鋼制門板壓紋全自動化生產(chǎn)線實施研究

文/尋寶明·貝匯特機械制造科技(徐州)有限公司

整體布局

項目目標是建立一條無人化門板壓紋自動化生產(chǎn)線，支撐企業(yè)SAP 信息化系統(tǒng)建設，實現(xiàn)防盜門大規(guī)模柔性化定制的智能制造模式。壓紋自動化生產(chǎn)線(圖1)通過對SAP 的生產(chǎn)任務進行優(yōu)化排產(chǎn)與執(zhí)行、對設備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控、對沖壓質(zhì)量進行在線視覺檢測、對設備利用率和生產(chǎn)過程進行統(tǒng)計分析、對設備進行智能運維等，實現(xiàn)壓紋自動化生產(chǎn)線可靠、高效和智能化運行。

圖1 壓紋自動化生產(chǎn)線

整條線由13 臺2500t 伺服拉伸液壓機組成，每臺液壓機前方配兩個料臺，一臺上下料關節(jié)機器人，關節(jié)機器人一共13 臺。上料臺與下料臺為功能共用方式，可作為片料上料臺使用，也可作為成品下料臺，一共為26 個料臺。換模芯部分在液壓機后方，由7個模芯架組成，單個模芯架為7 層。為留出模架換模空間，模芯架在兩臺沖床之間移動，地面鋪設軌道。7 個模芯架可擺放49 套模芯。換模車為兩輛，每輛換模車負責4 臺液壓機的換模任務，換模車需在4 臺液壓機之間移動，地面鋪設軌道。液壓機間距為4.6米，4 號到5 號、9 號到10 號液壓機間距為5.6 米，前后兩端及4 號到5 號、9 號到10 號液壓機之間各有維修通道入口，一共四處。整線長度為65 米，寬度為8 米。

工藝流程介紹

送料小車將料送到上料臺上，自動對位及調(diào)整分離器。然后給出確認OK 信號，六軸機器人端拾器1將原材料從上料臺內(nèi)經(jīng)過分離器取出一片，移送放到中間站對位內(nèi)，進行精確對位，對位后吸起產(chǎn)品并旋轉(zhuǎn)180°，端拾器2 在油壓機模具的正前方等油壓機完成回到上死點后。端拾器2 伸到模具內(nèi)將產(chǎn)品取出到模具外面并旋轉(zhuǎn)180°后，由六軸機器人端拾器1將原材料放到油壓機的模具定位內(nèi)，然后退出，給出信號油壓機開始壓制產(chǎn)品，同時機器人將端拾器2 上的產(chǎn)品放到下料臺上碼好。至此完成一個循環(huán)工作。圖2 為局部放大主視圖和側(cè)視圖。

圖2 局部放大主視圖和側(cè)視圖

由上料小車RGV(客戶自備料)根據(jù)排產(chǎn)情況將原材料運送至上料工位④，上料小車RGV 帶有動力輥筒，將原材料輸送至上料臺，與上料臺動力輥筒對接完成原材料上料工作。原材料輸送到位后，磁性分張器由氣缸驅(qū)動，自動勵磁，進入分張狀態(tài)。

關節(jié)機械手②到上料臺取料，取料完成后抬升移送至上料等待區(qū)域，液壓機①滑塊帶模具至上死點，機械手伸入模具抓取已完成沖壓的成品，然后退出至可旋轉(zhuǎn)區(qū)域，機械手第六軸旋轉(zhuǎn)完成成品和原材料位置交換，再送入模具當中完成上料。液壓機下壓，同時機械手將沖壓完成的成品放置下料臺③再進行取料，整個動作完成。

排產(chǎn)完成或單垛原材料生產(chǎn)完成后成品將被輸送至小車RGV(客戶自備料)，由小車運送至成品倉庫，并繼續(xù)上料。

換模芯動作，液壓機至下死點，液壓鎖模器退出，壓機升至上死點，然后下模頂桿升起。換模小車將原有模芯移送至模芯架，再根據(jù)排產(chǎn)狀況自動將待產(chǎn)模芯移送至模具內(nèi)，換模小車退出至液壓機臺面外，壓機下壓，然后液壓鎖模器啟動將模芯固定，換模芯動作完成。

