居躍峰

（上海通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201201）

0 引言

隨著汽車、家電、航空等行業(yè)的高速發(fā)展，我國板材加工設備、加工工藝均有了長足進步。據(jù)不完全統(tǒng)計，轎車零部件中40%以上是金屬板材沖壓件[1]，由此可見沖壓裝備在汽車工業(yè)中的重要地位。

沖壓裝備自動化主要指材料供給、送料系統(tǒng)、換模、沖床的調(diào)整與運轉(zhuǎn)、沖壓過程中的檢測報警系統(tǒng)等作業(yè)過程自動化，將這些技術應用到?jīng)_壓生產(chǎn)流水線的相應環(huán)節(jié)從而實現(xiàn)沖壓生產(chǎn)過程的自動化。本文從壓力機、自動送料系統(tǒng)和機器人搬運系統(tǒng)三個方面，闡述沖壓裝備自動化的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。

1 壓力機應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1.1 傳統(tǒng)大型沖壓生產(chǎn)線

車身覆蓋件和車身結(jié)構件是汽車板材沖壓件的主體，主要加工設備是大型沖壓生產(chǎn)線。20 世紀70年代以前，大型沖壓生產(chǎn)線通常以一臺雙動拉延機械壓力機與數(shù)臺單動機械壓力機為主機，主機之間設置一個工件翻轉(zhuǎn)裝置，采用人工或機械的上下料方式，組成機械化或半機械化流水生產(chǎn)線。這種典型配置在國外汽車工業(yè)中使用了近半個多世紀。在我國，90%的現(xiàn)存沖壓生產(chǎn)線屬于這一階段的產(chǎn)品[2]。90年代后期，為了克服傳統(tǒng)機械壓力機在合模時沖擊速度過高、公稱力不能及時達到而無法沖壓深拉延件的缺陷，我國新建大型沖壓生產(chǎn)線的拉深壓力機開始采用多連桿技術，其主要優(yōu)點是：①拉延過程中滑塊速度慢且均勻，空行程運行速度快，生產(chǎn)效率高；②拉延深度大，最大深度可達320mm，而傳統(tǒng)壓力機只有70mm 左右；③用較小的偏心距實現(xiàn)較大的滑塊行程，更便于上下料操作；④拉延過程沖擊力小，有利于提高模具使用壽命和零件成形質(zhì)量。

1.2 單機聯(lián)線自動化沖壓線

近年來，單機聯(lián)線自動化沖壓線在國內(nèi)外競相發(fā)展，成為汽車大型覆蓋件自動化沖壓生產(chǎn)的先進工藝技術之一，而且發(fā)展勢頭強勁。其通常配置為5～6 臺壓力機，配有拆垛、上下料機械手、穿梭翻轉(zhuǎn)小車和碼垛系統(tǒng)等，全線長度60m 左右。具有沖壓質(zhì)量穩(wěn)定可靠、生產(chǎn)安全性高和柔性好等特點。由于上、下工位壓力機的間距大，工件傳輸效率較低，生產(chǎn)節(jié)拍一般為6～9spm。單機聯(lián)線自動化沖壓技術占用資金較少，適合于多車型、小批量、高質(zhì)量的大型覆蓋件的沖壓生產(chǎn)。在我國，經(jīng)過近年來的新建和傳統(tǒng)沖壓聯(lián)線自動化改造，現(xiàn)存約10%的沖壓生產(chǎn)線屬于該類型[2]。

近10年來，國外著名壓力機供應商在全自動關鍵技術上又取得很大進展并得到成熟應用，如全自動換模系統(tǒng)、拉伸墊數(shù)字控制技術和功能完善的觸摸屏監(jiān)控技術等，使單機聯(lián)線生產(chǎn)效率逐年提升。其中，全自動換模系統(tǒng)只需要操作人員在觸摸屏上設置好模具號，模具更換的全過程由壓力機自動完成，整個過程最多需要5min。全自動換模系統(tǒng)的主要功能包括：①平衡器與氣墊壓力自動調(diào)整功能；②裝模高度、氣墊行程自動調(diào)整功能，定位調(diào)整精度達0.1mm；③模具自動夾緊、放松功能；④高速移動工作臺自動開進開出功能。

