浅谈对传统冲压单工序生产线的全自动化改造与应用

烟台三环锁业集团股份有限公司 林振庆 周峰

引言

随着我国的汽车工业由高速发展期进入稳健的缓慢发展期，在当前社会工业4.0和互联网+的影响下，汽车零部件生产制造行业也在逐步的向自动化方向发展，而汽车金属零部件中冲压类零件又占有相当大的比例，因此，对传统的单工序的冲床和小型冲压生产线进行自动化改造逐步的被提上议事日程。我公司经过一段时间的探索和实践，自主创新了一套对传统冲压机床进行自动化生产线改造的系统，经过不断的摸索和改进，现已实现批量生产。这一成果的完成，紧紧贴合了当前人工费用高涨的趋势下而实现的少人化生产，对进一步降低生产成本大有裨益。

1传统冲压机台及生产线

传统冲压即为我们常见的冲压加工方式，较常见的是单人工单机操作，传统冲压加工方式完全依赖人工取放料和操作机床，此方式人工成本高，劳动强度大，加工效率低、尺寸精度以及安全性等都不高。近几年，随着冲压零部件加工行业的发展，出现了部分单工序多机生产线、单机多工位机台以及单机连续模等冲压件加工方式，以上几种加工方式虽较单人工单机作业有一定的提升和改善，但始终需要人工在机台旁边或生产线内辅助操作和作业，面对日益严峻的用工难和用工贵的问题，对传统冲压机台及生产线进行自动化改造，实现全自动无人化生产就成为了我们研究和探索的课题。同时，我们在研究推进中也重点考量最小化的自动化改造资金投入，而实现全自动化的小型零件冲压自动化生产，以减少企业的前期投资。

2对传统冲压单工序生产线进行全自动化改造的方案

针对我公司现有的单工序机床配置情况，我们单独抽出两台单机冲床组成两工序冲压线，依托现有的机床现状，在生产线上自主设计增加自动化识别系统、自动化生产控制系统、探测系统等系列自动化设备，让生产线实现自动化生产。

（一）为了实现柔性化生产和快速切换的需求，我们在生产线的入口处设计了前端视频识别上料系统，该系统为独立的视频设别系统，安装于生产线的初始段，可根据对不同形状零件的前期导入而实现零件的一键切换，我司首批导入2个系列18种零件。（视频识别系统设计方案，如图1）

图1

（二）工位之间我们选用了工业机器人融入生产线进行零件的传输和运送，即，前端自动识别系统将零件识别后，由工业机器人抓取并初始定位，后序的机器人再将零件放入首工位的模具内定位，机器人放料结束后启动机床进行冲压加工，同样，后序的机器人将首序加工完的零件拿出再放入下一工位并启动机床加工，依次向后推进直到零件加工至最末工位。（设计方案如图2）

图2

就像人手操作一样，工业机器人完全替代了人工，整个生产线的运行由生产线控制系统对各分系统进行统一协调、指挥和控制，此控制系统由我司自主研制，设计初期对我们的现状进行了充分的调研，可靠的设计和量身打造的针对性的算法保证各部件统一有序进行作业，保证产线整体的稳定性及安全性，保证各部分相互协同实现全自动化无人生产。

（三）末端自动出料系统，末端自动出料系统即对产线加工完成的零件进行收集、计数、分箱、码垛等作业，当物料箱零件数量达到设定值时，传送带开始动作，满箱移走，空箱放入，实现无人作业。（设计方案如图3）

图3

改造后的生产线总体设计方案如图4所示：

图4

图5是设计确定后加工制作并安装到位的生产线实际情况图片，可以看出实际与设计基本一致，设计想法在实践中得到了高度的体现。

图5

3自动化生产线的应用及快速换模

（一）此生产线配置落地后，便是开始实践应用到批量生产中，我们前期共设计了2个系列18种零件在此生产线加工，第一期先导入1个系列7种零件。此7种零件形状各异，很难使用同一夹具拾取，若靠人工配合机器拾取则失去了全自动化加工的初衷，因此，设置和调试前端自动识别上料系统是第一个应用。前端如何在无人的情况下将杂乱无章的工序零件精准分料、拾取、传移并放入模具定位里，是我们首先第一步应用的目标。

可采用的分料装置有很多，比如：磁性分料器、震动盘、仿型夹具等，我们采用的是震动盘，由震动盘通过专用盘工装把无序的工件有序定向的进行初始识别排列。然后，工件通过传送带送到视觉识别设备的摄像头下，视觉识别系统对工件特性进行设别和捕捉，将工件捕捉信号传递给工业机器人进行工件拾取，至此，第一步的应用基本完成，经过调试，完全达到了设计预期。

为保证线体加工顺畅性并缩短生产节拍，我们在视觉识别后改善增加了定位中转台，通过小型号机器人协同实现快速抓取及工件在中转台上精准定位，这样改善后，工件传移机器人可以更快速更精确的将工件抓取并放入到模具定位中，有效的避免了偶尔零件放置不到位的情况。

