大型沖壓自動線的分類與選擇

文/李鳳華·一汽解放汽車有限公司卡車廠

單福剛·海馬轎車有限公司

大型沖壓自動線的分類與選擇

文/李鳳華·一汽解放汽車有限公司卡車廠

單福剛·海馬轎車有限公司

本文介紹了沖壓自動化發(fā)展歷程、當前大型沖壓自動線的種類，以及各種自動化形式的組成、特點、適用情況等，并對如何選擇自動化設備提出了自己的看法。

沖壓自動化的演變過程

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，大型沖壓件的自動化生產形式由于能夠降低勞動強度、節(jié)省人力，而且產品質量好、生產效率高，所以，應用越來越普遍，成為各汽車主機廠及大型沖壓件供應商的首選。從總的方面來說，大型沖壓自動化技術的發(fā)展過程是一個不斷滿足沖壓生產企業(yè)需求的過程。而大型沖壓件的自動化設備也在不斷朝著高效率、高精度、柔性化、自動化、安全化、信息化方向發(fā)展。

圖1為手工操作生產模式，沖壓件生產過程中的上下料工作由人工完成。由于大型覆蓋件體積大，重量重（有的零件毛坯重量達到約40kg），所以手工操作存在生產效率低、操作人員多、勞動強度大、沖壓件質量不易保證、安全生產環(huán)境差等問題。隨著人們對質量、效率、安全的追求，這種生產方式越來越不適應現(xiàn)代汽車大型沖壓件生產的需要。大約在上世紀末，一汽大眾率先在國內引進大型自動化沖壓生產線，開啟了我國沖壓自動化生產的序幕。

各種自動化形式及特點簡介

機械手上下料

一汽大眾最先引進的是機械手上下料自動線，這種機械手分別安裝在設備前后，其組成部分有：上料小車、拆垛機械手、清洗機（可選）、涂油機（可選）、傳輸皮帶、對中臺、上料機械手、壓力機、壓機間上下料機械手、壓機間穿梭機、下料機械手、電氣控制系統(tǒng)等。

圖1 手工操作生產模式

圖2 機械手上下料裝置

簡單的二維運動的機械手自動化上下料機構（圖2），首先解決了人工上下料勞動強度大，質量難保證，人工成本高的問題，達到了少人化的目的。但這種結構的機械手上下料裝置存在如下缺點：由于只有上下和前后移動，柔性較差；壓力機之間需要兩套端拾器和一個穿梭裝置，較機器人投資大，效率低；需要手動更換端拾器。

該種結構的自動線目前已很少應用，但可應用于不成線的壓機的自動化上下料或簡單的上料需求。

機器人上下料

機器人自動生產線由上料小車、拆垛機器人、清洗機（涂油機）、傳輸皮帶、對中臺、上下料機器人、壓力機、出料皮帶、碼垛機器人（可選）、電氣控制系統(tǒng)等組成。

機器人沖壓自動線的優(yōu)點是：壓力機之間只用1個機器人；壓力機之間只用1套端拾器；易于自動更換端拾器；投資少；柔性大，編程靈活；占用空間小，安裝簡潔。其缺點是：由于機器人關節(jié)較多，柔性增加的同時剛性下降，對于大而重的零件，節(jié)拍提升受到一定限制。

由于機器人自動化上下料的生產柔性大，對模具的要求相對較低，適合用于現(xiàn)有壓力機沖壓線的自動化系統(tǒng)升級改造（圖3）。

圖3 機器人自動化

一汽解放卡車廠一車間沖壓自動化生產線是國內最早應用的大型機器人自動化生產線之一，該線為利用原有沖壓設備改造的生產線，線首為機械手式拆垛和上料裝置，線內為機器人上下料，至今已投產13年，仍在穩(wěn)定運行。目前各大機器人公司都在積極研制適應沖壓件自動化生產需求的專用機器人，隨著機器人技術和自動化技術的不斷進步，機器人在沖壓自動化中扮演的角色也將越來越重要。

多工位壓力機

多工位壓力機系統(tǒng)由拆垛裝置、對中裝置、三坐標送料裝置、多工位壓力機、出料裝置等組成。多工位壓機能夠自動完成自坯料到成品的全過程。大型覆蓋件的沖壓生產一般需要由4500t以上重型多工位壓力機來完成。

多工位壓力機具有以下特點：⑴生產節(jié)拍為16～25件/min，是單機聯(lián)線自動化的2～3倍；⑵換模時間短，節(jié)約輔助時間；⑶占地面積較小，約是單機聯(lián)線長度的一半；⑷第一工位帶有數(shù)控液壓拉深墊；⑸只需1～2人進行生產監(jiān)控；⑹配有電子伺服三坐標送料裝置，適用于大批量生產；⑺安全性高；⑻對模具要求高；⑼設備一次性投資大等。

綜合以上特點，多工位壓機在效率、質量、少人化等方面優(yōu)勢顯著，在國內外大型轎車主機廠及零部件生產廠有較多應用。但用于大型覆蓋件的重型多工位壓機，由于其投資大，對模具要求高，在國內還沒有應用，國內應用較多的是中小件的多工位壓機，一般噸位都在3500t以下。

高速沖壓生產線

高速沖壓生產線一般是指可以在常規(guī)的串聯(lián)式沖壓線上實施的、既有較好的產品柔性又有較高生產效率的自動沖壓生產線。將多工位壓力機的高生產率和串聯(lián)式壓力機的靈活性相結合，就形成了所謂的高速柔性沖壓生產線。

