基于快速切換理念的大型沖壓線體集成應用

文/資明庚，張濤，劉先貴·珠海格力電器股份有限公司

從傳統的單機人員密集型生產模式到自動化的大型沖壓線體集成應用，沖壓加工行業正順應著時代發展趨勢大步向前。定制化、多樣化、快速交付等關鍵詞日益被客戶市場所提及，而快速切換、精益化、自動化、信息化、智能化等關鍵詞也日益被制造業企業所應用。為解決傳統手工生產模式下的沖壓線體切換低效問題，本文將介紹一種基于快速切換理念的大型沖壓線體集成應用方案，該方案集成了先進的快速換模系統、廢料自動處理系統、IFIX 數據采集系統、工業機器人技術、400 噸大型伺服沖壓設備、光電感應系統及智能化集中控制系統，前后端分別聯接MES 信息化管理系統和WCS 智能化倉儲系統，形成了高效的制造應用模式。

客戶市場的需求變化是決定企業未來發展方向的重要依據，隨著時代的發展與世界文化交流的日益緊密，客戶對制造業產品的個性化、多樣化、功能維度融合化要求也在逐漸提高，各大設計軟件層出不窮，功能日新月異，與之對應的是前端產品的快速更新換代，這就要求制造業企業在生產過程中要隨時應對訂單變化帶來的生產資料切換問題。以沖壓加工行業為例，切換過程中主要涉及設備、模具、工藝、材料的切換，而傳統的離散型生產模式容易形成孤島作業，信息無法得到及時流通，不能有效幫助管理者快速決策，生產過程中各種浪費層出不窮，產品質量得不到穩定有效的保障，對于企業的發展極為不利，而傳統沖壓線體在產品切換時對設備產出影響最大，需作為重點改善方向，影響生產過程中設備稼動率的各項因素占比如圖1 所示。

近年來，隨著沖壓加工行業對MES 系統、快速換模系統、廢料自動處理系統、IFIX 數據采集系統、工業機器人技術、大型伺服沖壓設備、WCS 倉儲系統、光電感應系統及智能化集中控制系統的集成研究不斷深入，各大先進軟硬件的集成配置越來越全面地出現在新建的沖壓線體。大連理工大學齊婉莎等學者對車間布局與生產排產過程中的精益化設計進行了系統地論述，這對于現代化大型沖壓線體的集成與建設具有重要參考意義。

憑借著先進技術與精益生產快速切換理念的普及應用，現代化沖壓產線實現了生產各項要素的精簡融合，減少了外部環境以及人為因素的影響，大大提高了沖壓線體產品換型的效率，是解決產品多樣化所面臨切換低效困境的法寶。

應用背景

基于現狀分析，放眼行業未來。目前沖壓車間最大的自動線體為：6 臺STD-400t 機器人連線，且已滿負荷生產，在客戶需求多樣性增長與設計水平不斷提高的背景下，部分新增大零件在現有的沖壓線體已無法滿足生產，該類零件主要以手工單工序操作，切換速度慢、生產效率低、工序周轉次數多、產線人員密集。而廠內目前配置的線體大多應用進口工業機器人，線體信息化軟件應用較少，模具切換系統、廢料處理系統、信息化集中管理看板等各項配套不健全，制約著公司的車間生產層面智能制造發展。

按照目前公司人工線體的生產成本，配置一條6臺設備的人工生產線，雙班需投入24 人，以正常作業時間算，雙班量產最高2880 件。

⑴生產效率極低，生產過程中需人工提前準備原材料片料，由班組長進行工作量的分配，每臺設備切換不同模具產品均需專門的調模師傅逐個進行調試，由于調試師傅有限，因此存在大量外部切換時間，整條人工線每次切換累計需4 小時以上。

⑵勞動強度高，設備工序之間轉運由人工進行傳遞，生產時需手伸進模腔放原材料、取半成品零件，危險性高，屬典型的四高崗位。且人工生產存在諸多不確定性，不利于公司發展中的產能保障。

⑶離散型的資源配置，無法發揮其整體應用的最大價值，只有應用快速切換理念，集成各項資源的優勢，發揮資源的最大效能，才能促進整體生產效益的提升。因此，結合公司對未來智能制造規劃以及各大先進沖壓技術的興起，項目集成快速換模系統、廢料自動處理系統、IFIX 數據采集系統、工業機器人技術、400 噸大型伺服沖壓設備、光電感應系統及智能化集中控制系統，進一步開發基于快速切換理念的大型沖壓線體，其前后端分別鏈接MES 信息化管理系統和WCS 智能化倉儲系統，形成高效的智能沖壓生產模式，線體生產模式配置如圖2 所示。

