文／黨軍·陜西法士特汽車傳動(dòng)集團(tuán)有限公司

自動(dòng)化和智能化近年來逐漸成為制造業(yè)主流，很多公司根據(jù)自身情況，對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，或者全套引進(jìn)自動(dòng)化設(shè)備。無論是改造還是引進(jìn)，都是鍛造自動(dòng)化萬里長征的第一步，無論單工位或者多工位鍛造，整條生產(chǎn)線或者局部自動(dòng)化都是一個(gè)龐大的工程，需要對所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行信號(hào)收集及聯(lián)鎖監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對工件傳輸與設(shè)備控制的系統(tǒng)化整合。通過系統(tǒng)化整合減少人工、降低人力成本和提高生產(chǎn)效率，使生產(chǎn)工藝平穩(wěn)可控，最終保證產(chǎn)品質(zhì)量。

以我公司某條鍛造生產(chǎn)線為例，整條自動(dòng)化生產(chǎn)線主要包含備料、自動(dòng)上料、加熱爐加熱、自動(dòng)分選出料、壓力機(jī)自動(dòng)鍛造、自動(dòng)送料裝置（機(jī)械手和傳送帶配合）、自動(dòng)潤滑系統(tǒng)、余熱正火等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。根據(jù)多年的自動(dòng)化改造經(jīng)驗(yàn)，將制約現(xiàn)有自動(dòng)化線生產(chǎn)效率的因素總結(jié)，與大家分享。

精密下料

精密下料部分主要實(shí)現(xiàn)根據(jù)坯料的材質(zhì)選擇下料方式，應(yīng)確保坯料的重量和端面的質(zhì)量符合工藝要求，尤其坯料端面不能有毛刺和鋸屑且傾斜度不能超過1.5°，避免端面斜度大而產(chǎn)生折疊等缺陷，同時(shí)為自動(dòng)上料和后續(xù)鍛件充滿良好做好準(zhǔn)備，避免上料過程出現(xiàn)卡料等故障。精密下料是自動(dòng)化平穩(wěn)運(yùn)行的第一步，是產(chǎn)品一致性達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)，極大影響著自動(dòng)線生產(chǎn)效率。精密下料系統(tǒng)如圖1所示。

自動(dòng)上料和加熱系統(tǒng)

翻料機(jī)系統(tǒng)

精密下料后的坯料，通過傳送帶或者叉車，放入中頻感應(yīng)加熱爐的料箱翻斗內(nèi)，翻料機(jī)（圖2）根據(jù)階梯上料的料斗缺料信號(hào)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)將料送至階梯式自動(dòng)上料機(jī)。采取階梯上料方式；為確保能有效上料，上料過程最好配備打料系統(tǒng)或者料斗振動(dòng)系統(tǒng)，確保站立的坯料自動(dòng)剔除或倒下；在料斗內(nèi)坯料不夠時(shí)能自動(dòng)報(bào)警提示操作工進(jìn)行上料。

加熱爐前輸送系統(tǒng)

在傳送帶上坯料通過變頻夾料系統(tǒng)、氣缸推料、滾輪三種方式進(jìn)入加熱爐，如圖3所示。送料系統(tǒng)配備失速卡料報(bào)警裝置，來監(jiān)測坯料的運(yùn)行狀態(tài)，坯料正常運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測機(jī)構(gòu)發(fā)出穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，坯料傳輸過程中由于卡料或者傳輸不暢等因素導(dǎo)致坯料未能按設(shè)定的速度傳輸時(shí)，脈沖信號(hào)異常，與PLC連接的控制系統(tǒng)馬上報(bào)警并切斷中頻電源，系統(tǒng)報(bào)警或者停機(jī)，以確保坯料不會(huì)熔化在爐膛里，避免損壞打結(jié)爐襯。

穩(wěn)定的負(fù)反饋加熱爐加熱

自動(dòng)上料機(jī)夾輥輪或者氣缸將坯料送入加熱爐，棒料以連續(xù)均勻的速度通過加熱感應(yīng)線圈加熱至設(shè)定溫度。為確保生產(chǎn)的穩(wěn)定性，整條加熱爐必須實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋加熱，在出爐口安裝紅外測溫儀光電檢測探頭，進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度采集。當(dāng)溫度超過或者低于設(shè)定溫度時(shí)，PLC自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償電壓，確保坯料溫度的平穩(wěn)性。如果沒有負(fù)反饋系統(tǒng)，加熱爐很容易受到電網(wǎng)電壓波動(dòng)和附近設(shè)備啟停的影響，導(dǎo)致料溫不斷波動(dòng)，不能在要求的溫度內(nèi)鍛造，造成過熱或者欠溫。

