■中國汽車工業(yè)工程有限公司 王建甫，趙赦

自動化沖壓生產(chǎn)線壓縮空氣耗量的深度研究

■中國汽車工業(yè)工程有限公司 王建甫，趙赦

1. 概述

針對沖壓車間生產(chǎn)自動化線在生產(chǎn)過程使用的壓縮空氣進(jìn)行深度研究，理論計算其實際需要，得出更接近真實值的數(shù)據(jù)，為日后工廠設(shè)計、項目改造，提供更真實數(shù)據(jù)，減少公用耗量浪費(fèi)。

沖壓車間主要生產(chǎn)設(shè)備為全自動沖壓生產(chǎn)線，這也是沖壓車間主要耗能所在。本研究就以滿負(fù)荷生產(chǎn)的典型全自動沖壓生產(chǎn)線為依據(jù)（20MN×1+10MN×3），對沖壓生產(chǎn)線中所消耗的壓縮空氣系統(tǒng)進(jìn)行研究。

2. 自動化沖壓線壓縮空氣理論計算

在全自動化沖壓生產(chǎn)線中主要耗氣部件有壓力機(jī)平衡缸、氣墊，以及沖壓線自動化的真空吸盤。

（1）壓力機(jī)平衡缸耗氣現(xiàn)沖壓線每臺壓力機(jī)上有4個平衡缸，平衡缸的作用是平衡滑塊與上模的自重，當(dāng)電動機(jī)、飛輪帶動滑塊運(yùn)轉(zhuǎn)時，是不需要考慮滑塊及上模重量的。從平衡缸的原理來看，生產(chǎn)不同零件時模具重量不同，平衡缸所需平衡的重量也就不同，這個重量的差值即導(dǎo)致平衡缸需要補(bǔ)氣或排氣。

當(dāng)下一零件模具重量大于正在生產(chǎn)的這個零件模具重量時則氣罐補(bǔ)氣，反之排氣。從生產(chǎn)時間上可見平衡缸補(bǔ)氣或排氣均是在換模過程中發(fā)生的。通常全自動沖壓生產(chǎn)線換模時間都已經(jīng)做到了5min以內(nèi)，因此從換模工作過程看，補(bǔ)氣時間需要在4min以內(nèi)。

下面以典型自動化沖壓車間生產(chǎn)的情況計算一條沖壓線生產(chǎn)時壓力機(jī)的耗氣情況。為確保所計算數(shù)據(jù)可包容各種情況，選取最重與最輕的零件為代表。最重模具典型零件：頂蓋；最輕模具典型零件：前圍板。模具重量均見表1。

對于20 M N壓力機(jī)，依據(jù)20M N平衡器能力曲線（見圖1a，20MN壓力機(jī)平衡缸儲氣罐容積L1為14000L），得出上模重量G與空氣壓力P的曲線方程

對于10 M N壓力機(jī)，依據(jù)10M N平衡器能力曲線（見圖1b，10MN壓力機(jī)平衡缸儲氣罐容積L2為11000L），得出上模重量G與空氣壓力P的曲線方程：

上模重量變化量

氣罐空氣壓力變化量

壓力機(jī)平衡缸儲氣罐需要加入的空氣量

其中L為對應(yīng)壓機(jī)儲氣罐的容積。

依據(jù)表1及上式，計算得出的結(jié)果，如表2所示。

沖壓線需要平衡缸氣罐補(bǔ)氣總流量

V平=V1+V2+V3+V4=249.2（m3·h-1）

（2）壓力機(jī)氣墊耗氣在沖壓線生產(chǎn)中通常只有需要拉深的壓力機(jī)才會配有氣墊裝置，因為氣墊的主要用途是在沖壓件拉深成形時，給下模壓邊圈一個向上的支撐力。對于本業(yè)務(wù)建設(shè)所研究的沖壓線只有20MN壓機(jī)有氣墊裝置。

對于不同的沖壓件而言，其壓邊圈所需的氣墊頂起力也不一樣，這個頂起力的差值即導(dǎo)致氣墊氣缸需要補(bǔ)氣或排氣。與平衡缸氣罐補(bǔ)排氣原理類似，當(dāng)下一零件氣墊頂起力大于正在生產(chǎn)的這個零件的模具重量時則氣罐補(bǔ)氣，反之排氣。我們同樣選取頂蓋與前圍板兩個零件為代表進(jìn)行理論計算（見表3）。

從氣墊能力曲線（見圖2）可看出，氣罐空氣壓力可達(dá)到80N/cm2，已經(jīng)超出了我們設(shè)計所提供的60N/cm2，這是如何達(dá)到的呢？其實在20MN壓力機(jī)內(nèi)部自帶了一臺空壓機(jī)，其作用就是為首臺壓力機(jī)氣墊儲氣罐增壓。當(dāng)所需氣墊頂出力對應(yīng)空氣壓力機(jī)超出設(shè)計提供的60N/cm2，其余增壓部分則由壓力機(jī)本身提供的空壓機(jī)補(bǔ)充。

從2 0 M N氣墊能力曲線（20MN壓力機(jī)氣墊儲氣罐容積L3為9000L）得出，氣墊能力D與空氣壓力P的曲線方程

氣墊頂出力變化量

氣罐空氣壓力變化量

壓機(jī)氣墊儲氣罐需要需要加入的空氣量

其中L為氣墊儲氣罐容積。與平衡缸氣罐補(bǔ)氣計算過程相同，計算得出V氣墊=33.8 m3/h，因此生產(chǎn)線壓力機(jī)換模過程中所需總流量V=V平+V氣墊=283 m3/h。