采用SAS 30.0軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，學生成績評價、教學方式評價為計量資料，以（均數(shù)±標準差）表示，采用t檢驗；計數(shù)資料以（n，%）表示，采用χ2檢驗，以P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計學意義。

節(jié)拍時序圖

根據(jù)生產(chǎn)線整體布局，優(yōu)化上下料及沖壓成形節(jié)拍時間為20 秒，較傳統(tǒng)人工上下料效率提高兩倍，上下料及沖壓節(jié)拍時序圖如圖3 所示。根據(jù)生產(chǎn)線要求，模芯需要自動化更換，設計模芯更換時間為15 秒，較傳統(tǒng)人工更換模芯效率提高五倍，模芯更換節(jié)拍時序圖如圖4 所示。

圖3 上下料及沖壓節(jié)拍時序圖

圖4 模芯更換節(jié)拍時序圖

主要部件及功能簡介

伺服拉伸液壓機

伺服拉伸液壓機主要用于門板沖壓成形，也可用于金屬薄板的拉深、彎曲、翻邊、成形工藝。本機機身由底座、滑塊、上梁、方立柱、拉桿、液壓墊等組成；底座、滑塊、上梁、立柱、拉桿通過超高壓預緊組成整體框架，立柱上布置四條四角八面導軌作為滑塊的導向，導軌抗偏載能力強、精度高、保持性好。整機的設計全部采用計算機優(yōu)化設計，使其具有良好的強度和剛度，機床的強度高、剛度好、外形美觀，主要結(jié)構件均采用鋼板焊接結(jié)構，外觀平整，無明顯的凹凸現(xiàn)象，焊縫打磨平整，無焊渣和流疤現(xiàn)象，焊后進行消除應力的退火處理。

本機主油缸采用三缸結(jié)構，中間為柱塞缸，兩側(cè)為活塞缸。液壓墊置于底座內(nèi)，主要作用為拉深工藝時工件的壓邊，同時還用于工件的頂出。液壓墊采用焊接結(jié)構，液壓墊下平面和液壓墊缸相連接，液壓墊側(cè)面裝有平面導軌板，與底座內(nèi)的導向板組成導軌副，給液壓墊導向。液壓墊缸采用雙活塞缸結(jié)構。油缸密封采用進口優(yōu)質(zhì)密封件密封。

該設備液壓系統(tǒng)的主控制采用伺服電機、伺服控制器、高壓油泵，實現(xiàn)對主機的伺服控制，輔助控制系統(tǒng)選用YCY 系列恒功率軸向柱塞變量泵，冷卻過濾系統(tǒng)油泵選用CB 系列低壓齒輪泵，可大大提高壓機動作的穩(wěn)定性及可靠性。

液壓主控系統(tǒng)采用二通插裝閥集成系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的充液回路選用常閉式充液閥，滑塊快下時靠充液閥吸油，快速下降速度由油缸下腔油路中的插閥控制調(diào)節(jié)。

滑塊和液壓墊的行程檢測均采用位移傳感器檢測，由位移傳感器采集信號，“PLC”處理，在觸摸屏上數(shù)字顯示和控制。測量和顯示精度為±0.1mm。為確保安全，在上下極限位置設有行程開關保護。滑塊和液壓墊的壓力控制采用伺服系統(tǒng)控制，壓力可在觸摸屏上顯示和設定，調(diào)壓范圍為公稱壓力15%～100%。

液壓系統(tǒng)中設有獨立的油液強制冷卻過濾系統(tǒng)，以保證工作油液的溫度及清潔度。當過濾系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，操作箱上設有報警指示。本機過濾系統(tǒng)油泵選用CB 系列低壓齒輪泵，冷卻器采用強制冷機組。液壓控制系統(tǒng)的主油箱放置在壓機上梁后部，油泵電機組和液壓控制閥塊在油箱上平面有序排列。

