陳培麗

（山東英才學(xué)院，山東 濟南 250104）

沖壓成形是金屬成形中最有效的工藝方法之一。通過沖壓設(shè)備一定強度的沖壓力，使模具中板件發(fā)生塑性變形，以此來獲得一定的形狀、大小和性能的產(chǎn)品組件。沖壓技術(shù)在汽車、航天、家電、五金、醫(yī)療器械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，沖壓產(chǎn)品亦成為制造業(yè)中不可或缺的必需品。

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，沖壓技術(shù)越發(fā)趨于高速度、自動化和柔性化[2]。為此，針對目前國內(nèi)大部分企業(yè)生產(chǎn)狀況，在已有設(shè)備上進行更經(jīng)濟、實用的設(shè)計改造，開發(fā)一種適用于中小企業(yè)大型壓力機沖壓生產(chǎn)的單機自動化上下料系統(tǒng)，以少量資金投入實現(xiàn)沖壓生產(chǎn)自動化，為資金較薄弱的中小企業(yè)探索生產(chǎn)線改造及自動化轉(zhuǎn)型過渡提供了可行性方案。

1 單機自動化上下料系統(tǒng)基本設(shè)計要求

根據(jù)加工沖壓件的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)方式、沖壓主機的結(jié)構(gòu)特點、客戶的生產(chǎn)要求以及現(xiàn)場的工藝條件，自主設(shè)計研發(fā)的單機自動化上下料系統(tǒng)需滿足以下設(shè)計要求：

（1）保證產(chǎn)品沖壓質(zhì)量。用于沖壓生產(chǎn)的汽車覆蓋件板件結(jié)構(gòu)尺寸通常較大，材料厚度為lmm左右，剛性較差，工人的搬運或操作中可能會造成一定變形和表面劃傷，增加產(chǎn)品廢品率。課題提出的單邊沖壓自動化上下料系統(tǒng)，取代人工送料上下料，減少人為操作不良率，可極大保護沖壓件生產(chǎn)質(zhì)量。

（2）提升效率，減少成本。企業(yè)原汽車覆蓋件沖壓生產(chǎn)線中，通常在壓機設(shè)備兩旁安排工人進行工件進給送料、定位加工等操作，小型件1～2人，中大型件通常4～5 人，生產(chǎn)效率低，節(jié)拍較不穩(wěn)定。單邊沖壓自動化上下料系統(tǒng)應(yīng)盡量減少人員配置，在滿足基本生產(chǎn)需求的同時，降低生產(chǎn)成本。

（3）合理工藝，提高柔性。工藝設(shè)計合理，布局設(shè)計占用工作空間和跨度盡可能小，以增強工件流動性，且能保證一定的清潔度和環(huán)保要求。單機自動化上下料系統(tǒng)能高效便捷地進行調(diào)試，盡可能適用不同類型汽車覆蓋板件沖壓加工，具有較強的通用性和較廣的適應(yīng)性，可為企業(yè)后續(xù)發(fā)展節(jié)約資金投入。

（4）自動化連續(xù)生產(chǎn)，增加產(chǎn)能，減輕勞動強度。沖壓加工的工件，最重的25kg 左右，人工連續(xù)搬運勞動強度大，訂單需求量大時，工人工作任務(wù)繁重。因此設(shè)計的單邊沖壓自動化上下料系統(tǒng)在減少人員配置的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)與壓力機自動配合工作，實現(xiàn)自動化連續(xù)生產(chǎn)，不需要人工操作機床和上下料，從而增加產(chǎn)能，降低工人勞動強度。

（5）沖壓生產(chǎn)安全性高。車間生產(chǎn)現(xiàn)場存在操作人員失誤、設(shè)備意外故障等安全隱患，因此需要對系統(tǒng)引入安全系數(shù)較高的控制系統(tǒng)[3]，盡可能排除一切安全隱患。