目前，國內(nèi)的濟南二機床集團在上述關鍵技術上也有所突破，代表了我國汽車沖壓生產(chǎn)線的技術水平[3]。

1.3 大型多工位壓力機

大型多工位壓力機是目前世界上最先進、最高效的板材沖壓設備，代表了目前車身覆蓋件沖壓成形的最高水平和發(fā)展方向。大型多工位壓力機一般由拆垛機、大型壓力機、自動送料系統(tǒng)和碼垛系統(tǒng)等組成。其生產(chǎn)節(jié)拍可達16～25spm，是手工送料流水線的4～5 倍，是單機聯(lián)線自動化生產(chǎn)線的2～3 倍，具有生產(chǎn)效率高、制件質(zhì)量高的特點，特別適合大批量沖壓生產(chǎn)。據(jù)美國精密鍛壓協(xié)會統(tǒng)計，美國三大汽車公司680 多條沖壓線中有70%為多工位壓力機；日本在美國的35 條沖壓線中有24 臺多工位壓力機，占69%；日本國內(nèi)的250 條沖壓線中，有80 多條多工位壓力機，占32%[4]。

在我國，由于大型多工位壓力機結(jié)構復雜，造價昂貴，占用資金非常大，并且柔性不及單機聯(lián)線自動化線，目前能夠用于大型覆蓋件沖壓的多工位壓力機還是空白。

1.4 其他壓力機

上述壓力機主要是應用于汽車外覆蓋件的沖壓設備。除此之外，目前國外還有一些壓力機正處在研究和應用的前沿領域，如伺服壓力機和高速壓力機等。以日本小松為代表的廠商已經(jīng)制造出市場化的伺服壓力機產(chǎn)品，其與常規(guī)壓力機相比具有以下優(yōu)勢：①滑塊行程按需調(diào)整，完全消除無效行程，生產(chǎn)效率超高；②運行過程實時調(diào)整滑塊狀態(tài)，精確到微米級，抑止產(chǎn)品毛刺出現(xiàn)，精度超高；③運行噪聲大幅降低，過程振動也大幅減少，模具壽命提高，噪聲超低；④可以設定滑塊速度曲線和下死點停留等工藝需要的特殊工作模式，柔性超高；⑤無離合器，驅(qū)動部件較少，潤滑油與電力損耗少，節(jié)能效果超強[5]。高速壓力機主要滿足精密小型電子零件的沖壓需求。日本電產(chǎn)京利、山田、愛西施等廠商的產(chǎn)品已經(jīng)在生產(chǎn)中得到廣泛應用，沖壓節(jié)拍一般在800～1500spm。目前沖壓節(jié)拍為4000spm 的超高速壓力機已經(jīng)被開發(fā)出來[6]。

2 自動送料系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

隨著工業(yè)發(fā)展對沖壓生產(chǎn)效率、精度、安全等方面提出的更高需求,沖壓手工送料已逐步被自動化送料系統(tǒng)所取代,這也是實現(xiàn)多工位沖壓的根本要求。

2.1 機械手自動化送料系統(tǒng)

