1000 件，生產(chǎn)過程需要10 人，生產(chǎn)效率每人每班100 件，每小時(shí)費(fèi)用為150 元/人，總共為1500 元；

（5）設(shè)備利用率低。以YT28-1030 油壓機(jī)為例，該設(shè)備多以汽車覆蓋件板料沖壓加工多，由于人工上下料，各個(gè)工序間存在一定的順序性，且每個(gè)工序生產(chǎn)加工能力不同，加之換模運(yùn)料等時(shí)間耗費(fèi)，導(dǎo)致若前期板料加工輸出慢，其他設(shè)備均會(huì)存在生產(chǎn)滯留現(xiàn)象。

6 單機(jī)沖壓自動(dòng)化上下料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

針對(duì)以上問題，從安全性、經(jīng)濟(jì)性、生產(chǎn)效率、自動(dòng)化程度等方面考慮[9]，提出三種可選方案。

（1）方案一：YT28-1030 大型閉式油壓機(jī)+多軸送料機(jī)器人

通過長期的實(shí)踐與探索，黃河流域已初步形成以流域?yàn)閱卧?，流域與區(qū)域相結(jié)合、水利與環(huán)保相聯(lián)合的黃河水資源保護(hù)管理體系，同時(shí)，黃河流域在構(gòu)建流域水功能區(qū)劃及水資源保護(hù)規(guī)劃體系、依法強(qiáng)化以入河排污口為重點(diǎn)的水功能區(qū)管理、積極探索水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)、完善突發(fā)性水污染事件應(yīng)急機(jī)制、加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)、不斷提高水資源保護(hù)現(xiàn)代化水平和科技支撐能力等方面也取得了顯著成效。這些有益的探索，為形成有黃河流域特色的水功能區(qū)納污紅線管理模式打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

工業(yè)領(lǐng)域機(jī)器人通常為四軸、六軸等，根據(jù)沖壓加工所選壓機(jī)，采用兩個(gè)、四個(gè)或六個(gè)自由度的多軸機(jī)器人對(duì)板料和沖壓件進(jìn)行抓取，設(shè)置搬運(yùn)機(jī)器人完成板料輸送與對(duì)中工作。

方案組成：上料臺(tái)，對(duì)中臺(tái)，上下料機(jī)器人，搬運(yùn)機(jī)器人。

工作方式：壓力機(jī)一側(cè)設(shè)置有上料臺(tái)，對(duì)中臺(tái)，通過搬運(yùn)機(jī)器人，輸送對(duì)中板料，上料機(jī)器人抓取對(duì)中臺(tái)板料送至壓力機(jī)模具正上方落料，壓力機(jī)一次沖壓動(dòng)作，下料多軸機(jī)器人對(duì)沖壓件進(jìn)行抓取落件，完成一次上下料工作。

特點(diǎn)：多軸機(jī)器人上下料運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)，編程方便，柔性高，運(yùn)載能力較高，通常適合大批量生產(chǎn)使用。但其結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，節(jié)拍慢，成本較為昂貴，軌跡規(guī)劃復(fù)雜。

若針對(duì)中小企業(yè)，以高鍛公司為例，汽車覆蓋件生產(chǎn)品種多樣，中小批量，專門設(shè)計(jì)配用上下料機(jī)器人，費(fèi)用極其昂貴，性價(jià)比并不高。因此綜合考慮，選擇應(yīng)用高效便捷、成本低、經(jīng)濟(jì)性好的機(jī)械手進(jìn)行上下料工作最為合適。

經(jīng)調(diào)查比較，最終選用并設(shè)計(jì)了適合在大型設(shè)備上對(duì)大型板件進(jìn)行搬運(yùn)且可安裝在壓力機(jī)立柱上的桁架機(jī)械手，其結(jié)構(gòu)主要由框架、X 軸、Y 軸、Z 軸組件、工裝夾具以及控制柜六部分組成。具有以下特點(diǎn)：①效率高，各軸驅(qū)動(dòng)可用伺服電機(jī)快速響應(yīng)，具有較高直線運(yùn)行速度；②穩(wěn)定性好，重復(fù)性誤差極小，最高可達(dá)0.05mm；③強(qiáng)度高，可取代人工，連續(xù)不間斷地7×24h 工作；④精度高，定位精度可達(dá)0.02mm；⑤操作控制簡單，控制基于直角坐標(biāo)系較為簡便，運(yùn)動(dòng)參數(shù)簡單，操作易上手；⑥性價(jià)比高，相對(duì)于機(jī)器人上下料，負(fù)載重量較機(jī)器人大，設(shè)計(jì)制造成本低，中小型企業(yè)適用，符合中國智造的基本國情。