2 單機自動化上下料系統(tǒng)工藝流程

單機自動化上下料系統(tǒng)主要工藝流程如圖1 所示。

圖1 單機自動化上下料系統(tǒng)工藝流程圖

具體步驟為：①設(shè)備系統(tǒng)回歸原位。設(shè)備啟動生產(chǎn)前，保證壓力機處于原位，送料、上下料系統(tǒng)設(shè)備全部回歸原點；②料垛定位。通過叉車或行車將料垛板料放置在上料臺指定位置；③料垛分張。料垛在上料臺上通過磁力分張器進行單張分離，便于上料機械手端拾器抓取板料；④送料工序。送料機械手通過氣動端拾器，將板料從上料臺抓取至對中臺上；⑤板料定位工序。板料在進入壓力機模具前，在對中臺上完成一次對中，精確定位，確保上料機械手可準(zhǔn)確將板料放置于壓力機模具中，使板料與模具間有確定的位置關(guān)系；⑥上料工序。上料機械手接收信號通過電磁吸盤端拾器從對中臺上抓取板料至壓力機模具中，完成一次上料；⑦沖壓工序。壓力機接收信號，開始沖壓動作，完成工件的一次沖壓加工，液壓墊頂起；⑧落料放料工序。下料機械手接收信號從壓力機模具上抓取已加工工件至落料臺上，完成一次落料放料，一次沖壓生產(chǎn)完成。

3 方案分系統(tǒng)模塊

單機自動化上下料系統(tǒng)在14s 完成上下料任務(wù)，且還需要完成送料、對中定位等工作，時間要求緊，難度較大。

把工作空間分成六個部分，依次為：分張模塊、送料模塊、對中模塊、壓機模塊、上下料模塊、安全防護，如圖2 所示。

圖2 單機自動化上下料系統(tǒng)模塊圖

通過對系統(tǒng)進行工作空間分離[3]，使各生產(chǎn)工序同時進行，如在壓力機沖壓動作時，分張、送料、對中等工作可同時進行，壓力機沖壓動作完畢，下料桁架機械手開始取料，與對中上料同步，大大減少了時間浪費。各模塊包括：①分張模塊。上料臺、叉車或行車，磁力分張器；②對中模塊。對中臺、對中臺支架；③送料模塊。送料桁架機械手、送料機械手支架；④壓機模塊。YT28-1030 油壓機；⑤上下料模塊。上料桁架機械手、下料桁架機械手、牛頭支座、機械手桁架、落料臺；⑥安全防護。安全警報、安全圍欄、安全門。

由于工作空間分離，壓力機工作過程中，送料、對中等工作可同時進行，每次可轉(zhuǎn)移板料一件，沖壓完成工件一件，可提高工作效率，減少上料桁架機械手的運動次數(shù)。

4 具體布局設(shè)計

分析上述工藝流程和分系統(tǒng)模塊可得，沖壓生產(chǎn)的主體設(shè)備主要有上料臺、磁力分張器、對中臺、送料機械手、上料機械手、下料機械手、落料臺。

為了讓沖壓自動化上下料系統(tǒng)在使用過程中發(fā)揮最大的生產(chǎn)能力，在設(shè)計過程中，我們有必要對沖壓自動化上下料系統(tǒng)進行合理的布局和規(guī)劃?？傮w布局圖及尺寸圖如圖3、圖4 所示，總體效果圖如圖5 所示。具體布局設(shè)計步驟如下。

圖3 系統(tǒng)各模塊布局圖

圖4 總體布局具體尺寸圖

圖5 系統(tǒng)方案總體效果圖

（1）對車間現(xiàn)場實際工況和壓力機周邊場地進行現(xiàn)場考察，進行各模塊設(shè)備位置的合理安排和布局設(shè)計。首先根據(jù)壓力機的工人工作區(qū)域和模具更換方式，確定單側(cè)上下料布局方式；然后根據(jù)模具高度和滑塊行程，確定送料機械手桁架支座和上下料機械手桁架牛頭支座高度為1.85m；再根據(jù)廠方生產(chǎn)要求和桁架機械手的行程范圍，確定對中臺等其他設(shè)備的位置；電控箱等控制設(shè)備放置至合理位置，保證操作方便；最后進行干涉檢驗，避免機械手運動時與其他設(shè)備特別是壓力機發(fā)生任何干涉。

