煙臺三環(huán)鎖業(yè)集團(tuán)股份有限公司 林振慶 周峰

引言

隨著我國的汽車工業(yè)由高速發(fā)展期進(jìn)入穩(wěn)健的緩慢發(fā)展期，在當(dāng)前社會工業(yè)4.0和互聯(lián)網(wǎng)+的影響下，汽車零部件生產(chǎn)制造行業(yè)也在逐步的向自動化方向發(fā)展，而汽車金屬零部件中沖壓類零件又占有相當(dāng)大的比例，因此，對傳統(tǒng)的單工序的沖床和小型沖壓生產(chǎn)線進(jìn)行自動化改造逐步的被提上議事日程。我公司經(jīng)過一段時間的探索和實(shí)踐，自主創(chuàng)新了一套對傳統(tǒng)沖壓機(jī)床進(jìn)行自動化生產(chǎn)線改造的系統(tǒng)，經(jīng)過不斷的摸索和改進(jìn)，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。這一成果的完成，緊緊貼合了當(dāng)前人工費(fèi)用高漲的趨勢下而實(shí)現(xiàn)的少人化生產(chǎn)，對進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本大有裨益。

1傳統(tǒng)沖壓機(jī)臺及生產(chǎn)線

傳統(tǒng)沖壓即為我們常見的沖壓加工方式，較常見的是單人工單機(jī)操作，傳統(tǒng)沖壓加工方式完全依賴人工取放料和操作機(jī)床，此方式人工成本高，勞動強(qiáng)度大，加工效率低、尺寸精度以及安全性等都不高。近幾年，隨著沖壓零部件加工行業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了部分單工序多機(jī)生產(chǎn)線、單機(jī)多工位機(jī)臺以及單機(jī)連續(xù)模等沖壓件加工方式，以上幾種加工方式雖較單人工單機(jī)作業(yè)有一定的提升和改善，但始終需要人工在機(jī)臺旁邊或生產(chǎn)線內(nèi)輔助操作和作業(yè)，面對日益嚴(yán)峻的用工難和用工貴的問題，對傳統(tǒng)沖壓機(jī)臺及生產(chǎn)線進(jìn)行自動化改造，實(shí)現(xiàn)全自動無人化生產(chǎn)就成為了我們研究和探索的課題。同時，我們在研究推進(jìn)中也重點(diǎn)考量最小化的自動化改造資金投入，而實(shí)現(xiàn)全自動化的小型零件沖壓自動化生產(chǎn)，以減少企業(yè)的前期投資。

2對傳統(tǒng)沖壓單工序生產(chǎn)線進(jìn)行全自動化改造的方案

針對我公司現(xiàn)有的單工序機(jī)床配置情況，我們單獨(dú)抽出兩臺單機(jī)沖床組成兩工序沖壓線，依托現(xiàn)有的機(jī)床現(xiàn)狀，在生產(chǎn)線上自主設(shè)計增加自動化識別系統(tǒng)、自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)、探測系統(tǒng)等系列自動化設(shè)備，讓生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

（一）為了實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)和快速切換的需求，我們在生產(chǎn)線的入口處設(shè)計了前端視頻識別上料系統(tǒng)，該系統(tǒng)為獨(dú)立的視頻設(shè)別系統(tǒng)，安裝于生產(chǎn)線的初始段，可根據(jù)對不同形狀零件的前期導(dǎo)入而實(shí)現(xiàn)零件的一鍵切換，我司首批導(dǎo)入2個系列18種零件。（視頻識別系統(tǒng)設(shè)計方案，如圖1）

圖1

（二）工位之間我們選用了工業(yè)機(jī)器人融入生產(chǎn)線進(jìn)行零件的傳輸和運(yùn)送，即，前端自動識別系統(tǒng)將零件識別后，由工業(yè)機(jī)器人抓取并初始定位，后序的機(jī)器人再將零件放入首工位的模具內(nèi)定位，機(jī)器人放料結(jié)束后啟動機(jī)床進(jìn)行沖壓加工，同樣，后序的機(jī)器人將首序加工完的零件拿出再放入下一工位并啟動機(jī)床加工，依次向后推進(jìn)直到零件加工至最末工位。（設(shè)計方案如圖2）

圖2

就像人手操作一樣，工業(yè)機(jī)器人完全替代了人工，整個生產(chǎn)線的運(yùn)行由生產(chǎn)線控制系統(tǒng)對各分系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、指揮和控制，此控制系統(tǒng)由我司自主研制，設(shè)計初期對我們的現(xiàn)狀進(jìn)行了充分的調(diào)研，可靠的設(shè)計和量身打造的針對性的算法保證各部件統(tǒng)一有序進(jìn)行作業(yè)，保證產(chǎn)線整體的穩(wěn)定性及安全性，保證各部分相互協(xié)同實(shí)現(xiàn)全自動化無人生產(chǎn)。