高速沖壓生產線的特點是：⑴高效率——每分鐘可生產10～18個大型覆蓋件；⑵柔性化——適應多車型、多品種共線生產；⑶自動化——拆垛、送料、成形、碼垛全部實現(xiàn)自動化，并能實現(xiàn)遠程通訊、故障診斷；⑷最大的靈活性，所有運動軸的動作均可編程；⑸從壓機到壓機實現(xiàn)零件直接傳送，不需要中間穿梭裝置；⑹直線和旋轉軌跡交疊，輸送速度得以加快，沖壓線整線生產效率大大提高；⑺穩(wěn)固的橫桿式機械結構使得零件傳送更加平穩(wěn)，無顫動；⑻端拾器橫桿上采用內置式多自由度調節(jié)裝置，提高了工件在傳送過程中的“變位”靈活性；⑼可減少整線設備的占地面積，降低土建投資；⑽工件所需的端拾器數(shù)量減少，端拾器成本降低，存放面積減少；⑾模塊化設計使得維護保養(yǎng)和備品備件相應簡化。

下面簡單介紹一下高速沖壓線幾種典型形式：

⑴單臂機械手上下料。單臂機械手主要安裝在前后設備中間，典型結構有瑞士坤戈的單臂機械手、斯特曼單臂機械手、舒勒橫桿機械手等。

⑵雙臂自動化上下料。雙臂機械手有擺臂式結構、線性傳輸結構等，一般安裝在設備左右立柱內側，要求設備立柱間距比較大，如圖4所示。

圖4 雙臂機械手安裝

⑶七軸機器人自動上下料。目前，各大機器人生產廠家已成功開發(fā)出線性七軸、旋轉七軸等高速機器人，同時在強度和剛度方面特殊設計以滿足高速自動化沖壓生產的需求。機器人廠家已開發(fā)出在壓機兩側分別安裝一個機器人，雙側機器人同步動作的自動化上下料形式，滿足大型零件高生產節(jié)拍、高靈活性和高穩(wěn)定性的要求。豐田公司沖壓車間的自動化設備為日本小松及其合作公司的產品，應用的自動化形式即為機器人和雙臂機械手相結合的形式，設備間距短，效率高。

另外混合型柔性高速沖壓自動線，如線首拆垛、清洗、涂油和線尾下件為機器人，線內為橫桿式機械手的自動化形式也被廣泛應用。為充分利用機器人的柔性，可根據(jù)節(jié)拍和生產布局的實際需要配置機器人數(shù)量。

沖壓自動線的選擇

各種自動線的綜合對比

從特點、生產節(jié)拍、適用場合等方面，綜合分析各種自動化方式，結果見表1。

選擇沖壓自動線要考慮的因素

沖壓自動化形式有多種，到底選擇哪種自動化形式要重點考慮以下幾方面內容：

⑴承擔的產品及綱領。到底采用哪種自動化形式，主要取決于承擔的產品及綱領。如果承擔的品種較多、產量在10萬輛以下，可考慮普通機器人或單臂方案，而對于大批量生產則應優(yōu)先考慮效率問題。

⑵廠房條件。如果在原有廠房內改造新增沖壓線，則要充分考慮廠房的高度、車間跨度、天車等因素，同時要充分考慮電氣容量、水、壓縮空氣需求和現(xiàn)有容量等。如果新建廠房則不存在此問題。

表1 各種自動化形式的對比

⑶模具條件、投資及成本等。如果是在現(xiàn)有壓機上改造還要考慮現(xiàn)有壓機的行程、現(xiàn)有的模具結構等因素。如果現(xiàn)有壓機行程和模具條件不是很好，有比較復雜的零件，則最好采用機器人結構，因為機器人柔性大，零件拾取路線靈活，能應對諸如模具轉角度、前后模具不同心、模具開口空間不足等問題。

⑷自動線配置選擇。自動線的主要構成基本都是一樣的，主要由線首單元（拆垛、清洗、涂油、對中、上料）、線內單元（上下料）和線尾單元（下件及輸送）組成。其中，線首和線尾的配置和布置方式很重要，對整個節(jié)拍和生產組織、檢查環(huán)節(jié)等影響很大，要充分考慮相關因素和條件。為保證產品質量，一般自動線都要配置清洗機，用于清洗板料，但清洗機有在線配置也有離線配置。一汽大眾生產線都是在線清洗，而豐田公司沖壓線的清洗機則離線布置。離線清洗的優(yōu)點是只洗表面件，有效利用清洗設備，減少由于清洗機故障對生產線造成的停歇，同時減小生產線長度。缺點是需要二次倒運材料，物流環(huán)節(jié)多，清洗后的材料要保證不能二次污染。究竟采用哪種方式，需要根據(jù)自己廠的總體布局、管理水平和要求來決定。另外就是線尾出料方式的選擇，一般線尾都是機械手或機器人下料后放到皮帶機上，由人工進行檢件并裝件。線尾出料方式是橫傳還是縱傳，配置皮帶機的形式和數(shù)量都需要根據(jù)自動化形式、節(jié)拍和車間的面積、檢件需求來綜合考慮。

結束語

隨著科學技術的發(fā)展，沖壓自動化也在不斷推出新的技術，就目前存在的幾種主要形式來說，也是適合于不同情況，各沖壓生產廠應根據(jù)自己工廠廠房、設備、工裝及產品、產量規(guī)模等具體條件，綜合考慮節(jié)拍、通過性、經濟性等問題，作出適合自己的選擇。