智能化集成應用方案設計

精益化、信息化與自動化的融合應用是實現智能化生產的前提。沖壓生產線以6 臺400t 伺服沖壓設備為基石，伺服沖壓設備采用左右緊湊型的精益布局方式排列，為消除交叉物流，線體前端靠近原材料庫，后端靠近立體倉庫，整體實現精益的一個流生產，線體配置了7 臺格力工業機器人，每臺沖壓設備之間和線體前后上下料端各配置1 臺工業機器人。線體的生產計劃由MES系統直接下發，系統提前進行計劃預排，以便原材料與模具的提前準備，減少內部切換時間，模具采用一鍵切換的自動換模臺車，片料站采用一備一用可快速切換，針對不同的零件，工業機器人控制系統提前調試好了動作程序，一切信息準備就緒后，由PLC 集成數字化控制系統進行各大硬件的聯動控制。沖裁過程中產生的廢料落到設備地基中間的廢料傳輸裝置，由地下輸送線統一回收到廢料站，零件則按照固定節拍下線輸出，經裝籠打包送入WCS 立體庫。整個生產過程采用光電傳感器、計數器、紅外掃描裝置進行數據的采集，由IFIX 系統進行集中處理顯示，方便管理者進行遠程監控與異常的快速響應處理，基于快速切換理念的智能化沖壓線體集成架構如圖3 所示。

圖3 智能化沖壓線體集成架構

沖壓線體硬件配置

伺服沖壓設備的應用

線體集成方案中400t 大型伺服沖床是保障線體高精度運行的基礎。伺服壓力機作為一種高精度高技術水平的現代化沖壓設備，其在多設備聯動集成的應用優勢顯而易見，是實現沖壓智能化生產的基礎支撐。6 臺400t 伺服沖壓設備組成的伺服沖壓線采用系統集成控制的方式，各設備通過沖壓控制信號系統形成連貫的同步動作，通過PLC 控制系統與工業機器人控制系統進行聯動，保障鈑金零件的順利傳輸，同時PLC 系統通過現場總線與IFIX 系統進行信息交互，線體各設備信息及生產狀態信息均被實時傳輸到終端顯示頁面，大型智能化沖壓生產線體如圖4 所示。

圖4 大型智能化沖壓生產線體

伺服壓力機的核心技術為伺服電機控制及其整體控制系統，伺服電機與傳統步進電機相比，運行過程中能夠提供更加精準的轉速及位置控制，在驅動技術、節能環保、精確控制等方面均有巨大優勢，由伺服馬達驅動的壓力機，沖壓力直接由伺服馬達的扭力輸出轉變而成，低速大扭矩伺服電機和齒輪實現直接驅動，減少了中間傳動變速環節，確保傳動過程的可靠性和能量轉換效率，電機的最大峰值扭矩60000Nm(400rpm），驅動器最大電流3320A、額定功率550kW。伺服壓力機的傳動部分主要包括：伺服電機、低速軸、高速軸、中間齒輪和齒輪軸、偏心齒輪、連桿、滑塊。最關鍵的伺服電機布置在機架的后側，布置方式為左右式，以減少沖壓過程振動及其他外部因素影響，其雙電機結構如圖5 所示；高速軸與伺服電機直接連接并和中間齒輪嚙合，中間齒輪則安裝在中間齒輪軸上，再由中間齒輪軸與偏心齒輪嚙合，偏心齒輪安裝在低速軸上，連桿大端安裝在偏心齒輪上，連桿的小端與沖壓部分的滑塊連接。

圖5 伺服沖壓設備雙電機結構

伺服電機系統帶有運行監測裝置，實時監測伺服電機的工作狀態，保障異常能及時被發現報警，沖壓過程中通過光電感應系統，實時監控零件的生產狀況，對異常的零件偏移問題及時進行報警停機，信息推送通知所綁定的技術人員進行處理。