進(jìn)、出爐分選系統(tǒng)

進(jìn)入爐膛前對坯料重量進(jìn)行分選，確保進(jìn)入加熱爐的坯料滿足工藝要求。爐膛出口設(shè)置測溫系統(tǒng)，但最好能實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)測溫，避免爐口測溫因坯料氧化導(dǎo)致誤差較大。坯料通過快速出料系統(tǒng)，經(jīng)過測溫系統(tǒng)傳輸信號(hào)給PLC，溫度顯示到觸摸屏上，比對后控制三路分選機(jī)構(gòu)（圖4）。加熱過的工件唯有經(jīng)過PLC判斷后，才能被過熱、欠溫、合格三路分選裝置分選流轉(zhuǎn)送至下步工序，高溫料和低溫料分別滑入各自的滑道，符合溫度要求的坯料進(jìn)入鍛造工序。

壓機(jī)自動(dòng)鍛造

⑴目前高能螺旋壓力機(jī)在國內(nèi)使用的比較多，大多通過工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)制坯、預(yù)鍛、終鍛成形；系統(tǒng)集成了壓力機(jī)、中頻加熱爐、工業(yè)機(jī)器人及自動(dòng)噴墨等設(shè)備(圖5)，該套系統(tǒng)必須具備完善的狀態(tài)信息查看及故障報(bào)警、顯示功能，能夠快速判斷故障并迅速解決。

⑵生產(chǎn)中，首先要保證坯料從加熱爐出來以符合要求的橫放或者豎放的狀態(tài)輸送到指定位置，該處位置不能隨意波動(dòng)，定位工裝需要考慮高溫環(huán)境，防止受熱變形影響定位，必須保證精準(zhǔn)定位，便于輸送裝置的夾爪夾持。

⑶自動(dòng)輸送裝置（機(jī)械手）或者機(jī)器人負(fù)責(zé)將棒料從指定位置裝入模腔，我們以目前大多數(shù)廠家給高能壓機(jī)配套的多工位模腔為例，第一工步型腔鍛造完后，鍛造機(jī)械手負(fù)責(zé)將鍛件從第一個(gè)型腔挪動(dòng)到第二個(gè)型腔和鍛造完后取出放到傳送帶上，鍛件自動(dòng)傳送到壓床工位指定位置。無論機(jī)械手還是機(jī)器人，相似件可以通用一種卡爪（卡爪通常還會(huì)有定位元件，用來確定工件在卡爪中的正確位置），差異大的件必須重做卡爪，每次更換品種的時(shí)候更換卡爪，將工件分類，盡量減少卡爪的投制量，同時(shí)設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮卡爪抓卡的部位，形狀簡單的水平飛邊可以考慮飛邊上下兩側(cè)，工件上有大面積裸露的可以考慮抓該部位，總之設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則就是考慮抓取位置的穩(wěn)定性。

⑷高能壓機(jī)必須保證鍛件可以頂出型腔，頂出必須具有保持功能，而且要求頂出的工件必須平穩(wěn)，每次的頂出狀態(tài)一致，這樣才可以確保機(jī)械手每次抓卡的位置一致，精準(zhǔn)傳輸。鍛件頂出的位置和高低需要技術(shù)人員根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)，以保證頂出的鍛件是平穩(wěn)有利于抓取的，否則機(jī)械手會(huì)因?yàn)樽トr(shí)受力不穩(wěn)而報(bào)警或者碰壞卡爪，造成生產(chǎn)延誤。

⑸整個(gè)鍛造過程是一個(gè)軟系統(tǒng)，每個(gè)步驟保證按PLC系統(tǒng)的設(shè)置進(jìn)行，對機(jī)器人運(yùn)行軌跡進(jìn)行編程，機(jī)器人的自動(dòng)啟動(dòng)、再啟動(dòng)和手動(dòng)操作時(shí)，必須確認(rèn)必要的操作條件，確保設(shè)備不損壞，避免發(fā)生人員傷亡事故。