（三）末端自動出料系統(tǒng)，末端自動出料系統(tǒng)即對產(chǎn)線加工完成的零件進(jìn)行收集、計數(shù)、分箱、碼垛等作業(yè)，當(dāng)物料箱零件數(shù)量達(dá)到設(shè)定值時，傳送帶開始動作，滿箱移走，空箱放入，實(shí)現(xiàn)無人作業(yè)。（設(shè)計方案如圖3）

圖3

改造后的生產(chǎn)線總體設(shè)計方案如圖4所示：

圖4

圖5是設(shè)計確定后加工制作并安裝到位的生產(chǎn)線實(shí)際情況圖片，可以看出實(shí)際與設(shè)計基本一致，設(shè)計想法在實(shí)踐中得到了高度的體現(xiàn)。

圖5

3自動化生產(chǎn)線的應(yīng)用及快速換模

（一）此生產(chǎn)線配置落地后，便是開始實(shí)踐應(yīng)用到批量生產(chǎn)中，我們前期共設(shè)計了2個系列18種零件在此生產(chǎn)線加工，第一期先導(dǎo)入1個系列7種零件。此7種零件形狀各異，很難使用同一夾具拾取，若靠人工配合機(jī)器拾取則失去了全自動化加工的初衷，因此，設(shè)置和調(diào)試前端自動識別上料系統(tǒng)是第一個應(yīng)用。前端如何在無人的情況下將雜亂無章的工序零件精準(zhǔn)分料、拾取、傳移并放入模具定位里，是我們首先第一步應(yīng)用的目標(biāo)。

可采用的分料裝置有很多，比如：磁性分料器、震動盤、仿型夾具等，我們采用的是震動盤，由震動盤通過專用盤工裝把無序的工件有序定向的進(jìn)行初始識別排列。然后，工件通過傳送帶送到視覺識別設(shè)備的攝像頭下，視覺識別系統(tǒng)對工件特性進(jìn)行設(shè)別和捕捉，將工件捕捉信號傳遞給工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行工件拾取，至此，第一步的應(yīng)用基本完成，經(jīng)過調(diào)試，完全達(dá)到了設(shè)計預(yù)期。

為保證線體加工順暢性并縮短生產(chǎn)節(jié)拍，我們在視覺識別后改善增加了定位中轉(zhuǎn)臺，通過小型號機(jī)器人協(xié)同實(shí)現(xiàn)快速抓取及工件在中轉(zhuǎn)臺上精準(zhǔn)定位，這樣改善后，工件傳移機(jī)器人可以更快速更精確的將工件抓取并放入到模具定位中，有效的避免了偶爾零件放置不到位的情況。

（二）第二步是工業(yè)機(jī)器人傳輸傳移系統(tǒng)的應(yīng)用，根據(jù)我們現(xiàn)狀的2工序生產(chǎn)線我們設(shè)置了2臺六軸工業(yè)機(jī)器人組成的傳輸傳移系統(tǒng)，通過在機(jī)器人手臂接口端設(shè)計增加輔助夾爪實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的取放料作業(yè)。調(diào)試應(yīng)用過程中，機(jī)器人傳輸系統(tǒng)面臨的最大的難點(diǎn)在于抓取作業(yè)不穩(wěn)定和不順暢，最嚴(yán)重的是無法抓取，其原因主要為：①沖壓設(shè)備為現(xiàn)有的普通設(shè)備，機(jī)床老舊，臺面空間小，滑塊行程短、模具開閉高度不一致等問題，使機(jī)器人手臂在狹小的模腔進(jìn)行抓取作業(yè)時空間受限，作業(yè)困難；②受工件和加工工序限制，工序間零件需角度轉(zhuǎn)換或翻轉(zhuǎn)，使得機(jī)器人抓取零件后放件作業(yè)困難，動作時間過長，造成生產(chǎn)線節(jié)拍緩慢，經(jīng)濟(jì)性降低。針對以上現(xiàn)狀問題的深入分析，我們對工業(yè)機(jī)器人手臂末端進(jìn)行了延長式的二次設(shè)計改造，增加手臂輔助夾具，新設(shè)計的延長夾具更小更薄，適合在狹小空間作業(yè)，二次優(yōu)化改造后我們重新設(shè)立機(jī)器人原點(diǎn)，并在特定旋轉(zhuǎn)角度下保證機(jī)器人手臂的精度，改造后，可以在不影響節(jié)拍的情況下解決機(jī)器人在原設(shè)備條件下取放件困難的問題。

（三）生產(chǎn)線末端自動出料系統(tǒng)的應(yīng)用。零件在最末工位加工后，自動出料系統(tǒng)即對零件進(jìn)行出料、探測、裝箱、分箱等作業(yè)。因?yàn)槲覀兊纳a(chǎn)線加工的是小型沖壓件，零件很容易滯留模具內(nèi)，而造成工裝模具夾具損壞等意外情況，所以我們在每個工位和生產(chǎn)線的末端設(shè)置了出料探測系統(tǒng)，出現(xiàn)未出料時會停止生產(chǎn)線并呼叫，同時，出料系統(tǒng)會對生產(chǎn)零件進(jìn)行計數(shù)裝箱和滿箱換箱等自動作業(yè)。

