文/資明庚·珠海格力電器股份有限公司

隨著我國自主工業(yè)裝備領(lǐng)域的快速發(fā)展，越來越多具備高性能的自動化設(shè)備實現(xiàn)了國產(chǎn)化，這為推動我國制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了基礎(chǔ)性的生產(chǎn)力保障，作為制造業(yè)的典型代表，鈑金加工行業(yè)一直都受益于此。但與世界先進水平相比，我國制造業(yè)在自主創(chuàng)新、資源利用率、信息化程度等方面仍存在差距，而市場需求的日益多樣化，不僅要求設(shè)備有較高的生產(chǎn)力水平，而且要求整個生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)具備較高的柔性化與快速切換能力，這就導(dǎo)致自動化設(shè)備在生產(chǎn)過程中不得不停機等待切換、高頻次的物流轉(zhuǎn)運以及過多的人工干預(yù)等低效問題，造成整個工廠生產(chǎn)成本處于較高水平。

為解決鈑金加工過程中存在的上述問題，以鈑金折彎加工為例，通過開發(fā)集成智能立體庫與多邊折彎中心相結(jié)合的鈑金全自動折彎生產(chǎn)單元，可以運用現(xiàn)場總線進行通信，集成PLC 控制系統(tǒng)，鏈接MES 生產(chǎn)過程中信息化管理系統(tǒng)，其加工流程如圖1 所示。鈑金全自動折彎生產(chǎn)單元是信息化、自動化、智能化技術(shù)與多邊折彎加工技術(shù)交叉融合應(yīng)用的具體體現(xiàn)，以實現(xiàn)折彎生產(chǎn)全流程自動化、信息化為核心，是計劃排程、生產(chǎn)作業(yè)、質(zhì)量檢驗、倉儲物流等各環(huán)節(jié)優(yōu)化和整合的一種高效折彎加工制造模式。

圖1 加工單元生產(chǎn)流程簡圖

集成方案設(shè)計

智能化方案設(shè)計以多邊折彎中心為基礎(chǔ)，通過WCS 自動化立體庫來實現(xiàn)原材料與半成品的自動化對接倉儲，立體庫信息化接口數(shù)據(jù)系統(tǒng)實時將原材料坐標、尺寸、材質(zhì)等基本信息傳輸?shù)蕉噙呎蹚澲行目刂葡到y(tǒng)；應(yīng)用離線編程軟件對相應(yīng)訂單零件的設(shè)計圖紙進行折彎機器語言加工程序生成，并由內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的專用共享文件傳輸?shù)組ES 系統(tǒng)進行程序管理；使用ERP、PDM 系統(tǒng)進行訂單的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，MES系統(tǒng)從ERP 獲取訂單，通過TOC 條件約束等算法進行工序加工分解，自動排程到對應(yīng)的線體機臺，同步從PDM 系統(tǒng)獲取相應(yīng)工序的圖文加工信息；折彎加工首個零件后，MES 系統(tǒng)質(zhì)檢管理推送檢驗需求到轄區(qū)質(zhì)檢員，檢驗合格后繼續(xù)進行加工直至完成，MES 訂單管理上報完工并同步將半成品入庫需求下達到智能立體庫，由立體庫自動對接半成品入庫。

整個生產(chǎn)過程中，各設(shè)備、光電裝置通過現(xiàn)場總線與PLC 進行信號交換，由PLC 控制系統(tǒng)集中處理發(fā)出自動化設(shè)備的動作指令，各設(shè)備之間配合緊密，高效運作，MES 信息化管理系統(tǒng)對訂單進行高效合理分解排程，減少生產(chǎn)切換次數(shù)，并對訂單加工信息進行記錄，對圖文、程序、質(zhì)檢、設(shè)備狀態(tài)等關(guān)鍵生產(chǎn)信息進行集中管理，多邊折彎中心依托自動化立體庫實現(xiàn)原材料及半成品的高效周轉(zhuǎn)，形成了高效的鈑金智能化折彎加工單元應(yīng)用方案，主要配置如圖2 所示，方案最終實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化、信息化和智能化相融合，達到降低運營成本，縮短生產(chǎn)周期，減少不合格率的目的。