方案組成：上料臺(tái)，對(duì)中臺(tái)，前立柱支架，后立柱支架，送料支架，上料桁架機(jī)械手，下料桁架機(jī)械手，送料桁架機(jī)械手。

工作方式：壓力機(jī)立柱前后各安裝有前立柱支架和后立柱支架，分別裝有上料桁架機(jī)械手和下料機(jī)械手，進(jìn)行上下料動(dòng)作，送料桁架機(jī)械手安裝在送料支架上，上料時(shí)，送料桁架機(jī)械手抓取板料至對(duì)中臺(tái)，上料桁架機(jī)械手抓取對(duì)中臺(tái)板料送至壓機(jī)模具，壓力機(jī)完成沖壓動(dòng)作，下料桁架機(jī)械手從壓力機(jī)另一側(cè)抓取已加工沖壓件落件，完成一次上下料工作。

特點(diǎn)：高效迅速，干涉少，控制方便容易，穩(wěn)定性高，操作簡便，成本較低。但占用空間大，對(duì)于部分小批量沖壓件加工，工人不方便手動(dòng)操作，且一側(cè)換模空間狹小，所以綜合考慮選擇設(shè)計(jì)單邊上下料的自動(dòng)送料系統(tǒng)是非常有必要的，且比較適合基本生產(chǎn)狀況。

（3）方案三：YT28-1030 大型閉式油壓機(jī)+單邊上下料機(jī)械手

方案組成：上料臺(tái)，對(duì)中臺(tái)，立柱支架，送料支架，上料桁架機(jī)械手，下料桁架機(jī)械手，送料桁架機(jī)械手。

工作方式：壓力機(jī)非換模一側(cè)安裝有一立柱支架，配合裝有兩個(gè)桁架機(jī)械手，一個(gè)上料桁架機(jī)械手，一個(gè)下料桁架機(jī)械手。上料時(shí)，送料桁架機(jī)械手動(dòng)作抓取上料臺(tái)板料，并輸送至對(duì)中臺(tái)對(duì)中；上料桁架機(jī)械手至對(duì)中臺(tái)抓取已對(duì)中板料送至壓力機(jī)模具正上方落料；壓力機(jī)沖壓動(dòng)作，完成后下料桁架機(jī)械手抓取已加工沖壓件落件，完成一次上下料工作。

特點(diǎn)：較方案二，本方案選擇在一側(cè)上下料，既節(jié)省了工作空間，為壓力機(jī)單側(cè)換模便利，又能夠?qū)嶋H生產(chǎn)中針對(duì)多品種有選擇的進(jìn)行自動(dòng)和手工上下料模式切換，且在同一根橫梁支架上動(dòng)作，節(jié)省了一定的成本，具有較高的靈活性，高效穩(wěn)定，加工精度高，針對(duì)企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，較好的解決了人工上下料的弊端，節(jié)約了人工成本，以較低的成本和形式，實(shí)現(xiàn)了上下料自動(dòng)化，提高了企業(yè)競爭力。

7 結(jié)論

本文對(duì)企業(yè)沖壓生產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行考察分析，包括沖壓生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)方式及壓機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并以汽車覆蓋件加工實(shí)例進(jìn)行闡述，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)現(xiàn)存問題，針對(duì)單機(jī)提出取代人工上下料生產(chǎn)方式的自動(dòng)化上下料方案，通過多種方案對(duì)比，提出最終可行性方案即方案三。該方案高效穩(wěn)定，靈活性高，成本低，較好地實(shí)現(xiàn)單機(jī)上下料自動(dòng)化，為企業(yè)節(jié)省人工成本，提高企業(yè)綜合競爭力。