（四）生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用。生產(chǎn)線控制系統(tǒng)做為自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)的核心，對整個自動化生產(chǎn)線有著至關(guān)重要的作用，此控制系統(tǒng)主要用來保證各分系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)，同時對整條自動化生產(chǎn)線的可靠性、安全性和生產(chǎn)效率有直接影響，它主要包括協(xié)同作業(yè)控制系統(tǒng)和安全防護(hù)控制系統(tǒng)兩部分：①協(xié)同作業(yè)控制系統(tǒng)是對整個生產(chǎn)線自動化生產(chǎn)過程中各分系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)進(jìn)行控制，協(xié)同作業(yè)的穩(wěn)定性及協(xié)同作業(yè)的效率決定了生產(chǎn)線的順暢性和節(jié)拍，所以對協(xié)同作業(yè)進(jìn)行動作分解、消除浪費(fèi)是非常重要的，我們在應(yīng)用調(diào)試的過程中也是重點(diǎn)關(guān)注這一方面；②安全防護(hù)控制系統(tǒng)是此自動化生產(chǎn)線安全運(yùn)行的保障系統(tǒng)，對沖壓生產(chǎn)線而言安全保障是頭等大事，我們在各個卡口設(shè)置了多點(diǎn)位的傳感器，所有的傳感器都具有優(yōu)先停止呼叫權(quán)，實(shí)現(xiàn)全方位的安全保證，確保生產(chǎn)運(yùn)行過程的人身和設(shè)備安全。

（五）當(dāng)下，國內(nèi)外汽車零部件廠商大都面臨訂單不穩(wěn)定、產(chǎn)品種類多且雜、訂單批量由幾百到幾萬變化多等問題。按精益理念設(shè)計的生產(chǎn)線具有高柔性和快換才可以應(yīng)對以上問題，我公司從2008年開始跟隨豐田汽車公司學(xué)習(xí)推進(jìn)精益生產(chǎn)，十幾年的推進(jìn)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)告訴我們：生產(chǎn)線的生產(chǎn)方式選擇小批量、多批次的精益生產(chǎn)方式，才能減少在庫，才能應(yīng)對訂單波動，才能降低企業(yè)風(fēng)險。因此，在生產(chǎn)線設(shè)計之初，我們就設(shè)想和考慮了生產(chǎn)線要具有柔性和快換的特征，以適應(yīng)小批量多批次的生產(chǎn)方式。然而，自動化生產(chǎn)線往往柔性較差，如何在我們的自動化生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)快速換模和高柔性，是我們自動化改造的重要考慮事項(xiàng)。快速換模的核心是將內(nèi)切換轉(zhuǎn)變成外切換，然后再盡可能的縮短內(nèi)切換，經(jīng)過我們認(rèn)真分析和思考，自動化生產(chǎn)線快速換模的挑戰(zhàn)在兩個方面：①如何保證產(chǎn)線內(nèi)所有的零件在每次切換架模時都能處在同一位置？從而保證機(jī)器人能夠正常抓取；②如何保證產(chǎn)線內(nèi)所有的零件換模后，沖床滑塊不需要做太大調(diào)整？于是，我們一方面對機(jī)床臺面進(jìn)行了改造，增加了模具定位基準(zhǔn)；另一方面對模具進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化改造，增加快速定位接口，閉合高度一致化等，再增加快速壓板，多措施并舉實(shí)現(xiàn)了快換，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)踐換?？梢?分鐘內(nèi)完成，有效的提升了自動化生產(chǎn)線的柔性。

4發(fā)展方向展望

我們通過對普通沖壓機(jī)臺的自動化生產(chǎn)線改造實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了2工序小型沖壓件的自動化批量生產(chǎn)，掌握和積累了對傳統(tǒng)沖壓機(jī)臺的自動化改造思路和經(jīng)驗(yàn)，緊緊貼合了當(dāng)下工業(yè)4.0的發(fā)展步伐，自主創(chuàng)出了一套軟硬件具備的自動化發(fā)展路徑。下一步我們將繼續(xù)推進(jìn)更多工序、更復(fù)雜零件的傳統(tǒng)單工序沖壓加工的自動化改造。對傳統(tǒng)的單工序沖床進(jìn)行自動化改造是一條可行的路徑，沖壓自動生產(chǎn)線具有效率高、不停歇、過程穩(wěn)定、安全系數(shù)高的特點(diǎn)，不但可以少人化、無人化生產(chǎn)，緩解人力短缺的壓力，降低企業(yè)的用工成本，而且可以提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定提升產(chǎn)品質(zhì)量，使企業(yè)老舊的沖壓設(shè)備煥發(fā)新的生機(jī)，為企業(yè)進(jìn)一步降本增效作出貢獻(xiàn)。隨著社會的不斷發(fā)展，科技力量的不斷迭代，相信還會有更加先進(jìn)的自動化手段投入到?jīng)_壓加工行業(yè)中，屆時我們也會緊跟步伐進(jìn)行更深一級的嘗試和探索。