（2）規(guī)劃合理的配線路徑。按照各模塊控制實際要求和功率，根據(jù)配線的規(guī)格數(shù)量和現(xiàn)場實況，在路徑盡量短，盡量避免干擾源的情況下，合理規(guī)劃配線路徑，方便接線。

（3）簡單合理化電、氣連線布局。根據(jù)各模塊布局的位置，確定電和氣管的接口位置，保證合理簡單。

5 沖壓生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

5.1 沖壓生產(chǎn)工藝一般設(shè)計流程

依據(jù)產(chǎn)品樣式，分析工藝，審查制定方案，選擇模具類型、沖壓設(shè)備及傳輸方式，配置人員于各工序，最終完成工藝文件的編寫[6]。其設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 沖壓生產(chǎn)工藝設(shè)計流程圖

5.2 沖壓生產(chǎn)方式分析

沖壓板料通常借助外力使其變形而獲取所需指標(biāo)[5]，效率高，不需要對材料進行額外的切削加工，沖壓的工件輕薄均勻具有較高的強度，較其他加工方式具有無可比擬的優(yōu)勢，目前在制造業(yè)與重型工業(yè)生產(chǎn)加工方面應(yīng)用較為廣泛，比重較大。

沖壓工藝包括分離和成形兩大工序[7]。沖壓件則有一般沖壓件、覆蓋件、結(jié)構(gòu)件三種。單機自動化上下料系統(tǒng)沖壓生產(chǎn)件主要為汽車覆蓋件，尺寸偏大，具有較高精度，薄且形狀較復(fù)雜，表面質(zhì)量好，但多數(shù)不能一次成形，一般采用多工序模具生產(chǎn)，可在各生產(chǎn)工位間相互轉(zhuǎn)移[8]。

汽車覆蓋件材料多為冷軋鋼板，基本數(shù)據(jù)如表1所示，具有高強度、好的延展性，較抗撞擊且容易成形[6]。料垛數(shù)據(jù)如表2 所示。

表1 汽車覆蓋件板料數(shù)據(jù)

表2 汽車覆蓋件料垛數(shù)據(jù)表

5.3 沖壓主機結(jié)構(gòu)特點

壓力機主機為YT28-1030 油壓機，屬于框架式結(jié)構(gòu)，剛度好，精度高，其外形結(jié)構(gòu)如圖7 所示。由于四根立柱的干涉，只能從壓力機前后兩個方向進行上下料的工作。該機由于移動工作臺只能在一個方向移動，所以模具更換也只能在一側(cè)進行。機械手上料，利用壓機模塊間距，完成一次動作；沖壓結(jié)束，工人按下工作站按鈕。

圖7 YT28-1030 沖壓主機外形結(jié)構(gòu)示意圖

5.4 汽車覆蓋件生產(chǎn)工藝實例分析

以高鍛公司L0500440502A0 某車門左側(cè)B 柱內(nèi)板沖壓生產(chǎn)為例。坯料尺寸為1015mm×670mm×0.8mm，采用汽車覆蓋件常用材料冷軋板，深沖板ST16/0.8 材質(zhì)。成形過程中材料變薄率一般控制在20%以內(nèi)，超出該值則存在開裂風(fēng)險；成形后的零件可能會存在回彈變形，可在拉伸工序模具設(shè)計時考慮回彈補償來解決。其主要生產(chǎn)工序簡圖如圖8 所示。公司生產(chǎn)汽車覆蓋件，采用單機生產(chǎn)方式，現(xiàn)場生產(chǎn)狀況如圖9 所示，每一道工序，生產(chǎn)一個標(biāo)準(zhǔn)摞后，由物流人員轉(zhuǎn)送至下一道工序生產(chǎn)。該生產(chǎn)方式主要有以下幾個問題：