工業機器人的應用

工業機器人的應用，以推動高速高效自動化生產為目標，配合高速伺服沖壓設備，實現沖壓設備的生產聯動。線體搭載格力自主開發的GR系列工業機器人，不同類型零件切換過程中只需要在系統選定對應的動作程序，更新端拾器的擋塊與吸盤位置，即可實現線體傳遞方式的快速切換，最大程度上減少了內部切換工作，提升了設備整體稼動率。基于工業機器人的不同產品的夾具進行通用化設計，且在線邊放置，每類零件均提前進行示教調試，當線體硬件準備完畢后，可針對生產需要進行一鍵切換動作程序，人工只需對動作精度進行檢測，對有偏差的動作稍作調整即可，減少了對機器人調試員的技術要求。通過工業機器人實現線體板料的傳輸供應，板料切換由左右磁力分張臺車完成，臺車自動開進開出、自動定位，工業機器人片料站如圖6 所示，當左右臺車板料相同時，拆垛機器人在拆完一個臺車料垛后，會自動更換到另一臺車，無需中斷生產，此種情況適合于單一品種的大批量生產。當上下批次品種不同時，在從一個臺車上拆垛時，另一個臺車就被開出線外，加裝新料垛，不占用正式生產切換時間。上料機器人在拾取片料時，分為吸取、對中兩個步驟，以糾正相對位置的偏差，因此，在加裝新料垛時，需使用定位裝置保證雙料垛的相對位置盡量準確，以減少對中時上料機器人的調整量。

圖6 工業機器人片料站裝置

工業機器人實現了線體伺服沖壓設備之間的零件傳輸定位，是沖壓設備之間完美配合的牽線搭橋者，其對于鋒利鈑金、厚重的鈑金件更是無所畏懼。工業機器人集中控制系統通過與PLC 進行連接，可由PLC對信號進行統一調度集中處理，從而實現各配套系統的信號聯動，達成高效、高質量保障生產的目標。

廢料自動處理系統

線體配置了地下刮板式廢料處理系統，廢料處理系統實時對生產的廢料進行集中傳輸，無需人工干涉，提高了現場物流周轉率與空間利用率，保障了零件的高效沖壓生產。

空調鈑金零件在生產過程中，避免不了有沖孔、切邊等特征結構的落料工序，因此需人工定時對模腔進行廢料清理，生產過程中導致設備點停頻繁，影響了線體生產效率及產品質量一致性，且在進行沖壓生產線規劃建設時，需要在沖壓設備周邊安裝換模臺車、機器人、供料機等配套生產必需設備，周圍再增加廢料輸送裝置，則必然導致線體空間利用率降低，增加了線體切換難度。因此基于快速切換理念，線體在設計方案時充分考慮了廢料處理系統的布局、處理方式及對生產線的要求等，力求最大程度減少占地面積、消除廢料處理過程對線體生產的影響，在線體地基建設時同步開展了地下廢料處理軌道的布置，產生的廢料通過地道進行實時運輸，不占用地面空間，自動完成廢料的清理。

模具快速切換系統

模具快速切換系統可以實現模具一鍵切換，減少外部等待時間，提高作業效率，其主要包括自動換模臺車、自動夾模器、氮氣彈簧、光電感應、集成控制系統等裝置。在啟動模具切換時，各信號指令經過線體終端處理后傳輸到PLC 集中控制系統，待所有切換條件滿足即可實現模具的自動切換。

自動化換模系統是整個方案布局的關鍵內容之一，考慮到現場的物流運輸與壓力機的位置，最終將換模臺車與設備平行布置，每個換模工位均配置自動化換模臺車。模具采用一備一用的方式，人工可在線體生產時提前準備模具，每個模具需經過前后臺車工位及里外設備傳輸工位，共3 個位置狀態。不同鈑金零件需要切換模具時，集中控制系統發送可以換模的信號到自動換模裝置，隨即進行模具的自動切換，系統在發出信號時至少要具備以下條件：設備滑塊開到下死點位置、設備內上/下模具夾緊器松開、設備滑塊返回上死點，在接收到換模完成信號之前，滑塊不能進行沖壓性運動、壓機內模具輥道上升完成，自動化模具切換系統如圖7 所示。

圖7 線體模具快速切換系統

氮氣彈簧是實現自動換模的充分條件之一，模具使用氮氣彈簧后，存放時上模重量完全由氮氣彈簧支撐，保證上下模之間有足夠的間隙，模具在線外準備時即可直接取出，同樣在模具生產完畢后，可在線外再將其放入，不占用正式換模時間，實現了內部切換向外部切換的轉化。而傳統沖壓模具上下模之間的四角位置需由人工在模具打開后放入剛性支撐塊，由于其剛性結構問題，必須在正式換模時，上下模打開后才能將其取出或放入，整個過程需要在設備停機的狀態由人工進行操作。

iFIX 數據采集系統

基于iFIX 工程組態軟件，線體各項數據聯通交互均在屏幕可視化管理，并運用了微軟的一系列工業標準技術，比如COM/DCOM、VBA、ActiveX、OPC控件等，讓所有的應用組件都可以無縫集成到一個系統中，并能通過中間接口技術，與MES 系統、PLC 控制器等進行信息交互，耿乙文等學者對一種采用iFIX技術的軟件系統與關系數據庫通信方式實現進行了相關研究，這對線體信息化管理中iFXI 技術的應用起到了重要指導作用，線體應用的iFXI 過程管理數據庫系統如圖8 所示，管理者可依據iFIX 的實時監控信息對生產中的問題進行提前預判與干涉，減少線體生產過程中的故障發生，提高線體穩定性。