（二）第二步是工业机器人传输传移系统的应用，根据我们现状的2工序生产线我们设置了2台六轴工业机器人组成的传输传移系统，通过在机器人手臂接口端设计增加辅助夹爪实现精准的取放料作业。调试应用过程中，机器人传输系统面临的最大的难点在于抓取作业不稳定和不顺畅，最严重的是无法抓取，其原因主要为：①冲压设备为现有的普通设备，机床老旧，台面空间小，滑块行程短、模具开闭高度不一致等问题，使机器人手臂在狭小的模腔进行抓取作业时空间受限，作业困难；②受工件和加工工序限制，工序间零件需角度转换或翻转，使得机器人抓取零件后放件作业困难，动作时间过长，造成生产线节拍缓慢，经济性降低。针对以上现状问题的深入分析，我们对工业机器人手臂末端进行了延长式的二次设计改造，增加手臂辅助夹具，新设计的延长夹具更小更薄，适合在狭小空间作业，二次优化改造后我们重新设立机器人原点，并在特定旋转角度下保证机器人手臂的精度，改造后，可以在不影响节拍的情况下解决机器人在原设备条件下取放件困难的问题。

（三）生产线末端自动出料系统的应用。零件在最末工位加工后，自动出料系统即对零件进行出料、探测、装箱、分箱等作业。因为我们的生产线加工的是小型冲压件，零件很容易滞留模具内，而造成工装模具夹具损坏等意外情况，所以我们在每个工位和生产线的末端设置了出料探测系统，出现未出料时会停止生产线并呼叫，同时，出料系统会对生产零件进行计数装箱和满箱换箱等自动作业。

（四）生产线自动化控制系统的应用。生产线控制系统做为自动化生产控制系统的核心，对整个自动化生产线有着至关重要的作用，此控制系统主要用来保证各分系统的协同作业，同时对整条自动化生产线的可靠性、安全性和生产效率有直接影响，它主要包括协同作业控制系统和安全防护控制系统两部分：①协同作业控制系统是对整个生产线自动化生产过程中各分系统协同作业进行控制，协同作业的稳定性及协同作业的效率决定了生产线的顺畅性和节拍，所以对协同作业进行动作分解、消除浪费是非常重要的，我们在应用调试的过程中也是重点关注这一方面；②安全防护控制系统是此自动化生产线安全运行的保障系统，对冲压生产线而言安全保障是头等大事，我们在各个卡口设置了多点位的传感器，所有的传感器都具有优先停止呼叫权，实现全方位的安全保证，确保生产运行过程的人身和设备安全。

（五）当下，国内外汽车零部件厂商大都面临订单不稳定、产品种类多且杂、订单批量由几百到几万变化多等问题。按精益理念设计的生产线具有高柔性和快换才可以应对以上问题，我公司从2008年开始跟随丰田汽车公司学习推进精益生产，十几年的推进经验教训告诉我们：生产线的生产方式选择小批量、多批次的精益生产方式，才能减少在库，才能应对订单波动，才能降低企业风险。因此，在生产线设计之初，我们就设想和考虑了生产线要具有柔性和快换的特征，以适应小批量多批次的生产方式。然而，自动化生产线往往柔性较差，如何在我们的自动化生产线实现快速换模和高柔性，是我们自动化改造的重要考虑事项。快速换模的核心是将内切换转变成外切换，然后再尽可能的缩短内切换，经过我们认真分析和思考，自动化生产线快速换模的挑战在两个方面：①如何保证产线内所有的零件在每次切换架模时都能处在同一位置？从而保证机器人能够正常抓取；②如何保证产线内所有的零件换模后，冲床滑块不需要做太大调整？于是，我们一方面对机床台面进行了改造，增加了模具定位基准；另一方面对模具进行标准化改造，增加快速定位接口，闭合高度一致化等，再增加快速压板，多措施并举实现了快换，经过现场实践换模可以5分钟内完成，有效的提升了自动化生产线的柔性。

4发展方向展望

我们通过对普通冲压机台的自动化生产线改造实践，实现了2工序小型冲压件的自动化批量生产，掌握和积累了对传统冲压机台的自动化改造思路和经验，紧紧贴合了当下工业4.0的发展步伐，自主创出了一套软硬件具备的自动化发展路径。下一步我们将继续推进更多工序、更复杂零件的传统单工序冲压加工的自动化改造。对传统的单工序冲床进行自动化改造是一条可行的路径，冲压自动生产线具有效率高、不停歇、过程稳定、安全系数高的特点，不但可以少人化、无人化生产，缓解人力短缺的压力，降低企业的用工成本，而且可以提高生产效率，稳定提升产品质量，使企业老旧的冲压设备焕发新的生机，为企业进一步降本增效作出贡献。随着社会的不断发展，科技力量的不断迭代，相信还会有更加先进的自动化手段投入到冲压加工行业中，届时我们也会紧跟步伐进行更深一级的尝试和探索。