機器人本體

機器人本體可以完成全自動化的工作，提高生產(chǎn)效率，可控制的錯誤率。功能特性，操作非常簡便，可實現(xiàn)不同工件之間的靈活快捷更換。代替很多不適合人力完成、有害身體健康的復雜工作。所有手臂關節(jié)動力均由伺服電機驅(qū)動諧波減速機完成精準動作，定位精度可達到0.08mm。手臂由鋁鑄件經(jīng)過CNC 加工中心完成，手臂預留排線孔，美觀并不妨礙機械手作業(yè)，端頭預留氣管接口及數(shù)據(jù)線接頭。伺服電機配備剎車，即使是突然停電也可保證機械手不動作，防止設備和產(chǎn)品摔傷或碰壞其他設備。

上下料平臺

上料平臺帶有動力輥筒實現(xiàn)上下料功能共用，由上料小車RGV(客戶自備料)根據(jù)排產(chǎn)情況將原材料運送至上料工位，上料小車RGV 帶有動力輥筒，將原材料輸送至上料臺，與上料臺動力輥筒對接完成原材料上料工作。原材料輸送到位后，磁性分張器由氣缸驅(qū)動，自動勵磁，進入分張狀態(tài)。成品放置時，分張器處于非勵磁狀態(tài)，對機械手放置成品不產(chǎn)生干擾。待成品放置完成后由動力輥筒直接將成品輸送至等待狀態(tài)的小車RGV，然后再由小車輸送至成品倉庫，實現(xiàn)無縫對接。

上料定位方式為材料外形靠邊式對位方式，下模增加12 處對位伺服電機對位機構，對位機構與系統(tǒng)連接，實現(xiàn)上料后自動對位，如圖5 所示。定位擋塊在初始等待放料區(qū)域距原材料尺寸預留單邊25mm，機械手放置完材料后，由鎖邊定位⑴⑵和另外一邊⑼⑽先行走動到預設位置，另外兩邊定位⑺⑻⑾⑿再進行定位動作。整個定位動作占用壓機下壓時間約為3 秒完成定位。為解決板材公差較大，超出預設尺寸的過精度問題，另外兩邊定位⑺⑻⑾⑿為斜度定位塊，行走距離比預設尺寸過余5mm，當材料受到過余擠壓后會滑到定位斜度上方，確保不傷害材料。行走過余后即表示定位完成，⑺⑻⑾⑿兩邊定位塊會立即退回至等待上料區(qū)域，⑴⑵和另外一邊⑼⑽會保持原位不動，待沖壓完成后再次退回至等待上料區(qū)域。⑴⑵/⑸⑹為固定定位塊⑶⑷/⑺⑻為斜度定位塊，為解決左/右開，鎖邊位置不同的問題。定位動作及尺寸由系統(tǒng)控制，根據(jù)系統(tǒng)排產(chǎn)情況自動選擇定位尺寸，完成定位動作。

圖5 上料定位方式

硬件架構

系統(tǒng)硬件架構包括設備層、數(shù)據(jù)采集與控制層、生產(chǎn)線管控層和集團管控層四個層次。

設備控制層包括液壓機、機器人、上下料臺、模芯架、換模車等生產(chǎn)設備，以及視覺質(zhì)量檢測設備等，設備控制層通過設備自身的控制器完成設備控制和檢測，設備間通過現(xiàn)場總線通信實現(xiàn)設備之間的安全聯(lián)鎖等功能。

數(shù)據(jù)采集與控制層選用PLC 或者工控機(配置實時邏輯控制軟件平臺)，通過現(xiàn)場總線與設備控制層互連，通過企業(yè)局域網(wǎng)與生產(chǎn)管理網(wǎng)絡互連。數(shù)據(jù)采集與控制層采集設備控制層所有設備的運行狀態(tài)和報警信息等，并在實時數(shù)據(jù)庫存儲。接收生產(chǎn)執(zhí)行層的生產(chǎn)任務，分別對每個工位的液壓機、機器人、上下料臺、模芯架、換模車等設備按節(jié)拍時序進行實時控制。為提高系統(tǒng)可靠性，PLC 或工控機可采用同步冗余配置。