自動(dòng)潤滑

脫模劑自動(dòng)噴涂系統(tǒng)（圖6），能夠根據(jù)鍛件形狀移動(dòng)噴嘴噴灑脫模劑及吹氣，在操控面板通過最合適潤滑和吹氣時(shí)間調(diào)整的組合，來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的噴涂。自動(dòng)噴涂系統(tǒng)和機(jī)器人與壓機(jī)實(shí)現(xiàn)互鎖，任何一個(gè)工作的時(shí)候其他都不可以動(dòng)作，機(jī)器人通過PLC集成，每次鍛造完成后，卡爪拿走鍛件，給自動(dòng)噴霧裝置信號(hào)，裝置運(yùn)動(dòng)到模具型腔進(jìn)行潤滑和冷卻，回位后給機(jī)器人信號(hào)，放料，開始新一輪的鍛造。在整個(gè)自動(dòng)潤滑的過程中，最關(guān)鍵的是脫模劑的選擇和潤滑噴灑的效果（圖7）。

切邊沖孔工序

鍛造完成后，鍛件通過傳輸帶傳輸?shù)綁捍哺浇?，并且?shí)現(xiàn)自動(dòng)定位，方便三軸擺臂手抓取，根據(jù)每個(gè)產(chǎn)品外形參數(shù)，選擇卡具，設(shè)置機(jī)械手運(yùn)行路線，先手動(dòng)操作，與壓床聯(lián)機(jī)，使雙方達(dá)到互鎖，等一切調(diào)試好后，可以使用自動(dòng)模式，通過機(jī)械手進(jìn)行抓取放置到?jīng)_孔切邊凹模上，切邊壓床進(jìn)行切邊沖孔，完成后鍛件掉到床下面，傳輸帶直接將鍛件傳到產(chǎn)品料箱，機(jī)械手取走飛邊放置飛邊箱內(nèi)，完成一個(gè)操作循環(huán)。

生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)

⑴控制系統(tǒng)采用PLC系統(tǒng)控制機(jī)器人、壓機(jī)等協(xié)調(diào)動(dòng)作，采用觸摸屏操作界面，進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定。主要參數(shù)包括：運(yùn)行程序設(shè)置、運(yùn)行速度、行程、控制權(quán)限等。

⑵自動(dòng)警示。整條生產(chǎn)線設(shè)備需要采用多處光電傳感技術(shù)，提醒操作人員及保障操作安全。自動(dòng)警示包括：送料缺料警示、機(jī)器人漏取料警示、機(jī)器人異常安全停機(jī)警示和壓床異常安全停機(jī)警示等。

⑶設(shè)備運(yùn)行模式。運(yùn)行模式采用自動(dòng)模式和手動(dòng)模式兩種，手工模式在調(diào)試時(shí)使用，自動(dòng)模式在整條線都具備實(shí)現(xiàn)工況的條件下開始使用。所有人員必須遵守安全規(guī)則，劃定機(jī)器人或者機(jī)械手運(yùn)行的范圍，在不確定安全狀態(tài)下嚴(yán)禁進(jìn)入，等設(shè)備調(diào)試順暢后，所有機(jī)械手運(yùn)行軌跡都要封閉。

⑷停止模式。1)切斷電源停止：通過關(guān)閉操作屏上電源按鈕或切斷設(shè)備電源。2)緊急停止：在發(fā)生事故時(shí)使用緊急停止按鈕，緊急停止按鈕必須裝在機(jī)械手附近，方便操作工以最快的時(shí)間停止設(shè)備，按下緊急停止按鈕后使機(jī)械手的所有動(dòng)作立即停止。

模具設(shè)計(jì)思路

自動(dòng)化模具設(shè)計(jì)必須考慮模具壽命，快速鍛造模具溫升過快，模具排水排氣，鍛件抓取等問題。鍛造工藝的設(shè)計(jì)，首先從鍛造圖出發(fā)，想象幾種可能的鍛造變形工序。對各變形工序的材料流動(dòng)以及所需噸位進(jìn)行計(jì)算分析后，設(shè)計(jì)模具、制模、試模、修模，最后應(yīng)用于生產(chǎn)。盡管鍛件的形狀千姿百態(tài)，但通過總結(jié)也不難發(fā)現(xiàn)所有的形狀都是由一些規(guī)則的變形樣式組合得到的，這些變形樣式可歸類為端面矯正（對于剪床下料）正擠壓、反擠壓、鐓粗、閉式鍛造、穿孔、各種精整加工以及上述簡單加工方法的組合。

