冲压自动化生产线的改造及应用

全洪杰，李国臣，曹会元

（1.东莞市豪顺精密科技有限公司，广东东莞 523808；2.东莞职业技术学院，广东东莞 523808）

1 引言

五金冲压是最基础的制造业，直接体现了一个国家制造业水平的高低。冲压生产企业尤其是中小型企业普遍采用的是传统压力机加人工上下件的半自动冲压生产线。相比自动化生产线，人工冲压生产线普遍存在安全系数低、生产成本高、生产效率低、冲压件质量不稳定等缺点[1]。自动化冲压生产线取代传统人工冲压生产线已经成为自动化发展的大趋势。

2 公司当前状况

东莞市豪顺精密科技有限公司主要从事液晶模组背板，汽车五金件等模具设计的开发及制件冲压生产。液晶电视背板冲压生产一般需要6~7道工序，包括拉凸➝冲孔➝打刻印线➝折弯➝整形➝压毛刺。若制件需要安装，还需要增加铆接工序。自动化冲压生产线升级改造前，公司采用的“普通压力机+人工上下件”的生产方式，如图1 所示。冲压开始前，人工分离板材并放置于模具下模工作面，然后人工操作冲床按键，完成一个工序冲压后人工取件送往下一个工序。若背板制件需要铆接铆钉，还需要人工搬运成形后的背板到冲床进行铆接处理。可以看出，自动化生产线改造之前的冲压方式人力成本高且生产效率低下，人工作业的不稳定性导致制件合格率不高。同时大型电视背板平均重量高达4.8kg/件，传统人工生产若按每天10h生产3,000件背板计算，则每人每天平均需要搬运14,400kg的制件，较大的劳动强度导致生产线人员流动较大。

图1 人工冲压线示意图

在进行自动化冲压生产线改造之前，公司已经拥有近百台冲床设备，设置了13条冲压生产线，如果引进整条自动化生产线，不仅会造成原有设备的浪费，对公司财务也会造成很大的压力，所以在现有设备基础上进行生产线升级改造是较为实际的选择。

公司期望通过生产线自动化升级改造达到以下预期目标：

（1）公司通过持续多方位技术改造，并在3年内收回自动化产线投入成本。

（2）项目改造完成后，产能提高18%~20%，节能降耗15%以上。

（3）改造后制件合格率稳定保持在95%以上。

3 自动产线方案设计

3.1 自动化冲压生产线

随着国内外自动冲压生产技术的不断发展进步，目前国内冲压企业常用的自动化生产线包括传统冲压生产线，单机联线自动化冲压线，大型多工位压力机等。

近年来，单机联线自动化冲压线在国内发展迅速，势头强劲，成为自动化冲压生产的先进技术之一[2]。其常见配置是通过机械手或机器人将6~7台高自动化程度的压力机串联起来，并配备自动送料机，码垛机等辅助设备。它们既可以实现操作性好的单工序连续冲压，又可以通过多工位送料装置实现多工位连续冲压。制件冲压质量稳定可靠、柔性好、生产安全性能高且成本低，受到各大冲压生产企业的青睐。

大型多工位压力机是目前世界上最先进，最高效的板材冲压机[2]。它一般包括柴垛机，多工位压力机，自动送料系统和码垛系统。相比其他自动生产线，大型多工位压力机可以实现高度自动化并大幅度提高冲压生产效率，多用于大型覆盖件的冲压生产如汽车车身等。由于造价昂贵且柔性不及单机联线自动化生产线，国内很多汽车企业对此还比较排斥。

综上所述，考虑到一方面公司的制件为大型液晶电视背板，尺寸分布在29 寸~65 寸之间，另一方面公司现存上百台不同吨位的压力机，结合成本情况，公司选择单机联线的方式进行自动化冲压线改造。

3.2 送料系统选择

自动化送料系统是实现自动化冲压生产的基本要求和根本保证，合适的送料方式能显著提高自动化生产效率。目前，常见的送料系统主要包括3类：辊式送料系统，抓料机械手/机器人加搬运小车送料机构，活动式送料机械手[3]。

辊式送料系统是利用辊子与原材之间的摩擦力作为驱动力的送料装置，具有占地面积小，不局限材料类型尺寸等优点，常用于卷料运送。而公司购买原材一般是已经截好的板料，辊式送料并不适用。

抓料机械手加搬运小车送料机构一般包括上下料机械手和搬运小车，机械手负责抓取压力机或搬运小车上的物料，搬运小车主要用于控制物料运输速率，可以在其上对制件进行一些简单处理。该自动运送机构抓料机械手和送料小车结构类型多变，抓料机械手可以是旋转式，直线式，也可以是机器人，送料小车也可以是传送带或传送轨道。具体运料结构选取要综合考虑公司生产情况，设备情况就制件特点。该送料机构结构简单，稳定可靠，快速高效，在国内冲压企业得到广泛应用。

活动送料机械手可以方便地安装在两台压力机之间完成生产线的串联，具有柔性化高，效率高，成本低等优点。根据机械手运动轨迹可以分为旋转式机械手和直线式机械手。其中直线式机械手只有水平和竖直两个运动副，装在横杆两端的拾器随纵向运动抓取板料，然后随横向运动送进板料，最后横向复位，完成一个运动周期，直线式机械手结构简单，送料节拍快，生产柔性高，在单机联线自动化冲压改造中得到迅速推广。

3.3 同步控制

活动送料机械手可以方便地安装在两台压力机之间完成生产线的串联，具有柔性化高，效率高，成本低等优点[4]。根据机械手运动轨迹可以分为旋转式机械手和直线式机械手。其中直线式机械手只有水平和竖直两个运动副，装在横杆两端的拾器随纵向运动抓取板料，然后随横向运动送进板料，最后横向复位，完成一个运动周期，结构如图2所示。直线式机械手结构简单，送料节拍快，生产柔性高，在单机联线自动化冲压改造中得到迅速推广。

图2 直线式机械手

4 自动化系统的实现

综合上述分析，购置相应的生产设备，最终搭建自动化生产线如图3、图4 所示。前面提到由于公司背板制件要求不同且公司冲压生产线较多，所以自动化改造时针对制件进行了2种不同方式的改造。第一种方式如图3所示，在产线第一台压力机之前加装自动送料机，完成板材分离及送料，压力机之间加装直线式机械手完成两台压力机之间物料的运送。对于需要铆接螺钉的电视背板，铆接之前需要人工放置螺钉，若采用3 所示的生产线，一方面放置螺钉时间较长，会降低整体生产节拍，造成生产效率下降，另一个方面人工作业存在一定的安全隐患。根据实际情况，在图3 的基础上设计了图4 所示的自动化冲压产线，在铆接螺钉的冲床前加装了前后移载机或自动移送轨道，实现人机分离，安全作业。

图3 背板冲压自动化产线（无铆接）

图4 背板自动化冲压产线（含铆接）

5 总结

本文以液晶电视背板自动化冲压生产线升级改造为例，综合考虑企业成本、制件特点及生产状况，在冲压自动线生产上完成自动化，合理利用现有设备布局。通过自动化冲压生产线升级改造，每条生产线节省12 人，产能提升近一倍，制件不良率降低了75%。整体项目完成历时3 年，并在3 年内实现了投入成本回收，节能减耗15%以上，达到了减员增效提质的良好效果，为中小型冲压企业自动化生产线设计改造具有一定的借鉴意义。