一種全自動快速換模系統(tǒng)在沖壓生產(chǎn)線上的設(shè)計(jì)研究

李靜 楊雷

（1、湖北大學(xué)知行學(xué)院 機(jī)械與自動化學(xué)院，湖北 武漢430011 2、武漢博萊恩智能裝備有限公司，湖北 武漢430200）

1 概述

快速換模[1]，即SMED（Single Minute Exchange of Die）在50年代初期起源于日本，由Shigeo Shingo 在豐田公司興起[2]，即在短時(shí)間內(nèi)完成模具間的快速更換，以提高工作效率，為日本車企稱雄世界提供技術(shù)保證。傳統(tǒng)的換模方式是縮短模具進(jìn)出沖壓機(jī)的時(shí)間，但隨著企業(yè)的高效發(fā)展，單純的快速換模方式已無法滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，亟需設(shè)計(jì)一種全自動快速換模系統(tǒng)對企業(yè)競爭力的提升和促進(jìn)企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要意義[3]。

本論文以MS 集團(tuán)汽車零部件公司生產(chǎn)需求為主要研究目標(biāo)，為其沖壓生產(chǎn)線設(shè)計(jì)一套自動化快速換模系統(tǒng)，該系統(tǒng)將模具存儲和運(yùn)輸與快速換模裝置有機(jī)結(jié)合，采用一鍵式操作，可根據(jù)客戶實(shí)際生產(chǎn)需要，將模具從模具庫運(yùn)輸至沖壓機(jī)并自動完成取模、備模和換模工作，更換下來的模具能自動運(yùn)輸至模具庫存放，并將模具使用和存儲信息記錄在操作系統(tǒng)中，方便查閱。該快速的、安全的、自動化程度極高的快速換模系統(tǒng)，可用于品種較多，批量較小的生產(chǎn)模式，從而達(dá)到精益生產(chǎn)的目的[4]，為智能工廠模式提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐[5]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目生產(chǎn)條件和需求分析

本系統(tǒng)是針對企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)條件設(shè)計(jì)的一套全自動快速換模系統(tǒng)，該公司的一條生產(chǎn)線有4 臺110T 沖壓機(jī)并行布置，4臺沖壓機(jī)占地尺寸為12m×20m，面積為240m2，共有套56 模具集中存儲在沖壓機(jī)附近，該生產(chǎn)線主要問題有：（1）模具種類多，尺寸大小不一，在運(yùn)輸和裝夾模具時(shí)，需要人工操作，耗時(shí)較長，且存在安全隱患[6]。（2）模具貨架采用橫梁式貨架，占用空間高，叉車取放高層模具操作不便。（3）沖壓設(shè)備生產(chǎn)線自動化程度不高，不符合智能制造生產(chǎn)需求。（4）4 臺沖壓機(jī)在連續(xù)生產(chǎn)工作時(shí)，需要的換模時(shí)間很長，有時(shí)長達(dá)120 分鐘。在目前的8 小時(shí)工作制中，每天更換模具的次數(shù)有限，從而生產(chǎn)的產(chǎn)品種類受到限制，一個(gè)工作日的換模次數(shù)僅為2 次，且僅能生產(chǎn)3 種汽車零件，產(chǎn)品數(shù)量為2200 件，不適用于小批量生產(chǎn)。

針對本項(xiàng)目存在的問題，新的生產(chǎn)線將4 臺沖壓機(jī)并行布置，其設(shè)計(jì)思路如下：（1）統(tǒng)一模具尺寸，方便存取、運(yùn)輸及固定；（2）56 套模具集中存儲在沖壓機(jī)附近的貨架上，使用雙軌道堆垛機(jī)自動存取模具，且模具能隨機(jī)存放，其存取信息能由系統(tǒng)自動記錄，方便查閱；（3）設(shè)計(jì)一套雙工位換模臺車，同時(shí)存放需要更換的新模具和從沖壓機(jī)拆卸下來的模具，換模臺車能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工位上的模具與沖壓機(jī)的自動定位對中；（4）設(shè)計(jì)一套推拉機(jī)構(gòu)，將新的模具推入至沖壓機(jī)，也能將沖壓機(jī)上需要更換的模具拉回至換模臺車，實(shí)現(xiàn)模具的自動更換；（5）模具進(jìn)出沖壓機(jī)的通道與工人操作工位或機(jī)械手存在干涉，在沖壓機(jī)操作側(cè)設(shè)制一套翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，換模時(shí)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)倒下連接換模臺車和沖壓機(jī)，為推拉機(jī)構(gòu)提供通道。換模完成后，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)收起，為工人提供操作通道，節(jié)約操作空間；（6）設(shè)計(jì)一種新的方式和工具[7]，如增加舉模機(jī)構(gòu)方便模具進(jìn)出沖壓機(jī)，模具定位準(zhǔn)確，再通過鎖模器對模具的快速鎖緊；（7）設(shè)計(jì)牛腿式貨架方便模具存儲，降低重心高度，降低模具取出和放入發(fā)生的危險(xiǎn)，并配合雙軌道堆垛機(jī)的使用，組成自動化立體倉庫，自動化立體倉庫能智能存儲模具信息；（8）設(shè)計(jì)一鍵式操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)沖壓生產(chǎn)線全自動化過程。