對于單機聯(lián)線自動化沖壓線，采用機械手送料系統(tǒng)是實現(xiàn)聯(lián)線自動化的一種可行方案。其主要由數(shù)控上料手、取料機械手和穿梭小車組成，相鄰兩臺壓力機間的輸送單元主要包括以下機構：①一個取料機械手配備對應工件的真空吸盤式端拾器，將工件從上位壓力機中取出并放置在穿梭小車上；②一個穿梭小車沿著壓力機間的固定軌道，將工件輸送到下位壓力機的上料手位置；③一個上料機械手配備對應工件的真空吸盤式端拾器，將工件從穿梭小車取出并放置到下位壓力機中。上述自動化送料系統(tǒng)結(jié)構復雜，維修工作量大。德國舒勒公司在最新一代用于擺桿式多工位壓力機上的擺動橫桿式輸送機（Swingarm-Transfer）的基礎上開發(fā)出快速橫桿式輸送系統(tǒng)（SpeedBar），如圖1 所示。這種輸送系統(tǒng)結(jié)構簡單，輸送效率高，可以實現(xiàn)模具和端拾器在單機聯(lián)線自動化沖壓線與多工位壓力機之間的互換[7]。國內(nèi)已有主機廠采用這一自動送料系統(tǒng)，為國內(nèi)沖壓生產(chǎn)技術與歐美汽車工業(yè)接軌奠定了基礎。

圖1 舒勒SpeedBar 進料系統(tǒng)

2.2 多工位壓力機自動送料系統(tǒng)

多工位送料系統(tǒng)是一個類似移動臂的裝置，主要作用是把沖壓件從一個工位移到另一個工位。多工位送料移動桿沿著模區(qū)移動，它們是主要結(jié)構件，移動沖壓件的端拾器就安裝在這些結(jié)構件上。在汽車沖壓車間，根據(jù)送料的傳動方式，多工位送料系統(tǒng)主要有：機械送料、電子送料和組合式送料[8，9]。

圖2 舒勒多工位壓力機CrossBar 送料系統(tǒng)

根據(jù)工件的輸送方式不同，多工位壓力機送料系統(tǒng)又可分為三坐標式和真空吸盤式。近年來，隨著多工位壓力機“同時出多件”的工藝需求，真空吸盤式自動送料系統(tǒng)得到更多應用[10]。如日本小松公司的新型多工位壓力機，較多采用真空吸盤式送料系統(tǒng)；德國舒勒公司廣泛采用的橫桿式“CrossBar”也屬于這種方式（如圖2 所示）。

3 機器人搬運系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

由于單機聯(lián)線自動化在側(cè)圍等大型覆蓋件沖壓生產(chǎn)中的獨特優(yōu)勢，其與多工位壓力機共存發(fā)展的局面將長期存在。其中，六軸機器人技術日趨完善，成本越來越低，使用也越來越普及，其高度柔性越來越顯示出其優(yōu)越性。更多沖壓線開始配備機器人自動化搬運系統(tǒng)。在機器人自動化系統(tǒng)中，作為自動化輸送系統(tǒng)的主要部分，機器人主要完成板料拆垛、各壓機間的自動上下料、板件傳送翻轉(zhuǎn)等工作，以取代繁重、危險的人工操作。機器人通過控制系統(tǒng)保持與壓機的隨動和連鎖，完成機器人的運動控制、氣動與真空系統(tǒng)監(jiān)控及安全防護等。機器人的末端安裝有端拾器，用于執(zhí)行抓取板件的功能。由于板件為薄壁件，適合采用真空吸附的工作原理抓取，真空吸盤布置在高強度合金或碳纖維材料制成的端拾器支架上，吸盤數(shù)量及其布置方式依據(jù)具體的板件而定。氣路控制系統(tǒng)帶有真空度檢測傳感器，通過檢測吸盤內(nèi)真空度判斷板件是否吸附到位、搬運過程中板件是否掉落等。端拾器的結(jié)構與板件外形有關，因此不同板件與不同工位均需配置不同的端拾器。舒勒的橫桿機器人是為機械式和液壓式?jīng)_壓線提供的最新自動化設備（圖3）。它將經(jīng)過實際檢驗的、可靠的機器人技術與橫桿技術的優(yōu)勢結(jié)合在一起。該系統(tǒng)包括一臺常規(guī)機器人，這臺機器人通過一根縱向軸及舒勒端拾器支架擴展了兩根附加軸。水平移動沿安裝在壓力機立柱上的縱向軸進行。編程可在機器人控制面板上方便地進行。