圖8 iFIX 過程管理數據庫系統

iFIX 軟件集中了大批強大的圖形化工具，現場能快速直觀地建立面向過程的實時窗口，通過這些工具可以生成容易操作和理解的畫面，在運行和組態環境之間可快速地完成測試和對畫面的修改，同時保持實時報警和數據采集，并通過PLC 數據、光電感應裝置進行集中處理反應，實現對生產過程中線體各項參數的監控，以及快速配置生產所需的相關工裝、模具、原材料，減少線體的停機等待，實現快速切換。基于iFIX 組態軟件的監控系統具有很強的靈活性，可以利用它的拓展模塊對系統現有的數據采集和監控狀態進行改進，以應對公司訂單的戰略性調整或周期更替變化，且拓展部分與原有的數據不沖突，可將已有標準化的數據部分備份保留，隨時啟用。

MES 自動排程系統

面對當前訂單復雜、產能有限的生產情況，通過MES 系統準確地進行計劃的預排與生產資料的提前準備，是實現線體快速切換的基礎保障。

結合現有訂單生產模式和資源配置開發家用沖壓MES 排程系統，線體的訂單由家用空調沖壓MES 系統依據相關約束條件和排程邏輯下達到信息控制中心，訂單信息包括零件編碼、零件數量、原材料編碼、原材料規格、模具編碼(可跳轉到模具位置查詢）、圖文信息、加工工時等基礎信息。李亞凱等學者論述了MES、SOA 和柔性制造技術相協調的生產調度系統，具體分析了復雜訂單生產過程中的計劃調度問題，并對生產派工到機臺的方式與實現進行了表述，為線體的派工問題提供了解決思路，因此，考慮到產品切換等待問題，線體的生產任務采用一備一用，即MES系統同一時間指派了兩個訂單，前一個訂單為在制訂單，后一個為預備訂單，在制訂單完工后，預備訂單則自動轉為在制訂單。

預備訂單在3 天內的上傳到訂單庫里面進行擇優篩選，其篩選條件則通過對比在制訂單的零件編碼、原材料編碼、模具位置、工裝編碼等關鍵信息，周期內同編碼零件訂單進行合并生產，并通過計數器采集合格零件的下線數量，提醒班組長進行訂單區分入庫，同時對不同零件編碼的訂單按照相關性矩陣排布，得出最優預備訂單，最大程度減少了生產資料的切換。按照與在制訂單同時MES 與WCS 交互模塊調度立庫下達原材料出庫任務及上個訂單原材料入庫任務，開始進行加工前準備，通過訂單交叉運行，減少內部切換時間，減少機床待機，提高設備稼動率，最終實現高效生產。產線信息化終端實時看板如圖9 所示。

圖9 產線信息化終端實時看板

WCS 智能倉儲系統

為做好生產管理的最后一公里，下線零件采用智能立體庫倉儲系統進行集中周轉管理。智能倉儲系統由WCS 倉儲管理系統與自動化高架庫組成，如圖10所示，WCS 倉儲管理系統具備本立體庫自身倉儲信息，同時能夠獲取外協廠對應訂單庫存情況、物資中心物料庫情況以及在制的物料信息，并對接MES 系統對生產訂單與庫存進行扣減排程，以減少生產過多導致的庫存浪費。為消除人工查賬與配送周期不足問題，在保障安全庫存的同時最大限度發揮車間產能，WCS 倉儲管理系統按照總裝上線時間對訂單進行出庫提示，配送人員按照提示進行確認出庫即可。

圖10 智能化立體倉儲架

結束語

面對日益復雜的現代化市場需求發展，制造業需要更加柔性化的生產應用模式來實現訂單的快速交付，而基于快速切換理念的大型沖壓線體，整合了工廠的優勢資源，通過信息化系統、自動化裝備的集成應用，形成了高效的沖壓生產應用模式，對制造業柔性化沖壓產線的建立具有重要參考意義。