所設(shè)計(jì)的自動換模系統(tǒng)，大批量時(shí)，4 臺沖壓機(jī)可同步換模、并行生產(chǎn)，小批量時(shí)，沖壓機(jī)可單獨(dú)換模，且該系統(tǒng)能夠集中存儲56 套模具，并能根據(jù)客戶的生產(chǎn)安排自動設(shè)定時(shí)間來完成取模、備模、換模動作，模具從模具立體貨架取出到安裝于沖壓機(jī)上的時(shí)間需控制在5 分鐘之內(nèi)，本系統(tǒng)需采用一鍵式操作方式，減少人工操作，高效生產(chǎn)[8]，符合智能制造的發(fā)展趨勢。

圖1 卸模流程圖

2.2 換模流程設(shè)計(jì)

自動換模流程主要分為兩個(gè)步驟，卸模流程和換模流程。卸模流程是系統(tǒng)將使用過的模具從沖壓機(jī)上取出，換模流程是將新的模具安裝至沖壓機(jī)上。在執(zhí)行其動作之前需要檢測模具是否到位，是否已經(jīng)取出存放在換模臺車上，若判斷為是，系統(tǒng)開始運(yùn)行，若判斷為否，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)。

卸模流程如圖1 所示。換模流程如圖2 所示。

圖2 換模流程圖

2.3 控制系統(tǒng)實(shí)施過程

全自動快速換模系統(tǒng)控制系統(tǒng)的功能是用戶采用一鍵式操作，當(dāng)用戶下達(dá)卸模指令時(shí)，操作人員在系統(tǒng)中查詢所需更換的模具信息，堆垛機(jī)完成取模動作，并行駛至指定位置與換模臺車對接，將信號反饋給PLC；系統(tǒng)再下達(dá)卸模指令，推拉機(jī)構(gòu)將模具從沖壓機(jī)拉回放置在換模臺車，動作完成后將信號反饋給PLC；系統(tǒng)再下達(dá)指令，換模臺車備模工位對準(zhǔn)沖壓機(jī)并將信號反饋給PLC；系統(tǒng)下達(dá)換模指令，推拉機(jī)構(gòu)將模具送入沖壓機(jī)后退回至換模臺車；系統(tǒng)最后下達(dá)模具存放指令，堆垛機(jī)將模具存放在立體貨架，即完成一次換模過程。

本控制系統(tǒng)采用1 臺PLC 分別控制堆垛機(jī)、換模臺車、推拉機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和舉模器鎖模器，通過現(xiàn)場總線將計(jì)算機(jī)、PLC、操控臺、交換機(jī)和變頻器連接，操控臺把開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)線纜輸出，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.4 對比分析

該項(xiàng)目投產(chǎn)的半年時(shí)間內(nèi)，快速換模系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)目的和客戶的預(yù)期。正常情況下，換模時(shí)間大大縮短，換模效率明顯提高。4 臺壓機(jī)的總換模時(shí)間由以前的7 個(gè)人120 分鐘，縮短至現(xiàn)在的4 個(gè)人5 分鐘即可完成整個(gè)換模過程，單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品種類增加了1 倍，產(chǎn)品庫存量由900 件降低為0，并且降低了安全事故的發(fā)生，降低了人工成本，最終提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。該項(xiàng)目投產(chǎn)前后生產(chǎn)情況如表1 所示。

表1 投產(chǎn)前后生產(chǎn)情況對比

3 結(jié)論

對于快速換模系統(tǒng)在該生產(chǎn)線的使用情況，項(xiàng)目組做了詳細(xì)和深入的分析，對系統(tǒng)投產(chǎn)前后產(chǎn)量做了對比，其投產(chǎn)后的經(jīng)濟(jì)效益比之前提高許多。集模具存儲、模具運(yùn)輸和模具自動更換的全自動快速換模系統(tǒng)勢必成為未來換模行業(yè)的發(fā)展趨勢，若由此推廣到?jīng)_壓企業(yè)，如小家電、手機(jī)、汽車零部件等類型生產(chǎn)線，特別是小規(guī)模，多品種的生產(chǎn)型企業(yè)帶來的效益不只是減少工人操作量和縮短換模時(shí)間，而是起到了催化劑的效果，同樣的設(shè)備，同樣的時(shí)間，同樣的人員，同樣的物流管理，生產(chǎn)效率提高了至少一倍，各種隱性成本的降低幾乎超過了整個(gè)系統(tǒng)的費(fèi)用。全自動快速換模系統(tǒng)給沖壓企業(yè)帶來了全新的設(shè)計(jì)理念[9]，將會讓精益生產(chǎn)更上一個(gè)臺階。