圖2 加工單元主要配置示意圖

控制系統(tǒng)與硬件配置

加工單元控制系統(tǒng)交互

智能鈑金折彎加工單元由自動化硬件裝置與智能化控制系統(tǒng)組成。自動化硬件裝置包括原材料自動對接臺車、原材料自動上料裝置、多邊折彎機、零件自動導(dǎo)出裝置、光電防護裝置5 個功能模塊，其中多邊折彎機由控制臺、中心操作機、自動換模裝置、液壓電力控制系統(tǒng)和加工平臺組合而成。

加工單元各硬件裝置通過PLC 進行信號集成控制，控制系統(tǒng)包括MES+WCS+折邊控制系統(tǒng)交互模塊、光電防護+折邊控制系統(tǒng)模塊、轉(zhuǎn)運臺車控制+立體庫智能調(diào)度模塊、自動上料控制+折邊控制系統(tǒng)模塊4 個控制模塊。各控制模塊以折邊控制系統(tǒng)為中心，依據(jù)設(shè)備折邊運行需求發(fā)出各功能的運行指令，是智能化加工過程實現(xiàn)的基礎(chǔ)，而MES+WCS+折邊控制系統(tǒng)交互模塊則是加工單元實現(xiàn)智能化加工的核心所在。

全自動多邊折彎中心

多邊折彎機是集成方案的中心設(shè)備，其在制造業(yè)中的成功應(yīng)用，極大地提高了我國機床設(shè)備加工制造的能力。折彎設(shè)備分為單邊折彎機和多邊柔性折彎機，兩者最大的區(qū)別在于生產(chǎn)效率不同，多邊折彎機能夠?qū)崿F(xiàn)一次形成多邊柔性彎曲，加工效率是普通單邊折彎加工的3 倍，單邊彎曲則需要工人在折彎一邊后調(diào)整到另一個方向再進行折彎。

多邊折彎機包括上料裝置、穿梭輸送裝置，折邊主機、操作機和出料裝置等。操作機位于折邊主機正前方，自動上、下料系統(tǒng)分別位于數(shù)控板料折邊機的左右兩側(cè)。自動上、下料裝置和穿梭輸送裝置與立體庫自動對接原材料，代替人工將板材或者工件定位到加工位置，并實現(xiàn)零件的自動輸入、輸出到工作臺；操作機對加工板材進行壓緊、折彎送料；折邊主機按照程序的機器語言代碼完成板材彎曲成形工作。多邊折彎機通過高精密的零件加工控制、特殊工藝模具表面處理、折邊模具運行軌跡特殊控制等技術(shù)手段，保證了高效、高品質(zhì)的鈑金零件加工生產(chǎn)，多邊折彎中心如圖3 所示。

圖3 多邊折彎中心

折邊過程中通過電伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制折邊梁運動，能夠?qū)崿F(xiàn)折邊梁高速響應(yīng)和快速曲線運動，折邊動作快速精準，整機采用全電伺服閉環(huán)控制，精準高效，可減少人工干預(yù)，智能安全生產(chǎn)，實現(xiàn)鈑金加工自動化升級和批量化生產(chǎn)。生產(chǎn)過程中零件有不同的成形特征，需通過多種折彎模具切換來實現(xiàn)，為解決頻繁的模具切換問題，多邊折彎機采用萬能通用折彎模具，能夠?qū)崿F(xiàn)多厚度尺寸零件折邊、疊邊、臺階等復(fù)雜工藝的一次加工成形，涉及的折彎工藝包括正折、反折、無痕折圓弧、壓死邊、異形加工等，萬能模具的應(yīng)用實現(xiàn)了設(shè)備高柔性加工，其折彎方式如圖4 所示。自動換模裝置由中間避讓模、標準段模、離合移動裝置、旋轉(zhuǎn)插片裝置等部分組成，具有折邊避讓伸縮和長度自動調(diào)整兩大功能，以便實現(xiàn)不同尺寸盒類零件的折彎加工。