生產(chǎn)線管控層配置數(shù)據(jù)服務器和應用服務器，通過企業(yè)局域網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集與控制層、集團管控系統(tǒng)互連，完成壓紋線的生產(chǎn)管控功能。集團管控層包括企業(yè)SAP 系統(tǒng)、原材料和成品庫自動化系統(tǒng)等。

系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件體系架構如圖6 所示，包括壓紋線生產(chǎn)管控層、數(shù)據(jù)采集與控制層和設備控制與視覺質(zhì)量檢測三個層次。系統(tǒng)外圍系統(tǒng)包括企業(yè)SAP，原料庫管理系統(tǒng)和沖壓成品庫管理系統(tǒng)(如不包含在SAP 中)。虛線框中為本項目要完成的研發(fā)內(nèi)容。

圖6 壓紋自動化生產(chǎn)線軟件架構

系統(tǒng)與外圍系統(tǒng)通過企業(yè)局域網(wǎng)互連，采用基于TCP/IP 的數(shù)據(jù)報文通訊，或采用數(shù)據(jù)庫表進行數(shù)據(jù)交互，保證系統(tǒng)與外圍各個系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的無縫連接。

生產(chǎn)線管控系統(tǒng)軟件是系統(tǒng)核心部分，實現(xiàn)生產(chǎn)任務優(yōu)化排產(chǎn)與執(zhí)行、設備運行狀態(tài)實時監(jiān)控、沖壓質(zhì)量在線視覺檢測、設備利用率和生產(chǎn)過程統(tǒng)計分析、設備智能運維等功能。其主要包括生產(chǎn)執(zhí)行、運行監(jiān)控、設備管理、統(tǒng)計分析和系統(tǒng)管理等模塊。生產(chǎn)線管控系統(tǒng)軟件架構圖如圖7 所示。

圖7 生產(chǎn)管控系統(tǒng)軟件功能架構圖

數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)軟件通過現(xiàn)場總線協(xié)議，采用OPC 等平臺軟件實現(xiàn)液壓機、機器人、上下料臺、模芯架、換模車等設備控制器中運行參數(shù)和狀態(tài)的實時采集，并存放于實時數(shù)據(jù)庫，為生產(chǎn)線管控系統(tǒng)軟件提供數(shù)據(jù)。另一方面，接收生產(chǎn)管控系統(tǒng)軟件的生產(chǎn)計劃，對各工位相應的液壓機、機器人、上下料臺、模芯架、換模車等設備按照節(jié)拍時序進行實時控制，并將執(zhí)行結(jié)果反饋給生產(chǎn)線管控系統(tǒng)軟件。在生產(chǎn)執(zhí)行過程中，實時檢測各設備狀態(tài)，根據(jù)各狀態(tài)對相關設備進行安全聯(lián)鎖，并將異常反饋至生產(chǎn)線管控系統(tǒng)。

視覺質(zhì)量檢測系統(tǒng)

視覺質(zhì)量檢測系統(tǒng)(圖8)完成沖壓成品的質(zhì)量在線檢測。在每個下料臺上方安裝1 套檢測系統(tǒng)，當機械手將成品從液壓機上取出放置在下料臺上時進行質(zhì)量檢測，拍照完成后動力輥將成品輸送至RGV小車。

圖8 視覺質(zhì)量檢測系統(tǒng)結(jié)構

每套視覺質(zhì)量檢測系統(tǒng)由多個高速相機、光源、觸發(fā)機構、安裝結(jié)構件構成，13 臺液壓機的視覺檢測系統(tǒng)可通過路由器與視覺質(zhì)量檢測服務器連接，將采集的圖像發(fā)送至服務器統(tǒng)一檢測，輸出質(zhì)量檢測結(jié)果，服務器上配置視覺檢測軟件和相關平臺軟件。

結(jié)束語

本公司研發(fā)的無人化門板壓紋自動化生產(chǎn)線，通過對SAP 的生產(chǎn)任務進行優(yōu)化排產(chǎn)與執(zhí)行、對設備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控、對沖壓質(zhì)量進行在線視覺檢測、對設備利用率和生產(chǎn)過程進行統(tǒng)計分析、對設備進行智能運維等，實現(xiàn)壓紋自動化生產(chǎn)線可靠、高效和智能化運行。