⑴分體模具設(shè)計(jì)。

模具在加強(qiáng)熱處理和模具材料提升的前提下，在工藝設(shè)計(jì)方面相應(yīng)改進(jìn)，將容易磨損的部分、圓角要求較小導(dǎo)致殘余應(yīng)力大的模具部分做成小法蘭結(jié)構(gòu)直接替換，避免做整個(gè)模具鑲塊，這樣就大大減少了模具費(fèi)用方面的損失。為保證鑲塊的穩(wěn)定性，沖頭和鑲塊采用過盈配合，并且沖頭和內(nèi)孔采用數(shù)控機(jī)床加工，最大程度增加模具精密性。

⑵模具設(shè)計(jì)后的CAE模擬分析。

鍛造工藝數(shù)值模擬技術(shù)是一種較為先進(jìn)的成形工藝分析與優(yōu)化技術(shù)，能使工藝設(shè)計(jì)人員提早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，提高設(shè)計(jì)可靠性和準(zhǔn)確性。目前使用Creo4.0進(jìn)行了鍛件及模具的3D建模，然后利用DEFORM-3D v10.1進(jìn)行工藝的數(shù)值模擬，確保投入試制之前工藝方案的可靠性，使成形工藝參數(shù)趨于最優(yōu)。圖8是我們設(shè)計(jì)的一種深型腔法蘭件產(chǎn)品，通過模擬，找到了最佳的模具設(shè)計(jì)方案。

快速換模系統(tǒng)和快速換產(chǎn)系統(tǒng)

生產(chǎn)線配有快速換模系統(tǒng)，由換模小車、導(dǎo)軌和換模支撐臺(tái)組成，壓力機(jī)配有兩套模座，一套在壓力機(jī)上進(jìn)行鍛造，另一套可進(jìn)行組裝備用，通過這種更換方式，我們將大量的內(nèi)部換模作業(yè)轉(zhuǎn)化為外部作業(yè)，從而縮短設(shè)備停機(jī)時(shí)間，提高設(shè)備生產(chǎn)效率，如圖9所示。

自動(dòng)線上更換模具或者換產(chǎn)是輔助時(shí)間最長的，我們稱之為內(nèi)部作業(yè)時(shí)間。在生產(chǎn)過程中，我們努力將內(nèi)部作業(yè)時(shí)間轉(zhuǎn)化為外部作業(yè)時(shí)間。在我們初步投產(chǎn)時(shí)，換產(chǎn)調(diào)試一個(gè)產(chǎn)品的時(shí)間是6.5小時(shí)，經(jīng)過我們進(jìn)行快速換產(chǎn)SMED（圖10）項(xiàng)目后，換產(chǎn)時(shí)間下降到2.6小時(shí)，大大提高了設(shè)備的OEE。我們主要優(yōu)化了換產(chǎn)步驟和人員配置的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)和流程，模具安裝的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，內(nèi)外部作業(yè)區(qū)分轉(zhuǎn)化表等多項(xiàng)工作，將換產(chǎn)時(shí)間和更換模具時(shí)間大幅壓縮。圖11是換產(chǎn)過程中最大時(shí)間問題點(diǎn)分析和對策，逐一將最大時(shí)間進(jìn)行減少，來降低換產(chǎn)時(shí)間。

人才梯隊(duì)是自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的保障

自動(dòng)化降低了人的體力勞動(dòng)，但是對人員的綜合技能要求更高，為了讓自動(dòng)化線生產(chǎn)率提高，必須消除人為因素對生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的影響，提高設(shè)備穩(wěn)定性和一致性，更需要一支高素質(zhì)的自動(dòng)化設(shè)備保養(yǎng)維護(hù)團(tuán)隊(duì)，這個(gè)團(tuán)隊(duì)才是自動(dòng)化線提高生產(chǎn)效率的核心保障。人才的投資培養(yǎng)，甚至更重于設(shè)備的投入。一個(gè)自動(dòng)化高效率的生產(chǎn)，需要工藝技術(shù)人員、設(shè)備維護(hù)人員和熟練的操作技工互相配合。我公司采取自我培養(yǎng)和外部進(jìn)修的方式，自我培養(yǎng)從員工進(jìn)入公司之時(shí)就制定明確的培養(yǎng)計(jì)劃，打造機(jī)電一體的培養(yǎng)體系；對外進(jìn)行技能提高培訓(xùn)，加強(qiáng)與外部的學(xué)習(xí)和交流。

總結(jié)

工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)的鍛造行業(yè)是高危、高污、高溫行業(yè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)迫在眉睫，自動(dòng)化裝備代替人工，合理配置生產(chǎn)線，使其發(fā)揮最大效益，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)生產(chǎn)能力，最終推動(dòng)公司由“制造”向“智造”轉(zhuǎn)型。