圖4 萬能模具折彎方式示意圖

由于材料的屈服變形，折彎尺寸也會因此受到影響，為保障折彎尺寸精度，需對零件折彎邊進行折彎系數(shù)補償，多邊折彎中心采用折彎補償自適應(yīng)系統(tǒng)替代人工調(diào)整參數(shù)，實現(xiàn)柔性自動化折彎，經(jīng)過編程的折彎中心能夠?qū)崿F(xiàn)金屬薄板的自動折彎，控制系統(tǒng)根據(jù)檢測的金屬薄板厚度自動計算折彎補償值，很好地保證了零件的尺寸精度，又減少了人工調(diào)整的工時投入。

原材料自動上料裝置

自動上料功能是折邊單元與立體庫實現(xiàn)原材料自動對接的基礎(chǔ)，消除了人工搬運原材料的操作，立體庫自動對接上料裝置如圖5 所示。開啟MES 與折邊單元聯(lián)機運行后，MES 在進行訂單任務(wù)派工到折邊單元的同時，也將對應(yīng)訂單所需的標準規(guī)格原材料信息同步到智能立體庫調(diào)度中心，由調(diào)度中心按照出庫任務(wù)順序，匹配到在庫所需原材料托盤的信息并將該信息自動下達到出庫任務(wù)，此時只需確認機床可正常加工該任務(wù)，對應(yīng)的原材料托盤則送到機床的原材料接料口，由自動上料臺車對接取回原材料托盤。

圖5 立庫自動對接上料裝置

上料臺車將原材料托盤移送到自動上料位，自動上料時為適用不同板材的上料，對上料吸盤進行分區(qū)控制，避免板材的空吸現(xiàn)象。板材分離裝置安裝在上料機械手上，在取料的同時先將板材的一角掀起，抬起板材并不斷抖動將板材分離的一整套動作，仿真人工分離。吸料完成后進行自動測厚，測厚主要是為再次確認原材料與訂單需求原材料一致，避免誤加工。最后，原材料通過上料吸盤移送到輸送滾輪平臺，由帶夾鉗的移動穿梭車將板料運送到折彎操作機的定位處，操作機配合萬能模具，按照編程代碼進行自動折彎。

自動化立體庫的應(yīng)用

自動化立體庫是折邊單元持續(xù)輸出的補給站，更是實現(xiàn)全自動化折彎生產(chǎn)的重要保障，傳統(tǒng)的原材料流轉(zhuǎn)方式需要人工搬運、占地存放等流程，采用自動化立體庫技術(shù)，實現(xiàn)材料的出入庫自動化、材料倉儲立體化、材料信息化管理、設(shè)備交互聯(lián)動等，整體加工效率提升、人力成本降低、生產(chǎn)過程管理更加準確高效。

立體庫主體由貨架、操作控制系統(tǒng)、堆垛起重機、出入庫工作臺組成。通過鋼結(jié)構(gòu)搭建設(shè)計好的標準尺寸貨位空間，貨架之間的巷道中巷道堆垛起重機穿行完成存、取貨工作。立體庫的運行方式有兩種，手動操作控制和自動運行控制，手動操作一般在設(shè)備檢修、異常處理時使用，而自動控制模式則需要WCS 系統(tǒng)來實現(xiàn)，驅(qū)動自動化立體庫系統(tǒng)使各設(shè)備裝置運行則需采用現(xiàn)場總線通信與PLC集成的方式來實現(xiàn)，立體庫中心監(jiān)控系統(tǒng)如圖6 所示。

圖6 立體庫中心監(jiān)控系統(tǒng)界面

自動化立體庫與折彎單元采用TCP/IP 的通信方式，自動化立體庫負責進行指令的接收和執(zhí)行。雙方的通信信息包括折彎單元的動作指令、請求發(fā)送、指令接收和執(zhí)行命令終端的回應(yīng)。集成系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)中的通信方式是：主計算機通過在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中心控制室的監(jiān)控CRT 系統(tǒng)，執(zhí)行倉庫管理事務(wù)，如發(fā)出存貨控制、貨物入庫及載運指令，同時執(zhí)行倉庫設(shè)備和儲存貨物的管理。

自動化立體庫的出入庫任務(wù)來自于手工下單或MES 系統(tǒng)自動開工、報工時的出入庫需求單，開工時鈑金原坯料由堆垛機根據(jù)指令運送到折邊單元原材料接料口，運輸完成后WMS 系統(tǒng)自動對庫位信息進行更新維護。