圖9 現(xiàn)場工作實況圖

（1）存在安全風(fēng)險。沖壓生產(chǎn)中，各工序為人工上下料，工人身體部分會伸入油壓機工作區(qū)域內(nèi)部，存在較大的安全隱患；

（2）沖壓件質(zhì)量不穩(wěn)定。人工上下料，出于運送時間、操作等因素的不同步性，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，易報廢；

（3）工人勞動強度高。每件汽車覆蓋件從冷板到?jīng)_壓加工成品，中間需要人工上下料4～5 次，以主要產(chǎn)品L0500440502A0 為例，按照班產(chǎn)量1000 件計算，每班所需搬運的總噸位為1000×8×15=120000（kg），即l20t；

（4）人均工裝成本高，生產(chǎn)效率低。例如L0500440502A0 沖壓件，每班生產(chǎn)1000 件，生產(chǎn)過程需要10 人，生產(chǎn)效率每人每班100 件，每小時費用為150 元/人，總共為1500 元；

（5）設(shè)備利用率低。以YT28-1030 油壓機為例，該設(shè)備多以汽車覆蓋件板料沖壓加工多，由于人工上下料，各個工序間存在一定的順序性，且每個工序生產(chǎn)加工能力不同，加之換模運料等時間耗費，導(dǎo)致若前期板料加工輸出慢，其他設(shè)備均會存在生產(chǎn)滯留現(xiàn)象。

6 單機沖壓自動化上下料系統(tǒng)實現(xiàn)方案

針對以上問題，從安全性、經(jīng)濟性、生產(chǎn)效率、自動化程度等方面考慮[9]，提出三種可選方案。

（1）方案一：YT28-1030 大型閉式油壓機+多軸送料機器人

通過長期的實踐與探索，黃河流域已初步形成以流域為單元，流域與區(qū)域相結(jié)合、水利與環(huán)保相聯(lián)合的黃河水資源保護管理體系，同時，黃河流域在構(gòu)建流域水功能區(qū)劃及水資源保護規(guī)劃體系、依法強化以入河排污口為重點的水功能區(qū)管理、積極探索水生態(tài)系統(tǒng)保護與修復(fù)、完善突發(fā)性水污染事件應(yīng)急機制、加強水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)、不斷提高水資源保護現(xiàn)代化水平和科技支撐能力等方面也取得了顯著成效。這些有益的探索，為形成有黃河流域特色的水功能區(qū)納污紅線管理模式打下了堅實的基礎(chǔ)。

工業(yè)領(lǐng)域機器人通常為四軸、六軸等，根據(jù)沖壓加工所選壓機，采用兩個、四個或六個自由度的多軸機器人對板料和沖壓件進行抓取，設(shè)置搬運機器人完成板料輸送與對中工作。

方案組成：上料臺，對中臺，上下料機器人，搬運機器人。

工作方式：壓力機一側(cè)設(shè)置有上料臺，對中臺，通過搬運機器人，輸送對中板料，上料機器人抓取對中臺板料送至壓力機模具正上方落料，壓力機一次沖壓動作，下料多軸機器人對沖壓件進行抓取落件，完成一次上下料工作。

特點：多軸機器人上下料運動精準(zhǔn)，編程方便，柔性高，運載能力較高，通常適合大批量生產(chǎn)使用。但其結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，節(jié)拍慢，成本較為昂貴，軌跡規(guī)劃復(fù)雜。

若針對中小企業(yè)，以高鍛公司為例，汽車覆蓋件生產(chǎn)品種多樣，中小批量，專門設(shè)計配用上下料機器人，費用極其昂貴，性價比并不高。因此綜合考慮，選擇應(yīng)用高效便捷、成本低、經(jīng)濟性好的機械手進行上下料工作最為合適。