圖3 舒勒公司的CrossBar 橫桿機器人

近年來，為克服六軸機器人搬運過程中板件的抖動，進一步提高生產(chǎn)效率，機器人搬運系統(tǒng)開發(fā)出了旋轉(zhuǎn)七軸和端拾器自動更換技術[11]。旋轉(zhuǎn)七軸技術是在機器人第六軸上加裝一個伺服控制旋轉(zhuǎn)臂，實現(xiàn)工件在上下工位壓力機間搬運過程中的平移，避免了以往工件因180°旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的抖動與脫落，便于機器人搬運過程的提速。端拾器自動更換技術是在全自動換模過程中，機器人控制系統(tǒng)根據(jù)操作人員輸入的模具號實現(xiàn)的：①原端拾器在旋轉(zhuǎn)臺上的自動定置和接頭自動放松；②旋轉(zhuǎn)臺180°轉(zhuǎn)動，原端拾器轉(zhuǎn)出工作區(qū)域，新端拾器轉(zhuǎn)入工作區(qū)域；③機器人與新端拾器接頭自動夾緊，迅速回到工作原點待命。整個過程在全自動換模過程中完成，大大縮短了非生產(chǎn)工時，提高了整線的生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語

伴隨電子技術的發(fā)展，聯(lián)機、聯(lián)線、聯(lián)網(wǎng)等技術得到了充分應用，我國金屬板材沖壓裝備自動化技術得到長足發(fā)展。

（1）單機聯(lián)線自動化沖壓線與大型多工位壓力機是當今大型沖壓裝備自動化技術發(fā)展的兩大趨勢。但是用于大型覆蓋件沖壓的多工位壓力機在我國汽車工業(yè)中的應用幾乎是空白，這是我國沖壓裝備業(yè)與歐美發(fā)達國家的主要差距。

（2）經(jīng)過近年來的新建和改造，我國現(xiàn)有沖壓線中約10%實現(xiàn)了單機聯(lián)線自動化，部分線采用了SpeedBar 或旋轉(zhuǎn)七軸機器人等先進輸送系統(tǒng)，為國內(nèi)沖壓生產(chǎn)技術與歐美汽車工業(yè)接軌奠定了基礎。

（3）鑒于我國汽車工業(yè)生產(chǎn)集中度較低、新車型換代越來越頻繁的客觀事實，未來幾年，單機聯(lián)線自動化沖壓線仍是發(fā)展主力，用于大型覆蓋件沖壓的多工位壓力機可能會在中外合資汽車廠率先應用。

[1]王春生.沖壓工藝設備的技術進步與發(fā)展[J].機械工人（熱加工），2006，（12）：10.

[2]中國鍛壓學會，編.2004（上海）中國國際金屬板材切割、沖壓、成形、制作會議論文集[C].中國鍛壓協(xié)會，2004.

[3]莊宇昀，徐 輝.沖壓線的發(fā)展[J].一重技術，2005，（4）：20-22.

[4]北京機電研究所.鍛壓[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[5]（日）小松產(chǎn)機株式會社，編.小松產(chǎn)機產(chǎn)品技術樣本.2004.

[6]（日）電產(chǎn)京利株式會社，編.電產(chǎn)京利產(chǎn)品技術樣本.2004.

[7]季曉明.快速橫桿式（SpeedBar）自動化輸送系統(tǒng)[J].機械工人，2005，（4）：14-16.

[8]徐 剛，魯 潔，黃才元.金屬板材沖壓成形技術與裝備的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].鍛壓裝備與制造技術，2004，39（4）：16-22.

[9]江天華，劉顏輝，周 英.多工位壓力機電子送料技術[J].鍛壓機械，2002，37（3）：3-5.

[10]上海舒勒壓力機有限公司，編.舒勒公司產(chǎn)品技術樣本.2008.

[11]上海ABB 工程有限公司，編.ABB 機器人產(chǎn)品技術樣本.2008.