折彎加工單元的智能化生產(chǎn)過程

MES 系統(tǒng)計劃自動排程

訂單自動派工是實現(xiàn)折彎單元智能化加工過程的前提，而MES 系統(tǒng)又是車間生產(chǎn)管理的主要信息化系統(tǒng)，因此，基于特定的邏輯約束，開發(fā)MES 系統(tǒng)自動排程模塊，通過MES 系統(tǒng)即可實現(xiàn)訂單自動排程到折彎單元，基于約束條件的折彎計劃排程如圖7 所示。考慮到車間整體效率最大化與自動化設(shè)備利用率最大化，MES 系統(tǒng)需統(tǒng)籌整個車間的生產(chǎn)計劃，訂單按照多種排列組合方式進行優(yōu)化排程，折彎單元的訂單排程邏輯之一是基于原材料的料厚進行約束管理，以減少折彎刀具的切換。折彎單元的生產(chǎn)訂單信息包括零件材質(zhì)、數(shù)量、尺寸規(guī)格與編碼、圖文信息、程序信息、工藝流信息、加工工時等生產(chǎn)所必需的信息數(shù)據(jù)。

圖7 基于約束條件的折彎計劃排程

折彎單元的生產(chǎn)任務(wù)采用一備一用，即MES 系統(tǒng)為其同時指派兩個訂單，前一個訂單為在制訂單，后一個為預(yù)備訂單，在制訂單完工后，預(yù)備訂單則自動轉(zhuǎn)為在制訂單，同時MES 與WCS 交互模塊調(diào)度立體庫下達原材料出庫任務(wù)及上個訂單原材料入庫任務(wù)，進行加工前準備，通過訂單原材料交叉出入庫程序設(shè)定，可減少內(nèi)部切換時間，提高設(shè)備稼動率。折彎單元具備自動對接上料裝置、自動化換模及萬能模具、自動折邊功能，加工過程中無需人工干預(yù)，因此，其生產(chǎn)訂單由MES 系統(tǒng)依據(jù)TOC 約束理論設(shè)定的產(chǎn)能限制條件，應(yīng)用優(yōu)先級順序邏輯篩選出批量、非首次加工的零件訂單，且按照立體庫原材料進行任務(wù)排序。

折彎單元的生產(chǎn)加工過程

多邊折彎加工單元接到MES 系統(tǒng)派發(fā)的生產(chǎn)任務(wù)后，對應(yīng)的加工程序也一并通過系統(tǒng)自動導(dǎo)入，操作人員只需核對加工程序的參數(shù)、確認生產(chǎn)環(huán)境安全、啟動該訂單的生產(chǎn)即可，此時設(shè)備將按照程序NC 代碼進行加工。若訂單涉及的零件存在特殊工藝，系統(tǒng)將在加工前對零件進行識別，以排程到其他能加工該特征的設(shè)備。

MES 系統(tǒng)在收到加工單元啟動該訂單任務(wù)加工信息反饋時，同步派發(fā)對應(yīng)訂單的原材料出庫任務(wù)給立體庫WCS 調(diào)度系統(tǒng)，立體庫穿梭車則將對應(yīng)原材料托盤運輸?shù)郊庸卧恿吓_車對接位，此時多邊折彎加工單元接到原材料到貨信息，系統(tǒng)調(diào)度臺車進行取料加工，接下來整個加工過程將無需人工干預(yù)，加工完自動進行零件輸送分區(qū)，依次完成訂單加工。

系統(tǒng)以單個訂單為周期，對整個加工單元狀態(tài)信息進行記錄，直到訂單完成，過程中自動進行報工、完工，加工集成信息化看板，方便管理者進行過程管理。

結(jié) 束 語

智能化鈑金加工單元是一種自動化與信息化相融合的高效生產(chǎn)應(yīng)用模式，基于自動化立體庫的智能多邊折彎單元，通過信息化集成控制的方式，充分發(fā)揮了自動化設(shè)備的加工優(yōu)勢，減少了生產(chǎn)過程中的人員投入與物流斷點，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程智能化管理，是企業(yè)整合資源進一步提升生產(chǎn)力的重要途徑。