經(jīng)調(diào)查比較，最終選用并設(shè)計了適合在大型設(shè)備上對大型板件進行搬運且可安裝在壓力機立柱上的桁架機械手，其結(jié)構(gòu)主要由框架、X 軸、Y 軸、Z 軸組件、工裝夾具以及控制柜六部分組成。具有以下特點：①效率高，各軸驅(qū)動可用伺服電機快速響應(yīng)，具有較高直線運行速度；②穩(wěn)定性好，重復(fù)性誤差極小，最高可達0.05mm；③強度高，可取代人工，連續(xù)不間斷地7×24h 工作；④精度高，定位精度可達0.02mm；⑤操作控制簡單，控制基于直角坐標(biāo)系較為簡便，運動參數(shù)簡單，操作易上手；⑥性價比高，相對于機器人上下料，負(fù)載重量較機器人大，設(shè)計制造成本低，中小型企業(yè)適用，符合中國智造的基本國情。

方案組成：上料臺，對中臺，前立柱支架，后立柱支架，送料支架，上料桁架機械手，下料桁架機械手，送料桁架機械手。

工作方式：壓力機立柱前后各安裝有前立柱支架和后立柱支架，分別裝有上料桁架機械手和下料機械手，進行上下料動作，送料桁架機械手安裝在送料支架上，上料時，送料桁架機械手抓取板料至對中臺，上料桁架機械手抓取對中臺板料送至壓機模具，壓力機完成沖壓動作，下料桁架機械手從壓力機另一側(cè)抓取已加工沖壓件落件，完成一次上下料工作。

特點：高效迅速，干涉少，控制方便容易，穩(wěn)定性高，操作簡便，成本較低。但占用空間大，對于部分小批量沖壓件加工，工人不方便手動操作，且一側(cè)換?？臻g狹小，所以綜合考慮選擇設(shè)計單邊上下料的自動送料系統(tǒng)是非常有必要的，且比較適合基本生產(chǎn)狀況。

（3）方案三：YT28-1030 大型閉式油壓機+單邊上下料機械手

方案組成：上料臺，對中臺，立柱支架，送料支架，上料桁架機械手，下料桁架機械手，送料桁架機械手。

工作方式：壓力機非換模一側(cè)安裝有一立柱支架，配合裝有兩個桁架機械手，一個上料桁架機械手，一個下料桁架機械手。上料時，送料桁架機械手動作抓取上料臺板料，并輸送至對中臺對中；上料桁架機械手至對中臺抓取已對中板料送至壓力機模具正上方落料；壓力機沖壓動作，完成后下料桁架機械手抓取已加工沖壓件落件，完成一次上下料工作。

特點：較方案二，本方案選擇在一側(cè)上下料，既節(jié)省了工作空間，為壓力機單側(cè)換模便利，又能夠?qū)嶋H生產(chǎn)中針對多品種有選擇的進行自動和手工上下料模式切換，且在同一根橫梁支架上動作，節(jié)省了一定的成本，具有較高的靈活性，高效穩(wěn)定，加工精度高，針對企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，較好的解決了人工上下料的弊端，節(jié)約了人工成本，以較低的成本和形式，實現(xiàn)了上下料自動化，提高了企業(yè)競爭力。

7 結(jié)論

本文對企業(yè)沖壓生產(chǎn)現(xiàn)狀進行考察分析，包括沖壓生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)方式及壓機結(jié)構(gòu)特點，并以汽車覆蓋件加工實例進行闡述，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)現(xiàn)存問題，針對單機提出取代人工上下料生產(chǎn)方式的自動化上下料方案，通過多種方案對比，提出最終可行性方案即方案三。該方案高效穩(wěn)定，靈活性高，成本低，較好地實現(xiàn)單機上下料自動化，為企業(yè)節(jié)省人工成本，提高企業(yè)綜合競爭力。