表1　典型零件模具參數(shù)

圖1

表2　計算結(jié)果

表3　典型零件氣墊頂起力

圖2

（3）沖壓線自動化真空吸盤耗氣在沖壓線自動化生產(chǎn)過程中，沖壓件在各個設(shè)備之間輸送是通過機(jī)器人或機(jī)械手輸送，而與沖壓件直接接觸的抓取搬運(yùn)器具則是帶有真空吸盤的端拾器，簡而言之就是通過多個吸盤與沖壓件表面接觸抽成真空抓取的（見圖3）。

用壓縮空氣產(chǎn)生真空的原理如圖4所示。主要工作原理是文丘里效應(yīng)，即當(dāng)空氣吹過阻擋物時，在阻擋物背風(fēng)面上方端口附近氣壓相對較低，從而產(chǎn)生吸附作用并導(dǎo)致空氣流動。當(dāng)這個真空區(qū)靠近工件時會對工件產(chǎn)生一定的吸附作用。

真空吸盤所需壓縮空氣耗量。沖壓生產(chǎn)線真空吸盤產(chǎn)生真空是通過真空發(fā)生器產(chǎn)生的（真空發(fā)生器就是利用正壓氣源產(chǎn)生負(fù)壓的一種新型、高效、清潔、經(jīng)濟(jì)、小型的真空元器件，其使得在有壓縮空氣的地方，或在一個氣動系統(tǒng)中同時需要正負(fù)壓的地方獲得負(fù)壓變得十分容易和方便）。在機(jī)器人/機(jī)械手的臂上，安裝真空發(fā)生器，真空發(fā)生器與吸盤配合，進(jìn)行各種沖壓件吸附、搬運(yùn)。在生產(chǎn)過程中真空發(fā)生器可實現(xiàn)快速抽氣成真空、放氣、間歇工作等各種沖壓生產(chǎn)所需要情況。

在實際生產(chǎn)過程中，為確保端拾器抓取工件準(zhǔn)確、穩(wěn)定，每個機(jī)器人/機(jī)械手臂上都布置兩個真空發(fā)生器。本研究按照目前市場上成熟的并在沖壓生產(chǎn)中應(yīng)用較廣的真空發(fā)生器進(jìn)行耗氣量的計算(見表4)。

在沖壓生產(chǎn)中，機(jī)器人/機(jī)械手通過端拾器搬運(yùn)板料的工藝流程（以1個工序為例）：機(jī)器人等待→壓力機(jī)滑塊下行→沖壓生產(chǎn)→壓力機(jī)滑塊上行→機(jī)器人進(jìn)入壓力機(jī)取料（吸盤吸氣）→機(jī)器人抓取沖壓件向下一臺壓力機(jī)輸送→機(jī)器人進(jìn)入下一臺壓力機(jī)內(nèi)放料（吸盤排氣）→機(jī)器人返回等待。

在這個沖壓過程中，吸盤在取料前某一位置（機(jī)器人運(yùn)動軌跡的某一指定位置點）開始吸氣，在接觸工件后很短時間內(nèi)達(dá)到真空并可以將工件抓取，直至機(jī)器人將零件送至下一臺壓力機(jī)中間某一位置時，吸盤開始排氣，將零件放下，將吸氣時間定義為t1，排氣時間設(shè)定為t2。

一條沖壓生產(chǎn)線自動化生產(chǎn)1h時耗氣量L

L=K60SPM×n×(t1h1+t2h2)(10)

式中S P M——沖壓生產(chǎn)時每分鐘生產(chǎn)零件數(shù)量（取高速沖壓線節(jié)拍12件/min）；

n——一條沖壓線真空發(fā)生器的數(shù)量（4臺壓力機(jī)沖壓線為n=12）；

h1——吸盤吸取工件時真空發(fā)生器耗氣量；

h2——吸盤放件時真空發(fā)生器耗氣量；

k1——吸氣時間系數(shù)，取0.7；

k2——排氣時間系數(shù)，取0.2；

K——安全系數(shù)，取1.5。

經(jīng)計算，得出L=356.4m3。從以上計算數(shù)據(jù)可看出，氣墊與平衡缸的耗氣是發(fā)生在換模過程中，而自動化吸盤耗氣是發(fā)生在生產(chǎn)過程中，兩者使用壓縮空氣的時間完全不在一個時間段，因此在考慮整條生產(chǎn)線配置空壓機(jī)時只需考慮兩者其中耗氣量需求大的那個即可。經(jīng)比較本項目自動化耗氣量L大于氣墊與平衡缸耗氣量V，因此整線壓縮空氣耗氣量可取L。

圖3

圖4

表4　施邁茨真空發(fā)生器SXMPi30相關(guān)參數(shù)

3. 結(jié)語

通常，工廠建設(shè)初期階段，考慮廠區(qū)動力站房的設(shè)計，沖壓車間壓縮空氣耗量往往是由設(shè)備供應(yīng)商估算提供，但在實際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)站房設(shè)計過大，會造成一定浪費(fèi)。通過對自動化沖壓生產(chǎn)線在生產(chǎn)過程分解、理論分析并計算出各個部件的壓縮空氣使用耗量，最終得出綜合耗量，為汽車工廠沖壓車間的設(shè)計或改造項目提供了理論計算方法，不僅使工廠設(shè)計更加精益，更可減少工程曾經(jīng)出現(xiàn)過的設(shè)計中的浪費(fèi)。

20150708